1.2 Аналіз існуючих систем контролю параметрів свердловин, які експлуатуються за допомогою шгну.

Якщо до недавнього часу контроль роботи свердловин здійснювався в основному за допомогою переносних діагностичних комплексів, які складаються, як правило, з накладного динамографа і ехолота, то в останній час з'явилася тенденція до масового оснащення свердловин стаціонарними системами телекерування. Сучасні вимоги до автоматизації об'єктів нафтовидобутку зумовлюють доцільність встановлення стаціонарних систем телединамометріювання. Стаціонарна система автоматизації включає в себе давачі технологічних параметрів, станцію управління з контролером і радіомодемом для двосторонньої передачі інформації.

Такі системи можуть працювати автономно, все керування електроприводом насоса (включення, відключення, зміна швидкості коливань) проводиться автоматично контролером або дистанційно з диспетчерського пункту, забезпечуючи виконання таких обов'язкових функцій як:

- контроль технологічних параметрів свердловини і насоса;

- автоматизація керування електроприводом ШГНУ;

- оптимізація режимів експлуатації свердловини;

- оперативне виявлення аварійних і ненормальних режимів роботи обладнання;

- передача оперативної інформації про стан об'єкта на диспетчерський пункт по телеметричним каналах зв'язку.

За виміряною динамограмою контролер аналізує режим роботи і стан насосного обладнання та розраховує продуктивність свердловини. За даними ваттметрування контролюються струми і напруги по кожній фазі, ведеться технічний облік споживаної електроенергії, оцінюється збалансованість приводу ШГНУ, здійснюється захист від перенапруження і перекосу фаз та інших факторів.

Основним елементом системи автоматизації установки ШГН є давач динамометрування, так як саме він дозволяє отримати інформацію, необхідну для аналізу стану об'єкта та режиму його роботи.

Давачі зусилля можуть встановлюватися в наступних місцях:

1. безпосередньо на штоку (накладні давачі);

2. на штоку між траверсами;

3. на штоку між верхньою траверсою і замками;

4. на балансирі .

Всі чотири способи установки давачів зусилля умовно показані на рисунку 1.5.

Вибір місця розташування давача зусилля зумовлено, як правило, бажанням отримати найбільшу чутливість для конкретного типу давача, вимогами до простоти його конструкції і зручністю монтажу.

Рисунок 1.5 - Місця встановлення давачів зусилля на СКН:

1-безпосередньо на штоку; 2 - між траверсами;

3-між верхньою траверсою і замками; 4 - на балансирі

Встановлені на балансирі давачі зусилля вимірюють деформацію балансира, що дозволяє непрямим чином судити про діюче на полірований шток зусилля.

Однак, давачі зусилля, що встановлюються на балансирі, не забезпечують необхідну точність вимірювання зусилля в штоку через ряд причин: принцип дії таких давачів заснований на вимірюванні деформації згину балансира, який виготовляється з великим запасом міцності (що зменшує чутливість давача), величина деформації балансира СКН залежить не тільки від прикладеного до нього навантаження, але і від температури навколишнього середовища, конструкції СКН, матеріалу самого балансира, а також, для приведення результатів вимірювання до абсолютних одиниць, потрібне проведення калібрування давача безпосередньо на СКН.

Накладні давачі на полірованому штоці вимірюють повздовжню або поперечну деформацію штока і також не можуть дати інформацію по абсолютних значеннях навантаження і тому не використовуються в стаціонарних системах.

Давачі, що розміщуються над верхньою траверсою, сприймають навантаження на шток безпосередньо, і, отже, забезпечують максимальну чутливість визначення зусилля. На рисунку 1.6 показаний чутливий елемент давача зусилля типу «Loadtrol» фірми «Lufkin» (США). Перевагою давача з чутливим елементом у вигляді пустотілого циліндра є, перш за все, простота конструкції. Однак монтаж подібних давачів передбачає практично повне розбирання траверси, що є дуже трудомісткою операцією.

Рисунок 1.6 - Чутливий елемент датчика зусилля типу «Loadtrol»:

1-пружний елемент, 2 - поперечні тензорезистори,

3-поздовжні тензорезистори

Давачі підсилення, що розміщуються між траверсами СКН. Така

конструкція датчиків має переваги аналогічні попередній: вага штанг діє безпосередньо на чутливий елемент, забезпечуючи чутливість, а також можливість їх градуювання в абсолютних одиницях в процесі виготовлення. Завдяки цьому їм притаманні такі важливі експлуатаційні властивості, як взаємозамінність і простота повірки. До недоліків розміщення давачів між траверсами іноді відносять необхідність розвантаження траверси при монтажі і демонтажі, а також наявність рухомого кабелю між траверсою і підставою верстата-гойдалки. Однак, ці недоліки досить умовні, оскільки не позначаються

на технічних характеристиках давача. Більшість цих давачів є різновидами «вилки», один з варіантів якої представлений на Рисунку 1.7. Однак така конструкція не володіє достатньою жорсткістю.

Рисунок 1.7 - Стаціонарний давача зусилля «Микон»

Проведений аналіз показує, що оптимальними місцями розташування стаціонарних давачів підсилення є установка на шток між нижньою та верхньою траверсами, а також між верхньою траверсою і обмежувачем. Саме в цих місцях навантаження буде сприйматися безпосередньо до чутливого елемента, забезпечуючи максимальну чутливість. Однак, як вже зазначалося вище, для установки давача над верхньою траверсою вимагається повне розбирання підвіски штока, що є досить трудомісткою операцією. У зв'язку з цим, найбільш доцільним, слід вважати розміщення давача зусилля на штоку між нижньою та верхньою траверсами СКН. Тензорезистивний давач зусилля системи ДДС-04 (рисунок 1.8) має форму підкови і встановлюється на полірованому штоку між траверсами. Триточкова схема розташування чутливих елементів забезпечує самостійну установку давача зусилля між площинами траверс при не паралельності і шорсткості їх площин. Можна виділити три основних переваги давача ДДС-04:

- підковоподібна форма полегшує установку давача;

- цифровий інтерфейс RS-485 давача ДДС-04 не схильний перешкодам і не критичний до довжини кабелю;

- наявність вбудованого в давач ДДС-04 мікропроцесора дозволяє істотно розширити функціональні та експлуатаційні можливості системи в цілому, знявши частину «роботи» з контролера, станції управління і підвищивши надійність її роботи.

Рисунок 1.8 - Давач зусилля ДДС-04

Для виконання завдань динамометрування і ватметрування, необхідно вимірювати параметри руху точки підвісу насосних штанг, а саме: довжину ходу, частоту і період коливань, моменти проходження штоком нижньої і верхньої мертвих точок. Для вимірювання параметрів руху штока використовуються різні засоби: давачі кута нахилу, маятники з потенціометрами, кінцеві вимикачі, безконтактні давачі положення, які встановлюються на вихідному валі редуктора і лінійні акселерометри. При використанні давачів кута нахилу балансира доводиться вимірювати малі зміни кутів в умовах впливу вібрацій. Тому давачі параметрів руху штока на основі давачів кута нахилу є відносно складним виробом, призначеним для роботи з конкретним типом верстата-качалки і, як наслідок, використовуються вкрай рідко. У багатьох сучасних системах динамометрування переміщення штока визначають шляхом вимірювання прискорення акселерометром з подальшим подвійним інтегруванням його вихідного сигналу, що є дуже зручним рішенням: малогабаритний інтегральний акселерометр може бути поєднаний в одному корпусі з давачем зусилля. Однак на сьогоднішній день практично всі динамографи з давачами переміщення на основі акселерометрів по паспорту мають похибку не менше 5%. На корисний сигнал прискорення накладаються великі шумові складові, викликані вібраціями елементів конструкції. На рисунку 1.9 наводиться графік прискорення точки підвісу штанг, виміряний на ланцюговій установці. Як видно з графіка, величина шумів порівнюється з рівнем корисного сигналу, і навіть перевищує його.

Рисунок 1.9 - Графік прискорення ланцюгової установки

без фільтрації і обробки

Очевидно, що характерна для таких давачів похибка не дозволяє забезпечити достовірність одержуваних динамограм і, відповідно, адекватне прийняття рішень за результатами їх аналізу.

В системі динамометрування ДДС-04 використовується давач положення, який встановлюється на редукторі СКН, що працює на ефекті Холла (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Давач положення системи ДДС-04

Давач положення кріпиться за допомогою кронштейна на редуктор установки ШГН і спрацьовує при проходженні повз нього двох магнітів. Монтується давач положення таким чином, щоб магніти проходили повз датчика Холла в моменти, коли шток установки ШГН знаходиться в крайніх нижньому і (або) верхньому положеннях.

До теперішнього часу відомий цілий ряд контролерів різних виробників, що використовуються в станціях управління установок ШГН: SAM (Lufkin, США), «Мега» (НПФ «Інтек», Уфа), «Оріон» («Аякс», Ульяновськ), «Телебей» («линт», Казань), станція управління АСУС-02 («Екос», Уфа) та інші.

Використання контролерів забезпечує вирішення таких завдань, як автоматизація роботи верстата-качалки, оптимізація режимів роботи обладнання, оперативне виявлення аварійних ситуацій та невідповідності режимів експлуатації обладнання, передача оперативної інформації про стан об'єкта на пульт оператора по мережі телемеханіки.

Типова станція управління включає в себе контролер, елементи силових пристроїв включення і відключення електродвигуна, радіо модем і набір датчиків технологічних параметрів. Окремі станції управління мають у своєму складі перетворювачі частоти для регулювання швидкості обертання електродвигуна.

Контролер SAM Well Manager фірми Lufkin (рисунок 1.11) передбачає підключення аналогових датчиків зусилля і положення, а також дискретних датчиків положення, розташованих на валу електродвигуна і вихідному валу редуктора. Дані з цих давачів використовуються для контролю і управління роботою насосної установки і для візуального відображення даних на дисплеї контролера або на екрані портативного комп'ютера.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.11 - Контролер SAM Well Manager фірми Lufkin

Контролер SAM Well Manager по формуючій динамограмі визначає ступінь заповнення стовбура свердловини рідиною. Якщо аналіз покаже, що свердловина знаходиться в стані спустошення, то двигун відключиться і свердловина переводиться в режим очікування. По закінченні періоду очікування блок управління включає двигун і переводить установку в режим відкачки. Програмне забезпечення контролера SAM Well Manager забезпечує виявлення окремих несправностей в насосній установці по динамограмі.

Контролер SAM Well Manager передбачає можливість роботи з двома конфігураціями давачів динамометріювання:

1. давач зусилля, розташовується на штоку над верхньою траверсою

(Давач типу Loadtrol), давач положення, що працює на ефекті Холла,

встановлюється на вихідному валі редуктора;

2. давач деформації балансира суміщений з давачем кута нахилу балансира.

Контролер забезпечує 3 режими роботи:

1. всі включення і відключення електродвигуна проводяться за командами з диспетчерського пункту;

2. включення і відключення електродвигуна проводяться за заданими тимчасовими уставками (періодична експлуатація);

3. управління здійснюється автоматично за результатами аналізу динамограми.

Контролер має аналоговий вихід для підключення частотного перетворювача для плавного регулювання швидкості обертання електродвигуна. Недоліком даної системи є висока вартість. Так, наприклад, вартість тільки контролера фірми «Lufkin» (США) в комплекті з давачами динамометрування порівняна з ціною цілої станції управління в повній комплектації вітчизняного виробництва. Станція управління «Інтел-СУС» (ЗАТ «линт», Казань) в комплекті з контролером «Телебей» і давачами динамометрування ДДС-04 має практично аналогічні функціональні можливості і являє собою закінчений виріб. Система комплектується програмним забезпеченням на всіх рівнях. Крім давачів динамометрування до контролера підключаються давачі ваттметрування для контролю енергетичних параметрів: струмів і напружень по кожній фазі, активної та

реактивної потужності, коефіцієнта потужності, проведення технічного обліку електроенергії та побудови ватметрограм.

Широке застосування на промислах Татарії отримали контролери «Мега» (НПФ «Інтек», Уфа). Контролери працюють з давачами динамометрування з ДДС-04.

Функціонально контролер аналогічний описаним вище, система комплектується власним програмним забезпеченням. Частина свердловин не

обладнана давачами положення, визначення початку ходу штока проводиться шляхом математичного аналізу графіка зміни зусилля. Певних успіхів досягли і розробники контролера «Оріон» («Аякс», Ульяновськ). Зазначені контролери на сьогоднішній день найбільш пристосовані для спільної роботи з елементами системи ДДС-04 в плані збору та подання інформації. Формування масиву

динамограм відбувається безпосередньо в самому давачі ДДС-04, контролеру достатньо періодично зчитувати масив з пам'яті давача по цифровому протоколу «Modbus-RTU». У давачі реалізована функція порівняння динамограм, і якщо форма динамограм не змінилася, передача масиву не потрібна, що звільняє канали зв'язку. Програмне забезпечення системи телемеханіки дозволяє відправляти виміряні динамограми і розраховані дані по дебітах в корпоративну систему «АРМІТС», що охоплює всі нафтогазовидобувні підприємства ВАТ «Татнефть». Прикладом закінченої вітчизняної системи автоматизаційної установки ШГН є станція управління АСУС-02 НПФ «Екос» (рисунок 1.12). Автоматизована станція АСУС-02 має силову частину, спеціалізований контролер і станцію, яка має зв'язок з диспетчерським пунктом.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.12 - Станція управління АСУС-02 виробництва НВФ «ЕКОС»

Відмінною особливістю станції управління АСУС-02 є те, що в ній реалізовано ваттметрування з налагодженим алгоритмом визначення таких характеристик як: перевантаження по струму, відхилення напруги від норми, перекіс фаз, відхилення частоти живлячої напруги, коефіцієнта гармонік, коефіцієнта потужності обриву, прослизання ременів, биття в редукторі, розбаланс противаг, і інших. Станція укомплектовується також елементами систем динамометрування ДДС-04.

Можливість станції управління АСУС-02 поєднувати функції ваттметрування і динамометрування є важливою перевагою, оскільки підвищує вірогідність діагностики режиму роботи установки і виявлення несправностей. Система автоматизації, що базується на застосуванні станції

управління АСУС-02 і елементах системи ДДС-04, володіє наступними можливостями:

- точне автоматизоване балансування верстата-качалки;

- підрахунок спожитої електроенергії;

- визначення продуктивності свердловинної установки по динамограмі;

- оцінка динаміки зміни дебіту свердловини;

- годинний (за останні 24 години) і добовий (за останні 30 діб) архіви дебіту;

- автоматичне керування відкачуванням в періодичному режимі;

- програмована затримка автоматичного включення при пропажі напруги в мережі;

- автоматичне вимикання при аварійних ситуаціях;

- побудова динамограм розрахунковим і експериментальним способом;

- графіки зміни в часі параметрів (тренди);

- звіти поточного стану та останнього аварійного відключення;

- інтеграція в SCADA-системах.

  Порівнюючи можливості станції управління АСУС-02 в комплекті з

ДДС-04 і станції, що базується на контролері Lufkin, можна зробити наступні висновки:

У АСУС-02 крім динамометрування проводиться ще контроль електричних параметрів - ватметрування, тоді як в контролері Lufkin електричну потужність отримують непрямим методом – вимірюється швидкість обертання електродвигуна, виходячи з чого обчислюють момент на валу і потужність.

У контролері Lufkin є засоби відображення інформації безпосередньо на об'єкті - великий графічний дисплей і можливість підключення портативних комп'ютерів. Однак наявність такого дисплея виявляється не цілком доцільно при побудові дистанційної телеметрії. Крім того, у складі системи АСУС-02 також може поставлятися модуль збору інформації МСІ-07, що дозволяє

переглядати результати динамометрування та інші дані безпосередньо на місці.

У контролері Lufkin передбачена функція управління частотним регулятором - є відповідний вихідний сигнал і закладені необхідні алгоритми управління. Проте в даний час вартість частотних регуляторів ще занадто висока для масового оснащення ними всього фонду свердловин.

Вартість імпортних систем в кілька разів вище вітчизняних розробок. Крім того, при використанні вітчизняних станцій управління всі проблеми з ремонтом і модернізацією обладнання будуть вирішуватися значно швидше.

В даний час все більш широко використовуються ланцюгові приводи установок ШГН. У порівнянні з традиційними балансивними СКН ланцюгові приводи забезпечують велику довжину ходу штока (до 6-9 м) при меншому енергоспоживанні. Крім того, рух штока відбувається з постійною лінійною швидкістю, що позитивно впливає на режим роботи насосного обладнання. Фірмою «Грант» розроблені спеціальні модифікації датчиків зусилля і положення для застосування на ланцюгових приводах. Застосовані спеціальні конструктивні рішення для виключення випадків зачепів довгих кабелів за елементи арматури. В даний час проводиться узгодження способів установки давачів на ланцюгові приводи з заводами-виробниками.