Классификация методов диагностики

На рис. 2.74 представлена классификация методов диагнос­тики СШНУ.

Эффективность работы одного из самых распространенных видов оборудования для механизированной добычи нефти — штанговых скважинных насосных установок -зависит от очень многих факторов, определяемых как правильным выбором от­дельных элементов оборудования, так и правильной эксплуата­цией, обслуживанием и своевременным ремонтом оборудова­ния. Подбор оборудования СШНУ и режимов ее эксплуатации определяется геолого-техническими данными скважины.

В тоже время дебит скважины, зависит от величины забойно­го и пластового давления, давления насыщения, газового фак­тора, обводненности нефти и некоторых других факторов изме­няющихся в процессе эксплуатации. Проведение же постоян ных замеров и расчетов требуют больших затрат времени и тру­довых ресурсов. С другой стороны, несовершенство современ­ных групповых замерных установок, не позволяющих достаточ­но точно определить дебит малопродуктивных, скважин также осложняет работы по повышению эффективности работы штан­говых установок. Поэтому диагностирование работы СШНУ, позволяющее оперативно определить параметры работы обору­дования является необходимым процессом, которому в после­днее время уделяется все большее внимание как со стороны эк­сплуатационников, так и со стороны научно-исследовательских и внедренческих фирм.

Диагностирование работоспособности элементов СШНУ и определение основных параметров комплекса «скважина — пласт — оборудование» возможно двумя основными методами.

Прямой замер действительных показателей давления жид­кости, температуры и состава продукции непосредственно на приеме скважинного насоса и в других характерных точках сква­жины и передача этих данных на поверхность по специальным кабелям. Затем эта информация обрабатывается, анализирует­ся и согласовывается с информацией, полученной от поверх­ностных наземных источников, таких, например, как динамо­метр и расходомер. Информация, полученная таким путем, яв­ляется наиболее достоверной и полной, но такая система диаг­ностики является сложной и дорогой, как в монтаже, так и в эксплуатации. Динамометрирование СШНУ является основным способом диагностирования работы ШГН, колонны штанг, насосно-компрессорных труб и СК. Разработанные многими ученными и инженерами (Eickmeier J.R., Gibbs S.G., Neely A.B., Patton L.D., Adamache I., Slonneger J.C., Вирновский А.С., Чар-ный И А., Белов И.Г., Адонин А.Н., Пирвердян A.M., Касья­новым В.М. и др.) [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27] теоретические обоснования и математические модели процесса добычи нефти скважинными насосными установками позволяют обрабатывать динамограммы для их последующего анализа и определения неисправностей. При помощи динамограмм можно установить многочисленные параметры работы глубинонасосных устано­вок, знание которых значительно облегчает как обнаружение неисправностей.

Рис. 2.74. Классификация методов диагностики СШНУ

Для динамометрирования у нас в стране и зарубежом исполь­зуются различные приборы отличающиеся по конструкции и принципам действия системы. Рассмотрим некоторые из них.

Наиболее распространенным в мире является гидравличес­кий геликсный динамометр, устанавливаемый между траверса­ми канатной подвески станка-качалки. Широкое распростране­ние данного вида оборудования обусловлено его простотой, опе­ративным получением первичной информации — динамограммы и возможностью здесь же, на месте, определения основных неисправностей СШНУ или причин недостаточной эффектив­ности работы установки.

К недостаткам данного вида оборудования относятся низкая точность и достоверность информации, субъективность в оцен­ке и расшифровке динамограмм, остановка станка-качалки для установки динамографа, большие затраты времени и ручного труда операторов по исследованию скважин, особенно при слож­ных погодно-климатических условиях, невозможность телеме­ханизации и телеавтоматизации процесса динамометрирования, затруднение в сборе и обработке полученной информации с по­мощью ЭВМ.

В настоящее время в нефтяной промышленности при техни­ческой диагностике СШНУ широкое распространение получи­ли микропроцессоры.

Одним из частных видов динамограмм является ваттметрог-рамма — рис. 2.75 [25].

Под ваттметрограммой (см. рис. 2.75) понимается график из­менения электрической мощности, потребляемой электропри­водом станка-качалки за цикл качания. Циклические ваттметрограммы электропривода станка-качалки несут информацию как о глубинной части насоса, так и о наземной. Метод контро­ля по ваттметрограммам основан на сравнении формы кривой, снятой на данной скважине при нормальном режиме ее работы (при первоначальном запуске, после проведения ремонта, при условии, что ее параметры, такие как число качаний, длина хода плунжера насоса, положение уравновешивающих грузов в пери­од после снятия исходной ваттметрограммы не менялись).

Еще одним направлением определения работоспособности машин и механизмов является вибродиагностика [23].

Рис. 2.75. Теоретическая ваттметрограмма нормальной работы СШНУ

Р_в — максимальная мощность при нагрузке от веса половины столба жидкости в трубах и силы трения подземном оборудовании; Р_н — макси мальная мощность при нагрузке от веса уравновешенного груза и силы трения в подземном оборудовании; Р_хх — мощность холостого хода электропривода станка-качалки; АЕ — ход устьевого штока вверх; ЕВ — ход устьевого штока вниз; АД — расстояние штанг плюс сокращение штанг; ЕМ— расстояние труб плюс сокращение штанг; ДЕ— ход плунжера вверх; MB — ход плунжера вниз

Теоретические и экспериментальные исследования показы­вают, что по характеристикам вибрации можно получить до­вольно обширную информацию о состоянии механизма. Разра­ботаны различные методики анализа характеристик и соотнесе­ние их с конкретными взаимодействующими рабочими парами. Рассмотрим например работу опорного подшипника. В новом подшипнике при малом зазоре частота колебаний низкая, амп­литуда колебаний мала. По мере износа подшипника растут ча­стота и амплитуда колебаний, что может служить диагностиру­ющим фактором. Таким образом, с помощью аналитических за­висимостей можно установить характер изменений параметров вибрации в процессе износ машин. К преимуществу вибродиаг­ностики можно отнести определение неисправного узла в слож­ной системе диагностики. Одним из недостатков вибродиагнос тики является выбор места расположения датчика, так как в раз­личные точки корпуса редуктора сигналы от различных соуда­ряющихся кинематических пар могут приходить в различных фазах и изменять общий уровень сигнала.

Динамограмма снимаемая на поверхности всегда имеет иска­жение от сил трения, упругости колонны штанг, упругости ко­лонны штанг и т.д. Поэтому поверхностные динамограммы по­лезно сравнивать с плунжерной скважинной динамограммой.

Скважинные плунжерные динамограммы получают с помо­щью глубинного динамографа. Рассмотрим конструкцию глу­бинного гидравлического динамографа ДГТ-1С-360Г [21].

Глубинный динамограф (рис. 2.76) состоит из двух частей: гидравлического датчика усилий и записывающего устройства. Гидравлический датчик усилий расположен в нижней части ди­намографа и состоит из цилиндрической серьги /, цилиндра 6, пальцев 4 и 5, переводника 7 и уплотнительных колец 11. Ци­линдрическая серьга в нижней части имеет муфту для соедине­ния динамографа со штангой, а верхней части окна для пальцев 4 и 5. исключения возможности его перекоса в процессе работы. Поршень 3 служит для преобразования усилия сжатия, действу­ющих в штанговой колонне, в давление масла в полости М. Длина поршня 3 выбрана с учетом выполнения в нем окна для пальцев 4 и 5 исключения возможности его перекоса в процессе рабо­ты. В теле цилиндра имеются окна 10, через которые серьга со­единена с поршнем при помощи пальцев 4 и 5. Длина окна 10 выбрана из расчета обеспечения движения пальцев 4 и 5 на дли­ну рабочего хода поршня 3 с некоторым запасом хода для ком­пенсации объемных изменений масла в полости М от нагрева или утечек в условиях скважин. Фиксация верхнего пальца от­носительно нижнего осуществляется при помощи установочно­го винта 14. С обоих концов цилиндра 6 выполнены резьбы для соединения датчика усилий с переводником 7 и для закрытия заглушкой 2. Переводник 7служит для соединения датчика уси­лий с записывающим устройством динамографа. Полость М цилиндра 6, заключенная между переводником 7и верхним тор­цом поршня 3, служит рабочей камерой датчика усилий и за­полняется машинным маслом. Продольное отверстие К в пере­воднике выполняет функцию гидравлического канала связи ка­меры с рабочей камерой М. Полость цилиндра 6, ограниченная нижним торцом поршня 3 и заглушкой 2, образует воздушную камеру, благодаря чему торец поршня изолирован от окружаю­щей Среды. В качестве записывающего устройства Динамографа применяются глубинные манометры типа МГГ или MГП. За­писывающая часть заключена в корпусе 9 который имеет резьбу для присоединения снизу к переводнику 7 и вверху к полумуфте 9, предназначенной для присоединения динамографа со штанговой колонной. Сжимающие усилия, действующие на низ штан­говой колонны в месте установки динамографа, передаются че­рез цилиндрическую серьгу 1, пальцы 4 и 5 поршню 3, который, перемещаясь вверх, сжимает масло в рабочей камере М. Изме­нение давления масла в рабочей камере М передается через гид­равлический канал связи К в камеру, где размещен сильфон 13 геликсного манометра, и преобразующий механизм увлекает перо, которое регистрирует давление на фольге. Перемещение каретки с фольгой осуществляется часовым механизмом типа 270 4П-Б. Глубинная динамограмма получаемая с помощью ДГТ-2С-360Г является наиболее достоверной и полной о рабочем состо­янии глубинного насоса, но такая система диагностики является сложной и дорогой, как в монтаже, так и в эксплуатации. Ос­новной недостаток данного устройства заключается в том, что для получения динамограммы необходимо произвести спуско-подъем оборудования.

Рис. 2.76. Динамограф глубинный гидравлический ДГГ-1С-360Г

На промыслах наиболее распространен переносной гидрав­лический динамограф ГДМ-3 Рис. 2.77, технические характери­стики которого приведены ниже.

Верхний предел измерения усилий, кН...................................100

Погрешность измерения усилий, %..............................................2

Верхний предел измерения перемещения, м............................3,3

Погрешность измерения перемещения, %...................................2

Число масштабов измерения усилий............................................3

Число масштабов (1:15, 1:30, 1:45) измерения перемещения.....3

Размер поля динамограммы, мм...........................................50x75

Размер диаграммной ленты, мм.........................................1000x85

Габаритные размеры прибора в футляре, мм............320x350x120

Масса прибора с футляром, кг......................................................8

Масса прибора без футляра, кг.....................................................5

Динамограф состоит из силоизмерительного устройства и са­мописца с ходоуменыпителем, смонтированных в одном блоке. В силоизмерительное устройство входят два рычага-вилки и гид­равлическая мессдоза (трансформатор давления), которая встро­ена в верхний рычаг и представляет собой полость, заполнен­ную жидкостью и перекрытую мембраной из тонкой листовой латуни. К нижней стороне мембраны прилегает поршень, кото­рый передает на нее усилия, возникающие при работе динамог­рафа, и создает в полости мессдозы давление жидкости, пропор­циональное приложенному усилию [27, 21].

Рис. 2.77. Гидравлический динамограф ДГ-3

1 — стрелка с пером; 2 — корпус самописца; 3 — геликоидальная мано­метрическая пружина; 4 — возвратная пружина ходоуменьшителя; 5 — винт ходоуменьшителя; 6 — столик; 7— ведомый ролик; 8 — капиллярная трубка; 9 — верхняя траверса; 10 — силоизмерительное устройство; 11 — верхняя штанга (устьевой шток); 12 — нижняя траверса канатной подвески; 13—- шнур; 14— направляющий ролик; 15— сменный мерный шкив; 16 — ведущий ролик

Рычаги силоизмерительного устройства 10 вставляются меж­ду траверсами канатной подвески так, что вся нагрузка, воспри­нимаемая верхней траверсой 9, передается через них на ниж­нюю 12. При этом верхний рычаг опирается на нижний в двух точках: через стальной шарик, установленный на поршне мессдозы и через цилиндрический ролик, который закладывается в поперечные канавки на противоположной стороне рычагов. Переставляя этот ролик из одних канавок в другие, можно изме­нять масштаб измерения усилий (40, 80, 100 кН).

Корпус самописца 2 укреплен при помощи кронштейна на верхнем рычаге силоизмерительного устройства. В верхней час­ти самописца расположена геликоидальная манометрическая пружина 3, на оси которой закреплена стрелка с пером 1. По­лость пружины сообщается с полостью мессдозы капиллярной трубкой 8.

Изменение давления жидкости в гидравлической системе мессдозы — капилляр — геликоидальная пружина вызывает по­ворот стрелки с пером на угол, пропорциональный нагрузке в точке подвеса штанг.

Конец пера касается цилиндрической поверхности столика б, по краям которого размещены ведущий 16 и ведомый 7 ролики с диаграммной бумажной лентой. Столик, в свою очередь, зак­реплен на каретке, которая перемещается по вертикальным на­правляющим при помощи ходоуменьшителя, повторяя в задан­ном масштабе возвратно-поступательное движение точки под­веса штанг.

Механизм ходоуменьшителя состоит из ходового винта 5, ходовой гайки, неподвижно закрепленной на каретке, возврат­ной пружины 4 и сменного мерного шкива 15. На мерный шкив намотан шнур, свободный конец которого проходит через на­правляющий ролик 14 я укрепляется на устье скважины.

Во время движения динамографа вместе с канатной подвес­кой вверх разматывающийся шнур вращает шкив и ходовой винт, при этом каретка со столиком передвигается в верхнее положе­ние, а возвратная пружина взводится. При ходе подвески вниз возвратная пружина, вращая ходовой винт в обратную сторону, перемещает каретку в крайнее нижнее положение.

Перемещение каретки можно менять, устанавливая мерные шкивы различного диаметра. Динамограф комплектуется двумя шкивами, которые обеспечивают масштабы измерения переме­щений 1:30, 1:45. Изменение перемещения в масштабе 1:15 обес­печивается мерным шкивом, постоянно соединенным с ходо­вым винтом. Выбор того или иного масштаба определяется дли­ной хода устьевого штока: при длине хода до 1,2 м применяется масштаб измерения 1:15, до 2,1 м — 1:30 и до 3,5 м — 1:45.

Самописец динамографа снабжен также специальным уст­ройством для перемещения диаграммной ленты без остановки станка-качалки.

Технология динамографирования. Перед динамографированием тарированный прибор ДГ-3 подготавливается к работе:

— прибор заправляется диаграммной лентой;

— перо заправляется чернилами;

— проверяется нулевое положение пера;

— прочерчивается нулевая линия.

При подготовке динамографа к работе опорные ролики уста­навливаются в зависимости от длины хода и нагрузки. Если на­грузка не известна, их следует установить сначала на наиболь­шую нагрузку, чтобы не перегрузить силоизмерительную часть прибора.

В зависимости от типа канатной подвески монтаж динамог­рафа производится следующим образом.

При наличии канатной подвески типа ПКН: станок-качалка останавливается в крайнем нижнем положении; траверса под­вески разводится при помощи имеющихся на ней двух подъем­ных винтов; в образовавшееся окно вводится силоизмерительная часть прибора, которая должна быть установлена центрично; после этого верхняя траверса плавно опускается на рычаги силоизмерительного устройства и станок-качалка пускается в работу.

На канатной подвеске типа ПСШ: станок-качалка останав­ливается в нижнем положении, не доходящем до крайнего на 20—25 см; на крышку головки устьевого сальника устанавлива­ется штангодержатель, обхватывающий устьевой шток. К конст­рукции штангодержателя предъявляются следующие требования: он должен надежно удерживать шток и не портить его поверх­ность. После монтажа штангодержателя станок-качалку пуска­ют в работу на время, необходимое для разводки траверсы ка­натной подвески.

Разводка происходит за счет того, что штангодержатель упи­рается в крышку головки устьевого сальника и удерживает в неподвижном состоянии устьевой шток вместе с верхней травер­сой, а нижняя траверса с канатом движется относительно штока. В образовавшееся окно вводится силоизмерительная часть динамографа, станок-качалка растормаживается и нижняя тра­верса плавно возвращается в исходное положение. Далее ста­нок-качалка останавливается для демонтажа штангодержателя, а затем запускается в работу.

После монтажа динамографа в канатной подвеске следует вруч­ную прочертить линию веса штанг. Для этого станок-качалка ос­танавливается в крайнем нижнем положении, когда его балансир не перешел нижнюю мертвую точку. Отметив линию веса штанг, перо поднимается со столика с бумагой и СК запускается в рабо­ту. На ходу, в течение первых нескольких качаний, регулируется ход столика динамографа таким образом, чтобы при крайнем вер­хнем положении балансира храповик ведущего ролика не доходил на несколько миллиметров до его шестерни. После этого свобод­ный конец приводного шнура закрепляется на устье скважины так, чтобы обеспечивалась параллельность с устьевым штоком. Динамограмма записывается в результате опускания пера при помощи арретира на столик динамографа. Динамограмму следу­ет записывать после выхода скважины на прежний режим, из­менение которого было связано с предыдущей остановкой для монтажа прибора в канатной подвеске.

После записи динамограммы прочерчивается линия суммар­ного веса штанг и жидкости. Для этого СК останавливается в крайнем верхнем положении, когда балансир не перешел верх­нюю мертвую точку.

Необходимо, не запуская скважины, эту линию прочертить через 5—7 мин повторно, чтобы установить, наличие утечек.

После снятия динамограммы прибор демонтируется, опреде­ляется число полных качаний станка-качалки и оформляется ди­намограмма.

При оформлении динамограммы должны быть зафиксированы следующие данные: дата динамографирования, номер скважины, номер динамографа, положение ролика между силоизмерительными рычагами, тип станка-качалки, длина хода устьевого штока, чис­ло качаний балансира в минуту, масштаб измерения перемещения.

Рис. 2.78. Теоретическая (1) и фактическая (2) динамограммы

Теоретическая динамофамма. Простейшая теоретическая ди­намограмма нормальной работы штангового насоса имеет форму параллелофамма (см. рис. 2.78). Она строится для условий, когда насос исправен и герметичен, цилиндр насоса заполнен несжи­маемой жидкостью, пофужение насоса под динамический уро­вень равно нулю, в насосной установке не возникают динамичес­кие нагрузки, коэффициент наполнения насоса равен единице.

Процесс восприятия нагрузок штангами изображается наклон­ной линией АБ. Отрезок Б₁Б соответствует в масштабе переме­щений сумме деформаций штанг и труб. Прямая БВ, параллель­ная оси абсцисс, отвечает максимальной статической нагрузке у точки подвеса за ход вверх.

Процесс разгрузки штанг в условиях полного заполнения цилиндра несжимаемой жидкостью протекает аналогично про­цессу восприятия нагрузки и изображается линией ВГ, парал­лельной АБ. Дальнейшему движению устьевого штока вниз при постоянной нагрузке, равной весу штанг в жидкости минус силы трения, соответствует прямая ГА.

Действительная динамофамма работы штангового насоса отли­чается от теоретической в основном из-за влияния сил инерции и колебательных процессов в колонне штанг. Вследствие влияния сил инерции динамофамма оказывается повернутой на некоторый угол по часовой стрелке, а продольные колебания в колонне штанг вызывают волнообразное изменение нагрузки на устьевой шток.

Для полного и правильного чтения динамограммы необходи­мо выявить все факторы, влияющие на работу насоса. Для этого на основе практической динамограммы производят расчет элементов и построение теоретической динамограммы и их совме­щение. Этот процесс называется обработкой динамограммы.

Построение теоретической динамограммы выполняется сле­дующим образом (см. рис. 2.78).

Измерение нагрузки в точке подвеса штанг производится по вертикали, проведенной перпендикулярно к нулевой линии ди­намограммы, которая прочерчивается перед монтажом динамог­рафа на канатной подвеске.

Нагрузка Р определяется по формуле

P = Lp, (2.144)

где L — расстояние по вертикали от нулевой линии до точки, где измеряется нагрузка, мм; р — масштаб усилий динамографа, кг/мм.

Масштабом усилий называется величина нагрузки на устье­вой шток, вызывающей отклонение пера самописца по вертика­ли на 1 мм. Масштаб усилий можно найти и после динамометрирования из выражения

(2.145)

где L_o — расстояние от нулевой линии до линии веса штанг, мм.

Для точного определения масштаба усилий динамограф сле­дует периодически тарировать. Тарировку можно производить на универсальной тарировочной машине или гидравлическим прессом для всех трех масштабов измерения усилий.

Перемещения по динамограмме измеряются по горизонтали как расстояния между перпендикулярами, проведенными к ну­левой линии через заданные точки динамограммы. Для измере­ния фактического перемещения необходимо знать масштаб пе­ремещений т, представляющий собой отношение длины хода устьевого штока S к длине динамограммы l (линия АГ₁ или Б₁В)

т = S/1 (2.146)

Для построения расчетной динамограммы необходимо под­считать статическую нагрузку, вес колонны штанг и деформа­цию труб и штанг. Статическая нагрузка определяется по фор­муле

(2.147)

где Р_ж— вес жидкости над плунжером насоса;

(2.148)

где F_пл— площадь сечения, плунжера, м²; Н_д — динамический уровень жидкости, м; р_т — плотность жидкости в подъемных трубах, кг/м³;Р'_ш — вес колонны штанг в жидкости;

(2.149)

где А = (р_ш - р_т)/р_ш,

(2.150)

Для нанесения линии веса штанг на динамограмму (см. рис. 2.78) определяется ее удаление от нулевой линии из выражения

(2.151)

Отложив величину L₀ на перпендикулярах,проводят линию АГ_1. Расстояние линии статической нагрузки от нулевой лини подсчитывается по формуле

(2.152)

Отложив L_ct на вертикальной оси динамограммы, проводят горизонтальную линию Б₁В.

Линия восприятия нагрузки АБ находится отложением на линии Б₁В величины деформации труб и штанг в масштабе.

Деформация труб и штанг определяется по формуле.

(2.153)

Величина отрезка, соответствующего значению деформации труб и штанг, составляет

Б₁Б = λ/т. (2.154)

Отложив на линии веса штанг линию Г₁Г = Б₁Б и соединив точки А, Б, Г и В, определяют линию восприятия нагрузки АБ и линию снятия нагрузки В Г.

На динамограмме линия Б₁В представляет собой длину хода устьевого штока S, линия БВ — длину хода плунжера S_пл, а ли­ния АГ — полезный или эффективный ход плунжера S_эф Из-за неполного заполнения цилиндра жидкостью линии БВ и АГ на практических динамограммах могут быть не равными. Исполь­зуя соотношения этих величин в масштабе, можно определить коэффициенты подачи η и наполнения насоса β [21, 27, 28].

(2.155)

(2.156)

Практические динамограммы. В зависимости от параметров штанговой насосной установки практические динамограммы нормальной работы насоса имеют весьма разнообразные очер­тания (рис. 2.79).

На форму динамограммы существенно влияют глубина спус­ка насоса, число качаний балансира, наличие свободного газа в цилиндре насоса, неисправность клапанных узлов и т.д.

Так, с увеличением глубины спуска насоса увеличивается высота линии нагрузки при ходе вниз по отношению к нулевой линии, возрастает нагрузка от веса жидкости при сохранении отношения веса штанг к весу жидкости, на динамограмме укла­дывается меньшее число полуволн колебаний нагрузки.

С увеличением числа качаний на динамограмме появляются затухающие волнообразные изменения нагрузки при ходе плун­жера вверх и вниз.

При наличии утечки жидкости в нагнетательной части насо­са (см. рис. 2.79, динамограммы 4, 5) процесс восприятия на­грузки изображается линией, имеющей меньший угол наклона к горизонтали, чем линия восприятия нагрузки при нормальной работе насоса; правый верхний угол динамограммы закруглен; линия снятия нагрузки идет более круто и угол, образуемый ею и нулевой линией, имеет больший наклон.

Характерные особенности динамограммы насоса, имеющего утечки в приемной части, следующие см. рис. 2.79, динамограмма 7: процесс снятия нагрузки изображается линией, угол на­клона которой к нулевой меньше, чем у линии снятия нагрузки при нормальной работе насоса; левый нижний угол динамограммы закруглен; линия восприятия нагрузки идет более круто и угол между ней и нулевой линией имеет больший наклон.

Если насосная установка имеет одновременные утечки в при­емной и нагнетательной частях, то динамограмма имеет закруг­ление левого нижнего и правого верхнего углов (см. рис. 2.79, динамограммы 9, 10).

Рис. 2.79. Практические динамограммы работы штангового насоса

1—3 — нормальная работа насоса; 4, 5 — утечки в нагнетательной части насоса; 6 — не работает нагнетательная часть насоса; 7 — утечки в приемной части насоса; 8 — не работает приемная часть насоса; 9, 10— одновременные утечки в приемной я нагнетательной части насоса; 11, 13 — влияние газа на работу насо­са; 12— срыв подачи насоса газом; 14 — влияние газа и утечки в приемной части насоса; 15 — влияние газа и утечки в нагнетательной части насоса; 16— влияние газа и запаздывание посадки нагнетательного клапана; 17— запаздывание по­садки всасывающего клапана; 18— запаздывание посадки нагнетательного кла­пана; 19 —запаздывание посадки всасывающего и нагнетательного клапанов; 20— фонтанные проявления; 21 — обрыв (отворот) штанг; 22— обрыв (отворот) штанг у плунжера; 23 — удар штанг при ходе вниз; 24 — удар штанг при ходе вверх; 25 — низкая посадка плунжера; 26 — пропуск жидкости в конце хода плунжера вверх; 27 — сработка плунжерной пары; 28 — всасывающий я нагнета­тельный клапан забиты грязью; 29--низкая посадка плунжера, загрязнение клапанов; 30 — заедание плунжера в нижней части насоса; 31 — заклинивание плунжера во вставном насосе; 32 — заклинивание плунжера в невставном насо­се; 33 — заклинивание плунжера в средней части насоса; 34 — высокая посадка плунжера; 35 — утечки в трубах;

Утечка жидкости из НКТ не придает динамограмме каких-либо специфических очертаний. Однако при помощи динамографирования можно установить ее наличие. Для этого при останов­ленном СК несколько раз прочерчивают линию максимальной нагрузки в течение 10—15 мин. Если эта линия при повторной записи не совпадает с первой, то имеют место утечки через НКТ. Динамограммы работы штангового насоса при откачке жидкости с газом имеют следующие характерные очертания (см. рис. 2.79, динамограммы 11—13): линия снятия нагрузки представляет со­бой кривую с той или иной кривизной, выпуклость которой об­ращена влево вверх; процесс снятия нагрузки протекает замед­ленно, вследствие чего открытие нагнетательного клапана про­исходит позже, чем при нормальной работе; левый нижний и правый верхний углы динамограммы острые; линии снятия и восприятия нагрузки параллельны.

При низкой посадке плунжера снижение нагрузки и последу­ющий набор этой нагрузки на динамограмме записывают по-разному. Если удар нерезкий, нагрузка снижается плавно, по­садка плунжера записывается в виде петли в нижнем левом углу динамограммы (см. рис. 2.79, динамограмма 25). Линия воспри­ятия нагрузки отодвигается вправо от своего нормального поло­жения. Петля удара всегда располагается ниже линии веса штанг. При ударах плунжера полезная длина его хода уменьшается на длину горизонтальной проекции петли.

При высокой посадке плунжера динамограмма имеет петлю в верхнем правом углу (см. рис. 2.79, динамограмма 34). Часто петля располагается выше линии статической нагрузки.

Обрыв (отворот) штанг записывается на динамограмме в виде узкой горизонтальной замкнутой линии. Динамограмма совпадает с линией веса штанг, если обрыв произошел у самого плунжера (см. рис. 2.79, динамограмма 22. Чем выше глубина обрыва (отво­рота), тем меньше вес оставшейся части колонны штанг и тем ниже линии веса штанг располагается динамограмма (см. рис. 2.79, динамограмма 21).

В настоящее время в нефтяной промышленности при техни­ческой диагностике ШСНУ широкое распространение получи­ли микропроцессоры.

Существует множество видов оборудования для диагности­ки и контроля за работой ШСНУ на базе микропроцессорных систем.

Так, например, фирма «АТК» (г. Пермь) [21] предлагает сис­тему, состоящую из стандартного геликсного динамографа, дат­чика давления и перемещения, который соединен со вторичны­ми приборами, предназначенными для хранения и первичной обработки информации, а также для передачи этой информации в ЭВМ для обработки и анализа полученных данных. Фирма поставляет также программное обеспечение, позволяющее оп­ределить до 14 параметров системы «пласт — скважина — уста­новка», такие как: динамический уровень, дебит скважины, на­грузка в точке подвеса колонны штанг, коэффициенты подачи и наполнения насоса и некоторые другие. Однако при всех своих достоинствах этот способ динамометрирования имеет свои не­достатки. К ним в первую очередь относиться необходимость остановки станка-качалки для монтажа динамографа, подвеска полированного штока на специальном зажиме, ручной монтаж и демонтаж динамографа между траверсами канатной подвески станка-качалки, невозможность телемеханизации процесса ди­намометрирования.

Подобное оборудование используется фирмой Dynapump (США) [21]. В этой системе геликсный динамограф заменен на электронные датчики давления, а персональный компьютер мак­симально приближен к скважине для оперативной обработки и анализа информации, а также выдача рекомендации по даль­нейшей эксплуатации данной скважины. Система в целом мо­бильна и имеет ряд преимуществ перед ранее известными.

К недостатком этой системы относится невозможность те­лемеханизации процесса диагностирования. Система фирмы «Dynapump» является усовершенствованной моделью систе мы фирмы «Nabra Corp» (США), которая была создана ранее для фирмы «Shell» (США). Как уже было отмечено, одним из основных недостатков всех рассмотренных систем диагности­ки работоспособности ШС'НУ является невозможность теле­механизации процесса диагностики. Этого недостатка лише­ны системы, разработанные фирмами «Mobil Oil Co» (США), «DELTA-X» (США), «Baker CAC» (США) [21, 30]. Система ди­агностики включает датчик нагрузки на колонне штанг, систе­му сбора данных и каналы от конечных устройств к ЭВМ. Си­стема состоит из центрального, обрабатывающего информацию, комплекса и полевых компьютеров, обслуживающих группы скважин.

Оценка технического состояния ШСНУ проводится по ре­зультатам последовательных замеров определенных параметров работы. Система применяется не только для диагностики, но и для оптимизации режима работы установок, анализа нагруженности колонны насосных штанг, работы станка-качалки и его уравновешенности.

Другая система диагностирования ШСНУ разработана французкой фирмой «CIMSA» [21, 30] на базе микрокомпьютера «SYSTEP» и состоит из трех главных частей:

— локальная система отбора и обработки данных;

— центральная (диспетчерская) система;

— система связи.

Локальная система сбора данных выполняет следующие опе­рации:

— снятие и хранение динамограмм;

— связь с диспетчерской.

Локальная система не проводит диагностику, она передает следующие данные в центральную:

— полную динамограмму скважины;

— технологический номер скважины;

— минимальные и максимальные значения нагрузки.

Диагностика скважины в центральной диспетчерской проис­ходит на ЭВМ с участием оператора. Преимущество системы в том, что она позволяет управлять как одной скважиной, так и группами скважин.

Данная система включает в себя первичные датчики усилия, размещенные на траверсах канатной подвески СК, и углового перемещения, размещенного в подшипнике опоры балансира СК. Отличительной особенностью данной системы от предшествую­щих является постоянный контроль и анализ основных пара­метров работы системы «пласт — скважина — оборудование» с помощью ЭВМ.

Система фирмы BAKER(CIIIA) типа ROD PUMP CONTRROLLER MODEL 8500 [21] предназначена только для наблюдения предельных величин нагрузки и состояния обору­дования включено (отключено).

К преимуществу данной системы можно отнести:

— снижение эксплуатационных расходов;

— простота в эксплуатации;

— экономия электроэнергии.

Американская фирма «Technical Oil Tool Corporation» (TOTCO) [38] выпускает автоматические системы контрольно-измеритель­ной аппаратуры для нефтегазодобывающих установок. Новая система «Datakc» для контроля, измерения и управления добы­чей, а также для сбора и обработки данных, о работе промысло­вой установки состоит из полевой станции, системы связи и центральной станции сбора и обработки данных. Полевая стан­ция включает в себя дистанционный терминал, представляю­щий собой микрокомпьютер, который выполняет операции кон­троля, измерения, связи и управления на месте промысловой установки. На терминал поступает сигнал с аналоговых, диск­ретных и частотных датчиков, доступные для обслуживающего персонала на месте установки, ежедневно автоматически или при поступлении соответствующей команды передаются на цен­тральную станцию обработки данных.

КОМПАНИЯ «ЭХОМЕТР» (США) [21, 30] предлагает комп­лексную систему исследования работы скважин SPE-24060. Для количественного динамометрического анализа необходимы дан­ные высокой степени точности, для получения которых требует­ся использование калиброванного датчика.

Отслеживание движения полированного штока может осуще­ствляться несколькими способами. Традиционно, положение полированного штока регистрируется вращательно-перемещающимся датчиком. Преимущество этой системы состоит в высо­кой скорости обработки данных компьютером и чувствительно­сти к ускорению датчика нагрузки.

Последнее возможно благодаря использованию очень ком­пактного акселерометра на интегральной схеме, который встро­ен в элемент измерения нагрузки. Таким образом необходим только один кабель для соединения компьютера и датчика на­грузки/ускорения.

Скорость движения полированного штока определяется пу­тем интегрирования сигнала ускорения, а повторное интегриро­вания дает значение положения полированного штока как фун­кции времени. В системе используется датчик нагрузки на по­лированном штоке (ДПШ) для быстрого и легкого получения динамометрических показателей. Датчик устанавливается и об­служивается одним оператором. С помощью зажима датчик кре­пится к полированному штоку и фиксирует необходимые для динамометрирования значения положения и нагрузки. В прибо­ре используется чувствительный измеритель нагрузки напряже­ния для получения информации о нагрузке и акселерометр для получения информации о положении.

Американская корпорация «Дельта-Х» предлагает систему DDI-01, представляющую собой динамометрический анало­говый интерфейс данных, который подсоединяется к любому IBM-совместимому компьютеру. Система принимает анало­говые сигналы отдатчиков нагрузки, положения и тока и пре­образует их для компьютера. Датчик нагрузки имеет подково­образную форму, датчик тока двигателя относится к типу хомутовых [21, 30].

В последнее время большое количество российских фирм занимается разработкой и внедрением систем диагностики ра­боты скважинных штанговых насосов. Среди них необходимо отметить систему диагностики насосных установок СДНУ-ЗМ (разработчик — РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина), аппартно-программный комплекс динамометрирования скважин «Квантор» (г. Набережные Челны), электронный динамограф MS-117 (фирма Маркетинг-Сервис, г. Набережные Челны), динамограф СИДДОС (фирма «СИАМ» г. Томск), комплекс диагностики скважин «КДС-П» (ПермНИПИнефть, г. Пермь), комплекс диагностики станков-качалок «Омега» (АОЗТ «Вол­жское конструкторское бюро», г. Самара) и другие. Практи­чески все они основаны на анализе динамограмм, которые сни­маются с помощью тензометрических датчиков нагрузки и дат чиков перемещения головки балансира или полированного што­ка. Также, как в ранее рассмотренных системах («Дельта-Х», «ЭХОМЕТР», Dynapump), датчики нагрузки могут быть на­кладными (на полированный шток) или встраиваемые в канат­ную подвеску станка-качалки. Полученные в результате заме­ров динамограммы передаются на компьютеры по физическим линиям (проводные системы) или по системам радиосвязи. В некоторых конструкциях фирмы «Микон» (г. Набережные Челны) и фирмы «СИАМ» (г. Томск) микроЭВМ встроена в прибор, совмещенный с датчиком нагрузки. В этом случае микроЭВМ оснащена и датчиком акселерометром, заменяющим датчик перемещения полированного штока. Обработка дина­мограммы проводится компьютером по заданной программе, которая в основном повторяет методику, представленную в настоящем разделе книги. Кроме динамограмм указанные си­стемы могут проводить замеры ваттметрограмм для определе­ния уравновешенности станка-качалки. Некоторые из совре­менных систем диагностики пытаются воссоздать принципы, заложенные в СДНУ-ЗМ в начале 90-х годов XX века: тести­рование клапанов скважинного штангового насоса, определе­ние негерметичных интервалов колонны НКТ, использование системы для точного определения действительного дебита на­сосной установки, построение плунжерной динамограммы с определением нагрузок в штанговой колонне в любом ее се­чении (рис. 2.80, 2.81),

Кроме отсутствия субъективного подхода к анализу динамог­рамм и ваттметрограмм, электронные системы диагностики име­ют важное преимущество, заключающееся в сохранении всех данных по исследованию скважин в хронологическом порядке. Это позволило создавать базы данных на нефтедобывающих пред­приятиях, которые используются для отслеживания правильно­сти разработки месторождения и движения нефтепромыслового оборудования.