Статья 16. Мов, выполняющих основную полезную работу, со

• Название: Мов, выполняющих основную полезную работу, со
• Дата: 07.10.2022
• Размер: 0.67 Mb.
• Имя файла: Статья 16.pdf
• Тип: Документы; #720147

Введение
Промышленное применение асинхронного электропривода достаточно широко. Это утвержде*
ние полностью справедливо и в отношении сферы нефтедобычи, где подавляющее число механиз*
мов, выполняющих основную полезную работу, со*
ставляют штанговые глубинные насосные установ*
ки (ШГНУ). ШГНУ представляет собой комплекс оборудования для механизированного подъема жидкости из скважины с помощью погружного плунжерного насоса, которому сообщает возврат*
но*поступательное движение через кривошипно*
балансирный привод (станок*качалку), редуктор и клиноременную передачу асинхронный двигатель
[1–3].
Распространенность данного способа добычи обусловлена такими преимуществами, как: высо*
кий коэффициент полезного действия, эффектив*
ность применения при низком дебите скважины и на скважинах с тяжелыми условиями добычи (в пескопроявляющих скважинах, при высоком со*
держании в добываемой нефти парафинов и газа),
относительная простота и надёжность конструк*
ции, возможность проведения ремонтных работ,
обслуживания и регулировки непосредственно на объекте работниками низкой квалификации, ма*
лое влияние физико*химических свойств подни*
маемой жидкости на работу ШГНУ [4].
В силу распространенности ШГНУ внедрению энергосберегающих технологий их эксплуатации в последнее время уделяется особое внимание. Нес*
мотря на то, что привод основного числа установок остаётся нерегулируемым, наблюдается тенден*
ция к всё большему внедрению преобразователей частоты, что позволяет применять новые эконо*
мичные способы управления [5]. Одним из путей реализации данного подхода стали интеллектуаль*
ные станции управления. Они характеризуются расширенным функционалом по сбору, обработке,
анализу и передаче информации, отказом от ис*
пользования дополнительных датчиков, продви*
нутыми алгоритмами управления.
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
178
DOI 10.18799/24131830/2019/4/226
УДК 622.276.53
ДИАГНОСТИКА УРАВНОВЕШЕННОСТИ ШТАНГОВОЙ ГЛУБИННОЙ
НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ПО ВАТТМЕТРОГРАММЕ
Зюзев Анатолий Михайлович
1
,
[e-mail]
Бубнов Матвей Владимирович
1
, [e-mail]
1
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,
Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.
Актуальность исследования обусловлена широким распространением штанговых глубинных насосных установок с нерегули&
руемым приводом, которые в основной своей массе оснащены исключительно средствами механической настройки. Эксплуата&
ция установок данного типа сопровождается значительными потерями как потребляемой электроэнергии, так и добытой нефти,
связанными с работой установки в неоптимальном режиме. Для решения данной проблемы как новые, так и уже эксплуатируе&
мые штанговые глубинные насосные установки оборудуют станциями управления, в состав которых входят преобразователь ча&
стоты и программируемый логический контроллер, оснащенный средствами интеллектуального управления и диагностики. Ре&
ализация данных функций на контроллере станции управления штанговых глубинных насосных установок требует разработки соответствующих алгоритмов, обеспечивающих автономное, высокоэффективное, экономичное и надежное функционирова&
ние установки в течение всего срока эксплуатации.
Цель: разработка алгоритмов определения уравновешенности станка&качалки, оптимального положения противовеса и момен&
тов прохождения штоком «мертвых точек».
Объекты: штанговая глубинная насосная установка в различных режимах работы, уравновешенность станка&качалки, опреде&
ляемая положением противовесов на кривошипе.
Методы: математический аппарат дифференциальных уравнений и передаточных функций, компьютерное моделирование,
сопоставление и анализ графиков и диаграмм.
Результаты. Рассмотрены способы определения уравновешенности, существующие в настоящий момент, и выявлены их недо&
статки. Ниболее доступным и надёжным средством диагностирования штанговых глубинных насосных установок, не требующим дополнительных навесных датчиков, является ваттметрирование. Для исследования закономерностей и режимов работы разра&
ботана компьютерная модель штанговых глубинных насосных установок. На основе данных, полученных в ходе моделирования,
разработаны алгоритмы определения уравновешенности станка&качалки, оптимального положения противовеса и «мертвых то&
чек», которые не требуют установки на станок внешних датчиков, могут работать в составе программного обеспечения интеллек&
туальных станций управления штанговых глубинных насосных установок, обеспечивая простоту контроля, обслуживания и со&
кращение издержек.
Ключевые слова:
Нефтяная промышленность, штанговая глубинная насосная установка, станок&качалка, асинхронный двигатель, преобразователь частоты, контроллер, интеллектуальная станция управления, ваттметрограмма, коэффициент уравновешенности, противовес, мертвая точка, диагностика.

Необходимость использования в станции упра*
вления алгоритмов, позволяющих отказаться от установки дополнительных датчиков помимо тех,
что уже содержатся в преобразователе частоты
(датчики тока и напряжения), имеет конкретные технологическое предпосылки. Ключевым сред*
ством диагностики ШГНУ является динамометри*
рование. Данное средство даёт максимально пол*
ную информацию как о состоянии самого погруж*
ного насоса, такую как: обрыв штанг, залипание либо пропускание всасывающего или нагнетатель*
ного клапана, низкая посадка плунжера, его выход из цилиндра невставного насоса, удар о верхнюю ограничительную гайку вставного насоса; так и о режиме его работы: превышение подачи насоса над притоком жидкости в скважину и степень влияния газа, фонтанирование жидкости через насос.
Получение динамограммы обеспечивается спе*
циальным прибором – динамографом, который ос*
нащен внешними датчиками усилия и перемеще*
ния. Датчик усилия устанавливается на баланси*
ре, на штоке или чаще всего между траверс канат*
ного подвеса штока. Датчик перемещения, как правило, располагается на штоке или на кривоши*
пе. Таким образом, датчики динамографа распола*
гаются на элементах конструкции, находящихся в непрерывном движении, поэтому гибкий подвод кабеля подвержен быстрому перетиранию, износу и риску обрыва массивными движущимися частя*
ми конструкции [6, 7].
Распространенным решением указанных про*
блем является отказ от применения стационарных динамографов и переход на переносные динамо*
графы, которые передаются в распоряжение мо*
бильных бригад технического обслуживания. Та*
кой подход также сопряжен с рядом недостатков:
во*первых, установка такого динамографа требует полной остановки станка и разведения траверс подвеса штанг, что приводит и к потерям в добыче,
во*вторых, проведение плановых проверок не мо*
жет обеспечить своевременного обнаружения неоптимальной настройки ШГНУ, что также при*
водит к дополнительным потерям. Таким образом,
отчетливо видна необходимость перехода к более простым в реализации, точным и надежным спосо*
бам диагностики, не требующим установки внеш*
них навесных датчиков, основой которых может стать ваттметрирование [8–11].
Известные способы
Одним из основных параметров настройки станка*качалки является положение противовеса.
Вес противовеса уравновешивает нагрузку на што*
ке ШГНУ, которая определяется динамическим уровнем, диаметром плунжера, плотностью жид*
кости и весом штанг в жидкости. Динамический уровень представляет собой глубину от устья сква*
жины, на которой устанавливается уровень пла*
стовой жидкости в затрубном пространстве при ра*
боте насоса. При изменении притока жидкости в скважину меняется соответственно и динамиче*
ский уровень, при этом положение противовеса становится неоптимальным, что приводит к допол*
нительным потерям. Таким образом, до следующе*
го технического обслуживания, при котором будет проведена балансировка станка качалки, установ*
ка будет работать с повышенными потерями. Кро*
ме того, определение оптимального положения противовеса, как правило, ведётся по максималь*
ному отклонению стрелки амперметра при ходе штока вверх и вниз [12]. Такая процедура настрой*
ки требует неоднократного повторения трудоемко*
го перемещения противовеса, пока не будет подоб*
рано наиболее оптимальное положение, точность определения которого, так или иначе, будет невы*
сока.
Поскольку стандартного подхода к определе*
нию уравновешенности станка*качалки в настоя*
щее время не существует, далее рассмотрим раз*
личные предлагаемые способы решения данной проблемы. Известны несколько способов определе*
ния уравновешенности станка*качалки, отличаю*
щихся по своей методологии. В руководствах по эксплуатации нефтяных скважин традиционно да*
ются указания по определению коэффициента ура*
вновешенности с помощью токоизмерительных клещей [13]. Согласно руководству, необходимо определить максимальные значения тока при ходе штока штанговой установки вверх I
В
и вниз I
Н
, за*
тем найти коэффициент неуравновешенности станка-качалки:
Недостаток данного способа заключается в су*
щественной инерционности токоизмерительных клещей, откуда следует погрешность в определе*
нии коэффициента уравновешенности и неодноз*
начность в его значении при сильной разбаланси*
ровке станка*качалки.
Известен способ [14], где в качестве исходных данных использует мгновенные значения тока и напряжения на входе электропривода, на основе которых рассчитывают потребляемую реактивную мощность и проводят её гармонический анализ, а затем находят отношение второй гармоники к пер*
вой и значение полученного коэффициента сравни*
вают с эталонным для данной скважины.
Способ [15] заключается в том, что с эталонным значением среднеквадратичного отклонения пол*
ной мощности сравнивают среднеквадратичное от*
клонение полной мощности, определенное из про*
изведения действующих значений тока и напря*
жения, вычисленных при минимальном или мак*
симальном смещении штока от точки подвеса и при производной значения давления, не равной нулю, вычисленных по величине перемещения штока и мгновенному значению давления. Недо*
статками данных способов являются: сложность проведения гармонического анализа с использова*
нием процедуры дискретного преобразования Фу*
рье в первом способе, необходимость установки на
B
H
H.
B
H
100 %.
I
I
I
K
I
I




Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
179

шток ШГНУ датчиков перемещения и давления во втором, а также необходимость использования эта*
лонных коэффициентов, расчет которых необходи*
мо предварительно проводить для каждой исследу*
емой установки.
Также известен способ [16], где решение поста*
вленной задачи заключается в измерении мгновен*
ных значений скорости вращения ротора привод*
ного электродвигателя за один период качания,
определении минимальных значений мгновенной скорости при подъеме V
1min и опускании V
2min штока,
сравнении этих значений и определении состояния уравновешенности из условия:
Недостатком способа является невозможность дать количественную оценку степени уравнове*
шенности.
Согласно способу [17], коэффициент неуравно*
вешенности определяется по максимальным мгно*
венным значениям активной мощности при ходе штока вверх P
Вmax и вниз P
Нmax
:
Общим недостатком способов [16, 17] является то, что для определения уравновешенности ис*
пользуются мгновенные значения скорости или мощности, а не интегральная оценка на периоде качания ШГНУ, такая как, например, энергия.
Это не позволяет получить вполне точный резуль*
тат по балансировке ШГНУ с точки зрения главно*
го критерия уравновешенности – минимума потре*
бляемой энергии.
В способе [18] в качестве интегрального показа*
теля качества уравновешивания предложен коэф*
фициент уравновешенности по потерям, определя*
емый отношением средних потерь при ходе штока вверх
P
СР.В
и вниз
P
СР.Н
:
наряду с которым может быть использован коэф*
фициент уравновешенности по среднеквадратич*
ному току при ходе штока вверх I
СР.В
и вниз I
СР.Н
:
Недостатком способа является то, что при обра*
ботке и восприятии информации необходимо опе*
рировать численным значением коэффициента уравновешенности, которое может принимать от*
рицательные значения, что вызывает определен*
ные трудности для эксплуатирующего персонала.
Кроме того, для реализации данного способа пред*
лагается оборудовать механизм датчиком положе*
ния или путевыми датчиками для определения мо*
ментов прохождения механизмом «мертвых то*
чек», что усложняет конструкцию установки и снижает её надежность, поскольку навесные дат*
чики на подвижной конструкции подвержены сильным внешним воздействиям.
Общим недостатком всех указанных выше спо*
собов является то, что информация о коэффициен*
те уравновешенности, получаемая при этом, не со*
держит конкретных рекомендаций обслуживаю*
щему персоналу, куда и на сколько необходимо пе*
реместить противовес станка*качалки, поэтому требуется проводить несколько операций последо*
вательного подбора оптимального положения.
Алгоритм определения уравновешенности
Для разработки алгоритма определения ура*
вновешенности станка*качалки требуется глубо*
кое понимание принципов и закономерностей ра*
боты штанговой глубинной насосной установки в целом. Такое понимание может обеспечить ком*
пьютерная модель ШГНУ [19–23], выполненная например, в среде PascalABC.NET, более подроб*
ное описание которой дано в работе [24, 25]. Об*
щий вид исследуемой модели ШГНУ типа
ПШГН8–3*5500, оснащенной двигателем 4A200L6У3
(30 кВт, 1000 об/мин), представлен на рис. 1. Ос*
новными параметрами для моделирования явля*
ются геометрические размеры элементов кон*
струкции станка*качалки, их массы, параметры упругости штанговой колонны, глубина спуска и диаметр насоса, динамический уровень и плот*
ность жидкости в скважине, передаточные отно*
шения редуктора и клиноременной передачи, па*
раметры Т*образной схемы замещения двигателя и параметры силового преобразователя. Она позво*
ляет получать визуальное представление о движе*
нии механизма и параллельно выводить динамо*
грамму, ваттметрограмму, диаграмму момента двигателя и её составляющие от сил тяжести про*
тивовеса и оголовка по отдельности, а также рас*
чет энергии, потребляемой за цикл качания.
Широкие возможности компьютерной модели обеспечивают доступность необходимых выход*
ных переменных, что позволяет перейти к стати*
стической обработке получаемых данных. Основ*
ным критерием в определении уравновешенности станка*качалки был выбран показатель мини*
мального энергопотребления. В основу разработки алгоритма положены утверждения отдельных ав*
торов [17, 26], а также результаты собственных ис*
следований, из которых следует, что оптимальным условием уравновешивания по минимуму потре*
бляемой электроприводом ШГНУ энергии являет*
ся равенство энергий, затрачиваемых на подъем и опускание штока. Для проверки данного утвер*
ждения в модели ШГНУ при установившемся ре*
жиме работы оценивалась энергия, потребляемая электроприводом при ходе штока вверх и вниз, с изменением радиуса расположения противовеса на кривошипе с шагом 0,01 м от одного крайнего по*
ложения до другого (повторение подобного экспе*
римента на реальной установке невозможно в силу конструктивно ограниченного количества мест установки противовеса на кривошипе).
CP.B
CP.H
I
I
K
I

УР
CP.B
CP.H
,
P
PCP
K
P




УР
Bmax
H max
H.
Bmax
H max
(
)
100 %.
(
)
P
P
P
K
P
P




1min
2 min
1min
2 min
0,1(
)
2
V
V
V
V



Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
180

На рис. 2 представлены расчетные зависимости потребляемой электроприводом ШГНУ энергии от радиуса установки противовеса, полученные при указанных выше условиях моделирования для скважины со следующими параметрами:
• глубина спуска насоса 1142 м;
• динамический уровень 800 м.
Как видно на рис. 2, графики зависимости энергий, затрачиваемых на подъем W
В
и опуска*
ние штока W
Н
, от радиуса расположения противо*
веса на исследуемом участке представляют собой прямые, а зависимость полной энергии W
Ц
за цикл качания станка*качалки, которая является сум*
мой энергий, затрачиваемых на ход штока вверх и вниз, от радиуса имеет параболический характер.
На параболическом графике полной энергии есть точка минимума, координата которой по горизон*
тальной оси и даёт оптимальный радиус располо*
жения противовеса R
П
=1,2 м. Точка пересечения прямых дает значение радиуса R
П
=1,25 м, при ко*
тором равны затраты энергии на подъем и опуска*
ние штока. Как видим, радиусы можно считать приблизительно равными с погрешностью менее
5 %, при том, что разница полных энергий за цикл составляет менее 0,1 %.
Исходя из принятого положения, алгоритм оценки качества уравновешивания включает в се*
бя вычисление энергии W
Д
, потребляемой двигате*
лем при ходе штока вверх и вниз по общему выра*
жению на основе данных о мгновенной мощности двигателя P
Д
, формируемых в контроллере преоб*
разователя частоты:
(1)
где T
Ц
– временной интервал интегрирования (дли*
тельность подъема или опускания штока); dt – шаг интегрирования по времени при численном инте*
грировании.
Для разделения значений энергии при ходе вверх – W
В
и вниз – W
Н
необходимо выполнять инте*
грирование мощности по выражению (1) на интер*
вале движения штока вверх – T
Ц
=t
В
и вниз – T
Ц
=t
Н
.
Оценку качества уравновешивания для нагляд*
ности рекомендуется формировать в виде числово*
го значения коэффициента уравновешенности K
УР
:
0
,
T
t
W
P dt



Ц
Д
Д
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
181
Рис. 1. Общий вид модели ШГНУ в среде PascalABC.NET
Fig. 1. Suckerrod pumping unit (SRPU) model common view in PascalABC.NET environment

(2)
Очевидно, идеальному уравновешиванию соот*
ветствует значение коэффициента K
УР
=
100 %.
При K
УР
<
100 % установка считается неуравнове*
шенной, причём чем меньше K
УР
, тем сильнее раз*
балансирована ШГНУ. Небольшое отклонение K
УР
от 100 % при работе ШГНУ допускается, необхо*
димость остановки механизма и перемещения про*
тивовеса в более оптимальное положение опреде*
ляется в каждом конкретном случае текущими приоритетами и техническими возможностями.
Минимальное значение K
УР
=
0 % не достижимо на практике в силу конструктивного ограничения ди*
апазона перемещения противовеса на кривошипе.
Из формулы (2) также следует, что нет необходи*
мости определять, при подъёме или при опускании штока измерена энергия, достаточно подставить в формулу два последовательных значения энергии за половину цикла согласно указанному условию.
Алгоритм определения оптимального
положения противовеса
Из графиков на рис. 2 видно, что зависимости энергии, потребленной при ходе вверх и вниз, от радиуса противовеса имеют практически линей*
ный характер. Кроме того, равны по модулю и от*
личны по знаку углы наклона этих прямых. При*
чем, как показали исследования на модели элек*
тропривода ШГНУ, угол наклона этих прямых не зависит от динамического уровня и глубины спу*
ска насоса. Исходя из этого, зная тангенс наклона прямых и текущие значения энергий при ходе вверх и вниз, а также радиус противовеса, можно определить уравнения этих прямых. Определив уравнение хотя бы одной из прямых, мы можем рассчитать оптимальное по энергопотреблению по*
ложение противовеса.
Уравнения зависимости энергии при ходе вверх W
В
и вниз W
Н
от радиуса противовеса могут быть представлены в следующем виде:
где А – тангенс угла наклона прямых; R – радиус противовеса; В
В
и B
Н
– коэффициенты смещения прямых.
Для определения коэффициента A требуется как минимум две точки искомой прямой. Поэтому первый запуск ШГНУ будет «пробным»: при этом необходимо занести в память текущее значение ра*
диуса противовеса, дать станку отработать некото*
рое время, например, пять циклов, и задать коман*
ду «Идентификация» для сохранения текущих па*
раметров. После этого требуется остановить меха*
низм, произвольно сдвинуть грузы на некоторую величину и запустить его снова, записав при этом в память новое значение радиуса. Значение коэффи*
циента А находим по следующим выражениям:
B
B
H
H
;
,
W
AR
B
W
AR
B
 






B
H
B
H
H
B
H
B
1 100 %,
;
2 1
100 %,
2
W
W
W
W
K
W
W
W
W







 






УР
при при
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
182
Рис. 2. Графики зависимости потребляемой энергии от положения грузов
Fig. 2. Plots of consumed energy vs. weights position

где W
ВВ
, W
НН
, R – значения энергии и радиуса про*
тивовеса, полученные на предварительном запу*
ске.
При выполнении указанных условий алгоритм выдаст значение коррекции положения грузов для достижения оптимального энергопотребления –
это будет в той точке, где энергия равняется поло*
вине полной энергии за цикл, что определяется следующим выражением:
При этом величина смещения может быть по*
лучена из следующей формулы:
В случае необходимости обновления результа*
тов работы алгоритма следует задать команду
«сброс» и повторить процедуру.
Алгоритм определения «мертвых точек»
Одним из главных недостатков некоторых спо*
собов определения уравновешенности является необходимость получения информации о положе*
нии штока от внешних датчиков. Как уже было сказано выше, применение таких датчиков значи*
тельно снижает надёжность системы в целом. Тем не менее, разработанные алгоритмы требуют нали*
чия информации о прохождении станком*качал*
кой «мертвых точек». Эту информацию также предлагается формировать на основе ваттметро*
граммы, относительно доступной для получения стандартными средствами станции управления
ШГНУ.
Для этого логическому анализу были подверг*
нуты диаграммы момента двигателя, поскольку при практически постоянной скорости, на которой работает установка, диаграммы момента и мощно*
сти имеют одинаковую форму, с разницей только в масштабе друг относительно друга. Изучение форм диаграмм и различные их преобразования привели к следующим выводам: если текущую диаграмму момента (мощности) двигателя сложить с той же самой диаграммой, но сдвинутой на половину пе*
риода качания станка*качалки, то полученная ди*
аграмма будет иметь вид, представленный на рис. 3, где показаны диаграммы суммарного мо*
мента при различных положениях противовеса
(M
0,9
, M
1,2
, M
1,5
, M
1,7
). Сопоставим данную суммар*
ную диаграмму с диаграммой момента M
О
, созда*
ваемого на валу двигателя нагрузкой на оголовке станка*качалки, состоящей из веса оголовка и уси*
лия на штоке. На рис. 3 видно, что абсциссы мини*
мумов суммарной диаграммы соответствуют точ*
кам перехода через ноль диаграммы момента ого*
ловка, которые и показывают момент времени про*
хождения крайнего верхнего и крайнего нижнего положения балансира. Минимумы на графике суммарного момента несколько опережают по вре*
мени прохождение «мертвых точек», тем самым обеспечивается компенсация вычислительного запаздывания системы.
Таким образом, о прохождении станком*качал*
кой «мертвой точки» свидетельствуют минимумы на диаграмме суммы текущей мощности и мощно*
CM
R
R
R


УР
B
H
B
(
)
2
;
W
W
W
AR
R
A





УР
BB
B
Â
Ð
HH
H
Í
Ð
H
B
;
;
,
2
W
W
A
R
R
W
W
A
R
R
A
A
A








Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
183
Рис. 3. Суммарная диаграмма моментов и диаграмма момента, создаваемого на валу двигателя оголовком с нагрузкой
Fig. 3. Summarized torques diagram and diagram of horse head torque on motor shaft under load

сти, измеренной в момент времени, предшествую*
щий половине периода качания ШГНУ. Чтобы определить период качания балансира, не прибе*
гая к внешним датчикам и методам визуально кон*
троля, необходимо вычислить разность значений временных меток двух последовательных наиболь*
ших максимумов на диаграмме мощности.
На следующем шаге, необходимом для опреде*
ления оптимального положения противовеса, тре*
буется установить, какой временной интервал между «мертвыми точками» соответствует подъе*
му, а какой – опусканию штока, иными словами –
какая «мертвая точка» является верхней, а ка*
кая – нижней. Поскольку в моменты прохожде*
ния «мертвых точек» положения кривошипа стан*
ка*качалки несимметричны относительно центра его вращения, то измерив его угловой путь, можно однозначно определить тип «мертвой точки». При нормальном режиме работы ШГНУ проскальзыва*
ния в его передачах отсутствуют, поэтому можно перейти к определению углового перемещения ва*
ла двигателя, расчет которого ведётся интегриро*
ванием скорости вращения двигателя. Таким обра*
зом, с учетом геометрии станка*качалки устана*
вливаем, что верхней «мертвой точке» предше*
ствует меньшее угловое перемещение вала двига*
теля, а нижней – большее.
Заключение
Анализ существующих подходов к диагности*
рованию уравновешенности ШГНУ позволил вы*
явить основные недостатки применяемых реше*
ний и сформировать задачу настоящего исследова*
ния.
На компьютерной модели ШГНУ исследовано функционирование установки в различных режи*
мах: при изменении параметров скважины – дина*
мического уровня, конфигураций механизма, таких как глубина спуска насоса и положение противовеса на кривошипе; регулировании производительности
– заданием различных скоростей вращения двигате*
ля. Изучены закономерности процессов, протекаю*
щих в установившемся режиме работы ШГНУ: ко*
лебания нагрузок на отдельных элементах кон*
струкции станка*качалки, а также преобразование энергии на всех этапах цикла качания. Полученные зависимости представлены графически и подвергну*
ты аналитической обработке. На основе полученных результатов разработаны алгоритмы определения уравновешенности станка*качалки, оптимального положения противовеса и «мертвых точек».
Сформированный алгоритм является частью систем диагностики ШГНУ и может быть адапти*
рован для использования в интеллектуальных станциях управления, что в совокупности с уда*
ленной диспетчеризацией обеспечивает простые и понятные выходные данные для мониторинга со*
стояния ШГНУ, своевременное и качественное об*
служивание оборудования, простоту, высокую скорость и точность настройки, которой нельзя до*
биться с использованием только лишь ручного тру*
да, экономию на плановых проверках оборудова*
ния, а также значительное снижение затрат на по*
тери электроэнергии от работы установки в неоп*
тимальном режиме. Все эти преимущества дости*
гаются при достаточно небольших затратах на вне*
дрение и адаптацию алгоритма под конкретную интеллектуальную станцию управления ШГНУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арбузов В.Н. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин.
Ч. 2. – Томск: Изд*во Томского политехнического университе*
та, 2012. – 272 с.
2.
Лаврушко П.Н., Муравьев В.М. Эксплуатация нефтяных и га*
зовых скважин. – М.: Недра, 1974. – 367 с.
3. Скважинные насосные установки для добычи нефти /
B.И. Ивановский, В.И. Даритцев, А.А. Сабиров, В.С. Кашта*
нов, C.С. Пекин. – М.: Нефть и Газ, 2002. – 824 с.
4.
An approach to the optimum design of sucker*rod pumping sy*
stem / X. Liu, Y. Qi, J. Wu, L. Yang, F. Chen // WASE Interna*
tional Conference on Information Engineering (ICIE). – Beidaihe,
2010. – V. 3. – P. 140–143.
5. Khakimyanov M.I., Shafikov I.N., Khusainov F.F. Control of sucker rod pumps energy consumption // IEEE Int. Siberian Con*
ference on Control and Communications (SIBCON). – Omsk,
2015. – P. 1–4.
6. Бубнов М.В., Зюзев А.М. Средства диагностирования оборудо*
вания установок штанговых глубинных насосов // Труды пер*
вой научно*технической конференции молодых ученых Ураль*
ского энергетического института. – Екатеринбург: УрФУ,
2016. – С. 175–178.
7. Сравнительный анализ возможностей отечественных и им*
портных систем автоматизации скважин, эксплуатируемых
ШГН / М.И. Хакимьянов, С.В. Светлакова, Б.В. Гузеев,
Я.Ю. Соловьев, И.В. Музалев // Нефтегазовое дело. – 2008. –
№ 2. – С. 1–22.
8.
Хакимьянов М.И., Пачин М.Г. Мониторинг состояния штанго*
вых глубиннонасосных установок по результатам анализа ваттметрограмм // Нефтегазовое дело. – 2011. – № 5. –
С. 1–26.
9. Building the dynamometer card of sucker rod pump using power consumption of the eclectic motor of pumping unit / G. Guluyev,
A. Pashayev, F. Pashayev, A. Rzayev, E. Sabziev // Problems of
Cybernetics and Informatics (PCI): IV International Conference. –
Baku, 2012. – P. 1–3.
10. Generating surface dynamometer cards for a sucker*rod pump by using frequency converter estimates and a process identification run / T. Lindh, J.*H. Montonen, M. Grachev, M. Niemel
@ // IEEE
5
th
International Conference on Power Engineering, Energy and
Electrical Drives. – Riga, 2015. – P. 416–420.
11. Khakimyanov M.I., Khusainov F.F. The information processing of dynamometer cards at controllers of automation power drives sucker rod pumps // IEEE International Conference on Power
Drives Systems (ICPDS). – Perm, 2015. – P. 1–6.
12. Привод штанговых глубинных насосов, Паспорт
ПШГН.00.000.ПС. – Екатеринбург: Уралтрансмаш, 1991. – 34 с.
13. Руководство по эксплуатации скважин штанговыми насоса*
ми. – Альметьевск: АО «Татнефть», 1992. – 440 с.
14. Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок: пат. Рос. Федерация № 2227848;
заявл. 31.10.2002; опубл. 27.04.2004, Бюл. № 12. – 8 с.
15. Способ определения неуравновешенности станка-качалки скважинной штанговой насосной установки: пат. Рос. Федера*
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
184

ция № 2621435; заявл. 03.02.2016; опубл. 06.06.2017,
Бюл. № 16. – 6 с.
16. Способ диагностирования уравновешенности привода штанго*
вого глубинного насоса: пат. Рос. Федерация № 2334897; за*
явл. 09.01.2007; опубл. 27.09.2008, Бюл. № 27. – 4 с.
17. Хакимьянов М.И. Удельный расход электроэнергии при меха*
низированной добыче нефти штанговыми глубиннонасосными установками // Вестник УГАТУ. – 2014. – Т. 18. – № 2 (63). –
С. 54–60.
18. Зюзев А.М. Развитие теории и обобщение опыта разработки ав*
томатизированных электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса: дис. … д*ра техн. наук. – Екатеринбург, 2004. –
347 с.
19. Модели нагрузок для симуляторов реального времени электро*
приводов / А.М. Зюзев, М.В. Бубнов, М.В. Мудров, К.Е. Несте*
ров // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. –
2016. – Т. 1. – С. 24–30.
20. The dynamic simulation model and the comprehensive simulation algorithm of the beam pumping system / S. Dong, Y. Cui,
M. Xing, S. Liao, L. Du // International Conference on Mechani*
cal and Automation Engineering (MAEE). – Jiujang, 2013. –
P. 118–122.
21. Hands*on model of sucker rod pumping facility for oil well pro*
duction / K.F. Fozao, M. Lissouck, F. Lontsi, A. Ngasa, N. Mban*
da // Journal of Petroleum and Gas Engineering. – 2015. –
№ 6 (4). – P. 45–53.
22. Sucker*rod pumping system: Simulator and dynamic level control using bottom hole pressure / B. Ordonez, A. Codas, U.F. Moreno,
A. Teixeira // Emerging Technologies and Factory Automation
(ETFA). – Hamburg, 2008. – P. 282–289.
23. Fuyu W., Guoming C. The virtual experiment system of sucker*
rod pumping development and its application // Computing, Con*
trol and Industrial Engineering (CCIE). – Wuhan, 2010. – V. 2. –
P. 178–181.
24. Zyuzev A.M., Bubnov M.V. Mudrov M.V. Sucker*Rod Pump Unit
Electric Drive Simulator // 2
nd
International Conference on Indu*
strial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). –
Chelyabinsk, 2016. – P. 1–4.
25. Zyuzev A.M., Bubnov M.V. Model for sucker*rod pumping unit operating modes analysis based on SimMechanics library // Jour*
nal of Physics: Conference Series. – 2018 – № 944. – P. 1–7.
26. Хакимьянов М.И., Хусаинов Ф.Ф., Шафиков И.Н. Зависи*
мость энергопотребления штанговых глубинных насосов от технологических параметров скважин // Нефтегазовое дело. –
2015. – № 1. – С. 533–563.
Поступила 18.10.2018 г.
Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. 178–187
Зюзев А.М., Бубнов М.В. Диагностика уравновешенности штанговой глубинной насосной установки по ваттметрограмме
185
Информация об авторах
Зюзев А.М., доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
Бубнов М.В., аспирант, инженер кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Ураль*
ского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.

REFERENCES
1. Arbuzov V.N. Ekspluatatsiya neftyanykh i gazovykh skvazhin
[Exploitation of oil and gas wells]. P. 2. Tomsk, Tomsk Poly*
technic University Publ. house, 2012. 272 p.
2.
Lavrushko P.N., Muraviev V.M. Ekspluatatsiya neftyanykh i ga
zovykh skvazhin
[Exploitation of oil and gas wells]. Moscow, Ne*
dra Publ., 1974. 367 p.
3. Ivanovsky V.I., Darittsev V.I., Sabirov A.A., Kashtanov V.S., Pe*
kin S.S. Skvazhinnye nasosnye ustanovki dlya dobychi nefti
[Downhole pumping units for oil production]. Moscow, Neft i gaz
Publ., 2002. 824 p.
4.
Liu X., Qi Y., Wu J., Yang L., Chen F. An approach to the opti*
mum design of sucker*rod pumping system. WASE International
Conference on Information Engineering (ICIE)
. Beidaihe, 2010.
Vol. 3, pp. 140–143.
5. Khakimyanov M.I., Shafikov I.N., Khusainov F.F. Control of sucker rod pumps energy consumption. IEEE Int. Siberian Confe
rence on Control and Communications (SIBCON)
. Omsk, 2015.
pp. 1–4.
6. Bubnov M.V., Zyuzev A.M. Sredstva diagnostirovaniya oborudo*
vaniya ustanovok shtangovykh glubinnykh nasosov [Sucker*rod pumping units equipment diagnosing facilities]. Trudy pervoy
nauchnotekhnicheskoy konferentsii molodykh uchenykh Uralsko
go energeticheskogo instituta
[Proc. of the first scientific and technical conference of young scientists of the Ural Power Engi*
neering Institute]. Yekaterinburg, UrFU Publ., 2016.
pp. 175–178.
7. Khakimyanov M.I., Svetlakova S.V., Guzeev B.V., Solo*
vev Ya.Yu., Muzalev I.V. Sravnitelny analiz vozmozhnostey otechestvennykh i importnykh sistem avtomatizatsii skvazhin,
ekspluatiruemykh ShGN [Comparative analysis of the capabilit*
ies of domestic and imported well automation systems operated by
SRP]. Neftegazovoe delo, 2008, no. 2, pp. 1–22.
8.
Khakimyanov M.I., Pachin M.G. Monitoring of sucker rod pump units on result of the analysis wattmeter cards. Oil and gas indu
stry
, 2011, no. 5, pp. 1–26. In Rus.
9. Guluyev G., Pashayev A., Pashayev F., Rzayev A., Sabziev E.
Building the dynamometer card of sucker rod pump using power consumption of the eclectic motor of pumping unit. Problems of
Cybernetics and Informatics (PCI): IV International Conference
Baku, 2012. pp. 1–3.
10. Lindh T., Montonen J.*H., Grachev M., Niemel
@ M. Generating surface dynamometer cards for a sucker*rod pump by using frequency converter estimates and a process identification run.
IEEE 5
th
International Conference on Power Engineering, Energy
and Electrical Drives
. Riga, 2015. pp. 416–420.
11. Khakimyanov M.I., Khusainov F.F. The information processing of dynamometer cards at controllers of automation power drives sucker rod pumps. IEEE International Conference on Power
Drives Systems (ICPDS)
. Perm, 2015. pp. 1–6.
12. Privod shtangovykh glubinnykh nasosov [Rod deep pumps actua*
tor]. Passport PShGN.00.000.PS. Yekaterinburg, Uraltransmash
Publ., 1991. 34 p.
13. Rukovodstvo po ekspluatatsii skvazhin shtangovymi nasosami
[Manual on operation of wells with sucker*rod pumps]. Almety*
evsk, Tatneft Publ., 1992. 440 p.
14. Goldshteyn E.I., Isachenko I.N., Polyakova S.V. Sposob diagno
stirovaniya uravnoveshennosti stankov kachalok shtangovykh na
sosnykh ustanovok
[The method for diagnosing the balance of the pumpjack of rod pump units]. Patent RF, no. 2227848, 2004.
15. Timofeev A.O., Yasoveev V.Kh. Sposob opredeleniya neuravno
veshennosti stanka kachalki skvazhinnoy shtangovoy nasosnoy
Zyuzev A.M. et al. / Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering. 2019. V. 330. 4. 178–187 186
UDC 622.276.53
SUCKER?ROD PUMPING UNIT BALANCE DIAGNOSTICS BY WATTMETER CARD
Anatoliy M. Zyuzev
1
, [e-mail]
Matvei V. Bubnov
1
, [e-mail]
1
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin,
19, Mira Street, Yekaterinburg, 620002, Russia.
The relevance of the research is conditioned by widespread use of unregulated sucker&rod pumping units, equipped only with mechani&
cal adjustment tools. Application of that type of units results in considerable losses of both electricity and crude oil related to machine ope&
rating in non optimal regime. To solve this problem both new and already exploited sucker&rod pumping units are equipped with means of intelligent control and monitoring, which are included within control stations equipped with frequency converter and controller. Imple&
mentation of these tools on sucker&rod pumping units control station controller requires the development of appropriate algorithms to ensure autonomous, high performance, cost&effective and reliable function of plant during all life cycle.
The main aim of the research is elaboration of the algorithms for determining pumpjack balance, optimal counterbalance position and polished rod dead centres passing moment.
Objects of the research are the sucker&rod pumping unit in different operating modes and pumpjack balance, defined by the counter&
balance position on the crank.
Methods: mathematical analysis tool of differential equations and transfer functions, computer simulation, comparison and analysis of charts and diagrams.
Results. The paper considers the existing ways of pumpjack balance detection and their shortcomings. It turns out that wattmetering is the most available and fail&safe sucker&rod pumping unit condition monitoring method which does not require installation of additional external sensors. The authors have developed the sucker&rod pumping unit computer model for investigating principles and load cycles of unit operation. Based on the data obtained by simulations the authors developed the algorithm of pumpjack balance detection, which can work as sucker&rod pumping unit intelligent control station software ensuring easy control, timely service and cost reduction.
Key words:
Oil industry, sucker&rod pumping unit, pumpjack, induction motor, frequency converter, controller, intelligent control station, wattmeter card, balance ratio, counterweight, dead centre, diagnostics.

ustanovki
[The method for determining the unbalance of a pump*
jack of a borehole rod pump unit]. Patent RF, no. 2621435, 2017.
16. Ushakov V.S., Demyanenko N.A. Sposob diagnostirovaniya ura
vnoveshennosti privoda shtangovogo glubinnogo nasosa
[The method for diagnosing the balance of a rod depth pump acuator].
Patent RF, no. 2334897, 2008.
17. Khakimyanov M.I. Energy intensity in artificial lift of sucker rod pumping units. Vestnik UGATU, 2014, vol. 18, no. 2 (63),
pp. 54–60. In Rus.
18. Zyuzev A.M. Razvitie teorii i obobshchenie opyta razrabotki avto
matizirovannyh ehlektroprivodov agregatov neftegazovogo kom
pleksa
. Dis. Dokt. nauk [Development of the theory and generali*
zation of experience in the development of automated electric dri*
ves for oil and gas units. Dr. Diss.]. Yekaterinburg, 2004. 347 p.
19. Ziuzev A.M., Bubnov M.V., Mudrov M.V., Nesterov K.E. Load models for real*time simulators of electric drives. Automation in
the Electric Power Industry and Electrical Engineering
, 2016,
vol. 1, pp. 24–30. In Rus.
20. Dong S., Cui Y., Xing M., Liao S., Du L. The dynamic simulation model and the comprehensive simulation algorithm of the beam pumping system. International Conference on Mechanical and
Automation Engineering (MAEE)
. Jiujang, 2013. pp. 118–122.
21. Fozao K.F., Lissouck M., Lontsi F., Ngasa A., Mbanda N. Hands*
on model of sucker rod pumping facility for oil well production.
Journal of Petroleum and Gas Engineering
, 2015, no. 6 (4),
pp. 45–53.
22. Ordonez B., Codas A., Moreno U.F., Teixeira A. Sucker*rod pum*
ping system: Simulator and dynamic level control using bottom hole pressure. Emerging Technologies and Factory Automation
(ETFA)
. Hamburg, 2008. pp. 282–289.
23. Fuyu W., Guoming C. The virtual experiment system of sucker*
rod pumping development and its application. Computing, Con
trol and Industrial Engineering (CCIE)
, Wuhan, 2010, vol. 2,
pp. 178–181.
24. Zyuzev A.M., Bubnov M.V. Mudrov M.V. Sucker*Rod Pump Unit
Electric Drive Simulator. 2
nd
International Conference on Indu
strial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM)
Chelyabinsk, 2016. pp. 1–4.
25. Zyuzev A.M., Bubnov M.V. Model for sucker*rod pumping unit operating modes analysis based on SimMechanics library. Journal
of Physics: Conference Series
, 2018, no. 944, pp. 1–7.
26. Khakimyanov M.I., Khusainov F.F., Shafikov I.N. Technological parameters influence of oilwells on energy consumption sucker rod pumps. Oil and gas industry, 2015, no. 1, pp. 533–563.
In Rus.
Received: 18 October 2018.
Zyuzev A.M. et al. / Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering. 2019. V. 330. 4. 178–187 187
Information about the authors
Anatoliy M. Zyuzev, Dr. Sc., professor, Ural Federal University named after the first President of Russia
B.N. Yeltsin.
Matvei V. Bubnov, graduate student, engineer, Ural Federal University named after the first President of Russia
B.N. Yeltsin.