Н.Н. Софьина, Д.И. Шишлянников, К.А. Корнилов, Е.О. Вагин СПОСОБ. Н. Н. Софьина1, Д. И. Шишлянников2, К. А. Корнилов

• Название: Н. Н. Софьина1, Д. И. Шишлянников2, К. А. Корнилов
• Дата: 13.02.2018
• Размер: 1.6 Mb.
• Имя файла: Н.Н. Софьина, Д.И. Шишлянников, К.А. Корнилов, Е.О. Вагин СПОСОБ.pdf
• Тип: Документы; #36433

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 247
УДК 622.276.054.22
Н.Н. Софьина
1
, Д.И. Шишлянников
2
, К.А. Корнилов
2
, Е.О. Вагин
3
N.N. Sof’ina
1
, D.I. Shishlyannikov
2
, K.A. Kornilov
2
, E.O. Vagin
3
1
Научно-производственное предприятие «РОС»
2
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
3
Региональный канатный центр
1
SPE “ROS”
2
Perm National Research Polytechnic University
3
Regional Rope Center
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ
НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
METHOD OF CONTROL PARAMETERS
AND TECHNICAL CONDITION OF THE DOWNHOLE
SUCKER ROD PUMPING UNITS
Проанализированы статистические данные о наиболее частых аварийных отказах балан- сирных станков-качалок штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ) и причинах их воз- никновения. Доказана перспективность способа приборного контроля параметров работы и диаг- ностирования ШСНУ на основе анализа величины и характера изменения нагрузок приводных электродвигателей, определяемых посредством регистрации мгновенных значений потребляе- мых мощностей. Рассмотрены конструкция и принцип действия программно-регистрирующего комплекса «АКД-СК» производства ООО «НПП “РОС”» (г. Пермь). Изложены методические осно- вы анализа ваттметрограмм приводных двигателей ШСНУ, описан характер проявления основ- ных дефектов погружных насосов и балансирных станков-качалок.
Ключевые слова: штанговая скважинная насосная установка, средства приборного кон- троля, аварийные отказы, балансировка, системы контроля, программно-регистрирующий ком- плекс «АКД-СК», диагностирование, ресурс.
Analyzed statistics on the most frequent crash balancing pumping units and their causes. Proved promising way of instrument control parameters and diagnostics of pumping units on the basis of the analysis of the magnitude and nature of changes in load drive motors, determined by recording the instantaneous values of power consumption. The design and operation of the software and registiruyuschego complex “AKD-SK” scientific production enterprise “ROS” (Perm). Methodical bases of the analysis vattmetrogramm drive motors pumping units, describes the nature of the main manifesta- tions of defects submersible pumps and balancing pumping units.
Keywords: pumping unit, means an instrument of control, crashes balancing, control systems, software and recording facility “AKD-SK”, diagnosing, resource.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 248
Для нефтедобывающих предприятий, осуществляющих эксплуатацию скважин с использованием штанговых скважинных насосных установок
(ШСНУ), актуальными остаются задачи повышения эффективности исполь- зования ШСНУ посредством снижения материальных затрат на поддержание их работоспособности, уменьшения количества аварийных отказов и перехо- да от планово-предупредительной системы ремонта насосного оборудования к обслуживанию по фактическому техническому состоянию.
Решение данных задач возможно посредством разработки и широкого использования методов и средств приборного контроля, осуществляющих непрерывную регистрацию параметров работы установок штанговых сква- жинных насосов, позволяющих количественно оценить нагруженность при- водов и отслеживать интенсивность протекания деградационных процессов в наиболее подверженных износу узлах ШСНУ [1, 2].
Рис. 1. Типовая конструкция балансирного станка-качалки: 1 – канатная подвеска;
2 – головка балансира; 3 – опора балансира; 4 – балансир; 5 – балансирные противовесы;
6 – опора траверсы; 7 – верхняя головка шатуна; 8 – шатун; 9 – нижняя головка шатуна;
10 – редуктор; 11 – клиноременная передача; 12 – ручка управления тормозом; 13 – элек- тродвигатель; 14 – кривошип; 15 – кривошипные противовесы; 16 – рама; 17 – стойка;
18 – траверса

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 249
В настоящее время на нефтепромыслах России и стран СНГ наибольшее применение нашли ШСНУ с механическим приводом – балансирными стан- ками-качалками (рис. 1). Данные установки представляют собой консерва- тивный комплекс оборудования, конструкция которого принципиально не меняется на протяжении последних 40 лет. К основным достоинствам ШСНУ с механическим приводом следует отнести длительные периоды эксплуата- ции, простоту устройства и обслуживания, а также возможность использова- ния штанговых насосов на малодебитных скважинах при осложненных гео- логических условиях (высокая обводненность, значительное содержание аб- разива, серы, парафина в пластовой жидкости и т.д.). Однако значительные динамические составляющие и изменчивость внешних нагрузок, подвержен- ность узлов станков-качалок (СК) неблагоприятному воздействию атмосфе- ры, ошибки монтажа и наладки, ненадлежащее техническое обслуживание и эксплуатация СК сверх нормативных периодов обусловливают высокую ава- рийность ШСНУ, что ведет к увеличению эксплуатационных затрат и сниже- нию рентабельности процесса нефтедобычи [3].
По данным, предоставленным сотрудниками НПП «РОС» (таблица), наи- более частыми аварийными отказами балансирных СК ШСНУ являются разру- шение и выход пальца из кривошипа (41 %), износ и разрушение тихоходного вала редуктора (20 %), обрыв шатуна (17 %). Среди основных причин, обуслов- ливающих возникновение внезапных отказов, названы усталость металла, пре- вышение нормативных нагрузок, низкий уровень обслуживания ШСНУ.
Статистика аварийных отказов балансирных станков-качалок
№ п/п
Аварийный отказ
Доля от общего числа аварийных отказов, %
1 Сход кривошипа с вала редуктора 3 2 Выход пальца из кривошипа 8 3 Разрушение пальца кривошипа 33 4 Обрыв балансира 3 5 Обрыв траверсы 5 6 Обрыв шатуна 17 7 Разрушение опоры траверсы 3 8 Обрыв головки балансира 8 9 Разрушение редуктора (обрыв тихоходного вала) 17 10 Разрушение зубчатых передач редуктора 3
Наиболее распространенными причинами выхода из строя штанговых скважинных насосов являются обрывы штанг, дефекты приемных и нагнета- тельных клапанов, коррозионные и абразивные повреждения рабочих по- верхностей.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 250
Следует отметить, что одним из ключевых факторов, оказывающих су- щественное влияние на наработку ШСНУ, является уравновешенность СК, определяющая уровень динамических нагрузок на узлы станка и величину удельных энергозатрат на подъем пластовой жидкости. На сегодняшний день для уравновешивания механических СК наиболее широко применяются сле- дующие способы:
– балансирное уравновешивание – наиболее старый и простой способ, осуществляемый посредством использования набора тяжелых плит, уста- навливаемых на заднем конце балансира СК (см. поз. 5 на рис. 1);
– роторное уравновешивание – груз в виде противовесов помещают на тяжелых кривошипах (см. поз 14 и 15 на рис. 1), масса которых также участ- вует в процессе уравновешивания установки;
– комбинированное, роторно-балансирное уравновешивание – наиболее эффективное, применяется на большинстве СК отечественного и зарубежного производства.
Основное назначение уравновешивающих устройств СК – накопление потенциальной энергии при ходе штанг вниз и отдача энергии при ходе штанг вверх. Отдаваемая потенциальная энергия превращается в работу, ко- торая вместе с работой, совершаемой приводным двигателем, расходуется на перемещение точки подвеса колонны штанг вверх и подъем нефтесодержа- щей жидкости из скважины.
В настоящее время на нефтепромыслах России балансировка СК осуще- ствляется, как правило, с использованием токовых клещей, контролирующих величину действующего тока в обмотках статора асинхронного электродви- гателя. Поскольку обычно приводные двигатели СК в рабочем режиме недог- ружены, то в обмотках двигателей преобладают реактивные составляющие мощности, не связанные с нагрузкой, что обусловливает низкую эффектив- ность балансировки СК по действующим токам. По данным подрядных орга- низаций, осуществляющих технический сервис ШСНУ, на промыслах России неправильно отбалансировано около 65 % имеющегося парка СК.
Сложные условия функционирования нефтепромыслового оборудова- ния, многофакторность процессов взаимодействия элементов ШСНУ между собой и с внешней средой, а также ценовые ограничения (рентабельность, конкурентоспособность изделия в условиях рынка), обусловливают необхо- димость поиска технически простых и надежных решений при проектирова- нии автоматических систем контроля параметров работы и оценки техниче- ского состояния насосных установок. Одним из наиболее перспективных способов приборного контроля и диагностирования ШСНУ является анализ величины и характера изменения внешних нагрузок, определяемых посредст-

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 251 вом замеров мгновенных значений токов, напряжений и расчета мощностей, потребляемых электродвигателями балансирных СК [4–9].
Сотрудниками НПП «РОС» (г. Пермь) был разработан и серийно произ- водится программно-регистрирующий комплекс «АКД-СК», предназначенный для непрерывного мониторинга станка-качалки по электрическим параметрам.
Комплекс применяется для регистрации ваттметрограмм на работающем обо- рудовании без предварительного отключения, что позволяет осуществлять ди- агностирование и контролировать уравновешенность СК, а также передавать полученные результаты в операторскую сеть нефтепромысла.
В состав оборудования комплекса «АКД-СК» (рис. 2, а) входят контрол- лер с блоком световой индикации, токоизмерительные клещи и отметчик магнитного типа. Комплекс монтируется непосредственно в станцию управ- ления СК, имеет внешний выходной разъем RS 482 (рис. 2, б) для подключе- ния в операторскую сеть нефтепромысла и дополнительную опцию беспро- водной передачи данных от контроллера в сеть, ноутбук или планшет [10].
Рис. 2. Комплекс «АКД-СК»: а – внешний вид; б – структурная схема
Для питания комплекса и регистрации мгновенных значений напряже- ния, потребляемого приводным двигателем СК, соединительный кабель пи- тания контроллера заводится через разъем XP3 с одной из входных фаз (на- пример, фаза А) магнитного пускателя и шины заземления. Токоизмеритель- ные клещи устанавливаются на один из фазовых проводов, идущий с выхода
а
б

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 252 магнитного пускателя, и подключаются к контроллеру через разъем XP1.
Фиксация нижнего (верхнего) положения головки балансира СК осуществля- ется посредством использования отметчика магнитного типа, который уста- навливается на раму СК рядом с выходным валом редуктора и подключается к контроллеру соединительным кабелем через разъем XP2. При этом на вы- ходной вал редуктора монтируется магнит в месте, соответствующем нижне- му (верхнему) положению головки балансира СК. Полученные данные со- храняются в энергонезависимой памяти контроллера и по запросу передают- ся в операторскую сеть промысла. Визуализация и обработка ваттметрограмм
(рис. 3) осуществляются с использованием специализированного программ- ного обеспечения, установленного на персональных компьютерах и/или но- утбуках сотрудников инженерно-технических служб нефтепромысла.
Рис. 3. Ваттметрограммы: а – полностью уравновешенного СК
(техническое состояние – хорошее); б – неуравновешенного СК (груз мал)
Ваттметрограмма полностью уравновешенного и исправного СК (см. рис. 3, а) на каждый полный ход штока скважинного насоса имеет два полупериода с вы- раженными пиками, соответствующими горизонтальным положениям кривоши-
а
б

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 253 па. Согласно установленным нормативам разница величин максимальных значе- ний мощности, потребляемых приводным двигателем СК при опускании и подъ- еме штока скважинного насоса, не должна превышать 10 %. Недостаточная ве- личина противомомента, создаваемого кривошипными грузами при опускании колонны штанг скважинного насоса при неуравновешенном СК (см. рис. 3, б), обусловливает переход приводного двигателя в генераторный режим работы, а рабочий ход штока насоса сопровождается повышенными нагрузками на ре- дуктор и двигатель СК. Следствием указанных процессов являются увеличение удельных энергозатрат на подъем пластовой жидкости, высокая динамика и пре- вышение нормативных значений нагрузок на элементы СК.
Анализ полученных ваттметрограмм позволяет диагностировать наиболее распространенные дефекты штанговых скважинных насосов (рис. 4). Диагно- стическими признаками обрыва колонны штанг ШСНУ являются увеличение пиковых значений активной мощности, потребляемой двигателем при опуска- нии головки балансира (вес колонны штанг не компенсирует противомомент, создаваемый грузами кривошипа), и отсутствие на ваттметрограмме полуперио- да нарастания мощности при подъеме балансира (см. рис 4, а), что обусловлива- ется отсутствием внешней нагрузки, создаваемой при подъеме столба пластовой жидкости из скважины. Схожим образом проявляются дефекты нагнетательного клапана погружного насоса: существенное снижение мощности, потребляемой двигателем при подъеме поршня, обусловлено утечкой большей части пластовой жидкости через неисправный нагнетательный клапан поршня обратно в цилиндр насоса и, как следствие, значительным снижением нагрузки в точке подвеса ко- лонны штанг (см. рис. 4, б). Неравномерность нарастания нагрузки при опуска- нии колонны штанг, увеличение динамических составляющих силовых воздей- ствий на привод ШСНУ являются признаками неисправности приемного кла- пана скважинного насоса (см. рис. 4, в).
Спектральный анализ сигналов активных мощностей (рис. 5), получен- ных посредством измерительного программно-регистрирующего комплекса
«АКД-СК», позволяет выявить частотные составляющие от 0 до 30 Гц, харак- теризующие колебания кинематической цепи «скважинный насос – станок- качалка – редуктор – приводной двигатель». Дефекты рабочих узлов и меха- нических передач ШСНУ обусловливают возникновение переменных нагру- зок, что вызывает появление новых спектральных составляющих. Периоди- ческое измерение величин в спектре мощности, характеризующих конкрет- ные дефекты в приводном электродвигателе и механической трансмиссии, позволяет наиболее просто производить оценку технического состояния
ШСНУ и при необходимости производить ремонтные воздействия, направ- ленные на предупреждение аварийных отказов.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 254
Рис. 4. Диагностические признаки дефектов штанговых скважинных насосов на ваттметрограммах СК: а – обрыв штанг; б – дефект нагнетательного клапана;
в – дефект приемного клапана
а
б
в

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 255
Рис. 5. Спектры ваттметрограмм: а – при наличии дефекта электродвигателя станка-качалки; б – при наличии дефекта клиноременной передачи
Посредством спектрального анализа записей потребляемых мощностей в асинхронных электродвигателях (см. рис. 5, а) могут быть обнаружены де- фекты электрической части ротора (включая обрывы обмотки ротора и замы- кания пластин активного сердечника), электрической части статора (включая обрывы и электрическую несимметрию силовой обмотки, замыкания пластин активного сердечника), статический и вращающийся эксцентриситеты, де- фекты подшипников, приводящие к флуктуациям формы воздушного зазора.
По характеру изменения спектра сигнала потребляемой мощности могут быть диагностированы неисправности зубчатых зацеплений, посадки шестерен на вал, перекосы ведомых валов и их опор вращения, дефекты клиноременных передач (см. рис. 5, б).
К недостаткам способа оценки технического состояния ШСНУ по по- требляемой мощности относится трудность выявления ряда дефектов в на- чальной стадии развития. В первую очередь это неисправности подшипников качения, проворачивание, износ и разрушение пальцев кривошипов. Зарож- дение и развитие данных дефектов сопровождаются изменением спектров диагностических сигналов в более высоком частотном диапазоне [4, 6].
Повышение информативности и достоверности диагноза возможно посред- ством реализации многопараметрового технического контроля (акустико- эмиссионная, вибрационная диагностика), реализуемого как опция контроллера
а
б

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 256
«АКД-СК». Например, установка беспроводных акустико-эмиссионных и/или вибрационных датчиков на пальцы кривошипа позволит предотвратить более
40 % внезапных отказов СК (см. рис. 1, а) [9].
Таким образом, непрерывная регистрация сигналов активных мощно- стей, потребляемых приводными электродвигателями ШСНУ, позволяет наи- более просто и достоверно осуществлять контроль эксплуатационной нагру- женности узлов насосной установки, качественно выполнять балансировку
СК, что обусловливает уменьшение удельных энергозатрат на подъем пла- стовой жидкости и снижение динамических нагрузок на детали ШСНУ. Ана- лиз актуальной информации о величине и характере изменения нагруженно- сти приводных электродвигателей СК позволяет выполнять оценку техниче- ского состояния, полного и остаточного ресурса элементов ШСНУ.
Представленные в статье результаты исследований показывают перспек- тивность разработки средств диагностирования оборудования, осуществ- ляющих контроль величины и характера изменения мощностей, потребляе- мых приводными электродвигателями. Предлагаемые технические решения и методологические основы также могут быть успешно использованы для ди- агностирования и эксплуатационного контроля горных машин и технологи- ческого оборудования добывающих предприятий.
Список литературы
1. Надежность технических систем / Е.В. Сугак, Н.В. Василенко, Г.Г. Наза- ров [и др.]. – Красноярск: Раско, 2001. – 608 с.
2. Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа: учеб. для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Альянс, 2010. – 588 с.
3. О проблемах повышения эффективности ремонтного хозяйства пред- приятий нефтегазового комплекса / А.А. Сунгатуллин, О.А. Норкина, Р.Р. Са- дыкова // Нефть и газ Западной Сибири: материалы Междунар. науч.-техн. конф. –
Тюмень: Изд-во Тюмен. гос. нефтегаз. ун-та, 2011. – Т. 4. – С. 251–254.
4. Барков А.В., Баркова Н.А., Борисов А.А. Методика диагностирования механизмов с электроприводом по потребляемому току. – СПб.: Севзапуч- центр, 2012. – 68 с.
5. Техническая диагностика механического оборудования / В.А. Сидо- ров, В.М. Кравченко, В.Я. Седуш [и др.]. – Донецк: Новый мир, 2003. – 125 с.
6. Информационно-диагностические средства объективного контроля как инструмент повышения эффективности эксплуатации добычных горных машин / С.А. Асонов, В.В. Габов, С.Л. Иванов, М.Г. Трифанов, Н.В. Чекма- сов, Д.И. Шишлянников // Вестник Пермского национального исследователь- ского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное де- ло. – 2015. – № 14. – С. 62–71.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 257 7. Сидельников Л.Г., Афанасьев Д.О. Обзор методов контроля техниче- ского состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации // Вестник
Пермского национального исследовательского политехнического универси- тета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2013. – № 7. – С. 127–137.
8. Гурьев П.А., Нусс С.В. Методика и программное обеспечение диагно- стики состояния электротехнического оборудования // Вестник Пермского государственного технического университета. Геология. Нефтегазовое и гор- ное дело. – 2006. – № 1. – С. 165–175.
9. Стенд для оценки технического состояния трансмиссии по параметрам питания электропривода / Д.И. Шишлянников, М.Г. Трифанов, В.А. Романов,
С.Л. Иванов, С.А. Асонов // Горный информационно-аналитический бюлле- тень (научно-технический журнал). – 2015. – № 4. – С. 227–233.
10. Стационарный программно-аппаратный комплекс «АКД-СК»: пас- порт. – Пермь. – 13 с.
Получено 14.03.2016
Софьина
Наталья Николаевна – директор научно-производственного предприятия «РОС» (г. Пермь), e-mail: [e-mail].
Шишлянников Дмитрий Игоревич
– кандидат технических наук, до- цент кафедры «Горная электромеханика», горно-нефтяной факультет, Перм- ский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail:
[e-mail].
Корнилов
Кирилл Алексеевич – студент, горно-нефтяной факультет,
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: [e-mail].
Вагин Евгений Олегович
– инженер-эксперт, ООО «Региональный ка- натный центр», e-mail: [e-mail].