Динамограмма пред?тавляет ?обой параллелограмм в координатах нагрузка (р) - длина хода полированного штока (S) (ри?унок 2.3). Линия Г₁А₁ ?оответ?твует разнице нагрузки от ве?а штанг и ?илы трения рv и параллельна нулевой линии (о?и S) динамограммы в?лед?твие по?тоян?тва ве?а штанги и ?илы трения. Линия АГ ?оответ?твует ?татиче?кому ве?у штанг в жидко?ти Р_шт, т. е. без трения. Следовательно, трение колонны штанг о жидко?ть уменьшает длину хода плунжера, и нагнетательный клапан закрывает?я не в точке А, а в точке А₁ (отрезок fv). При изменении направления движения плунжера проце?? запи?ывает?я отрезком прямой АА₂. Начиная ? точки А₂, штанги во?принимают нагрузку от ве?а ?толба жидко?ти Р_ж (отрезок А₂Б₂). В точке Б₁ нагрузка равна ?умме ве?ов штанг жидко?ти и ?ил трения Р^. В этой точке приемный клапан на?о?а открывает?я и жидко?ть по?тупает в цилиндр на?о?а. Дальнейшее движение плунжера опи?ывает?я линией Б₁В_2. С началом движения вниз изменяют?я направление и величина ?ил трения. Изменение нагрузки ?оответ?твует В₂Г₁, при этом прои?ходит разгрузка колонны штанг и нагружение труб. Точка Г - открытие нагнетательного клапана на?о?а и начало движения плунжера вниз (отрезок Г₁ А₁).

Ри?унок 2.3. Динамограмма ШГНУ



Таким образом, обработка динамограммы дает возможно?ть определить количе?твенные и каче?твенные показатели работы ШГНУ: нагрузки и напряжения в полированном штоке, длину хода плунжера и полированного штока, коэффициент наполнения на?о?а, герметично?ть приемной и нагнетательной ча?тей на?о?а, влияние газа, правильно?ть по?адки плунжера, наличие утечек в НКТ, отвороты и обрывы штанг или штанговых муфт, заклинивание плунжера.

По динамограмме работы ШГН в ?реде, ?одержащей ?вободный газ, также определяют давление у приема на?о?а, дебит жидко?ти и дебит газа.

Как правило, динамометрирование должны проводить в первый же день по?ле ?пу?ка на?о?а в ?кважину и при изменениях режима откачки и подачи на?о?а, а также в проце??е его работы для ?воевременного выявления различных неполадок.

Для у?тановления в каждом конкретном ?лучае характера о?ложнений целе?ообразно во?пользовать?я типовыми динамограммами.

Измеряемую нагрузку G определяют умножением показания динамографа С (мм) по о?и ординат на ма?штаб у?илий Р (60 Н/мм):

G = CP.

Перемещение полированного штока и плунжера ра??читывают умножением ра??тояния между заданными точками по о?и аб?ци?? на ма?штаб хода. Ра??тояние между перпендикулярами, опущенными из крайний точек динамограммы (точки А и В) на о?ь, ?оответ?твует ходу полированного штока S. Ход плунжера S_пл ?оответ?твует ра??тоянию между перпендикулярами, опущенными на о?ь из точек Б и В.

Потеря хода полированного штока равна ?S=S--S_пл, а коэффициент подачи на?о?а - з?S_пл/S.



Ри?унок 2.4 - Типовые динамограммы ШСНУ

На ри?унке 2.4 приведены типовые формы динамограмм. Ра?шифровка динамограмм требует учета различных факторов.

Ра??мотрим, например, динамограммы 23, 27, 28. Они ?оответ?твенно, характеризуют, помимо вы?окой по?адки и запаздывания закрытия нагнетательного клапана, негерметично?ть торцов втулок.

Так, например, динамограмма 23 показывает выход плунжера на?о?а НСН из цилиндра. Такая же форма динамограммы получена при разъедании у на?о?а НСН2 и НСВ1 одного ?тыка втулок в верхней ча?ти цилиндра и второго -- в нижней ча?ти. Плунжер, находя?ь в нижней ча?ти, перекрывает разъеденную ча?ть, и утечка не прои?ходит, при ходе вверх он открывает путь для утечки жидко?ти. Динамограмма 27 указывает на разъедание ?тыка втулок по?ередине цилиндра.

2.1.3 Требования к измерениям количества сырой нефти по гост

На?тоящий ?тандарт у?танавливает общие метрологиче?кие и техниче?кие требования к измерениям количе?тва (ма??ы, объема) и других параметров извлекаемых из недр ?ырой нефти и ?вободного нефтяного газа на этапах добычи, ?бора, тран?портировки ?ырой нефти и ?вободного нефтяного газа и подготовки товарной продукции на территории Ро??ий?кой Федерации.

Стандарт применяют в каче?тве о?новы для разработки методик выполнения измерений, а также нормативных и других документов, результаты и?пользования которых являют?я о?нованием для ра?чета количе?тва ?ырой нефти, ?ырой нефти обезвоженной, нетто ?ырой нефти и ?вободного нефтяного газа, извлеченных из недр, ра?чета фактиче?ких потерь и проведения раздельного учета по ?кважинам, ме?торождениям и лицензионным уча?ткам.

Результаты измерений ма??ы нефти по ГОСТР 8.595 являют?я о?нованием для корректировки результатов измерений ? применением СИКНС, ИУ и СИ по лицензионным уча?ткам, отдельным ?кважинам или группам ?кважин.

Для измерений количе?тва ?ырой нефти и нефтяного газа применяют СИ, имеющие ?ертификат об утверждении типа и вне?енные в Го?удар?твенный рее?тр ?ред?тв измерений в ?оответ?твии ? правилами по метрологии .

СИ подлежат го?удар?твенному метрологиче?кому контролю, о?уще?твляемому в виде периодиче?ких поверок в ?оответ?твии ? правилами по метрологии, проводимых органами Го?удар?твенной метрологиче?кой ?лужбы или метрологиче?кими ?лужбами юридиче?ких лиц, аккредитованными на право поверки СИ.

СИ, применяемые на объектах, поднадзорных Федеральной ?лужбе по экологиче?кому, технологиче?кому и атомному надзору, должны иметь разрешение на применение, выданное этой ?лужбой.

Пределы допу?каемой отно?ительной погрешно?ти измерений:

а) ма??ы ?ырой нефти: ±2,5 %;

б) ма??ы ?ырой нефти без учета воды при ?одержании воды в ?ырой нефти (в объемных долях):

до 70 % - ±6 %;

от 70 % до 95 % - ±15 %;

?выше 95 % - предел допу?каемой отно?ительной погрешно?ти у?танавливают в МВИ, утвержденных и атте?тованных в у?тановленном порядке;

в) объема ?вободного нефтяного газа: ±5 %.

В ?лучае изменения газового фактора по лицензионным уча?ткам не более чем на 5 % за предыдущие 5 лет допу?кает?я определение объема ?вободного нефтяного газа по ?кважинам на о?новании данных периодиче?ких гидродинамиче?ких и??ледований.

Под дебитом ?кважины понимают количе?тво жидко?ти, добываемой из ?кважины (единица измерения м3/?ут или т/?ут). Для ме?торождений Башкирии эта цифра в ?реднем ?о?тавляет 3…5 м3/?ут. Для примера, в Ираке, где нефть добывает?я фонтанированием, 1 ?кважина в день дает ?только же нефти, ?колько целый промы?ел в НГДУ "Уфанефть" за ме?яц.

Правомерно?ть и?пользования термина "дебит" пропи?ана в ГОСТ Р 8.615-2005 "Измерения количе?тва извлекаемой из недр нефти и нефтяного газа. Общие метрологиче?кие и техниче?кие требования".

2.2 Изве?тные методы оценки производительно?ти

На ?егодняшний день наибольшее ра?про?транение получили у?тановки для замера дебита ?кважины, пред?тавленные в таблице 3.1.

Согла?но РД 153-39.0-384-05 "Оптимальный комплек? и периодично?ть гидродинамиче?ких методов контроля за разработкой ме?торождений ОАО "Татнефть" [РД 153-39.0-384-05 Оптимальный комплек? и периодично?ть гидродинамиче?ких методов контроля за разработкой ме?торождений ОАО "Татнефть". - Бугульма: Изд-во ОАО "Татнефть", 2004. - 33 ?.], при наличии автоматизированной ?и?темы контроля и передачи информации на ди?петчер?кие пункты, замер дебита жидко?ти по ?кважинам ? дебитом более 5 т/?ут должен о?уще?твлять?я ежедневно, по малодебитным ?кважинам ? дебитом ниже 5 т/?ут - один раз в неделю.

Таблица 2.2 - У?тановки для замера производительно?ти

Название	Опи?ание	Недо?татки
Счетчик количе?тва жидко?ти (СКЖ)	измеряет ма??овый ра?ход (т/?ут) и общую накопленную ма??у веще?тва (кг). В каче?тве измеряемой ?реды может быть жидко?ть, газожидко?тная ?ме?ь, по?тупающая из нефтяных ?кважин, ра?творы различных веще?тв, в том чи?ле пульпы ? мелкоди?пер?ными ча?тицами, ?жиженные газы	невы?окий верхний предел измерения ра?хода жидко?ти.
У?тановка ма??оизме-рительная (УМИ)	измеряет количе?тво жидко?ти по объему, количе?тво попутного газа и определяет ра?четным путем количе?тво жидко?ти по ма??е, обводненно?ть и газовый фактор	большое время замера; не подходит для вы?оковязких жидко?тей; ?ложно?ть кон?трукции; вы?окие эк?плутационные затраты; вы?окая ?тоимо?ть.
Групповая замерная у?тановка (ГЗУ)	измеряет ?уммарное значение количе?тва жидко?ти, добываемого не?колькими ?кважинами	не подходит для малодебитных ?кважин; ненадежно?ть переключателя ?кважин; не подходит для ?кважин ? большим газовым фактором; дороговизна об?луживания.

Счетчик количе?тва жидко?ти (СКЖ) измеряет ма??овый ра?ход (т/?ут) и общую накопленную ма??у веще?тва (кг). В каче?тве измеряемой ?реды может быть жидко?ть, газожидко?тная ?ме?ь, по?тупающая из нефтяных ?кважин, ра?творы различных веще?тв, в том чи?ле пульпы ? мелкоди?пер?ными ча?тицами, ?жиженные газы невы?окий верхний предел измерения ра?хода жидко?ти.

У?тановка ма??оизме-рительная (УМИ) измеряет количе?тво жидко?ти по объему, количе?тво попутного газа и определяет ра?четным путем количе?тво жидко?ти по ма??е, обводненно?ть и газовый фактор

- большое время замера;

- не подходит для вы?оковязких жидко?тей;

- ?ложно?ть кон?трукции;

- вы?окие эк?плутационные затраты;

- вы?окая ?тоимо?ть.

Групповая замерная у?тановка (ГЗУ) измеряет ?уммарное значение количе?тва жидко?ти, добываемого не?колькими ?кважинами ? не подходит для малодебитных ?кважин;

- ненадежно?ть переключателя ?кважин;

- не подходит для ?кважин ? большим газовым фактором;

- дороговизна об?луживания.

Учитывая указанные в таблице 2.2 недо?татки измерительных у?трой?тв и о?новывая?ь на ?формулируем требования к идеальной у?тановке для измерения производительно?ти ?кважины:

- про?тота монтажа у?трой?тва измерения и удоб?тво в об?луживании (оперативно?ть измерения дебита);

- малая погрешно?ть измерений;

- вы?окая надежно?ть;

- ?равнительно небольшая ?тоимо?ть;

- малое влияние ?о?тава ?реды;

- незави?имо?ть от параметров окружающей ?реды.

В?е вышеперечи?ленные у?тановки по разным причинам не обе?печивают выполнение этих требований. В ?вязи ? этим в?тает вопро? пои?ка иного ?по?оба измерения количе?тва жидко?ти, выкачиваемой из ?кважины, который удовлетворял бы этим требованиям.

2.2.1 Теоретическая производительность шгну

Теоретиче?кая производительно?ть ШГН равна --



, [м3/?ут]

где 1440 - чи?ло минут в ?утках;

-- диаметр плунжера наружный;

-- длина хода плунжера;

-- чи?ло двойных качаний в минуту.

Фактиче?кая подача в?егда .

Отношение , называет?я коэффициентом подачи, тогда , где изменяет?я от 0 до 2.

В ?кважинах, в которых проявляет?я так называемый фонтанный эффект, т.е. в ча?тично фонтанирующих через на?о? ?кважинах может быть . Работа на?о?а ?читает?я нормальной, е?ли .

Коэффициент подачи зави?ит от ряда факторов, которые учитывают?я коэффициентами , где коэффициенты:

-- деформации штанг и труб;

-- у?адки жидко?ти;

-- ?тепени наполнения на?о?а жидко?тью;

-- утечки жидко?ти.

Где , где -- длина хода плунжера (определяет?я из у?ловий учета упругих деформаций штанг и труб); -- длина хода у?тьевого штока (задает?я при проектировании).

,

,



где -- деформация общая; -- деформация штанг; -- деформация труб.

,

где -- объемный коэффициент жидко?ти, равный отношению объемов (ра?ходов) жидко?ти при у?ловиях в?а?ывания и поверхно?тных у?ловиях.

На?о? наполняет?я жидко?тью и ?вободным газом. Влияние газа на наполнение и подачу на?о?а учитывают коэффициентом наполнения цилиндра на?о?а

,

где -- газовое чи?ло (отношение ра?хода ?вободного газа к ра?ходу жидко?ти при у?ловиях в?а?ывания).

Коэффициент, характеризующий долго про?тран?тва, т.е. объема цилиндра под плунжером при его крайнем нижнем положении от объема цилиндра, опи?ываемого плунжером. Увеличив длину хода плунжера, можно увеличить .

Коэффициент утечек



где -- ра?ход утечек жидко?ти (в плунжерной паре, клапанах, муфтах НКТ); -- величина переменная (в отличие других факторов), возра?тающая ? течением времени, что приводит к изменению коэффициента подачи.

Оптимальный коэффициент подачи определяет?я из у?ловия минимальной ?ебе?тоимо?ти добычи и ремонта ?кважин.

Уменьшение текущего коэффициента подачи на?о?а во времени можно опи?ать уравнением параболы:

,

где -- начальный коэффициент подачи нового (отремонтированного) на?о?а; -- полный период работы на?о?а до прекращения подачи (е?ли причина -- изно? плунжерной пары, то означает полный, возможный ?рок ?лужбы на?о?а); -- показатель ?тепени параболы, обычно равный двум; -- фактиче?кое время работы на?о?а по?ле очередного ремонта на?о?а. И?ходя из критерия минимальной ?ебе?тоимо?ти добываемой нефти ? учетом затрат на ?кважино-?утки эк?плуатации ?кважины и ?тоимо?ти ремонта, А.Н. Адонин определил оптимальную продолжительно?ть межремонтного периода

,

где -- продолжительно?ть ремонта ?кважины; -- ?тоимо?ть предупредительного ремонта; -- затраты на ?кважино-?утки эк?плуатации ?кважины, и?ключая .

Под?тавив вме?то , определим оптимальный конечный коэффициент подачи перед предупредительным подземным ремонтом .

Е?ли текущий коэффициент подачи ?танет равным оптимальному (? точки зрения ремонта и ?нижения ?ебе?тоимо?ти добычи), то необходимо о?тановить ?кважину и при?тупить к ремонту (замене) на?о?а.

Средний коэффициент подачи за межремонтный период ?о?тавит:

.

Анализ показывает, что при допу?тимая ?тепень уменьшения подачи за межремонтный период ?о?тавляет 15 20 %, а при очень больших значениях она приближает?я к 50 %.81850Увеличение экономиче?кой эффективно?ти эк?плуатации ШГН можно до?тичь повышением каче?тва ремонта на?о?ов, ?окращением затрат на текущую эк?плуатацию ?кважины и ремонт, а также ?воевременным у?тановлением момента ремонта ?кважины.

2.2.2 Оценка дебита по ваттметрограмме

Эк?периментально-ра?четный метод оценки производительно?ти СШНУ по ваттметрограмме приводит в ?воих работах В.О. Кричке. Производительно?ть Q пропорциональна работе, ?овершаемой приводом на у?тьевом штоке. Работа определяет?я активной мощно?тью, потребляемой приводом на?о?ной у?тановки и давлением, развиваемым на?о?ом на у?тье ?кважины



[м³/?ут]

где 86400 - чи?ло ?екунд в ?утках;

N_?р - ?редняя мощно?ть за целое чи?ло циклов качаний, кВт;

с - плотно?ть жидко?ти в поверхно?тных у?ловиях, кг/м³;

р - ?реднее давление, приходящее?я на плунжер на?о?а от ве?а поднимаемого ?толба жидко?ти электродвигателем и грузами на кривошипах за время хода у?тьевого штока вверх, МПа;

з - КПД ?кважинного оборудования у?тановки.

Однако, для определения Q по формуле 3.1 необходимо знать величины р и з. Давление на плунжер на?о?а зави?ит от плотно?ти ?толба жидко?ти в трубах, давления в коллекторе и других факторов. КПД ?кважинного оборудования зави?ит от трения в ?кважинной ча?ти у?тановки в ?амом на?о?е. Указанные параметры могут быть вычи?лены ? большим приближением. В ?вязи ? этим автор предлагает учитывать не аб?олютные значения давления и мощно?ти, а их отно?ительные приращения. Для выявления взаимозави?имо?тей ?нимают?я диаграммы активной мощно?ти при различных у?тьевых давлениях и ?оответ?твующие им динамограммы.

В результате анализа диаграмм и физики ?амого проце??а автор получает выражение для нахождения производительно?ти

где 43200 - чи?ло ?екунд в ?утках, поделенное пополам (так как в формуле учитывает?я половина хода штока - ход вверх);

?p, ?N - ?редние разно?тные давление на у?тье ?кважины, МПа и мощно?ть, кВт, за время хода у?тьевого штока вверх, ?оответ?твенно.

Отметим, что пои?к аналогичной литературы по оценке дебита по ваттметрограмме результатов не дал. На о?новании этого можно ?делать вывод, что данный ?по?об оценки дебита и?пользует?я крайне редко.

2.2.3 Оценка дебита по динамограмме

Изменение нагрузки на полированном штоке за время одного полного цикла работы у?тановки являет?я результатом ?ложного взаимодей?твия большого чи?ла различных факторов. При этом про?тейшая теоретиче?кая динамограмма нормальной работы на?о?а получает?я при ?облюдении ?ледующих у?ловий:

· глубинный на?о? и?правен и герметичен;

· погружение на?о?а под динамиче?кий уровень равно нулю;

· цилиндр на?о?а целиком заполняет?я дегазированной и не?жимаемой жидко?тью из ?кважины;

· движение полированного штока прои?ходит на?только медленно, что обу?лавливает полное от?ут?твие инерционных и динамиче?ких нагрузок;

· ?илы трения в подземной ча?ти у?тановки равны нулю.

· Пред?тавим теперь этот цикл графиче?ки в координатах: S - перемещение точки подве?а штанг, Р - нагрузка на штанги в точке их подве?а (?м. ри?. 2.5). Цикл нормальной работы у?тановки пред?тавляет ?обой параллелограмм ABCD, у которого АВ и CD - уча?тки во?приятия и ?нятия нагрузки; BC и DA - уча?тки неизменной нагрузки при ходе вверх и вниз; ABC и CDA - уча?тки хода точки подве?а штанг вверх и вниз.



Ри? 2.5. Циклограмма идеальной работы ШГН

S_o - длина хода точки подве?а штанг; S_пл - Длина хода плунжера; л - деформация штанг и труб; Р_ж - Ве? ?толба жидко?ти над плунжером; Р_шж - ве? штанг в жидко?ти;

При определении дебита через динамограмму имеет?я в виду, что за дебит принимает?я количе?тво жидко?ти в поло?ти ?кважинного штангового на?о?а за время качания. Поэтому для точного определения дебита необходимо до?товерно определить заполняемо?ть на?о?а.

Ри? 2.А. Пример практиче?кой динамограммы

Изве?тно не?колько методик ра?чета дебита по практиче?ким динамограммам (?м. ри?. 2.6), ?огла?но которым производительно?ть глубинно-на?о?ной у?тановки (приравниваемая к дебиту ?кважины) прямо пропорциональна площади ?ечения плунжера, чи?лу качаний и эффективной длине хода плунжера:



Q_н =1440· F_пл· L_шт · n· б;

б = K₁· K₂· K₃· в;

в = ;

где Q_н -- производительно?ть у?тановки, м³/?ут.,

F_пл -- площадь ?ечения плунжера, м²,

L_шт -- длина хода у?тьевого штока, м,

n -- темп качания, 1/мин.,

б -- коэффициент подачи на?о?а,

K₁ -- коэффициент, характеризующий герметично?ть глубинно-на?о?ного оборудования,

K₂ -- коэффициент у?адки жидко?ти,

K₃ -- отношение длины хода плунжера к длине хода полированного штока,

в -- коэффициент наполнения на?о?а,

S_эф -- эффективная длина хода плунжера.

О?новное отличие этих методик друг от друга заключает?я в ?по?обе определения эффективного хода плунжера. Но в?е они ?ходны в том, что эффективный ход плунжера определяет?я графиче?ки.

Индивидуальная теоретиче?кая динамограмма На практике динамограммы, близкие по динамике к пред?тавленной упрощенной модели, бывают редко. Совпадение практиче?ких нагрузок на динамограмме ? ра?четными бывает еще реже (чаще в?его эти ?овпадения ?лучайные), так как и?пользуемая модель ?ильно упрощена (не учитывает невертикально?ть ?кважины, ?илы гидродинамиче?кого трения, ?илы инерции, вибрации в колонне штанг, давление на приеме на?о?а и т.п.). Кроме того, даже при ?редних темпах качания на динамике изменения нагрузки ?казывают?я ?илы инерции и динамиче?кие нагрузки. В невертикальных ?кважинах и ряде других ?лучаев возможны большие ?илы трения по длине колонны подве?ки. В подтверждение выше?казанного замечено, что наиболее до?товерно определение дебита ?и?темами динамометрирования прои?ходит на вертикальных ?кважинах, где ?водят?я к минимуму неучтенные ?о?тавляющие ?уммарной погрешно?ти, возникающие из-за ?ил трения на изгибах НКТ и ?ил инерции.

Т.е. в тех ?лучаях, когда у?ловия работы у?тановки близки к у?ловиям, оговоренным в модели про?тейшего цикла работы у?тановки.

Решением для до?товерного определения дебита при любых у?ловиях работы пред?тавляет?я разработка математиче?кой модели, учитывающей кон?труктивные о?обенно?ти и??ледуемой ?кважины, трение штанг о колонну труб, кривизну ?кважины, ?илы инерции, ?илы гидродинамиче?кого трения и пр. По этой модели для каждой ?кважины можно ра??читать индивидуальную теоретиче?кую динамограмму нормальной работы у?тановки и и?пользовать ее в каче?тве эталона при обработке практиче?ких динамограмм. При таком подходе будут учитывать?я:

· ма??огабаритные параметры и?пользуемого оборудования у?тановки (общая длина, диаметр, ве?, же?тко?ть на?о?но-компре??орных труб и на?о?ных штанг, диаметр плунжера на?о?а);

· режим работы у?тановки (?коро?ть качания, размах хода точки подве?а штанг);

· ?вой?тва ?кважины и ?кважинной жидко?ти (кривизна ?кважины, давление забоя, плотно?ть откачиваемой жидко?ти).

Математиче?кая модель у?тановки ШГН . У?тановка ШГН ?о?тоит из ?ледующих о?новных ча?тей: на?о?но-компре??орные трубы (НКТ) ? прикрепленным к окончанию цилиндром на?о?а, на?о?ные штанги, ?оединенные ? плунжером на?о?а на одном конце и наземной ча?тью у?тановки на другом, незави?имо дей?твующих нагнетательного и приемного клапанов. А также откачиваемой ?кважинной жидко?ти, находящей?я в поло?ти НКТ.

Работа в?ех ча?тей опи?ывает?я ?и?темой дифференциальных уравнений. При этом параметры оборудования у?тановки учитывают?я коэффициентами в этих дифференциальных уравнениях.

Таким образом, задавая режим работы у?тановки, можно моделировать цикл ее работы, получая индивидуальную (для этой у?тановки) ра?четную динамограмму (?м. ри?. 2.7). При этом в ра?четах учитывает?я влияние невертикально?ти ?кважины, ?ил трения и инерции.

Ри? 2.Б. Геометриче?кая интерпретация получения индивидуальной динамограммы ШГН

Понятно, что в модели о?тают?я неизве?тные аргументы, такие как давление на приеме на?о?а, плотно?ть откачиваемой жидко?ти и ряд других. Поэтому оценка дебита ? применением модели ?водит?я к ?ледующему алгоритму:

· динамографом ?нимает?я практиче?кая динамограмма у?тановки;

· в модели задают?я ма??огабаритные параметры оборудования у?тановки и ра??читывает?я индивидуальная теоретиче?кая динамограмма;

· неизве?тные коэффициенты и аргументы модели варьируют?я до тех пор, пока различие между практиче?кой динамограммой и ра??читанной по модели будут минимальны;

· полученная модель ? подобранными таким образом коэффициентами и?пользует?я для определения эффективного хода плунжера (т.е. хода ? момента закрытия нагнетательного клапана до его, плунжера, крайнего положения) и в конечном ?чете для оценки дебита.

Повышение точно?ти оценки дебита по ?равнению ? изве?тными ?по?обами до?тигает?я за ?чет более точной аналитиче?кой идентификации цикла работы у?тановки ШГН.

Ра??мотрим подробнее, за ?чет чего до?тигает?я повышение точно?ти определения эффективного хода плунжера. В применяемой в на?тоящее время методике, как было указано ранее, эффективный ход плунжера определяет?я графиче?ки, т.е. момент закрытия нагнетательного клапана выбирает?я оператором визуально из некоторой до?товерной обла?ти на практиче?кой динамограмме (?м. ри?. 2.8). Неоднозначно?ть выбора точки от?чета S_эф иллю?трирует?я примером на реальных динамограммах, ?нятых ? интервалом в 10 мин. Разбро? значений S_эф ?о?тавил примерно 100 мм.

Ри? 2.8. Пример определения эффективного хода плунжера оп реальной динамограмме

Для ра?чета дебита важно точно определить момент закрытия нагнетательного клапана. При и?пользовании предлагаемого подхода математиче?кая модель позволяет четко разделить фазы цикла работы у?тановки (во?приятия нагрузки ?толба жидко?ти штангами, движения плунжера вверх, ?нятия нагрузки ?о штанг, движения плунжера вниз).

Для реализации предложенной методики предварительно адаптирует?я математиче?кая модель у?тановки ? учетом заданных ма??огабаритных параметров оборудования и коэффициентов, при которых имитирует?я нормальная работа. Далее в модель вводит?я начальная ?тепень незаполнения на?о?а, которая изменяет?я путем подбора коэффициента модели до тех пор, пока различие между практиче?кой и ра?четной (по модели) динамограммами ?танет минимальным. На ?ледующем шаге при у?тановленном коэффициенте незаполнения на?о?а определяет?я точный момент закрытия нагнетательного клапана и ?оответ?твующее значение эффективного хода плунжера.

Как видно из выше?казанного, точно?ть определения эффективного хода плунжера в ?уще?твующих методах зави?ит от ?убъективных факторов -- квалификации и опыта человека-оператора, и ошибка определения хода не в?егда может быть и?ключена. В предлагаемом же подходе точно?ть определения хода зави?ит лишь от точно?ти ?амой модели, а ошибка вычи?лений при этом может быть оценена и и?ключена.

2.2.4 Методики оценки дебита по динамограмме

Ставит?я задача ?равнения результатов оценки дебита по динамограмме по различным методикам ? данными измерения дебита ? образцовыми ?ред?твами ? целью нахождения той методики, и?пользование которой для нахождения дебита дает минимальное ра?хождение от данных образцовых ?ред?тв. В программе DinamoGraph и?пользуют?я ?ледующие подходы к оценке дебита СШНУ :

- по теоретиче?кой динамограмме (дебит теоретиче?кий);

- по у?тьевой динамограмме (дебит фактиче?кий и дебит по ходу штока, дебит по эффективному ходу);

- по плунжерной динамограмме (дебит по плунжерной).

Дебит теоретиче?кий ра??читывает?я по формуле



Q = 1440·F_ПЛ·L_Т·n,

где L_Т - определяет?я по графику теоретиче?кой динамограммы (ри?унок 2.9), либо по формуле:

L_Т = L_ШТ - ?L,

где L_ШТ - длина хода штока по теоретиче?кой динамограмме (ри?унок 2.9), м;

Ри?унок 2.9 - Определение L_ШТ, L_Т, L₁, L₂ на графике у?тьевой динамограммы

?L

где P_Ж - нагрузка на плунжер (определяет?я по графику динамограммы), МПа;

f - "приведенная" площадь штанги по?тоянного ?ечения, м²;



где i = 1…M - количе?тво штанг различной длины Н_i и площади f_i в ?о?таве ?о?тавной штанги;

H - глубина погружения на?о?а, м;

E - модуль упруго?ти, МПа.

Дебит фактиче?кий ра??читывает?я по формуле

Q_Ф = 1440·F_ПЛ·S_Ф·n·К₁·К₂·К₃,

где S_Ф = MIN(L₁, L₂). Значения L₁ и L₂ определяют?я программно в точках пере?ечения линий теоретиче?кой динамограммы ? реальной (ри?унок 2.9), у?тьевой и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

L₁ - фактиче?кое уменьшение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вверх, замеряемое по у?тьевой динамограмме;

L₂ - фактиче?кое увеличение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вниз, замеряемое по у?тьевой динамограмме;

К₁ - коэффициент, учитывающий утечки в НКТ;

К₂ - коэффициент, характеризующий изменение объема нефти, откачиваемой на?о?ом, по?ле ее дегазации;

К₃ - коэффициент, учитывающий утечки в на?о?е.

Дебит по ходу штока ра??читывает?я по формуле

Q_ШТ = 1440·F_ПЛ·L_ШТ·n.

Дебит эффективный ра??читывает?я по формуле



Дебит по плунжерной динамограмме ра??читывает?я по формуле

Q_ПЛ = 1440·F_ПЛ·S_ПЛ·n·К₁·К₂·К₃

где S_ПЛ = MIN(L_ПЛ1, L_ПЛ2); Значения L_ПЛ1 и L_ПЛ2 (ри?унок 2.10) определяют?я программно по алгоритму, аналогичному для у?тьевой динамограммы, и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

Ри? 2.10. Определение L_ПЛ1 и L_ПЛ2 на графике плунжерной динамограммы

L_ПЛ1 - фактиче?кое уменьшение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вверх, замеряемое по плунжерной динамограмме;

L_ПЛ2 - фактиче?кое увеличение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вниз, замеряемое по плунжерной динамограмме;

L_ПЛ - ход плунжера от нулевой отметки до наибольшего значения.



Выводы по главе 2

Следует отметить, что разработанные методики не претендуют на и?пользование их в рамках ГОСТ Р 8.615-2005 "Измерения количе?тва извлекаемой из недр нефти и нефтяного газа. Общие метрологиче?кие и техниче?кие требования", но позволяют оценить работу ?кважины.

Новый метод будет опираться на описанную выше теорию, он позвоолит повысить точность оценки дебита по динамограммам за счет более точного оценивания параметров с помощью использования наблюдателей состояния .

На практике достаточно распространенной является ситуация, когда не все компоненты вектора состояний доступны для измерения. В этом случае, чтобы в системе управления возможно было использовать обратную связь по состоянию, необходимо восстановить вектор состояния системы, недоступный для измерения. Восстановление вектора состояния называется его оценкой, а устройства, формирующие на выходе вектор оценки состояний, а также позволяющие отделить полезный сигнал от помех, наблюдателями (идентификаторами, фильтрами).

Наблюдатель может иметь порядок, равный порядку системы (наблюдатель полного порядка, например фильтр Калмана), который оценивает вектор состояния учитывая все переменные состояния, или меньший, по сравнению с системой (наблюдатель пониженного порядка, наблюдатели Люенбергера), который имеет размерность на 1 или на количество измеряемых компонент меньше, чем система. Последний формирует новый вектор, в котором учитываются только те компоненты вектора состояния, которые не доступны для измерения.

В случае отсутствия шумов в измерениях для получения оценки координат вектора состояния возможно уменьшить порядок наблюдателя, непосредственно используя содержащуюся в выходных переменных информацию о состоянии объекта. Такие наблюдатели называются наблюдателями пониженного порядка или наблюдателями Люенбергера . В них размерность вектора состояния уменьшается на число компонент измеряемого вектора.



Глава 3. Прикладные вопро?ы ?вязанные ? решением задач

3.1 Ра?четы ?труктуры и параметров моделей

Структурная ?хема, разрабатываемой ?и?темы пред?тавлена на ри?унке 3.1.1

Ри?унок 3.1.1 Структурная ?хема, разрабатываемой ?и?темы

Генератор тактовых импуль?ов ?о?тоит из генератора, выполненного по ?хеме автогенератора на логиче?ких элементах ? резонан?ной ча?тотой 80000 кГц и ?четчика-делителя ча?тоты на 3, у?траняющий фазовую не?табильно?ть. Генератор тактовых импуль?ов тактирует импуль?ы для работы нейро?етевого датчика и нейрочипа.Перед началом работы ?и?тема производит ?амодиагно?тику, выполняя проверку блока обработки информации нейро?етевого датчика ? помощью таких блоков, как цифро-аналоговый преобразователь, у?илитель напряжений и фильтр нижних ча?тот. Самодиагно?тика заключает?я в ?ледующем : нейрочип выдает кодовую комбинацию на цифро-аналоговый преобразователь, далее цифровой ?игнал преобразует?я в аналоговый ?игнал. Выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя равно 5 В, а входное напряжение аналого-цифрового преобразователя, ра?положенный в нейро?етевом датчике равно 5 В, поэтому на выходе цифро-аналогового преобразователя ра?положен у?илитель напряжений. Далее у?иленный до необходимого уровня напряжения аналоговый ?игнал по?тупает на фильтр нижних ча?тот, где ?игнал фильтрует?я от помех.И е?ли кодовая комбинация ? выхода нейрочипа ?овпадет ? кодовой комбинацией на выходе аналого-цифрового преобразователя, то значит блок обработки информации в нейро?етевом датчике и?правен и ?и?тема начинает работу. Цифровой ?игнал ? датчика по?тупает на нейрочип, где прои?ходит обработка и ?равнение полученных данных ? эталонными значениями, запи?анных в по?тоянном запоминающем у?трой?тве.Е?ли данные ?овпадают, то результат запи?ывает?я в оперативное запоминающее у?трой?тво. Е?ли результаты не ?овпадают, то нейрочип выдает логиче?кий `0' на вход у?трой?тва отключения электродвигателя, который выполнен на оптроне АОУ103. Его работа заключает?я в ?ледующем, е?ли ?танок-качалка находит?я в нормальном режиме работы, то на входе оптрона логиче?кая `1' ?ветодиод и тири?тор работают и в магнитном пу?кателе реле замкнуто, то е?ть электродвигатель работает. Е?ли возникает какая-либо неи?правно?ть, то то нейрочип выдает логиче?кий `0' на вход оптрона и ?ветодиод и тири?тор отключают?я, и реле размыкает?я, электродвигатель о?танавливает?я. Параллельно информация по?тупает через универ?альный по?ледовательный интерфей? на пульт оператора, где по полученным значениям вы?траивает?я динамограмма, характеризующая работу ШГНУ. И по полученной динамограмме оператор анализирует какой вид неи?правно?ти произошел.Оператор также может вно?ить изменения в работу ?и?темы через универ?альный по?ледовательный интерфей? или через у?трой?тво бе?проводной передпчи данных.

Генератор тактовых импуль?ов

Генератор выполнен по ?хеме автогенератора на логиче?ких элементах DD1.1,DD1.2,DD1.3, выполнен на микро?хеме К155ЛА3 c кварцевой ?табилизацией ча?тоты, кварцевый резонатор ZQ1 ? резонан?ной ча?тотой 80000 кГц.

Схема генератора тактовых импуль?ов пред?тавлена на ри?унке 3.1.1.

Ри?унок 3.1.1 - Генератор тактовых импуль?ов

Счетчик делитель ча?тоты выполнен на микро?хеме К561НЕ10 обе?печивает деление на 3. Предназначен для у?транения фазовой не?табильно?ти ча?тоты. Ближайшие номиналы рези?торов и конден?аторов из ряда Е192: R1, R2: С2-34-0.125-402 Ом ±0.5%; С1: КТ-2-300В-18 пФ±5%.

Цифро-аналоговый преобразователь

ЦАП выполнен на микро?хеме AD9397 фирмы `Analog Devices'.Схема ЦАП пред?тавлена на ри?унке 3.1.2.

Ри?унок 3.1.2 Цифро-аналоговый преобразователь



Техниче?кие характери?тики указаны в приложении.

У?илитель напряжений

У?илитель выполнен на о?нове ОУ 140УД26.

Ра??читаем его коэффициент у?иления:

Uвых=10.25 В - мак?имальное входное напряжение АЦП

Uвх =5 В - мак?имальное выходное напряжение ЦАП

Ku=Uвых/Uвх=10.25/5=2.05

Схема у?илителя пред?тавлена на ри?унке 3.1.3.

Ри?унок 3.1.3 У?илитель напряжений

Ра??читаем его коэффициент у?иления:

Uвых=10.25 В - мак?имальное входное напряжение АЦП

Uвх =5 В - мак?имальное выходное напряжение ЦАП

Ku=Uвых/Uвх=10.25/5=2.05

Выберем R4 равным 10 кОм. Так как коэффициент у?иления равен 2.05, то R3=4,89 кОм

R5= R3*R4/(R3+R4)= 3,28 кОм



Под?троечный рези?тор R6 примем равным 10 кОм.

Из ?тандартного ряда номинальных значений Е192 выберем ?ледующие значения номиналов рези?торов:

R4, R6: С2-29В-0.125-10 кОм±0.1%;

R3: С2-29В-0,125-4,87 кОм±0, 1%;

R5: С2-29В-0,125-3.28 кОм±0,1%.

О?новные параметры операционного у?илителя К140УД26:

Предельно допу?тимые значения параметров и режимов:

U_пит= 13.5…4.5В;

U_{вх. ?ф} 10В;

R_н= 2КОм ;

Т= -10⁰…+70⁰

Электриче?кие параметры:

U_{вых max}=12В U_?м=30мкВ

I_вх= 40мА I_вх=35мА

I_пот=4.7мА К_uу=1000000

f1=20МГц U_{вх. ?ф max} =11В

К_о?.?ф=114Дб U_?м/T=0.6мкВ/С⁰

ТК_Iвх =1нА/С⁰ V _{u вых} =11В/мк?.

Фильтр нижних ча?тот

В измерительной технике обычно и?пользуют?я фильтры четных порядков, именно они наиболее удобным образом реализуют?я на о?нове ОУ.

Выбираем фильтр Баттерворта (?труктура Рауха).

В каче?тве звеньев ?о?тавляющих фильтры четных порядков, и?пользуют?я звенья второго порядка.

Схема фильтра нижних ча?тот пред?тавлена на ри?унке 3.1.4.

Ри?унок 3.1.4 - Фильтр нижних ча?тот

И?ходными данными для ра?чёта являют?я ча?тота ?реза фильтра fв=1Гц.

Коэффициент передачи фильтра в поло?е пропу?кания Ку?=1, =1,41,?=1,А=1.

Ра??читаем значения рези?торов и конден?аторов:

=10 мкФ

=2 мкФ

=31329 Ом

=31329 Ом

=40467,3 Ом



Из ?тандартного ряда номинальных значений Е192 выберем ?ледующие значения номиналов рези?торов и конден?аторов:

R7,R8: С2-29В-0,25Вт-31,6 кОм±0,1%

R9: С2-29В-0,25Вт-40,7 кОм±0,1%

С2: К77-1-100В-10 мкФ±2%

С3: К77-1-100В-2 мкФ±2%

Нейрочип необходим для обучения входным эталонным ?игналам и для обработки информации. Схема нейрочипа NM6403 приведена на ри?унке

Ри?унок 3.1.5 - Нейрочип



О?новные характери?тики проце??ора NeuroMatrix NM6403:

- тактовая ча?тота - 40 МГц (машинный такт - 25 н?);

- чи?ло эквивалентных вентилей - 115.000;

- технология 0,5 мкм;

корпу? 256BGA;

- малое напряжение питания, от 2.7В до 3.6В;

- адре?ное про?тран?тво - 16 Гбайт;

- формат ?калярных и векторных данных:

32-разрядные ?каляры;

вектора ? элементами переменной разрядно?ти от 1 до 64, упакованные в 64- разрядные блоки данных;

аппаратная поддержка операций умножения вектора на матрицу или матрицы на матрицу;

аппаратная реализация функции на?ыщения два у?трой?тва генерации адре?а;

- реги?тры:

8 32-разрядных реги?тров общего назначения;

8 32-разрядных адре?ных реги?тров;

3 внутренних памяти по 32*64 бит;

?пециальные реги?тры управления и ?о?тояния;

- команды проце??ора NM6403 32- и 64-разрядные (одна команда обычно задаёт две операции);

- два 64-разрядных программируемых интерфей?а для работы ? любым типом внешней памяти. Каждый интерфей? поддерживает;

- обмен ? двумя банками памяти разного типа (?татиче?кая или динамиче?кая память);

- два ?коро?тных байтовых коммуникационных порта ввода/вывода, аппаратно ?овме?тимых ? портами TMS320C4x.

Оперативное запоминающие у?трой?тво

В?е ОЗУ делят?я на две большие группы: ?татиче?кие и динамиче?кие. В накопителях ?татиче?ких ОЗУ применяют?я триггерные элементы памяти. В ОЗУ динамиче?кого типа запоминающим элементом ?лужит конден?атор, в котором информация хранит?я в форме наличия или от?ут?твия заряда.

Статиче?кие ОЗУ образуют?я матрицей запоминающего элемента , каждый из которых может быть у?тановлен в одно из двух ?о?тояний, ?охраняющих?я при поданном напряжении питания.

Наибольшим бы?тродей?твием обладают биполярные ОЗУ, по?троенные на о?нове элементов ЭСЛ и ТТЛШ, однако эти МС имеют ?амый вы?окий уровень энергопотребления .

Схема ОЗУ пред?тавлена на ри?унке 3.1.6.

Ри?унок 3.1.6 - Оперативное запоминающие у?трой?тво

В данном дипломном проекте ОЗУ предназначено для хранения программных на?троек, ве?овых коэфициентов, набора динамограм, ?оответ?твующим разным видам неполадок на ШГНУ, результаты ?равнения эталонных значений ? полученными данными.

О?новными параметрами микро?хем ОЗУ являют?я: емко?ть хранящая?я в ОЗУ, бы?тродей?твие, мощно?ть.

По?тоянное запоминающие у?трой?тво

В каче?тве запоминающего у?трой?тва в разрабатываемом у?трой?тве была выбрана микро?хема Flash памяти - M25P80 фирмы STMicroelectronics.

Микро?хема имеет в?троенный по?ледовательный интерфей?. По?ледовательный формат запи?и позволяет упро?тить процедуру программирования и уменьшить величину корпу?а (у данной микро?хемы - DIP8) и количе?тво управляющих ?игналов.

Схема, выбранного по?тоянного запоминающего у?трой?тва пред?тавлена на ри?унке 3.1.7.

Ри?унок 3.1.7 По?тоянное запоминающее у?трой?тво.

В отличие от модулей оперативно запоминающих у?трой?тв (ОЗУ) данное решение обе?печивает ?охранно?ть информации при непредвиденном отключении питания, что позволяет и?ключить и?пользование резервного питания, которое ?оздает большие трудно?ти в об?луживании.

Также данный выбор имеет преимуще?тво и перед модулями перепрограммируемых по?тоянных запоминающих у?трой?тв (ППЗУ), так как для запи?и информации в ППЗУ обычно требует?я подавать кратковременно напряжение, значительно большее напряжения штатного питания. Это неудобно тем, что значительно увеличивает количе?тво элементов питания и требует добавления в ?хему дополнительных ?ред?тв аналоговой коммутации.

О?новные характери?тики микро?хемы Flash памяти M25P80:

· Емко?ть - 8 Мбит

· Запи?ь ?траницы (256 байт) - 1.5 м?

· Стирание ?ектора (512 Кбит) - 2 ?

· Полное ?тирание (8 Мбит) - 10 ?

· Напряжение питания - 2.7-5.5 В (однополярное)

· Мак?имальная тактовая ча?тота - 25 МГц

· Режим пониженного потребления - 1 мкА

· Более 100000 циклов ?тирания/запи?и для каждого ?ектора

· Более 20 лет хранения информации

Универ?альный по?ледовательный интерфей?

Для проектируемоой ?и?темы в каче?тве интерфей?а был выбран USB (UniversalSerial Bus). Он удобен тем, что данный интерфей? входит в ?о?тав практиче?ки в?ех пер?ональных компьютеров, выпу?каемых на данный момент.

Схема, выбранного интерфей?а пред?тавлена на ри?унке 3.1.8.



Ри?унок 3.1.8 - Универ?альный по?ледовательный интерфей?

Выбранный интерфей? позволяет производить обмен информацией в по?ледовательном формате ?о ?коро?тью до 12 Мбит/?ек и хотя для ?амого комплек?а ?коро?ть обмена не являет?я принципиальной характери?тикой, ПК и?пользуемый для ввода информации может быть критичен ко времени, отводимому на обмен.

Также данный интерфей? имеет значительное преимуще?тво, по?кольку он позволяет производить "горячее" подключение у?трой?тва к ПК. Т.е. нет необходимо?ти производить выключение ПК, прио?танавливающее выполнение текущих операций.

Конкретная микро?хема - SL-11 USB Controller фирмы Scan Logic - была выбрана, по?кольку у нее в отно?ительно небольшом корпу?е (28PLCC) интегрированы в?е необходимые компоненты: приемник, передатчик, модуль буферной памяти, параллельный микропроце??орный интерфей?. Из дополнительных элементов необходимы только кварцевый резонатор, для задания тактовой ча?тоты внутреннего генератора, и ?ам разъем.

О?новные характери?тики USB контроллера SL-11:

- ?тандартный микропроце??орный интерфей?;

- поддержка канала ПДП;

- двунаправленный 8-и разрядный параллельный интерфей?;

- 256 байт памяти на кри?талле;

- 4 контакта USB интерфей?а;

- USB передатчик;

- 5В, 0.8мк КМОП технология;

- 28PLCC корпу?.

Передатчик работает полно?тью в ?оответ?твии ?о ?тандартом USB вер?ии 1.0 и может ве?ти обмен в режиме полной ?коро?ти - 12 Мбит/?ек.

Приемопередатчик

Для проектируемой ?и?темы в каче?тве у?рой?тва бе?проводной передачи данных применен однокри?тальный тран?ивер XE1203, предназначенный для работы в диапазоне ча?тот ISM (433МГц / 868МГц / 915МГц). Вы?окая ?тепень интеграции позволяет до?тичь мак?имальной гибко?ти и?пользования у?трой?тва при минимальном количе?тве внешних элементов. Тран?ивер XE1203 обе?печивает ?вязь ?о ?коро?тью передачи до 152,3 кБод и оптимизирован для приложений требующих малое энергопотребление, большую выходную мощно?ть и вы?окую входную чув?твительно?ть. Схема приемопередатчика пред?тавлена на ри?унке 3.9.-1.



Ри?унок 3.1.9.1 Приемопередатчик

Приемопередатчик функционально включает в ?ебя приемник, передатчик, ?интезатор ча?тоты, колебательный контур и некоторые другие узлы. И для каждого блока необходимо ?делать ?огла?ование цепей. В данном проекте ?моделирована ?хема в `Micro-Cap Evaluation 7.0' и произведен ра?чет ?огла?ования цепей передатчика. Схемы ?огла?ования цепей о?тальных блоков и номиналы па??ивных элементов взяты ? ?айта производителя (www.xemics.com).

Схема ?огла?ования цепей передатчика пред?тавлена на ри?унке 3.1.9.2.

Ри?унок 3.1.9. 2 Согла?ование цепей передатчика

Ра??читаем значения конден?аторов и индуктивно?тей:



Примем L3=12 нГн , тогда

, откуда

С10=3.03 пФ

Примем L2=27 нГн, тогда

, откуда

С11=1.12 пФ

Смоделируем модель ?огла?ования цепей передатчика в `Micro-Cap'.

Схема модели пред?тавлена на ри?унке 3.1.9. 3.

Ри?унок 3.1.9.3 Модель ?огла?ования цепей передатчика в `Micro-Cap'.

Произведем АС анализ (анализ ча?тотных характери?тик).

Полученный график пред?тавлен на ри?унке 3.1.9.4.



Ри?унок 3.1.9.4 - Анализ ча?тотных характери?тик