Разработка метода виброакустической диагностики глубиннонасосных штанг в процессе эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.07, кандидат технических наук Рязанцев, Андрей Олегович

• Рязанцев, Андрей Олегович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рязанцев, Андрей Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СУЩЕСТВУЮЩЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ШТАНГОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

1.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ПРИЧИНЫ ДЕФЕКТОВ ШТАНГ.

1.2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ ГЛУБИННОНАСОСНЫХ ШТАНГ.

1.2.1. Капиллярная дефектоскопия.

1.2.2. Методы магнитной дефектоскопии.

1.2.2.1. Магнитно-порошковый метод.

1.2.2.2. Электромагнитная дефектоскопия.

1.2.2.2.1. Магнитографический метод.

1.2.2.2.2. Феррозондовый метод.

1.2.2.2.3. Токовихревой метод.

1.2.2.2.4. Магнитоиндукционный метод.

1.2.3. Акустическая дефектоскопия.

1.2.3.1. Метод акустической эмиссии.

1.2.3.2. • Ультразвуковой метод.

1.3. ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА.

1.3.1. Основные сферы применения и методы виброакустической диагностики.

1.3.2. Система сбора и регистрации измерительной информации.

1.3.2.1. Первичные преобразователи и согласующие устройства.

1.3.2.2. Регистрация виброакустического сигнала и оценка его свойств.

1.4. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШТАНГИ

2.1. РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ СВОБОДНОЙ ШТАНГИ.

2.2. РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ШТАНГИ С УЧЕТОМ КАНАТНОЙ ПОДВЕСКИ И ЭЛЕВАТОРА. 2.3. РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЕФЕКТНОЙ ШТАНГИ С УЧЕТОМ КАНАТНОЙ ПОДВЕСКИ И

ЭЛЕВАТОРА.

2.4. ВЫВОДЫ.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЛАБОРАТОРНОМ СТЕНДЕ

3.1. КОНСТРУКЦИЯ СТЕНДА.

3.2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ.

3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ КОЛЕБАНИЙ ГЛУБИННОНАСОСНЫХ ШТАНГ.

3.5. ОПИСАНИЕ ЗАТУХАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ШТАНГИ С ПОМОЩЬЮ МОДИФИЦИРОВАННОГО ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО ДЕКРЕМЕНТА.

3.5.1. Модификация логарифмического коэффициентазатухания колебаний.

3.5.2. Результаты экспериментов по наблюдению затухания колебаний.

3.5.3. Осреднение результатов экспериментального определения коэффициента затухания.

3.6. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ ШТАНГ ПО СПЕКТРУ ОГИБАЮЩЕЙ ВИБРОСИГНАЛА.

3.7. ВЫВОДЫ.

4. ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ШТАНГ НА СКВАЖИНЕ

ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СПО

4.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ШТАНГ.

4.2.1. Исследование коэффициента затухания.

4.2.2. Исследование спектров колебаний штанг.

4.3. ВЫВОДЫ.10S

5. ВЫВОДЫ И ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода виброакустической диагностики глубиннонасосных штанг в процессе эксплуатации»

Актуальность проблемы.

Одной из важнейших задач, стоящих перед современной нефтедобывающей промышленностью является решение проблемы своевременного и качественного выявления дефектов нефтепромыслового оборудования.

Учитывая тот факт, что объем добычи нефти с использованием штанговых насосных установок остается наибольшим в ряду механизированных способов эксплуатации скважин, себестоимость нефти напрямую зависит от их безаварийной работы. Вместе с тем самым ответственным и наиболее часто выходящим из строя элементом установок штанговых глубинных насосов является колонна насосных штанг, так как на обрыв штанг приходится основная часть аварий установок этого типа. Поэтому выявление трещин и других видов дефектов в теле штанг, приводящих к авариям, непосредственно на месте их эксплуатации мобильными дефектоскопическими комплексами без больших дополнительных затрат времени на проведение контроля, будет одним из путей решения этой проблемы, и, исследования, посвященные этому вопросу, являются, безусловно, актуальными.

Исследованием работы и колебаний штанговых и бурильных колонн в разное время занимались Адонин А.Н., Вирновский А.С., Габдрахимов М.С., Галеев А.С., Зубаиров С.Г., Ишемгужин Е.И., Султанов Б.З., Уразаков К.Р., Разработке средств диагностики состояния глубиннонасосных штанг посвящены труды Окрушко Е.И. Ураксеева М.А., Халиуллина А.Г., Хилла Т.Х., Семенова В.В.

Цель работы.

Целью данной работы явилась разработка методики и средств проведения виброакустического контроля состояния глубиннонасосных штанг в процессе проведения спуско-подъемных операций на скважине.

Основные задачи исследования:

1) Аналитическое исследование акустических свойств штанги в системах различной степени сложности.

2) Создание лабораторного стенда для исследования продольных колебаний глубиннонасосных штанг.

3) Выработка диагностических критериев оценки состояния глубиннонасосных штанг.

4) Апробирование результатов лабораторных исследований в промысловых условиях.

Научная новизна.

Теоретически обоснована и подтверждена в результате лабораторных исследований возможность диагностирования трещин в теле глубиннонасосных штанг виброакустическим методом.

Показана применимость основных способов виброакустической диагностики (спектральная диагностика, анализ коэффициента затухания, диагностика по спектру обитающей вибросигнала) для обнаружения дефектов в теле штанг.

По результатам промысловых исследований установлено, что вибрация агрегата не создает существенных помех для диагностики глубиннонасосных штанг. Апробация работы

Результаты исследований докладывались:

- На Международной конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (г. Уфа, май 1998 г.);

- На XX межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и преподавателей "Наука-производству" (г. Салават, май 1998 г.);

- На научно-технической конференции «Научные проблемы ЗападноСибирского нефтегазового региона: гуманитарные, естественные и технические аспекты» (г. Тюмень, декабрь 1999 г.);

- На научно-практическом семинаре «Опыт, проблемы и перспективы внедрения виброакустических методов контроля и диагностики машин и агрегатов1» (г. Октябрьский, февраль 2000 г.).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 печатных трудах.

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете в 1996-2000 г.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору Б.З. Султанову, кандидату технических наук, доценту А.С. Галееву и всем сотрудникам Лаборатории вибродиагностики машин и агрегатов Октябрьского филиала УГНТУ за поддержку и существенную помощь, оказанную в проведении исследований.

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности», Рязанцев, Андрей Олегович

5 ВЫВОДЫ И ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На основе аналитического исследования акустических свойств штанги в системах различной степени сложности показано, что собственные частоты свободной штанги и штанги с присоединенной массой элеватора и жесткостью подвески отличаются более Чем на 20 %.

2. Влияние дефекта типа поперечной трещины, расположенного близко к торцу штанги (на расстоянии до 200 мм) на спектр ее собственных колебаний незначительно.

3. Для стабилизации колебательных процессов, исключения помех, вызванных колебаниями талевой системы и присоединенной массы элеватора, при проведения виброакустической диагностики в промысловых условиях необходимо использование специализированного элеватора.

4. Разработан и смонтирован стенд для проведения исследований колебаний глубиннонасоных штанг в промысловых условиях

5. Установлено, что коэффициент затухания дефектной штанги в среднем на 20% выше, чем исправной.

6. Экспериментально установлено, что среднее значение коэффициента затухания 3-й и 4-й собственных частот продольных колебаний дефектной штанги отличается от исправной штанги на 35-50 %.

7. Показано, что при наличии биений спектр огибающей однозначно связан с местоположением поперечной трещины на теле штанги.

8. По результатам промысловых испытаний установлено, что вибрация спуско-подъемного агрегата не создает помех для диагностики глубиннонасосных штанг в условиях СПО.

9. Покрытие штанги (отложения смол, парафинов) сильно сказывается на ее акустических свойствах. Установлено, что отложения приводят к увеличению коэффициента затухания в 3,5 раза по сравнению чистыми штангами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рязанцев, Андрей Олегович, 2000 год

1. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. - М.: Недра, 1979. -213 с.

2. Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1969. - 288 с.

3. Бенжамин Арази. Двухмерная цифровая обработка одномерного сигнала. 1974 г.

4. Бидерман B.J1. Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1972.-416 с.

5. Бишоп Р. Колебания. Пер. с англ. /под ред Я.Г. Пановко. 2-е изд. Перераб. М. : Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979. -160 с.

6. Блинова Л.П. и др. Акустические измерения. М., Изд. Стандартов, 1971. -272 с.

7. Боровиков В.П., Боровиков И.П. Статистический анализ и обработка в среде Statistica. Изд.2, стереотипное М: Информационно- издательский дом «Филинъ», 1998. - 608 с.

8. Введение в теорию излучения и рассеяния звука, В.Н. Тюлин, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1976.

9. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. /Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.).М.: Машиностроение, 1978. -т.1

10. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. Ф.Я.Балицкий, Н.А. Иванова. А.Г. Соколова. Е.И. Хомяков. М.: Наука, 1984.

11. Вибродиагностика насосных агрегатов. Галеев А.С. Рязанцев А.О., Су-лейманов Р.Н., Филимонов О.В. Уфа.: Изд. УГНТУ, 1997.

12. П.Виноградов М.Б. и др. Теория волн: (учебное пособие для физ. спец. университет.) /М.Б. Виноградова, Руденко О.В., Сухоруков А.П. М.: Наука, 1979. - 383 с.t

13. Вирновский А. С. Теория и практика глубиннонасосной добычи нефти. -М.: Недра, 1971.- 184 с.

14. Вопросы прикладной акустики и вибрационной техники. Республиканский межведомственный сборник. Киев: "Наукова думка", 1966. - 111 с.

15. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1973. -872 с.

16. Галеев А.С., Султанов Б.З., Габдрахимов М.С. Дальность распространения продольных колебаний по бурильной колонне при сухом трении // Изд. вузов. Нефть и газ, 1986. №4. - С.22-25.

17. Гельман J1.M., Горпиныч С.В. Неразрушающий контроль на основе декремента затухания свободных колебаний изделий. Техническая диагностика и неразрушающий контроль. Киев: 1998. - № 4.

18. Гончаревич И.Ф. Вибрация нестандартный путь: вибрация в природе и технике. - М.: Наука, 1986 . - 209с.

19. Грибаков Ю.И., Мальков В.А. Спектральный анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1974. - 240с.

20. Гринченко В.Т., Мелешко В.В. Гармонические колебания и волны в упругих телах. К.: «Наукова думка», 1981. - 282 с.

21. Дейник P.M. Волны напряжений в твердых телах. Перевод с англ. М.И. Гусейн-Заде. Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Изд. Ин. Лит-ры, 1961. - 104 с.

22. Дефектоскопия нефтепромысловых трубных изделий. Т.Х. Хилл. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. № 9, - 1984. с. 11-18.

23. Добролюбов А.И. Волновые движения деформируемых тел и жидкостей: Кинематика и массоперенос. / АН. БССР. Институт технической кибернетики. -Минск: Наука и техника, 1989. 93 1. С.20 .

24. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами. Генрих Ришмюллер, Хорст Майер, Шеллер-Блекманн ГмБХ, Терниц. Австрия: 1988,- 150 с.

25. Дьяконов В.П. Математическая система Maple V R3/R4/R5. М.: Изд-во "Солон". 1998. - 400 с.

26. Е. Скучик Основы акустики. Изд-во «Мир». М. в 2-х т.

27. Исакович М.А. Общая акустика. Уч. пособие. Изд-во «Наука». Гл. редакция физ. мат. литературы.

28. Исследования по акустики, электрофизике и радиоэлектронике. Труды куйбышевского орд. Тр. Кр. Зн. Авиационн. Инст. Им. Королева/ вып. I, II, III. 1974.-75 с.

29. Кольский Г. волны напряжения в твердых телах, пер. с англ. B.C. Ленского. М.: Инлитиздат. 1955. - 192 с.

30. Круман Б.Б. Глубиннонасосные штанги. М.: Недра, 1977. - 181 с.

31. Кухлинг X. Справочник по физике: пер. с немец. М.: Мир, 1982. - 520 с.

32. Л евин Л. Современная теория волн (методы расчета влияния неоднород-ностей) пер. с англ. Д.Л. Бурштейн. М.: Инлитиздат, 1954. - 215 с.

33. Лепендин Л.Ф. Акустика: Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1978. - 448 с.

34. Магнус К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем. Пер. с нем. М.: «Мир», 1982. - 304 с.

35. Менли Р. Анализ и обработка записей колебаний. Пер. с англ. 2-е рус. Изд. с дополн. канд. техн. наук Р.С. Зиманенко и Л.Ю. Купермана. М.: «Машиностроение», 1972.

36. Методы акустического контроля металлов. Н.П. Алешин, В.Е. Белый, А.Х. Вопилкин и др.: под ред. Алешина. М: Машиностроение, 1989. - 456 с.

37. Мирзаджанзаде А.Х., Керимов З.Г., Копейкис М.Г. Теория колебаний в нефтепромысловом деле. Баку: Маариф, 1976. - 262 с.

38. Михайловский В.Н., Первушин В.Н. Звукосейсмические методы внутри-рудничной макродефектоскопии. Киев: «Наукова думка», 1968.- 182 с.

39. Морз Ф. Колебания и звук. Перевод с 2-то англ изд. Под ред. профессора G.H. Ржевского. М.-Д.: Гостехтеоретиздат, 1949.- 496 с.

40. Нергард Е В. Простой метод измерения мощности ультразвука, содержания гармоник и поглощения жидкости. -1966.44.0крушко Е.И., Ураксеев М.А. Дефектоскопия глубиннонасосных штанг. -М.: Недра, 1983,- 112 с.

41. Опыт измерения параметров механического удара (Сборник статей) Под ред. B.C. Пелинец. J1: ленинградская организация об-ва «Знание», 1973.

42. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. /Я.Г. Панов-ка 3-е изд, дополн. и переработ. - Л.: «Машиностроение», Ленинградск. Отделение. 1976. - 320 с.

43. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. Изд. 2-е пе-рераб. М.: «Машиностроение», 1967. - 316 с.

44. Петрашков Г.Н. и др. Волны в моно-однородных изотропных средах. Л.: Наука, Ленинградское отделение. 1985. - 302 с.

45. Пипард А. Физика колебаний: Пер. с англ. Д.А. Соболева и В.Ф. Трифонова/ Под ред. А.Н. Матвеева. М.: Высшая школа. 1985,- 456 с.

46. Пирс Д. Почти все о волнах. Пер. с англ. Д-ра физ. Мат. наук М.Д. Кара-сева. М.: «Мир», 1976. - 176 с.

47. Политехнический словарь. И.И. Артоболевский. М.: Советская энциклопедия, 1976. -608 с.

48. Прикладная акустика. Межведомственный тематический сборник. Таганрог. Вып. 1-11.

49. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в 3-х томах. Т.З. М.: Машиностроение, 1968. - 268 с.

50. Расчеты колебаний упругих систем на ЭВМ. М-Л.: «Машиностроение», 1965,- 367 с.

51. Румшиский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. -Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», -1971.

52. Зб.Русов В.А. Спектральная вибродиагностика. -Пермь: Вибро-центр, 1996 -176 с.

53. Рязанцев А. О. Галеев А.С. Вибродиагностика насосных штанг,. Материалы 48 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа: УГНТУ, 1997.

54. Рязанцев А.О. Галеев А.С. Применение акустического метода для выявления дефектов насосных труб и штанг. Нефть и газ 97. Проблемы добычи, транспорта, хранения и переработки. Межвузовский сборник научных трудов. Уфа: УГНТУ, 1997.

55. Рязанцев А.О., Султанов Б.З., Галеев А.С. Виброакустическая дефектоскопия глубинонасосных штанг // Нефть и газ: Проблемы добычи, транспорта, хранения и переработки: Межвузовский сборник научных трудов. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. С.36-40.

56. Скучик Е.С. простые и сложные колебательные системы. Пер. с англ. под ред. Лямишева Л.М. М.: «Мир», 1971. - 558 с.

57. Справочная книга по добыче нефти. Под ред. д-ра техн. наук Ш.К. Гима-тудинова. М.: «Недра», 1974. - 704 с.

58. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Г. Корн, Т. Корн. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1974.

59. Стопский С.Б. Акустическая спектрометрия (методы и аппаратура спектрального анализа). Л.: «Энергия» Ленинград, отделение, 1972. - 137 с.

60. Стопский С.Б. Анализаторы спектра звуковых и инфразвуковых частот для акустической спектрометрии. М. Л., ГосЭнергоиздат. 1962,- 138 с.

61. Стретт (Лорд Релей) Дж. Теория звука. Т. 1-2. Перевод с англ. М.: Гос-техтеоретиздат, 1955.*

62. Султанов Б.3. Управление устойчивостью и динамикой бурильной колонны.-М.: Недра, 1991.-208с.

63. Султанов Б З., Габдрахимов М.С., Сафиуллин P.P., Галеев А.С. Техника управления динамикой бурильного инструмента при проводке глубоких скважин. М.: Недра, 1997. - 165с.

64. Теория распространения волн в упругих и упругопластических средах Сб. Научных трудов /АН СССР Сибирское отделение. Институт горного дела. Новосибирск: ИГД 1987. - 184 5. с.

65. Теория эксперимента. Налимов В.В. Физико-математическая библиотека инженера. Изд. Наука. Гл.ред. физ.-мат. лит-ры, 1971. - 208 с.

66. Технические средства диагностирования. Справочник /В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др. Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 456 с.

67. Тимошенко С.П. и др. Колебания в инженерном деле. /С.П. Тимошенко, Д.Х. Янг. Пер. с англ. Л.Г. Корпейчука. М.: Машинсотроение, 1985. -472 с.

68. Тонг Кип. Н. Теория механических колебаний. Пер. с англ. под ред. д-ра техн. Наук профессора Синицина А.П. М.: Машгиз, 1963.

69. Труды акустического института. Вып. 3-5.

70. Уразаков К.Р. Эксплуатация наклонно направленных насосных скважин. -М.: Недра, 1993,- 169 с.

71. Установка УДШ-1 для неразрушающего контроля насосных штанг. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». № 11-12.1994.

72. Физическая акустика. Принципы и методы. Под. ред. У. Мезола и Терсто-на Р. т 6. Пер. с англ. под ред. И.Л. Фабелинского. М.: «Мир», 1973.-492с.

73. Харкевич А.А. Спектры и анализ. Изд. 3-е, переработанное. М,: Гостех-теоретиздат, 1957. - 236 с.

74. Хлутков Д.В. и др. контроль и прогнозирование процесса твердение бетона акустическим методом. М.: ЛДНГЛ, 1981. - 26 с.

75. Чичеров Л.Г. Нефтепромысловые машины и механизмы. Учебное пособие для вузов М.: Недра, 1983. - 312 с. ,

76. Штагер Е.А., Чаевский Е.В. Рассеяние волн на телах сплошной формы -М.: «Сов. радио», 1974.

77. Шулькин Ю.Б. Теория упругих стрежневых конструкций. М.: Наука, 1984.-272 с.