Вероятностно-статистическое определение надежности скважинных штанговых насосов с цепным приводом

Вероятностно-статистическое определение надежности скважинных штанговых насосов с цепным приводом

Выполнено вероятностно-статистическое определение надежности скважинных штанговых насосов с цепным приводом. Представлены распределения и интенсивности отказов. Данные показатели были представлены на гистограммах. Анализ статистической информации промысловых данных позволил определить значения ресурса и среднего срока эксплуатации скважинных штанговых насосов с цепным приводом.

Аннотация статьи
установки скважинных штанговых насосов
цепной привод
закон распределения Вейбулла
вероятность безотказной работы
Ключевые слова

Установки скважинных штанговых насосов (УСШН), которыми оборудовано более 50% скважин Российской Федерации, используются в осложненных условиях эксплуатации, благодаря простоте конструкции и надежности поверхностного привода. Традиционным приводом для УСШН является станок-качалка. Для снижения затрат на эксплуатацию и обслуживание, необходимо увеличение длины хода УСШН и снижение частоты качаний, что позволит увеличить срок службы насосного оборудования и коэффициент полезного действия установки.

Скважинные штанговые насосы предназначены для откачивания из нефтяных скважин жидкости, обводненностью до 99 %, температурой до 130 °С, содержанием сероводорода не более 50 мг/л, минерализацией воды не более 10 г/л. Скважинные насосы имеют вертикальную конструкцию одинарного действия с неподвижным цилиндром, подвижным металлическим плунжером и шариковыми клапанами.

Совершенствование станков-качалок не обеспечивает увеличение длины хода без резкого увеличения массы и габаритов, поэтому необходимо применение приводов на основе реверсирующего редуцирующего преобразующего механизма (РРПМ) с гибкими звеньями (в качестве тяговой цепи у которых роликовая цепь). Данные приводы получили название цепные приводы (ЦП) [1, 2].

В настоящее время в составе УСШН используются цепные приводы с длинной хода полированного штока до 7,3 м. С увеличением длины хода плунжера насоса увеличиваются энергетические характеристики установки [3-6].

Актуальность работы заключается в том что, для надежной и безаварийной эксплуатации цепных приводов необходимо выявление и модернизация слабых узлов и деталей и разработка мер и мероприятий для контроля технического состояния приводов в процессе эксплуатации с переходом от ППР (планово-предупредительные работы) к обслуживанию по фактическому состоянию оборудования, позволяющему увеличить наработку узлов и деталей (вместо замены не утративших работоспособность деталей) и исключить вероятность аварийных отказов, связанных с простоями оборудования, для снижения экономических затрат на эксплуатацию скважин [7-9].

Целью работы является прогнозирование вероятности отказов и определения ресурса работы скважинного штангового насоса с ЦП на основе вероятностно-статистического анализа промысловых данных.

Исследование выполнено на основе конкретных промысловых данных, полученных со скважин Арланского месторождения ОАО АНК «Башнефть» за период с 01.06.2005 по 30.03.2014 гг. Для расчетов при числе значений наработки n > 25 [10] статистический материал был представлен в виде статистического ряда (таблица), который составлен разделением статистической информации на интервалы (формула 1) с найденным диапазоном (формула 2). Рекомендуется принимать от 6 до 20 интервалов [10].

Таблица

Статистический ряд наработки СШН с цепным приводом

Интервал k, сут.

Середина интервала ti ср, сут.

Частота ni

Опытная вероятность Pi

Накопленная вероятность

Эмпирическая плотность вероятности

0-172

86

21

0,131

0,131

0,00076

172-344

258

16

0,100

0,231

0,00058

344-516

430

5

0,031

0,263

0,00018

516-688

602

10

0,063

0,325

0,00036

688-860

774

17

0,106

0,431

0,00062

860-1032

946

18

0,113

0,544

0,00065

1032-1204

1118

22

0,137

0,681

0,00080

1204-1376

1290

11

0,068

0,750

0,00040

1376-1548

1462

21

0,131

0,881

0,00076

1548-1720

1634

11

0,069

0,950

0,00040

1720-2064

1892

8

0,050

1,000

0,00014

Число используемых интервалов определялось по формуле

,   (1)

где n – число случайных величин ti.

Величина одного интервала

,  (2)

tmax и tmin – максимальное и минимальное значение случайной величины, соответственно.

Также для статистического ряда были рассчитаны следующие значения:

, где pi – частость (опытная вероятность) в i-м интервале; ni – количество значений случайной величины в i-м интервале (частота);

 – накопленная частость (накопленная вероятность);

  – эмпирическая плотность вероятности.

В результате проверки теоретического закона распределения случайной величины по критериям согласия установлено, что отказы скважинного штангового насоса с ЦП описываются законом распределения Вейбулла. Распределение Вейбулла – это двухпараметрическое семейство абсолютно непрерывных распределений.

Дифференциальная функция f(t), функция безотказной работы P(t) и функция интенсивности λ(t) при распределении Вейбулла имеют вид:

(3)

  (4)

   (5)

где a и b – параметры распределения Вейбулла.

Параметр a находится по формуле

   (6)

где kb – коэффициент, определяемый при известном коэффициенте вариации по статистическим таблицам [10]. Параметр b находится по статистическим таблицам в зависимости от коэффициента вариации [10].

Гистограмма и функция вероятности безотказной работы Р(t) представлены на рис. 1. Построенная функция дает возможность прогнозирования работы оборудования, позволяет определить вероятность безотказной работы скважинного штангового насоса с ЦП в зависимости от наработки. Также она используется в уточненном прогнозировании работы оборудования с использованием формулы Байеса.

Рис. 1. Гистограмма и функция вероятности безотказной работы скважинного штангового насоса

Вероятность безотказной работы дает представление о распределении показателя надежности. Однако, в статистическом материале из-за ограниченного числа наблюдений всегда присутствуют элементы случайности.

Поэтому важной задачей является подбор теоретического закона распределения, наилучшим образом описывающего статистическое распределение, выражающее его существенные черты без элемента случайности.

Гистограммы и функции плотности распределения и интенсивности отказов представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Гистограмма и функция плотности распределения f(t) скважинного штангового насоса

График «плотность распределения» наиболее наглядно отражает специфические черты закона распределения. Данная функция строится для того, чтобы по форме можно было сделать предположение о виде закона распределения. По графику «интенсивность отказов» можно определить три интервала работы оборудования: период приработки, нормальная эксплуатация и интервал усталостных отказов (износа).

Рис. 3. Гистограмма и функция интенсивности отказов λ(t) скважинного штангового насоса

Таким образом, на основе проведенного исследования установлено, что при анализе надежности скважинного штангового насоса распределение его отказов также будет подчиняться закону Вейбулла. Анализ статистической информации по отказам скважинных штанговых насосов с ЦП позволил определить значения гарантированного ресурса – 210 суток, назначенного ресурса – 300 суток и среднего срока эксплуатации – 825 суток.

Текст статьи
  1. Валовский, В.М. Разработка механического безбалансирного длинноходового привода штангового насоса / В.М. Валовский, Х.А. Асфандияров, Р.А. Максутов и др. // Тр. ин-та. – ТатНИПинефть. – 1978. – Вып. 39. – С. 172-180.
  2. Валовский, В.М. Выбор типа привода длинноходовой глубиннонасосной установки / В.М. Валовский, Х.А. Асфандияров, Р.А. Максутов // Тр. ТатНИПИнефть. – 1979. – Вып. 41. – С. 189-196
  3. Валовский, К.В. Разработка и исследование энергосберегающих технологий подъема жидкости из скважин с осложненными условиями эксплуатации: дисс. … докт. Техн. наук: 25.00.17 / Валовский Константин Владимирович. – Бугульма, 2011. – 430 с.
  4. Валовский, В.М. Эффективность эксплуатации скважин длинноходовыми глубинонасосными установками с безбалансирными цепными приводами / В.М. Валовскиц, Р.А. Максутов // Тр. ВНИИ. – 1983. – Вып. 84. – С. 9-26
  5. Швецов, М.В. Опыт применения цепного привода для штанговой добычи нефти в ПАО «Татнефть» / М.В. Швецов, Г.Б. Бикбов, И.Ф. Качалёв, Е.В, Хлопцев // Экспозиция нефть газ науч.-техн. журн. – 2015. - № 7 (46). – С. 37-39.
  6. Швецов, М.В. Цепной привод ШГН для эффективной эксплуатации малодебитных скважин / М.В. Швецов, Г.Б. Бикбов, И.Ф. Калачев // Экспозиция нефть газ: науч.-техн. журн. – 2016. - № 5 (51). – С. 26-27.
  7. Сидтиков, М.Р. Анализ особенностей эксплуатации и повышение эффективности применения цепных приводов скважинных штанговых насосов: дисс. … канд. техн. наук: 25.00.17 / Ситдиков Марат Ринатович. – Уфа, 2013. – 193 с.
  8. Сидтиков, М.Р. Эксплуатация цепных приводов штанговых скважинных насосов в ОАО АНК «Башнефть» / М.Р. Сидтиков // Нефтегазовое дело: электрон. Науч. Журн. – 2012. - № 6. – С. 265-272. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ogbus.ru/files/ogbus/authors/SitdikovMR/SitdikovMR_1.pdf (дата обращения 11.06.2020)
  9. Сидтиков, М.Р. Особенности исследований работы малодебитных скважин, оборудованных насосными установками / М.Р. Ситдиков // Уфа: УГНТУ. – Нефтегазовое дело: науч.-техн. журн. – 2013. – Т. 11. - № 2. – С. 71-74 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ngdelo.ru/files/old_ngdelo/2013/2/ngdelo-2-2013-p71-74.pdf (дата обращения 11.06.2020)
  10.  Ишемгужин, И.Е. Обработка информации о надежности нефтепромысловых машин при малой выборке / И.Е. Ишемгужин, В.В. Шайдаков, Е.И. Ишемгужин // Уфа: Изд-во УНИ. – 2007. – 41 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 декабря по 15 декабря
Осталось 13 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии
19 декабря
Загрузка в elibrary
19 декабря
Рассылка печатных экземпляров
23 декабря