Науково-методологічні основи автоматизованого проектування обладнання штангової свердловинної насосної установки. Ч. 1. Ч. 2

Abstract

Метою роботи є удосконалення методології автоматизованого проектування обладнання ШСНУ на основі системного підходу та її використання для комплексного та ефективного дослідження і забезпечення працездатності ШСНУ. Об’єкт дослідження – проектування обладнання ШСНУ. Предмет дослідження – принципи побудови, інтеграції та використання компонентів інформаційної системи (ІС) для автоматизованого проектування обладнання комплексно-працездатної ШСНУ. У роботі за допомогою системного підходу та методів комп’ютерного моделювання запропоновано цілісну множину науково-методологічних рішень для розв’язання важливої проблеми ефективного дослідження та проектування обладнання комплексно-працездатної ШСНУ. На основі цих рішень досліджено роботу обладнання ШСНУ в умовах статичного, циклічного та вібраційного навантаження; отримано залежності показників його працездатності від конструкційних, технологічних і експлуатаційних параметрів і, на основі цього,подані рекомендації для комплексного забезпечення його працездатності. Результати досліджень володіють здатністю до простого впровадження. 4 На основі індуктивних методів самоорганізації моделей розроблено принципи побудови точних і робастних статистичних моделей відмов колон насосних штанг і полірованого штока: моделей густини імовірності відмов як функції від відносної глибини обриву та моделей класу аварійності колони, які враховують множину факторів, пов’язаних з параметрами ШСНУ та її відмови. Обґрунтовано ефективність застосування ансамблів дерев рішень для прогнозування частоти відмов колон насосних штанг за статистичними промисловими даними про відмови. Розроблено принципи компонентно-орієнтованого моделювання ШСНУ, направлені на моделювання факторів, які розподілені нерівномірно вздовж колони штанг, спрощення створення моделей, їхнього розвитку, використання більшою спільнотою користувачів та інтеграції в ІС. Зокрема розроблено параметричні моделі ШСНУ – модель на основі абстрактних автоматів та мови Python з можливістю моделювання явищ, які важко сформулювати за допомогою диференціальних рівнянь; модель мовою Modelica, яка для моделювання колони штанг використовує стандартні поступальні механічні компоненти. Розроблено алгоритмічні основи та реалізацію програмного каркасу мовою Python для створення компонентно-орієнтованих, подібних на Modelica-моделі, акаузальних моделей ШСНУ та інших динамічних систем без необхідності застосування спеціалізованих мов моделювання. Показані адекватність моделей та приклади їхнього застосування для симуляції склопластикових колон і білярезонансних частот ходів.

The dissertation is devoted to solving the current scientific and methodological problem of the effective design of the equipment of a sucker-rod pumping unit (SRPU) 9 with integrated operability. The purpose a research is to improve, on the basis of a systems approach, the methodology of computer-aided design of SRPU equipment and its use for comprehensive and effective research and ensuring the operability of SRPU. The object of research is the SRPU equipment design. The subject of research is principles of creation, integration and use of information system (IS) components for computer-aided design of equipment of SRPU with integrated operability. Using a systems approach and computer modeling methods, an integral set of scientific and methodological solutions, to solve the important problem of effective research and design of equipment of SRPU with integrated operability, has been proposed. On the basis of these solutions, the operation of the SRPU equipment in the conditions of static, cyclic and vibrational loading was investigated; dependences of its operability indicators on design, technological and operational parameters are obtained, and based on this, recommendations for the integrated ensuring of its operability are given. The results of the research could be easily implemented. On the basis of inductive methods of self-organization of models, principles for constructing accurate and robust statistical models of failures of sucker rods and polished rods have been developed: models of the probability density of failures as a function of the relative depth of breakage and models of the sucker rod string accident rate, taking into account many factors associated with the parameters of the SRPU and its failures. The efficiency of application of decision tre es ensembles for predicting the failure rate of sucker rod strings by oilfield failure statistics has been substantiated. The principles of component-oriented modeling of SRPU have been developed. They aimed at: modeling factors that are distributed non-uniformly along the rod string; simplifying the creation of models and their development; using by a large community of users; integrating into the IS. In particular, parametric models of SRPU have been developed: a model based on abstract automata and the Python language with the ability to simulate phenomena that are difficult to formulate with differential equations; a Modelica-model that uses standard translational mechanical components to model the 10 rod string. Algorithmic foundations and implementation o f a software framework in the Python language for creating component-oriented, like Modelica-models, acausal models of SRPU and other dynamic systems without the need for specialized modeling languages have been developed. The adequacy of the models and examples of their application for simulating fiberglass strings and near-resonance frequencies of strokes are shown. On the basis of well-known free and commercial CAD-systems and modeling systems for hydrodynamics and solid mechanics and software components developed by the author, principles for the construction and the use of parametric geometric and finite element models and applied CAD-systems of problem parts and subassemblies of SRPU, which have the ability to easily integrate into an information syste m and can be used for comprehensive analysis and optimization in operability research and design, are proposed. In particular, the following have been developed: hydrodynamic finite element models (FE-models) of a ball check valve of a downhole sucker rod pump and a sucker rod protector; geometric models and FE-models of threaded connections – coupling connection of sucker rods, double-shoulder connection of hollow sucker rods, tubing coupling, models of threaded connections with arbitrary geometric deviat ions; FE-model of the press connection of the fiberglass sucker rod body with a steel head; geometric models and FE-models of rods and tubing with corrosion and fatigue defects and fiberglass bandages. With the help of the developed models, the assessment of the influence of the design, technological and operational parameters of the SRPU downhole equipment on its operability indicators, in particular, characterizing its static and fatigue strength, leaktightness and vibration resistance, was investigated and refined. The ways of research and improvement of the SRPU equipment, optimization and rational choice of the values of its parameters are proposed. In particular, according to the criteria of static and fatigue strength, the design of the connection of the fiberglass rod body with the rod head, threaded connections of rods, connections of hollow rods was improved; dependencies for choosing the optimal make-up torque for rods and tubing connections were obtained; an analysis of threaded connections of tubing under conditions of harmonic high-frequency loading was performed.