Разработка и исследование модели индикаторов веса и её метрологического обеспечения для применения в отраслях нефтегазовой промышленности

Актуальность темы

исследований. В настоящее время в отраслях нефтегазовой промышленности все работы по подземному и капитальному ремонту сопровождаются спуском в скважину и подъемом из нее труб, штанг и различных инструментов. Для этого над устьем скважины устанавливается подъемное сооружение — вышка, мачта с оборудованием для спускоподъемных операций. Для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при проведении спускоподъемных операций были разработаны приборы, так, называемые индикаторы веса. Существует широкий спектр измерительных устройств для определения веса с аналогичными параметрами и характеристиками. Однако эти устройства обладают существенными недостатками, главными из которых являются: наличие систематических и случайных погрешностей измерений, связанных с индивидуальными особенностями оператора, наличие неучтенной погрешности в результатах измерений, зависящей от изменения диаметрастального каната, на котором закрепляются рассматриваемые приборы при проведении спускоподъемных операций, а также отсутствие возможности бесконтактного съема измерительной информации. Кроме этого широкий спектр номенклатуры продукции, выпускаемой отечественной и зарубежной промышленностью, обусловил создание ряда индивидуальных средств поверки для отдельных типов индикаторов, веса. Это связано с особенностями конструкций и условиями^ эксплуатации данных измерительных устройств. Для обеспечения" точности и правильности результатов измерений эти приборы обычно поверяются на гидравлических разрывных машинах типа МР-500, которые в свою очередь также должны быть поверены.

Для обеспечения достоверности результатов, измерений машины типа. МР-500 подвергаются поверке с помощьюэталонных динамометров третьего разряда, которые в свою очередь аттестовываются на эталонных силоизмерительных машинах второго разряда. Однако очевидными недостатками данных способов поверки являются: технологическая и' приборная сложность систем, а также наличие субъективной1 погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием поверителя. Под технологической сложностью системы понимаются инструментальные и организационные трудности в проведении поверки, вызванные необходимостью применения 1 различных средств поверки типа гирь и их транспортирование, при соблюдении требуемой" точности и диапазонов измерений.

Современные тенденции развития науки и техники направлены на автоматизацию1 всех процессов метрологического обеспечения средств измерений (СИ). Повышение требований к точности измерений ведет к дальнейшему усовершенствованию конструкции индикаторов веса. В связи с этим возникает задача создания принципиальных схем измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с применением электронно-цифровой техники, которая минимизирует систематические и случайные погрешности и обеспечивает высокую точность измерений, например, при слежении за деформацией объектов. Поэтому разработка бесконтактных методов и средств измерения и регистрации усилий натяжения стальных канатов с использованием цифровых систем регистрации результатов измерений является актуальной задачей определения метрологических характеристик при измерении силы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование модели индикаторов веса, минимизирующей систематические и случайные погрешности измерений для определения и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважинв отраслях нефтегазовой промышленностиразработка и исследование метрологического обеспечения, предложенной модели, индикаторов веса.

Основные задачи исследования. Указанная цель достигается" путем решения следующих задач:

— выполнения анализа существующих измерительных устройств, используемых в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин;

— анализа составляющих погрешности и её теоретической оценки при использовании в комплексе СИ силы и длины;

— исследования функциональной и технологической схемы работы СИ, используемых в качестве эталонов для поверки индикаторов веса;

— разработки принципиальных схем определения величины деформации методом высокоточного геометрического нивелирования;

— разработки и исследования модели индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения' стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами;

— оценки общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

— разработки и исследования методов градуировки индикаторов веса с применением цифровых нивелиров;

— разработки автоматизированной системы для определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств;

— разработки метода аттестации индикаторов веса с помощью-высокоточных СИ длины.

Научная новизна выполненной работьъ состоит в том, что впервые:

— выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса;

— разработаны новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

— разработана автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

— разработан высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрической измерительной системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

— разработана и реализована модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Практическая значимость. Разработана модель индикаторов-веса, минимизирующая систематические и случайные погрешности, измерений для определения и регистрации усилий натяжения1 стальных канатов бесконтактными методами' в отраслях нефтегазовой промышленности, основанная на использовании цифровых нивелиров. Результаты экспериментальных работ, выполненных с помощью предлагаемых методов, показывают возможность использования их для градуировки индикаторов веса, а также при испытании образцов металлоконструкций' с применением цифровых нивелиров.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются' существующие индикаторы веса, используемые в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин, предметом являются методы уменьшения погрешности измерений объекта исследований.

На защиту выносятся):

— анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и длины, а также оценка общей достоверности результатов измерений индикаторов веса- - новые научно обоснованные методы градуировки индикаторов веса с помощью цифровых нивелиров, минимизирующих систематические и случайные погрешности в результатах измерений;

— автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса с применением цифровых устройств с выходом на персональный компьютер;

— высокоточный метод калибровки цифровых нивелиров с применением лазерной интерферометрическойизмерительной1 системы при определении значений деформации чувствительных элементов индикаторов веса;

— модель индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности бесконтактными методами, построенная на основе использования в комплексе средств измерений силы и длины.

Реализация результатов работы. Разработанная модель индикаторов веса при непосредственном участии автора прошла апробацию в ЗАО «НерудЗапсиб» при измерении и регистрации усилий натяжения стальных канатов. Предложенные методы применялись при определении деформации различных образцов металлоконструкций в ЗАО «НерудЗапсиб» и ЗАО «Инженерный центр». Разработанные методы прошли апробацию при определении метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров в ФГУ «Новосибирский ЦСМ». Разработанные методы определения значений перемещения и деформации чувствительных элементов динамометров, образцов металлоконструкций с применением цифрового нивелира внедрены в учебный процесс ГОУВПО «Сибирской государственной геодезической академии» приложение В и производственный ФГУ «Новосибирский ЦСМ» приложение Г, ЗАО «НерудЗапсиб» приложение Д, ЗАО «Инженерный центр» приложение Е.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1) II Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 24−28 апреля Новосибирск 2006 г;

2) III Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 25−27 апреля Новосибирск 2007 г;

3) XI Международной научно-практической конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-Технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризация земель и объектов недвижимости» 27 мая-03 июня Португалия 2007 г;

4) IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 22−24 апреля Новосибирск 2008 г.

5) V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» 20−24 апреля Новосибирск 2009 г.

По теме диссертационной’работы опубликовано 16 научных работ (из них 6 — в соавторстве, 3 — в рецензируемых изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ).

Структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, три раздела, заключение, шесть приложений и список использованных источников. В первом разделе рассмотрены функциональная и технологическая схемы работы наиболее распространенных моделей индикаторов веса, используемых для измерения и регистрации усилий натяжения, стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин в отраслях нефтегазовой промышленности. Во втором разделе рассмотрено современное состояние метрологического обеспечения индикаторов веса и выполнен анализ составляющих погрешности и её теоретическая оценка при использовании в комплексе СИ силы и> длины. В третьем разделе разработана и реализована модель * индикаторов веса для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов в отраслях нефтегазовой промышленности. Кроме этого в данном разделе разработаны и исследованы методы определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов динамометров с помощью цифрового нивелира и лазерного интерферометра. Также предложена разработанная автоматизированная система определения деформации чувствительных элементов индикаторов веса. В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

1.П. О градуировке методом сличения с группой динамометров Текст. / Э. П. Агафонов // Точные измерения массы, силы, вязкости и плотности: тр. НПО &bdquo-ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". — JL, 1982. — С.29−37.

2. ГОСТ 8.065−85. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений силы Текст. М.: Изд-во стандартов, 1985.-7 с.

3. Чаленко, Н. С. Методы и средства измерения силы Текст. / Н. С. Чаленко. -М.: Изд-во стандартов, 1991. 30−36 с.

4. Герасимов, Н. С. Исходные средства измерений статических механических величин Текст. / Н. С. Герасимов // Измерение, контроль, автоматизация. -1985.-№ 7.-С.43−46:

5. Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений* Текст. / П. В1 Новицкий, И. А. Зограф. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 55−59 с.

6. Синельников, А. Е. Низкочастотные линейные акселерометры, методы и средства поверки и градуировки Текст. / А. Е. Синельников. М.: Изд-во стандартов, 1979. — 82−85 с.

7. Долинский, Е. Ф. Обработка результатов измерений Текст. / Е. Ф. Долинский. М.: Изд-во стандартов, 1973. — 134−137 с.

8. Камке, Д. Физические основы единиц измерения Текст. / Д: Камке, К. Кремер. М.: Мир, 1980. -208 с.

9. Вишенков, A.C. Методы и средства аттестации, поверки и испытаний силоизмерительных приборов Текст. / A.C. Вишенков. М.: Изд-во стандартов, 1985. -182 с.

10. Бошерницан, Е. С. Метрологическое обеспечение средств измерений больших сил Текст. / Е. С. Бошерницан // Измерительная техника. 1984. -№ 4. — С. 36−38.

11. Максимов, JI.M. Эталон единицы силы Текст. / JI.M. Максимов, С. А. Смолич // Измерительная техника. 1967. — № 11. — С.27−28.

12. Седов, Л. И. Методы подобия и размерности в механике Текст. / Л. И. Седов. -М.: Наука, 1977.-388 с.

13. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.geotek.ru/ktts.php?Page=dvesa.

14. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http. V/www.midural.ru/ek.ru/economics/enterprises/ves/prod 10 .htm.

15. ГОСТ Р 8.563−96. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений Текст. М.: Госстандарт России, 1996.-7 с.

16. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tcontrol .ru/rus/giv 1 .htm.

17. ГОСТ 13 032–77. Жидкости полиметилсилоксановые. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1977.-7 с.

18. Сычев, Е. И. Проблемы технических измерений Текст. / Е. И. Сычев // Измерительная техника. 1995. — № 4. — С. 15−17.

19. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http.7/www.tcontrol.ru/шs/giv6.htm.

20. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.measurement.ru/gk/meteo/08/03.htm.

21. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.raznoves.ru/ive50.htm.

22. Министерство нефтяной промышленности. Правила безопасности в нефтяной промышленности Текст. М., 1993. — 68 с.

23. ГОСТ Р 51 330.0−99. Электрооборудование взрывозащитное. Общие требования Текст. М.: Госстандарт России, 1999:-11 с.

24. ГОСТ Р 51 330.10−99. Электрооборудование взрывозащитное. Искробезопасная электрическая цепь / Текст. М-.: Госстандарт России, 1999.-11 с.

25. ГОСТ Р 51 330.13−99. Электрооборудование взрывозащитное. Электроустановки во взрывоопасных зонах (кроме подземных выработок) I Текст. М.: Госстандарт России, 1999.-11 с.

26. Проектирование датчиков для измерения*механических величин Текст.: под ред. Е. П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. — С.69−74.

27. Аш, Ж. Датчики измерительных систем Текст. / Аш Ж. и соавторы. В 2-х кн. Кн. 1 пер. с франц. — М.: Мир, 1992. — С. 15−17.

28. ГОСТ 8.207−76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений Текст. М.: Изд-во стандартов, 1976.-7 с.

29. Золоторевский, В. С. Механические свойства металлов Текст. / В. С. Золоторевский. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1983. — С.23−26.

30. Испытательная техника Текст.: справ, в 2-х кн. / под ред. В. В. Клюева.-М.: Машиностроение, 1982.-528 с.

31. ГОСТ 28 840–90. Машины* дляиспытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования Текст. М.: Изд-во стандартов, 1990.-7 с.

32. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение и изгиб Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

33. ГОСТ 9500–84. Динамометры эталонные переносные. Общие технические требования Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

34. ГОСТ 8.287−78. Динамометры эталонные переносные третьего разряда. Методы и средства поверки Текст. М.: Изд-во стандартов, 1978.-11 с.

35. Машина разрывная Р-5. Паспорт Гб 2.773.035 ПС.- М., 1981. 38 с.

36. ГОСТ 21 743–76. Масла авиационные. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1976.-7 с.

37. ГОСТ 17 216–2001. Чистота промышленная. Классы чистоты жидкостей Текст. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.-11с.

38. Характеристики машины Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vnir.ru/desc.php?bctovarid=49.

39. ГОСТ 14 896–84. Манжеты уплотнительные резиновые для гидравлических устройств. Технические условия Текст. М.: Изд-во стандартов, 1984.-7 с.

40. ПР 50.2.006−94. ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений.- М., 1994. 56 с.

41. Характеристики^ машин Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.tochmash.ru/ir6053 .htm.

42. Перов, В. И. Достоверность результатов контроля авиационной техники Текст. / В. И. Перов. М.: Отраслевое изд-во «Технический прогресс и повышение квалификации в авиационной промышленности», 1994. — 82 с.

43. МИ 2060;90 ГСИ. Государственная, поверочная схема-для средств измерений длины в диапазоне от 1×10″ 6 до*50 м и длин волн в диапазоне 0,2−50 мкм.

44. Коронкевич, В. П. Современные лазерные интерферометры Текст. / В. ПКоронкевич, В. А. Ханов. Н.: Наука, 1985. — 179 с.

45. Характеристики' прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ref.by/refsZ81/18 474/1 .html.

46. Характеристики< прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://revolution.allbest.ru/geology/d00050160.html.

47. Карташева, А. Н. Достоверность измерений' и критерии качества испытаний приборов Текст. / А. Н. Карташева. М.: Изд-во стандартов, 1967. 158 с.

48. Характеристики прибора* Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.geototal.ru/goodescr/705/.

49. Характеристики прибора Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.renishaw.ru/client/product/Russian/PRD-3.shtml.

50. Характеристики прибора Электронный/ ресурс. Режим доступа: http://www.renishaw.ru/client/region/Russian/REGCONT-96.shtml.