Устройство для динамометрирования скважинных штанговых насосов

 

Изобретение предназначено для исследования глубинных насосных скважин динамометрированием. Техническая задача: расширение функциональных возможностей за счет обеспечения температурной стабильности устройств для динамометрирования скважинных штанговых насосов и повышения их надежности. Для этого датчик усилий через отверстие для штока насоса установлен на верхней траверсе канатной подвески и прижат к ней ограничителем, жестко закрепленным на верхнем конце штока. При этом датчик содержит чувствительные нагружаемые элементы в виде стержней из магнитострикционного материала с обмотками, расположенные между двумя металлическими кольцами по окружности соосно с каждым из колец. Дополнительно датчик содержит компенсационную ненагруженную систему из такого же количества стержней, из того же материала с обмотками, расположенных аналогичным образом. Обмотки нагружаемых и ненагружаемых стержней включены в разные плечи мостовой схемы. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам нефтегазодобывающей промышленности, в частности к средствам для исследования глубинно-насосных скважин динамометрированием.

Известно устройство для динамометрирования скважинных насосов (заявка N 93032064/29 от 17.06.93 г. "Устройство для динамометрирования скважинных штанговых насосов". Официальной бюллетень Комитета Российской Федерации по патентам и товарным знакам. N 34, 1995 г. стр. 50), содержащее датчик усилий, установленный на канатной подвеске станка качалки, содержащий чувствительные элементы и выполненный с отверстием для штока насоса, чувствительные элементы выполнены в виде стержней из магнитострикционного материала и расположены между двумя металлическими пластинами, имеющими форму колец. При этом чувствительные элементы расположены по окружности, соосно с каждым из колец, а ось каждого из стержней параллельна оси штока насоса, датчик усилий через отверстие для штока насоса установлен на верхней траверсе канатной подвески и прижат к ней ограничителем, жестко закрепленным на верхнем конце штока.

Работа датчика усилий в этом устройстве основана на том, что в результате передаваемых на стержни усилий, возникающих на канатной подвеске, происходит изменение линейных размеров магнитострикционных стержней, что, вследствие обратного явления магнитострикции, вызывает изменение выходного сигнала датчика.

Недостатком известного устройства является зависимость чувствительности датчика, а следовательно, и выходного сигнала от температуры окружающей среды, поскольку очень сильны зависимости от температуры магнитоупругих характеристик магнитострикционных материалов.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения температурной стабильности устройства для динамометрирования скважинных штанговых насосов и повышения их надежности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в датчике наряду с магнитострикционными стержнями, воспринимающими усилия и образующими нагружаемую систему, установлено такое же количество стержней меньшей длины и образующими ненагружаемую компенсационную систему. Обмотки нагружаемой и компенсационной систем включены в разные плечи мостовой схемы.

Магнитострикционные стержни нагружаемой и компенсационной систем закреплены между двумя металлическими пластинами, имеющими форму колец. Данные пластины, во-первых, служат для организации и закрепления механической конструкции датчика усилий заданной формы, а именно: в виде "беличьего колеса"; во-вторых, служат магнитопроводом для замыкания магнитного потока магнитострикционных стержней, что делает датчик усилий работоспособным. Причем для замыкания магнитного потока число стержней нагружаемой и компенсационной системы должно быть четным.

Расположение магнитных стержней по окружности, соосно с каждым из колец, необходимо для того, чтобы обеспечить равномерное распределение измеряемых усилий между чувствительными элементами. При этом через каждую пару нагружаемых стержней расположена пара компенсационных.

Работа датчика в предлагаемом устройстве основана на том, что в результате передаваемых на стержни нагружаемой системы усилий, возникающих в канатной подвеске, происходит изменение магнитной проницаемости, и, следовательно, импеданс нагружаемой системы. При этом импеданс компенсационной системы остается неизменным, что приводит к разбалансу моста и появлению выходного сигнала датчика. Изменение же температуры приводит к одинаковому изменению импеданса обеих систем, баланс моста сохраняется и на выходе сигнал отсутствует.

При нормальной работе скважинного штангового насоса канатная подвеска и шток насоса двигаются синфазно /в одном направлении/, при этом их механическая связь обеспечивается тем, что датчик усилий, установленный через отверстие для штока насоса на верхней траверсе канатной подвески, прижат к ней ограничителем, жестко закрепленным на верхнем конце штока.

При аварийной ситуации /шток насоса "зависает"/ канатная подвеска и шток могут двигаться в противофазе, при этом датчик усилий разгружается.

Конструкция датчика усилий, используемого в прелагаемом устройстве для динамометрирования скважинных штанговых насосов, содержит минимальное количество конструктивных элементов, прочно связанных между собой, а именно: закрепленные между двумя металлическими кольцами магнитострикционные стержни с обмотками.

Жесткая конструкция датчика, в котором чувствительные металлические элементы надежно выдерживают переменные динамические нагрузки, делает датчик надежным как при длительной работе, так и при различных атмосферных воздействиях.

Кроме того, для повышения надежности датчика /без снижения его точности и чувствительности/ вся конструкция в виде беличьего колеса вместе с обмотками и местами их присоединения заливаются упругим компаундом/например, полиуретаном/, что не повлияет на магнитоупругие свойства магнитострикционных стержней и, следовательно, не снизит качественных показателей работы датчика усилий, используемого в предлагаемом устройстве.

При установке данного датчика усилий на канатную подвеску с его помощью осуществляется динамометрирование скважинных штанговых насосов.

Кроме того, возможность надежного длительного использования данного датчика усилий в устройствах для динамометрирования скважинных штанговых насосов позволяет использовать его также как устройство, обеспечивающее безаварийную работу скважинных штанговых насосов.

Для этого выход устройства подключен к системе управления двигателем, запускающим насос.

При аварийной ситуации, когда движение штока насоса запаздывает относительно движения траверсы канатной подвески, датчик усилий разгружается, т.к. отсутствуют усилия в канатной подвеске и на выходе устройства появляется нулевой сигнал /вернее сигнал отсутствует/. В этом случае система управления двигателем, для которой "ноль" сигнала на выходе датчика - это сигнал на останов двигателя, приостанавливает движение канатной подвески и возобновляет его при появлении сигнала на выходе датчика усилий, т.е. когда движение штока насоса и канатной подвески опять будут синфазными.

Т. к. предлагаемое устройство может работать безаварийно неограниченный период времени, скважинные штанговые насосы можно оснащать датчиками усилий сразу же при вводе их в эксплуатацию, при этом к одной системе управления и к одному регистрирующему прибору может быть подключена целая группа скважин.

При этом предлагаемое устройство обеспечивает динамометрирование скважинных штанговых насосов, их безаварийный запуск и далее обеспечивает безаварийную работу насосов.

Кроме того, изобретение позволяет использовать данное устройство для динамометрирования скважинных штанговых насосов в телеметрических системах слежения за состоянием оборудования скважин, т.к. для проведения телеметрии нужен датчик, постоянно находящийся в системе и работающий надежно без необходимости дополнительного контроля за его состоянием.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства для динамометрирования скважинных штанговых насосов и обеспечить температурную стабильность датчика усилий и повысить их надежность.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство.

На фиг. 2 изображена схема подключения датчика усилий к персональной ЭВМ.

Устройство для динамометрирования скважинных штанговых насосов содержит датчик усилий, установленный через отверстие для штока 1 насоса на верхней траверсе 2 канатной подвески.

Датчик усилий имеет чувствительные элементы 3 в виде стержней из магнитострикционного материала, образующих нагружаемую систему, и стержней 7, образующих компенсационную систему, оси которых параллельны оси штока 1. Чувствительные элементы в виде стержней 3 и стержней 7 жестко установлены между двумя металлическими кольцами 4 по окружности соосно с каждым из колец. Датчик усилия прижат к траверсе 2 с помощью ограничительной гайки 5.

Рядом с датчиком усилий на опорной площадке 6 имеется герметический разъем 7.

Обмотки нагружаемой и компенсационной систем датчика усилий через разъем 7 соединены с электронным регистрирующим прибором /ПЭВМ/ и системой управления работой двигателя, приводящего в действие насос /на чертеже не показаны/.

Схема подключения датчика усилий к персональной ЭВМ /компьютер/ содержит соединенные последовательно датчик 8 усилий, преобразователь 9, АЦП 10 и компьютер 11. При этом общая точка между преобразователем 9 и АЦП 10 может служить промежуточным выходом для подачи сигнала, например, на магнитофон.

Устройство работает следующим образом.

В процессе работы скважинного штангового насоса усилия, возникающие в канатной подвеске, передаются на чувствительный элемент 3, на последние при этом действуют сжимающие усилия. При этом изменяется импеданс нагружаемой системы, происходит разбаланс моста и на выходе появляется сигнал, пропорциональный величине сжимающих усилий.

Сигнал с выхода датчика 8 усилий поступает на вход преобразователя 9, преобразующего сигнал в стандартный вид; с выхода преобразователя 9 сигнал поступает на АЦП 10, который приводит сигнал в форму, удобную для обработки на компьютере; далее сигнал поступает на вход компьютера 11. При этом выход АЦП 10 определяется входом компьютера 11. В компьютере 11 сигнал обрабатывается с помощью специальной программы, таким образом, получается динамограмма работы скважинного штангового насоса.

При появлении на выходе датчика усилий нулевого сигнала система управления двигателем скважинного насоса выдает сигнал на останов двигателя и включает его в дальнейшую работу при наличии сигнала на выходе датчика усилий. Таким образом, обеспечивается безаварийная работа скважинного насоса.

Формула изобретения

Устройство для динамометрирования скважинных штанговых насосов, содержащее датчик усилий, выполненный с отверстием для штока, через него установленный на верхней траверсе канатной подвески и прижатый к ней ограничителем, жестко закрепленным на верхнем конце штока, содержащий чувствительные элементы в виде магнитострикционных стержней с обмотками, расположенных между двумя металлическими пластинами в форме колец, причем чувствительные элементы расположены по окружности соосно с каждым из колец, а оси каждого из стержней параллельны оси штока, отличающееся тем, что половина из четного числа магнитострикционных стержней выполнена меньшей длины и образует ненагруженную систему компенсации температурных воздействий, при этом через каждую пару нагруженных стержней располагаются пара компенсационных, а обмотки нагруженных и компенсационных стержней включены в разные плечи мостовой схемы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2