Устройство для измерения глубины спуска объекта при спускоподъемных операциях в скважине

 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности. Техническим результатом является повышение точности измерения, предотвращение аварийных ситуаций и повышение безопасности работы. Устройство содержит лебедку с барабаном, на котором расположен гибкий орган (ГО), усилитель, блок питания, блок измерения перемещения и силы натяжения ГО, контроллер (К), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок задания предельных значений контролируемых параметров, выход которого соединен со входом К, блок световой и звуковой сигнализации и блок индикации. Дополнительно введены блок коррекции нелинейности датчика измерения силы натяжения ГО, блок тарировочной памяти, переносной блок памяти, искробезопасный блок и табло. Удерживающий механизм выполнен в виде направляющей, один конец которой подвижно связан с лебедкой, другой конец жестко связан с блоком измерения перемещения и силы натяжения ГО. Один из выходов последнего через искробезопасный блок связан с усилителем, а два других выхода через искробезопасный блок связаны с входами К. Выход усилителя соединен с входом АЦП. Посредством входов-выходов К соединен с АЦП, блоком коррекции нелинейности датчика измерения силы натяжения ГО, с переносным блоком памяти и с блоком тарировочной памяти. Выходы К соединены с входами блока световой и звуковой сигнализации, блока индикации и через искробезопасный блок с табло. Блок измерения перемещения и силы натяжения ГО может быть выполнен в виде подвижных роликов, не менее трех, размещенных на подвижном гибком органе в месте его перегиба, в виде индуктивного датчика с возможностью фиксации его относительно подвижного гибкого органа, в виде оптоэлектронного датчика с возможностью фиксации его относительно подвижного гибкого органа. Переносной блок памяти выполнен в виде удаленного устройства, связь с которым осуществляется с помощью проводной линии или радиоканала. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к устройствам для замера глубины спуска оборудования, инструмента, приборов, колонны труб в скважину.

Известно устройство для измерения глубины в скважины в процессе бурения, содержащее датчик оборотов лебедки, датчик веса на крюке, блок логики и блок счетчиков, блок коррекции, преобразователь, вычислительное устройство, процессор, запоминающее устройство, устройство управления, контроллер прерываний, блок памяти, дифференцирующее и вычитающее устройство, устройство сравнения, дешифратор нуля, формирователи и индикатор /Авторское свидетельство N 648722, БИ N 48, МКИ E 21 B 47/04, 30.12.87/.

Устройство позволяет компенсировать погрешности, возникающие при смене слоев каната, но имеется недостаточная точность измерения, низкая надежность работы из-за сложности исполнения устройства.

Известно устройство для измерения глубины спуска объекта при спускоподъемных операциях в скважине, содержащее лебедку с барабаном, на котором расположен гибкий орган, блок перемещения гибкого органа, состоящего из датчика перемещения гибкого органа и измерения силы его натяжения, усилитель, блок питания, контроллер, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом аналого-цифрового преобразователя, блок задания предельных значений контролируемых параметров, выход которого соединен с входом-выходом контроллера, блок световой и звуковой сигнализации и блок индикации, соединенные с контроллером /Авторское свидетельство N 1544960, МКИ E 21 B 47/00, 1990/. Данное устройство взято за прототип.

Устройство позволяет проводить замер полезного хода крюкоблока, фиксировать в блоке памяти предшествующую суммарную информацию, пропорциональную длине колонны труб.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в недостаточной точности измерения глубины спуска, низком качестве работы из-за сложности исполнения.

Сущность изобретения Изобретение направлено на создание устройства, позволяющего повысить безопасность и точность измерения глубины спуска и усилия натяжения гибкого элемента, а также улучшить эргономические возможности при работе.

Технический результат указанной задачи заключается в том, что в процессе выполнения спускоподъемных операций производят расчет удлинения колонны труб от собственной нагрузки и нагрузки подсоединенных к колонне труб оборудования, корректируют длину колонны труб, что повышает точность измерения глубины спуска колонны труб и оборудования и, кроме того, предотвращает аварийные ситуации и повышает безопасность работы за счет измерения силы натяжения.

Данный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения глубины спуска объекта при спускоподъемных операциях в скважине содержит блок коррекции нелинейности датчика измерения силы натяжения гибкого органа и блок тарировочной памяти, переносной блок памяти, искробезопасный блок и табло, удерживающий механизм выполнен в виде направляющей, один конец которой подвижно связан с лебедкой, а другой конец жестко связан с блоком измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа, первый выход которого через искробезопасный блок связан с усилителем, а второй и третий выходы через искробезопасный блок связаны со вторым и третьим входами контроллера, при этом выход усилителя соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход-выход контроллера соединен с блоком коррекции нелинейности датчика измерения силы натяжения гибкого органа, третий вход-выход контроллера соединен с переносным блоком памяти, а четвертый вход-выход соединен с блоком тарировочной памяти, при этом вход блока световой и звуковой сигнализации соединен с первым выходом контроллера, второй выход контроллера соединен с блоком индикации, а третий выход контроллера через искробезопасный блок соединен с табло. Блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа выполнен в виде подвижных роликов, не менее трех, размещенных на подвижном гибком органе с возможностью перегиба его. Блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа может быть выполнен в виде индуктивного датчика с возможностью фиксации его относительно подвижного гибкого органа, а также может быть выполнен в виде оптоэлектронного датчика с возможностью фиксации его относительно подвижного гибкого органа. Переносной блок памяти выполнен в виде удаленного устройства, связь с которым осуществляется с помощью проводной линии или радиоканала.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для глубины спуска объекта при спускоподъемных операциях в скважине; на фиг. 2 представлена структурная схема контроллера.

Устройство (фиг. 1) состоит из удерживающего механизма (УМ) 1, одним концом подвижно связанного с лебедкой (Л) 2, а другим с блоком измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа (БИПСНГО) 3, который соединен через искробезопасный блок 4 (ИБ) с усилителем (У) 5, соединенный с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 6, выход которого соединен с входом контроллера (К) 7, второй и третий выходы блока измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа 3 соединены через искробезопасный блок 4 с контроллером 7, блок коррекции нелинейности датчика сил (БКНДС) 8 соединен с контроллером 7, контроллер 7 соединен с блоком задания предельных значений параметров (БЗПЗП) 9, с блоком световой и звуковой сигнализации (БСЗС) 10, с блоком тарировочной памяти (БТП) 11, с переносным блоком памяти (ПБП) 12, с блоком индикации (БИ) 13, контроллер 7 соединен через искробезопасный блок 4 с табло 14, блок питания 15 обеспечивает необходимыми напряжениями питания все блоки устройства.

Удерживающий механизм предназначен для удержания блока измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа относительно барабана лебедки. Одним концом он подвижно связан с неподвижными частями лебедки, другим концом жестко закреплен с блоком измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа и перемещается в горизонтальном и вертикальном направлении с блоком измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа.

Блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа состоит из двух элементов, один из которых измеряет силу натяжения, а другой отслеживает перемещение каната. Датчик измерения силы натяжения конструктивно выполнен в виде балки с наклеенными тензорезисторами. Устанавливается на неподвижном конце гибкого органа таким образом, что последний оказывается преломленным между двумя крайними неподвижными упорами и средним упором. Натяжение преломления гибкого органа определяет усилие, действующее через средний упор на упругий элемент. Под действием измеряемого усилия деформация упругого элемента вызывает изменение сопротивления тензорезисторов, что приводит к разбалансу моста и появлению выходного сигнала, пропорционального измеряемому усилию.

Блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа может состоять из трех роликов, на валу среднего закреплен датчик оборотов. Гибкий элемент, проходя через эту систему вызывает вращение вала среднего ролика, что приводит к вращению вала датчика. На валу датчика закреплен диск с рисками, напротив оси вращения которых установлены фотоприемник и излучатель.

При вращении диска происходит чередование участков с различной светоотражаемой способностью. Установленная микросхема считает эти чередования, преобразует в число и по запросу контроллера передает полученное на данный момент число для дальнейшей обработки. При перемещении гибкого органа блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа формирует сигнал, пропорциональный величине перемещения его.

Искробезопасный блок 4 предназначен для исключения опасности взрыва, пожара при работе устройства для измерения глубины спуска объекта в местах наличия взрывоопасной среды. Блок выполнен на линейных элементах (резисторах), ограничивает ток в цепях питания датчиков (блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа) и выносного табло до взрывобезопасных значений. Номиналы линейных элементов (резисторов) выбирают в соответствии с ГОСТ 22782.5. Блок ограничен на плате контуром, который после монтажа заливается компаундом.

Устройство работает следующим образом.

При вращении лебедки и возникновении движения гибкого органа в процессе выполнения спуско-подъемных операций на скважине в датчиках перемещения и усилия, закрепленных на удерживающем механизме 1 и расположенных в блоке измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа 3, формируются два импульсных сигнала: с выхода 2 "движение вверх гибкого органа " и с выхода 3 "движение вниз гибкого органа" и аналоговый сигнал с выхода 1, пропорциональный усилию, возникающему в гибком органе. Импульсы со второго и третьего выходов блока измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа 3 через искробезопасный блок 4 поступают на второй и третий входы контроллера 7, который в зависимости от направления движения гибкого органа (вращения лебедки 2) производит их суммирование или вычитание в ячейках энергонезависимой памяти. При движении гибкого органа вниз производится суммирование, при движении его вверх - вычитание. Контроллер 7 выполнен на базе однокристальной микроЭВМ типа 80С51 фирмы Intel и предназначен для сбора информации, ее преобразования и формирования управляющих воздействий по программе, заложенной в его блоке памяти. В контроллер входит таймер, который обеспечивает запись значений глубины спуска и силы натяжения гибкого органа в реальном времени, а также хранит информацию о предельных значениях параметров, заданных из блока задания предельных значений контролируемых параметров, дешифратор, предназначенный для распределения адресного пространства среди внешних устройств (ППЗУ, АЦП и т.д.), регистр - защелка адреса. Микропроцессор выставляет младший байт адреса устройства, он хранится в регистре до тех пор, пока не будет передана (получена) вся информация от выбранного устройства. В контроллер входит блок памяти, который хранит в себе программу работы микропроцессора, а также значения глубины спуска и силы натяжения гибкого органа, полученные в ходе работы устройства, которые записываются в реальном времени с использованием параметров времени и таймера. Аналоговый сигнал с первого выхода блока измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа 3 через искробезопасный блок (ИБ) 4 поступает на усилитель (У) 5, усиливается до необходимого уровня и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Усилитель 5 усиливает сигнал датчика усилия в сигнал с уровнем, необходимым для обработки аналого-цифровым преобразователем. Усилитель 5 предназначен для усиления сигнала с датчика измерения силы. Реализован на 4-х операционных усилителях, два из которых обеспечивают опорное напряжение, а два других преобразуют сигнал с датчика измерения силы натяжения в аналоговый сигнал необходимого уровня.

Аналого-цифровой преобразователь работает по методу последовательного приближения и преобразует аналоговый сигнал с усилителя в цифровую форму для обработки контроллером. По разрешающему сигналу от контроллера запускается процесс преобразования, через определенное время от контроллера приходит сигнал на передачу получившегося значения для последующей обработки. Время цикла определяется быстродействием аналого-цифрового преобразователя. Аналого-цифровой преобразователь выполнен на базе интегральной микросхемы типа AD7876BN фирмы Analog Devices.

Контроллер 7 по программе, заложенной в блок памяти, по приходу на его второй вход или третий вход импульса, производит запуск аналого-цифрового преобразователя 6. По значению кода с выхода аналого-цифрового преобразователя 6 контроллер 7 выбирает соответствующий код с блока коррекции нелинейности датчика силы натяжения (БКНДС) 8, который является поправочным коэффициентом для расчета значения усилия натяжения гибкого органа и веса на крюке подъемника. Коды коэффициентов в блоке коррекции нелинейности датчика силы натяжения 8 определяются в зависимости от исполнения датчика силы, вида гибкого органа, вида подъемника и т.д., заносятся в процессе тарировки при использовании образцовой силоизмерительной машины. Блок коррекции нелинейности датчика силы натяжения гибкого органа предназначен для коррекции характеристики датчика измерения силы натяжения гибкого органа, возникающей при натяжении его. Блок реализован по аналоговой схеме, в результате обработки входных сигналов все значения лежат на линейной характеристике. По количеству импульсов, пропорциональных глубине спуска гибкого органа, и значению кода с блока коррекции нелинейности датчика силы 8 контроллер 7 выбирает соответствующий код из блока тарировочной памяти (БТП) 11, который является поправочным коэффициентом при расчете значения глубины спуска гибкого органа. Коды коэффициентов в блоке тарировочной памяти 11 определяются в зависимости от исполнения гибкого органа, его материала и т.д., заносятся в процессе тарировки при использовании образцовой силоизмерительной машины и образцовой меры длины. Блок тарировочной памяти предназначен для запоминания нескольких тарировочных таблиц для работы с разными типами подъемников, типами гибких органов и т.д. Для каждого вида подъемника выбирается из памяти тарировочная таблица, соответствующая тарировочной таблице, выполненной на образцовой силоизмерительной машине. Блок тарировочной памяти выполнен на основе интегральных микросхем FLASH-памяти с энергонезависимым питанием. При выполнении тарировки в блок коррекции нелинейности датчика силы 8 и блок тарировочной памяти 11 может быть занесено большое количество кодов поправочных коэффициентов в зависимости от различного исполнения, вида и материала гибкого органа, конструктивного исполнения и грузоподъемности подъемника, исполнения датчика глубины и датчика силы натяжения гибкого органа.

Выбор соответствующего набора коэффициентов блока тарировочной памяти 11 и блока коррекции нелинейности датчика силы 8 осуществляется путем ручного ввода номера набора через блок задания предельных значений контролируемых параметров 9 (БЗПЗП). Блок задания предельных значений контролируемых параметров предназначен для задания и хранения предельно допустимых значений измеряемых величин, например усилий натяжения гибкого органа. Перед началом работ заносятся значения предельных параметров при спуско-подъемных операциях. При превышении предельных значений, например глубины спуска выше заданной, подаются световой и звуковой сигналы, автоматически отключается привод лебедки (прекращается натяжение лебедки), что исключает аварийную ситуацию. Данные, полученные с блока перемещения гибкого органа и измерения силы натяжения, периодически сравниваются с предельными значениями и в случае превышения блок выдает команду в контроллер. Блок реализован на микросхеме памяти и клавиатуре или многопозиционных переключателях.

Для исключения аварийных ситуаций при проведении спуско-подъемных операций на скважине в память контроллера 7 с помощью ручного ввода заносятся предельные значения усилия натяжения гибкого органа и глубины его спуска. После выбора поправочных коэффициентов контроллер 7 по программе, заложенной в его блок памяти, вычисляет глубину спуска гибкого органа, значение усилия в нем и записывает эти значения в блок индикации (БИ) 13 и через искробезопасный блок 4 в табло 14. Блок индикации 13 и табло 14 преобразуют и отображают полученную информацию в вид, удобный для визуального восприятия (длина в метрах, усилия в тоннах и в их долях). Табло предназначено для индикации нагрузок в гибком органе, количеств нагружений и глубины спуска для работающих на устье скважины. Табло реализовано на светодиодных индикаторах со схемой управления, табло дублирует информацию, отображаемую в блоке индикации, и располагается непосредственно возле устья скважины.

Блок индикации реализован на светодиодных индикаторах со схемой управления. По сигналу с контроллера на индикаторах отображается информация, полученная с датчиков блока измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа в виде, удобном для визуального восприятия (длина в метрах, усилие в тоннах и т.п.).

При превышении измеренных параметров предельных, установленных в блоке задания предельных значений контролируемых параметров 9, контроллер 7 формирует управляющий сигнал для включения световой и звуковой сигнализации, находящейся в блоке световой и звуковой сигнализации (БСЗС) 10. В качестве блока световой и звуковой сигнализации используется светодиодные индикаторы и сирена со схемой управления. При поступлении сигнала с блока задания предельных значений контролируемых параметров контроллер выдает сигнал в блок световой и звуковой сигнализации, при этом все светодиодные индикаторы будут мигать, а сирена выдавать звуковой сигнал с частотой 1 Гц.

Вся информация об усилиях, возникающих в гибком органе, и глубинах его спуска, возникающих в процессе спуско-подъемных операций на скважине, записывается в реальном масштабе времени в FLASH-память с энергонезависимым питанием и может сохраняться сколь угодно долго после отключения напряжения питания. Для переноса информации из устройства к нему подключается переносной блок памяти (ПБП) 12, при этом информация из памяти контроллера 7 записывается в переносной блок памяти 12. Переносной блок памяти 12 можно доставлять к другому компьютеру или контроллеру для дальнейшей обработки. Блок выполнен на основе интегральных микросхем FLASH-памяти с энергонезависимым питанием типа PA28FOO8SA фирмы Intel. Конструктивно выполнен в металлическом корпусе из двух частей, к которым крепится печатная плата с радиоэлементами, и кабеля с разъемом для подключения.

Алгоритм взаимодействия контроллера с блоками (фиг. 2).

1. Взаимодействие с аналого-цифровым преобразователем: а) с контроллера в соответствии с программой, заложенной в блоке памяти, поступает сигнал на разрешение начала преобразования аналогового сигнала; б) через определенное время (время преобразования АЦП) сигнал на считывание полученного результата (сначала младший байт, потом старший); в) полученные данные: - преобразование полученного значения с использованием коэффициентов из блока тарировочной памяти; - проверка на превышение по данным блока задания предельных значений контролируемых параметров: если превышения нет, то информация поступает в блок индикации и табло, далее идет запоминание в блоке памяти в реальном времени, если есть превышение, то поступает сигнал в блок световой и звуковой сигнализации, на блок индикации и табло, идет запоминание в блоке памяти в реальном времени; - значение на блоке индикации и табло; - занесение в блок памяти контроллера в реальном времени; - флажок для счетчика перемещения.

2. Взаимодействие контроллера с блоком измерения перемещения гибкого органа при измерении глубины спуска гибкого органа:
а) с контроллера сигнал на чтение информации;
б) полученные данные:
- преобразование полученного значения с использованием коэффициентов из блока тарировочной памяти;
- проверка на местоположение (попадание в рабочий диапазон): если есть попадание - переход к следующему шагу, если есть выход из диапазона, то сигнал поступает в блок световой и звуковой сигнализации;
- проверка на разрешение счета (есть ли нагрузка);
- если счет разрешен, то операция сложения полученного значения с предыдущим числом (направление определяется в блоке - в результате либо положительное, либо отрицательное значение перемещения), полученное значение запоминается в блоке памяти. Если счет не разрешен, то конец цикла.

3. Взаимодействие контроллера с блоком индикации и табло:
а) с контроллера сигнал на отображение информации;
б) данные из видеобуфера на индикаторы через схему управления блока индикации и на табло через искробезопасный блок;
в) вид отображаемой информации задается через кнопки блока задания предельных значений контролируемых параметров.

4. Взаимодействие контроллера с блоком тарировочной памяти:
а) с контроллера сигнал на передачу коэффициентов.

Ввод коэффициентов пересчета осуществляется при тарировке устройства.

5. Взаимодействие контроллера с блоком задания предельных значений контролируемых параметров:
а) проверка наличия сигнала с кнопок;
б) выбор значения, которое необходимо установить;
в) набор значения;
г) запись в таймер.

При работе значения, полученные с блока измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа, сравниваются со значениями, хранящимися в таймере. В случае превышения выдается сигнал в блок световой и звуковой сигнализации.

Используется для:
а) задания предельных значений параметров;
б) выбора типа данных, выводимых на блок индикации и табло;
в) установки яркости свечения табло;
г) ввода информации при тарировке устройства.

6. Взаимодействие контроллера с блоком световой и звуковой сигнализации:
а) в случае превышения значений блока задания предельных значений контролируемых параметров выдается сигнал, при этом все светодиодные индикаторы будут мигать, а сирена - выдавать звуковой сигнал с частотой 1 Гц.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения глубины спуска объекта при спускоподъемных операциях в скважине, содержащее лебедку с барабаном, на котором расположен гибкий орган, усилитель, блок питания, блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа, контроллер, первый вход-выход которого соединен с входом-выходом аналого-цифрового преобразователя, блок задания предельных значений контролируемых параметров, выход которого соединен со входом контроллера, блок световой и звуковой сигнализации и блок индикации, соединенные с контроллером, отличающееся тем, что дополнительно введены блок коррекции нелинейности датчика измерения силы натяжения гибкого органа и блок тарировочной памяти, переносной блок памяти, искробезопасный блок и табло, удерживающий механизм, выполненный в виде направляющей, один конец которой подвижно связан с лебедкой, другой конец жестко связан с блоком измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа, первый выход которого через искробезопасный блок связан с усилителем, а второй и третий выходы через искробезопасный блок связаны со вторым и третьим входами контроллера, при этом выход усилителя соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход-выход контроллера соединен с блоком коррекции нелинейности датчика измерения силы натяжения гибкого органа, третий вход-выход контроллера соединен с переносным блоком памяти, а четвертый вход-выход соединен с блоком тарировочной памяти, при этом вход блока световой и звуковой сигнализации соединен с первым выходом контроллера, второй выход контроллера соединен с блоком индикации, а третий выход соединен через искробезопасный блок с табло.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа выполнен в виде подвижных роликов, не менее трех, размещенных на подвижном гибком органе в месте его перегиба.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа выполнен в виде индуктивного датчика с возможностью фиксации его относительно подвижного гибкого органа.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа выполнен в виде оптоэлектронного датчика с возможностью фиксации его относительно подвижного гибкого органа.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что переносной блок памяти выполнен в виде удаленного устройства, связь с которым осуществляется с помощью проводной линии или радиоканала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2