Комплекс управления режимом откачки и контроля дебита нефти для штанговых глубинно-насосных установок

 

Комплекс предназначен для использования в области нефтедобычи в составе информационно-измерительных систем, применяется для управления работой скважинных штанговых глубинно-насосных установок (ШГНУ), а также для косвенного подсчета количества добытой нефти и обеспечивает сбор и накопление информации о работе ШГНУ. Состоит из установленных на каждой ШГНУ измерительного модуля, блока регистрации и исполнительного устройства. Съем информации производится периодически с помощью портативного компьютера, или специального накопительного устройства, или по линии связи. Измерительный модуль состоит из преобразователя усилий, который подключается к усилителю сигнала блока, включающего в себя мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, блок питания, часы реального времени с будильником, микропроцессор, имеющий в своем составе постоянно запоминающее устройство, последовательный двунаправленный порт ввода/вывода информации, аккумуляторную батарею, резервную батарею питания, частотный передатчик, блок перезапуска микропроцессора при его остановке. Измерительный модуль и блок питания устанавливаются в траверсы ШГНУ. Исполнительное устройство включает в себя приемник частотных сигналов, ключ, управляющий запуском и остановкой ШГНУ. Создается возможность получения и накопления информации о работе ШГНУ и на основе ее оперативного анализа обеспечивается автоматическое управление режимом откачки нефти, экономится ресурс парка ШГНУ, увеличивается точность измерений, обеспечивается надежность и снижаются затраты на производство. 1 ил.

Изобретение относится к области нефтедобычи и применимо для диагностирования состояния скважинных штанговых глубинно-насосных установок ШГНУ, подсчета дебита ШГНУ и управления работой ШГНУ.

Известна система телединамометрирования глубинных штанговых насосов (патент РФ 2160385, МПК F 04 В 47/00, бюл. 15, 2001 г.), содержащая установленные на каждой глубинно-насосной установке датчики усилия, соединенные с коммутатором. Через канал связи датчики усилия соединены с приемным трактом измерения усилия, выход которого соединен с входом блока масштабирования, последовательно соединенного с блоком селектирования и вычислительным устройством. Блок адаптирующихся колебаний выполнен из последовательно соединенных блока измерения периода хода полированного штока, генератора синусоидальных колебаний и интегратора. Выход блока адаптирующихся колебаний подключен к входу блока масштабирования.

Дополнительно введен блок определения положения полированного штока, выполненного из последовательно соединенных блока дифференцирования и блока формирования импульсов. Вход блока определения положения полированного штока соединен с приемным трактом измерения усилия, а его выход соединен с блоком измерения периода кода полированного штока. Недостатком такой системы является низкая надежность из-за наличия проводов связи и питания, а также отсутствие элементов управления работой ШГНУ, что не дает возможности регулировать режим откачки, особенно это важно для скважин с периодическим выбросом газа и малодебитных скважин.

Наиболее близким к заявляемому, только в части измерения усилий, является устройство для диагностирования состояния скважинного глубинно-насосного оборудования, содержащее измерительный модуль, состоящий из датчика усилия, установленного в узле канатной подвески, и датчика положения, взаимодействующего с полированным штоком станка-качалки, и блока регистрации сигналов с приемными трактами измерения усилия, периода хода полированного штока (см. описание изобретения 2168653 от 06.09.1999). Запись информации по усилию происходит после того, как устройство получит сигнал от датчика положения штока и определит период хода ШГНУ, следующим образом: сигнал о периоде поступает в генератор синусоидальных колебаний, сигнал с генератора поступает на вход мультиплексора одновременно с сигналом датчика положения о начале периода хода ШГНУ и одновременно происходит запись информации по усилию как функции от сигнала генератора синусоидального сигнала, т.о., в память записывается зависимость "усилие-перемещение".

К недостаткам такого способа записи информации, реализуемого техническим решением по патенту 2168653, относится погрешность при имитации перемещения штока ШГНУ с помощью генератора синусоидального сигнала, т.к. генератор имеет свою погрешность и, кроме того, функция реального перемещения полированного штока ШГНУ не является синусоидальной, а имеет более сложную формулу и зависит от величины сил трения в скважине, мощности насоса, глубины подвеса и др. величин (см. Т.М. Алиев и др. "Телединамометрирование глубинно-насосных скважин". Баку, Азербнешр, 1963), таким образом, устройство сохраняет в памяти уже искаженную информацию.

К недостаткам этого устройства также относится наличие датчика положения, усложняющего монтаж и эксплуатацию из-за наличия проводов, вследствие чего падает надежность системы, усложняется схема устройства и его наладка при массовой эксплуатации.

Задачей создания изобретения является получение и накопление информации о работе ШГНУ и на основе ее оперативного анализа обеспечение автоматического управления режимом откачки нефти для экономии электроэнергии, ресурса парка ШГНУ, увеличение точности измерений, обеспечение надежности и снижение затрат на производство.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как комплекс управления режимом откачки и контроля дебита нефти для штанговых глубинно-насосных установок, содержащий измерительный модуль, который включает преобразователь усилия в напряжение, устанавливаемый в траверсах ШГНУ, блок регистрации с трактом измерения усилия, устанавливаемый на узле канатной подвески, а тракт измерения усилия включает в себя: усилитель, мультиплексор с раздельными входами, АЦП, кроме того, блок регистрации содержит микропроцессор со встроенными ПЗУ и ОЗУ, при этом выход преобразователя усилия соединен с входом усилителя, а выход усилителя - с первым входом мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входу АЦП, который подключен к порту микропроцессора, при этом мультиплексор подсоединен к порту микропроцессора, и отличительных существенных признаков, таких как наличие исполнительного устройства, включающего последовательно подключенные друг к другу приемник частотных сигналов, таймер и ключ, первый вход которого подключен к выходу приемника частотных сигналов, второй вход - к выходу таймера, а третий вход - к устройствам внешнего управления, а выход ключа - к реле включения ШГНУ, причем исполнительное устройство установлено в шкафу управления ШГНУ, а блок регистрации дополнительно содержит часы реального времени, блок питания, аккумуляторную батарею и резервную батарею питания, при этом часы реального времени подключены к резервной батарее питания и двунаправленному порту микропроцессора, выходом - к блоку питания, на вход которого подключена аккумуляторная батарея и источник внешнего питания, а выход - со вторым входом мультиплексора, при этом микропроцессор связан с дополнительно введенным в блок регистрации перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством, связанным с двунаправленным портом микропроцессора, частотным передатчиком, подключенным своим входом к микропроцессору, блоком перезапуска микропроцессора, связанным своим входом с портом микропроцессора, а выходом - с выводом сброса микропроцессора, и двунаправленным портом ввода-вывода на внешние устройства.

Поставленную задачу можно решить, отказавшись от использования датчика положения и генератора синусоидальных колебаний, который имитирует пройденный путь полированного штока ШГНУ при возвратно-поступательном движении и вносит погрешность в измерения, а производить запись информации в память, поступающей с ПУ в течение нескольких периодов хода полированного штока. Информация записывается как линейная функция от времени, задается период квантования с использованием часов реального времени с высокой точностью, после чего полученная информация анализируется по соответствующей программе методом быстрого преобразования Фурье с целью вычисления периода колебаний. Далее оцениваются точки излома графика и определяется точка восприятия нагрузки, которая является началом периода колебаний. Полученный период в виде "усилие-время" записывается в долговременную память БР и анализируется известными методами для получения коэффициента подачи ШГНУ и текущего дебита, эти значения также заносятся в долговременную память и периодически анализируются по соответствующей программе в БР, в результате работы которой принимается решение на выключение ШГНУ, если ее работа становится нерентабельной. Запуск ШГНУ происходит через определенное время с помощью ТАЙМЕРА 2, после чего повторяются вышеописанные измерения и определяется необходимость работы ШГНУ, если дебит восстановился, то работа ШГНУ продолжается, если нет, ШГНУ останавливается и т.д., пока дебит не будет в рентабельной зоне. Это позволит сократить расход электроэнергии и увеличит межремонтный период ШГНУ. Полученная информация - зависимость "усилие-время", коэффициент подачи, дебит и время измерения, записанная в долговременную память ППЗУ БР, накапливается для дальнейшей выгрузки в ПЭВМ и обработки известными методами для линейных функций, а также сложных функций, более точно имитирующих реальное перемещение полированного штока ШГНУ с учетом всех параметров примененного оборудования ШГНУ и индивидуального различия скважин и построения на их основе зависимостей "усилие-перемещение", т.е. динамограмм для целей учета и анализа. Дополнительно введены в блок схемы БР часы реального времени с будильником, которые позволяют производить измерения в реальном масштабе времени, выдерживать необходимые интервалы времени между измерениями и технологические задержки, а также осуществлять запуск измерений в заданное время. Для обеспечения автономной работы введена аккумуляторная батарея АКК. Введен блок питания с возможностью управления от микропроцессора и таймера, что позволяет экономично использовать ресурсы аккумулятора. Дополнительно введен блок частотного передатчика ЧП, обеспечивающий выдачу сигнала на отключение ШГНУ. Введен двунаправленный порт В/В. Введен блок перезапуска микропроцессора БПМ, обеспечивающий перезапуск микропроцессора в случае его остановки по какой-либо причине. Введена дополнительная резервная батарея питания для обеспечения бесперебойной работы ТАЙМЕРА1.

Дополнительно введен блок ИУ, состоящий из приемника частотных колебаний ПЧ, ТАЙМЕРА2, обеспечивающего запуск ШГНУ через определенное время, ключа К, включающего или отключающего реле запуска ШГНУ.

Указанные выше отличительные признаки, каждый в отдельности и все совместно, направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными, обеспечивает решение поставленной задачи, является неочевидным для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемой блок-схемой на чертеже.

Комплекс управления режимом откачки и контроля дебита нефти для штанговых глубинно-насосных установок содержит измерительный модуль 1, который включает преобразователь усилия в напряжение 2, устанавливаемый в траверсах ШГНУ, блок регистрации 3 с трактом измерения усилия, устанавливаемый на узле канатной подвески. Тракт измерения усилия включает в себя усилитель 4, мультиплексор 5 с раздельными входами, АЦП 6.

Блок регистрации 3 содержит микропроцессор 7 со встроенными ПЗУ и ОЗУ, при этом выход преобразователя усилия 2 соединен с входом усилителя 4, а выход усилителя 4 - с первым входом мультиплексора 5, выход мультиплексора 5 подключен к входу АЦП 6, который подключен к порту микропроцессора 7, при этом мультиплексор 5 подсоединен к порту микропроцессора 7.

Комплекс содержит исполнительное устройство 8, включающее последовательно подключенные друг к другу приемник частотных сигналов 9, таймер 10 и ключ 11, первый вход которого подключен к выходу приемника частотных сигналов 9, второй вход - к выходу таймера 10, а третий вход 12 - к устройствам внешнего управления, а выход 13 ключа 11 - к реле включения ШГНУ, причем исполнительное устройство установлено в шкафу управления ШГНУ (шкаф управления на чертеже не показан).

Блок регистрации 3 дополнительно содержит часы реального времени 14, блок питания 15, аккумуляторную батарею 16 и резервную батарею питания 17.

Часы реального времени 14 подключены к резервной батарее питания 17 и двунаправленному порту микропроцессора 7, выходом - к блоку питания 15, на вход которого подключена аккумуляторная батарея 16 и источник внешнего питания, а выход соединен со вторым входом мультиплексора 5, при этом микропроцессор 7 связан двунаправленным портом с дополнительно введенным в блок регистрации 3 перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством 18, частотным передатчиком 19 подключенным своим входом к микропроцессору 7, блоком перезапуска 20 микропроцессора, связанным своим входом с портом микропроцессора 7, а выходом - с выводом сброса микропроцессора 7 и двунаправленным портом ввода-вывода 21 на внешние устройства.

Перед описанием работы принимаем, что масштабный коэффициент по усилию определен и записан в память, нулб измерительного канала усилий установлен.

Работает комплекс следующим образом: запуск БР 3 происходит с помощью ТАЙМЕРА1 14, который выдает команду на включение БП 15, измерительный модуль 1 и БР 3 представляют собой один блок, установленный в траверсы ШГНУ, преобразователь усилий - это мост из тензорезисторов преобразует информацию об усилии, приложенном к полированному штоку, в сигналы, которые через усилитель 4 поступают на вход мультиплексора 5 и далее, через АЦП 6 поступают в МП 7, который осуществляет прием и обработку информации в соответствии с заданной программой, МП 7 начинает запись сигнала ПУ 2 в собственное ОЗУ и прекращает запись через некоторое время. В результате работы программы получаем записанный в ППЗУ 18 один период колебаний ШГНУ в виде "усилие-время" и др. информацию. После чего ТАЙМЕР 14 выдает команду на выключение БП 15 и через некоторое время опять на включение и т.д. Одновременно анализируется информация, накопленная в ППЗУ 18, и если дебит ниже предела рентабельности, то отключение ШГНУ происходит по команде микропроцессора МП 7, поступающей в частотный передатчик ЧП 19. Прием сигнала осуществляет приемник частотных сигналов ПЧ 9 в исполнительное устройство ИУ 8 и приводит ключ К 11 в состояние "выключено", что отключает реле включения ШГНУ. ПЧ 9 одновременно запускает ТАЙМЕР2 10, который включает через некоторое время ШГНУ по команде с ключа К11.

Съем информации производится периодически с помощью портативного компьютера или специального накопительного устройства или по линии связи.

Формула изобретения

Комплекс управления режимом откачки и контроля дебита нефти для штанговых глубинно-насосных установок, содержащий измерительный модуль, который включает преобразователь усилия в напряжение, устанавливаемый в траверсах штанговой глубинно-насосной установки (ШГНУ), блок регистрации с трактом измерения усилия, устанавливаемый на узле канатной подвески, а тракт измерения усилия включает в себя усилитель, мультиплексор с раздельными входами, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), кроме того, блок регистрации содержит микропроцессор со встроенными постоянно запоминающим устройством (ПЗУ) и оперативно запоминающим устройством (ОЗУ), при этом выход преобразователя усилия соединен с входом усилителя, а выход усилителя - с первым входом мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входу АЦП, который подключен к порту микропроцессора, при этом мультиплексор подсоединен к порту микропроцессора, отличающийся тем, что он содержит исполнительное устройство, включающее последовательно подключенные друг к другу приемник частотных сигналов, таймер и ключ, первый вход которого подключен к выходу приемника частотных сигналов, второй вход - к выходу таймера, а третий вход - к устройствам внешнего управления, а выход ключа - к реле включения ШГНУ, причем исполнительное устройство установлено в шкафу управления ШГНУ, а блок регистрации дополнительно содержит часы реального времени, блок питания, аккумуляторную батарею и резервную батарею питания, при этом часы реального времени подключены к резервной батарее питания и двунаправленному порту микропроцессора, выходом - к блоку питания, на вход которого подключена аккумуляторная батарея и источник внешнего питания, а выход - со вторым входом мультиплексора, при этом микропроцессор связан с дополнительно введенным в блок регистрации перепрограммируемым постоянным запоминающим устройством, связанным с двунаправленным портом микропроцессора, частотным передатчиком, подключенным своим выходом к микропроцессору, блоком перезапуска микропроцессора, связанным своим входом с портом микропроцессора, а выходом - с выводом сброса микропроцессора, и двунаправленным портом ввода-вывода на внешние устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1