Комплекс для диагностики насосного оборудования нефтяных скважин

 

Комплекс предназначен для использования в нефтедобыче, применяется для диагностирования состояния скважинной штанговой глубинно-насосной установки (ШГНУ), а также для определения уровня жидкости в скважинах, оборудованных электроцентробежными насосами (ЭЦН). Состоит из блока преобразования усилий (БУ), устройства преобразования акустического сигнала (УПАС) и блока регистрации (БР). БУ состоит из преобразователя усилий (ПУ) и указателя положения (УП). УПАС состоит из преобразователя давления (ПД) и акустического преобразователя (АП). Блоки БУ и УПАС подключаются поочередно, в зависимости от производимых измерений к БР, который содержит усилители сигналов с преобразователей, мультиплексор (М), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блоки питания (БП1) и (БП2), часы реального времени с будильником и традиционные узлы для микропроцессорного контроллера: микропроцессор, имеющий в своем составе постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), клавиатуру (КЛ), устройство отображения (УО), последовательный двунаправленный порт ввода/вывода информации (В/В), зарядное устройство, аккумуляторную батарею, резервную батарею питания, устройство оповещения оператора. ПУ устанавливается в траверсы ШГНУ. УП устанавливается на полированный шток. УПАС устанавливается на устьевой арматуре скважин, оборудованных ШГНУ и ЭЦН. БР можно устанавливать как на узле канатной подвески ШГНУ, так и держать в руках, наблюдая процесс измерений. Увеличивается точность измерений, обеспечивается более высокая надежность и снижаются затраты на производство. 1 ил.

Изобретение относится к области нефтедобычи и применимо для диагностирования состояния скважинных штанговых глубинно-насосных установок, а также для определения уровня жидкости как в скважинах, оборудованных ШГНУ, так и в скважинах, оборудованных электроцентробежными насосами.

Известна система для диагностирования режима работы штанговой глубинно-насосной установки (ШГНУ), которая имеет в своем составе датчик усилий и усилитель с выходным сигналом в виде линейного перемещения, записываемого на двухкоординатный самописец, на второй вход которого поступает сигнал с датчика перемещения, установленного на полированном штоке ШГНУ (см. Т.М. Алиев и др. "Телединамометрирование глубинно-насосных скважин". Баку, Азербнешр, 1963, с.11-12).

К недостаткам этой системы относятся невозможность записи нуля нагрузок, веса штанг, веса штанг плюс жидкость и, как следствие, невозможность количественной расшифровки работы ШГНУ (дебита скважины, утечек в клапанах и т.д). При этом система ненадежна в работе из-за наличия самописца.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому 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, датчика давления, акустического датчика и датчика температуры, установленных на устье скважины, и блок регистрации сигналов с приемными трактами измерения усилия, периода хода полированного штока, давления, температуры и тракта акустического сигнала (см. RU 2168653, 06.09.1999, МПК F 04 B 47/00, 51/00). 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, реализованного с помощью устройства-прототипа, 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 температуры и тракта для обработки его сигнала, что усложняет конструкцию и не дает дополнительных преимуществ при измерении уровня жидкости в скважине.

Так как измерение температуры происходит на устье скважины, применять ее значение в формуле для вычисления скорости звука в газе нет смысла. Температура газа оказывает значительное влияние на скорость звука (см. Р.Г. Фархуллин и др. "Скорость звука в газе межтрубного пространства механизированных скважин" "Нефтяное хозяйство" 7.2000 г., ст. 55.) и имеет, при любой температуре на устье, в нейтральном слое температуру 6-8^oС и градиент температуры 0.01-0.017^oС/м, причем температура газа в затрубном пространстве нефтяной скважины близка к геотермической. Поэтому в формулу для вычисления скорости звука следует подставлять температуру, равную средней геотермической, т. е. средней геотерме на глубине, составляющей около половины расстояния до уровня жидкости в скважине. К недостаткам этого устройства также следует отнести низкую надежность по причине наличия частотного приемника, работающего только в хороших погодных условиях, наличие блоков временной задержки и блока запуска измерений, что усложняет схему устройства и его наладку при производстве и эксплуатации.

Задачей создания изобретения является разработка комплекса, позволяющего увеличить точность измерений, обеспечить более высокую надежность и снизить затраты на производство, при этом добавляются новые функциональные возможности, обеспечивающие оперативность диагностики и анализа полученной информации.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как комплекс для диагностики насосного оборудования нефтяных скважин, содержащий блок преобразования усилий, включающий в себя преобразователь усилия и датчик положения, устройство преобразования акустического сигнала, включающее в себя преобразователь давления и акустический преобразователь, блок регистрации, включающий в себя усилители сигналов с преобразователей давления, усилия и акустического преобразователя, устройство отображения, мультиплексор с раздельными входами, аналого-цифровой преобразователь, кроме того, блок регистрации содержит микропроцессор со встроенным постоянным запоминающим устройством, оперативное запоминающее устройство, клавиатуру, при этом выходы преобразователей усилия, давления, акустического преобразователя подключены к входам соответствующих усилителей, а выходы усилителей подключены к раздельным входам мультиплексора; выход мультиплексора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, который подключен к порту микропроцессора, датчик положения также подключен к порту микропроцессора, при этом оперативное запоминающее устройство, устройство отображения и клавиатура подключены к двунаправленным портам микропроцессора, микропроцессор подключен своим портом к мультиплексору, и отличительных существенных признаков, таких как в блок регистрации дополнительно введены часы реального времени, резервная батарея, аккумуляторная батарея, двунаправленный порт ввода-вывода на ПЭВМ, зарядное устройство, первый блок питания с возможностью управления, второй блок питания с возможностью управления, устройство оповещения оператора, при этом часы реального времени подключены к двунаправленному порту микропроцессора и подключены к первому блоку питания, резервная батарея подключена к часам реального времени и к оперативному запоминающему устройству, а аккумуляторная батарея подключена к блокам питания, зарядное устройство подключено к аккумуляторной батарее и имеет вход внешнего источника питания, первый блок питания подключен к часам реального времени, оперативному запоминающему устройству, устройству отображения, порту ввода/вывода на ПЭВМ, аналого-цифровому преобразователю, микропроцессору и к мультиплексору, причем микропроцессор подключен к порту ввода/вывода на ПЭВМ двунаправленным портом; второй блок питания подключен к преобразователям усилия и давления, к усилителям и мультиплексору, при этом микропроцессор подключен к второму блоку питания и к устройству оповещения оператора.

Для достижения поставленной задачи был применен ряд технических решений, в частности решено отказаться от генератора синусоидальных колебаний, который имитирует пройденный путь полированного штока ШГНУ при возвратно-поступательном движении и вносит погрешность в измерения, производить запись информации, поступающей с преобразователя усилий (ПУ), сразу после получения сигнала с датчика положения (ДП) о начале периода качания ШГНУ и прекращать запись после получения второго сигнала с ДП об окончании периода, причем информация записывается как линейная функция от времени, задается период квантования с использованием часов реального времени (см. ниже) с высокой точностью, что позволяет еще обойтись и без замера времени периода качания ШГНУ, как сделано в известном устройстве.

Это позволило в два раза сократить время на один замер при увеличении точности полученной информации. Таким образом, зависимость "усилие-время" записывает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) блока регистрации (БР) 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 быстрой оценки результата замера и построения динамограммы на устройстве отображения БР решено заменить синусоидальный генератор, имеющий погрешность при формировании электрического синусоидального сигнала, применяемый в известном устройстве, и использовать идеальную синусоидальную функцию, таблица которой записана в ПЗУ; такая функция не имеет погрешности, в отличие от синусоидального генератора, примененного в известном устройстве.

Дополнительно введены в блок-схему БР часы реального времени, что позволяет производить измерения в реальном масштабе времени, выдерживать необходимые интервалы времени между измерениями и технологические задержки, осуществлять запуск измерений в заданное время, позволяет получить источник декретного времени, необходимого при регистрации замеров, и управлять режимами энергопотребления.

Для определения уровня жидкости в скважине и увеличения точности измерений решено не применять датчик температуры, а при вычислении скорости звука в газовой среде использовать температуру, равную средней геотермической, на глубине, равной половине расстояния до уровня жидкости в скважине. Для обмена информацией с ПЭВМ дополнительно введено устройство ввода-вывода на ПЭВМ (В/В), причем информация выгружается как в ПЭВМ, так и в обратном направлении, для обновления расчетных коэффициентов в БР. Для оповещения оператора введено устройство оповещения оператора (УОО). Для обеспечения автономной работы введены аккумуляторная батарея АКК и устройство для ее зарядки ЗУ. Для разделения цифровой и аналоговой части БР по питанию введены два блока питания с возможностью управления от микропроцессора и таймера, что уменьшило помехи и увеличило точность измерений; в известном устройстве все блоки питаются от одного источника питания, поэтому помехи от цифровой части влияют на входные каскады усилителей, что приводит к нестабильности показаний.

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 не очевидным 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 для диагностики насосного оборудования нефтяных скважин состоит из блока преобразования усилий (БУ) 1, устройства преобразования акустического сигнала (УПАС) 2, блока регистрации (БР) 3. БУ 1 включает себя преобразователь усилий (ПУ) 4, зажимаемый в траверсах ШГНУ, подключенный к входу усилителя У8 блока регистрации (БР) 3, и датчик положения (ДП) 5, устанавливаемый на полированном штоке ШГНУ, подключенный к порту микропроцессора (МП) 15 блока регистрации (БР) 3. УПАС 2 устанавливается на устьевой арматуре и включает в себя преобразователь давления (ПД) 6 и акустический преобразователь (АП) 7, подключенные к соответственно к усилителям У9 и У10 блока регистрации, БР 3 можно устанавливать на узле канатной подвески ШГНУ или держать в руках, наблюдая процесс измерений. БР включает в себя усилители сигналов ПД-У9, ПУ-У8, АП-У10, подключенные к раздельным входам мультиплексора (М) 12, устройство отображения (УО) 18, подключенное к двунаправленному порту микропроцессора (МП) 15, мультиплексор (М) 12 с раздельными входами, аналого-цифровой преобразователем (АЦП) 11 подключенный к МП, кроме того, БР содержит микропроцессор МП со встроенным постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), МП может иметь 2 или более восьмиразрядных портов, т.к. порты равнозначны, то не конкретизируем, к какому порту производится подключение. БР включает в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 16 и клавиатуру (КЛ) 17. Выход мультиплексора подключен к входу АЦП, при этом МП подключен к М. МП подключен к ОЗУ, КЛ двунаправленными портами. БР содержит часы реального времени (ТАЙМЕР) 14, резервную батарею (БАТ) 23, аккумуляторную батарею (АКК) 22, двунаправленный порт ввода-вывода(В/В) 19 на ПЭВМ, подключенный к двунаправленному порту МП, зарядное устройство (ЗУ) 21, блок питания с возможностью управления (БП1) 13, второй блок питания с возможностью управления (БП2) 20, устройство оповещения оператора (УОО) 24, при этом часы реального времени подключены к двунаправленному порту МП и к входу БП1, БАТ подключена к часам реального времени и ОЗУ, АКК подключена к БП1 и БП2. ЗУ подключено к АКК и имеет вход для внешнего источника питания. БП1 подключен с часами реального времени, ОЗУ, УО, В/В, МП, АЦП, М. МП подключен к БП2, который подключен к ПУ, ПД, М, У8, У9, У10. Так же МП подключен к УОО.

Перед описанием работы принимаем, что масштабные коэффициенты по усилию и давлению определены и записаны в память, нули измерительных каналов установлены.

Работает комплекс в части измерения усилий следующим образом: задается область памяти ОЗУ, куда будет записываться замер и другие константы (максимальное количество замеров ограничивается только применяемым ОЗУ).

Установленный в траверсы ШГНУ преобразователь усилий 4 представляет собой мост из тензорезисторов, преобразует информацию об усилии, приложенном к полированному штоку, в сигналы, которые через усилитель 8 поступают на вход мультиплексора 12 и далее через АЦП 11 поступают в МП 15, который осуществляет прием и обработку информации в соответствии с заданной программой, анализируя одновременно состояние ДП 5, представляющего собой двухконтактную кнопку, установленную на полированном штоке таким образом, чтобы при ходе вниз кнопка нажималась в крайнем нижнем положении.

При поступлении сигнала с ДП МП 15 начинает запись сигнала ПУ 4 в ОЗУ 16, при поступлении второго сигнала с ДП МП 15 прекращает запись и строит график замера, причем программа позволяет произвести несколько замеров подряд с разным интервалом времени, который задается ТАЙМЕРОМ 14. Кроме того, можно записать в память фиксированные значения сигнала усилий в разных положениях полированного штока, при остановке ШГНУ для дальнейшего использования в расчетах также можно вычислить предварительную величину дебита по конкретному замеру или среднее значение дебита по нескольким замерам прямо на скважине. Ввиду ранее приведенных обоснований более точные расчеты должны производиться на ПЭВМ.

В части измерения уровня жидкости комплекс работает следующим образом: УПАС 2 устанавливается на устьевую арматуру. Преобразователь давления ПД 6 представляет собой мост из тензорезисторов, преобразует информацию о давлении газа в затрубном пространстве в сигналы, которые через усилитель 9 поступают на вход мультиплексора 12 и далее через АЦП 11 поступают в микропроцессор МП 15, который записывает информацию о давлении в память для дальнейших расчетов.

После этого микропроцессор МП 15 опрашивает канал акустического преобразователя АП 7, который представляет собой микрофон, выполненный с учетом работы на большом давлении в газовой среде, сигнал с него через У 10 поступает на мультиплексор 12 и далее на АЦП 11, МП 15 по соответствующей программе анализирует амплитуду сигнала и дает команду оператору, через УОО 24, произвести кратковременный импульс 0.3 с за счет сброса газа. МП 15 при этом начинает запись информации с акустического преобразователя АП 7 и оканчивает ее после окончания заданного интервала времени.

Далее МП 15 анализирует по программе записанный сигнал и ищет отражения от раздела фаз газ-жидкость, применяя в поиске табличные значения скорости звука, составленные по результатам ранее приведенных исследований, с учетом давления. Получив предварительное значение уровня жидкости, МП 15 вычисляет геотермальную температуру газа на глубине, равной половине от полученного уровня, получает поправку на скорость звука в газе и вновь пересчитывает уровень жидкости, используя при этом и другие константы, входящие в формулу определения скорости звука в газе. Получается в итоге более точный результат. Только после этого эхограмма выводится на УО и отображается значение уровня жидкости.

Для обеспечения экономичности используется блок питания БП1 13 с возможностью запуска от ТАЙМЕРА 14, поэтому во всех ждущих режимах питание не потребляется, информация о состоянии батареи поступает на мультиплексор 12 и через АЦП 11 в МП 15 для контроля напряжения.

Формула изобретения

Комплекс для диагностики насосного оборудования нефтяных скважин, содержащий блок преобразования усилий, включающий в себя преобразователь усилия и датчик положения, устройство преобразования акустического сигнала, включающее в себя преобразователь давления и акустический преобразователь, блок регистрации, включающий в себя усилители сигналов с преобразователей давления, усилия и акустического преобразователя, устройство отображения, мультиплексор с раздельными входами, аналого-цифровой преобразователь, кроме того, блок регистрации, содержит микропроцессор со встроенным постоянным запоминающим устройством, оперативное запоминающее устройство, клавиатуру, при этом выходы преобразователей усилия, давления, акустического преобразователя подключены к входам соответствующих усилителей, а выходы усилителей подключены к раздельным входам мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, который подключен к порту микропроцессора, датчик положения также подключен к порту микропроцессора, при этом оперативное запоминающее устройство, устройство отображения и клавиатура подключены к двунаправленным портам микропроцессора, микропроцессор подключен своим портом к мультиплексору, отличающийся тем, что в блок регистрации дополнительно введены часы реального времени, резервная батарея, аккумуляторная батарея, двунаправленный порт ввода-вывода на ПЭВМ, зарядное устройство, первый блок питания с возможностью управления, второй блок питания с возможностью управления, устройство оповещения оператора, при этом часы реального времени подключены к двунаправленному порту микропроцессора и подключены к первому блоку питания, резервная батарея подключена к часами реального времени и к оперативному запоминающему устройству, а аккумуляторная батарея подключена к блокам питания, зарядное устройство подключено к аккумуляторной батарее и имеет вход внешнего источника питания, первый блок питания подключен к часам реального времени, оперативному запоминающему устройству, устройству отображения, порту ввода/вывода на ПЭВМ, аналого-цифровому преобразователю, микропроцессору и к мультиплексору, причем микропроцессор подключен к порту ввода/вывода на ПЭВМ двунаправленным портом, второй блок питания подключен к преобразователям усилия и давления, к усилителям и мультиплексору, при этом микропроцессор подключен к второму блоку питания и к устройству оповещения оператора.

РИСУНКИ

Рисунок 1