Способ управления штанговым скважинным насосом

Авторы патента:

F04B49/06 - электрическое управление или регулирование (регулирование с помощью поплавков, действующих на электрические коммутационные механизмы F04B 49/04)

F04B47/02 - с приводным устройством, расположенным на поверхности земли (F04B 47/12 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2610857:

Закрытое акционерное общество "НТЦ Приводная Техника" (RU)

Изобретение относится к способам управления штанговым скважинным насосом, включающим контроль заполнения скважины по объему всасываемой насосом жидкости, которые основаны на измерении электрических параметров приводного асинхронного электродвигателя. Измеряют ток питания асинхронного электродвигателя насоса, рассчитывают активную составляющую измеренного тока, формируют и запоминают эталонную диаграмму активной составляющей за цикл работы насоса. Далее формируют текущие диаграммы указанной составляющей, вычисляют по выбранному критерию их отклонение от эталонной диаграммы и при превышении вычисленным отклонением порога останавливают электродвигатель на прогнозируемое время заполнения скважины. После чего возобновляют работу электродвигателя с контролем указанного превышения. Повышается достоверность контроля заполнения скважины. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники

Изобретение относится к способам управления штанговым скважинным насосом (ШСН), включающим контроль заполнения скважины по объему всасываемой насосом жидкости, которые основаны на измерении электрических параметров приводного асинхронного электродвигателя. Такой контроль заполнения скважины не требует установки динамометрического датчика на элементах механического привода штангового насоса (например, на его штоке) для определения усилий, соответствующих степени заполнения всасывающей полости скважинного насоса.

Изобретение может найти применение в установках добычи нефти, снабженных механическим приводом в виде станка-качалки с кривошипно-шатунным механизмом или в виде зубчато-реечного линейного привода.

Уровень техники

Известен способ управления ШСН с контролем заполнения скважины, основанным на динамограмме усилий, отражающих степень заполнения всасывающей полости штангового насоса [RU 2546376].

Недостаток этого аналога - необходимость установки и эксплуатационного обслуживания динамографа (датчика, измеряющего механические усилия на верхней штанге ШСН или на других элементах его механического привода), снабженного автономным источником питания.

Известны способы управления ШСН с контролем степени заполнения всасывающей полости насоса (и, следовательно, заполнения скважины) по измеряемым электрическим параметрам (току, напряжению) приводного электродвигателя, которые используют для определения величины, характеризующей вращающий момент на валу приводного электродвигателя, что, в свою очередь, позволяет отслеживать усилия на верхней штанге ШСН [ЕА 201500517, US 5362206].

В качестве прототипа выбран известный способ управления штанговым скважинным насосом с контролем заполнения скважины, заключающийся в том, что измеряют ток и напряжение питания электродвигателя, определяют фазовый угол между ними и при превышении указанным углом заданного порога останавливают электродвигатель на ожидаемое (прогнозируемое) время заполнения скважины, после чего возобновляют работу электродвигателя с контролем указанного превышения [патент US 5362206].

Недостаток прототипа - низкая достоверность оценки заполнения скважины по выбранному в прототипе критерию - фазовому углу между током и напряжением питания электродвигателя.

Сущность изобретения

Предметом изобретения является способ управления штанговым скважинным насосом с контролем заполнения скважины, заключающийся в том, что измеряют ток питания асинхронного электродвигателя насоса, рассчитывают активную составляющую измеренного тока, формируют и запоминают эталонную диаграмму активной составляющей за цикл работы насоса, формируют текущие диаграммы указанной составляющей, вычисляют по выбранному критерию их отклонение от эталонной диаграммы и при превышении вычисленным отклонением порога останавливают электродвигатель на прогнозируемое время заполнения скважины, после чего возобновляют работу электродвигателя с контролем указанного превышения.

Развития изобретения раскрывают две возможности вычисления активной составляющей измеренного тока, которые состоят в том, что:

- активную составляющую измеренного тока рассчитывают с использованием паспортных данных асинхронного электродвигателя;

- активную составляющую измеренного тока рассчитывают как проекцию вектора измеренного тока на направление вектора дополнительно измеренного напряжения питания электродвигателя.

Заявляемый способ, как и выбранный прототип, основан на измерении электрических параметров асинхронного электродвигателя штангового насоса, позволяющих оценивать вращающий момент на валу приводного электродвигателя ШСН, но отличается тем, что в нем в качестве критерия оценки используют не фазовый угол между током и напряжением, а активную составляющую измеряемого тока, которая, как будет показано в разделе «Осуществление изобретения», точнее отражает фактические значения вращающего момента на валу электродвигателя и соответствующего усилия в верхней штанге насоса.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, - повышение достоверности контроля заполнения скважины.

Осуществление изобретения с учетом его развития

ШСН связан с приводным асинхронным электродвигателем через механический привод, преобразующий вращательное движение вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение штока, колонны штанг и плунжера скважинного насоса. Такой механический привод выполняют в виде станка-качалки с кривошипно-шатунным механизмом [RU 2532488] или линейного привода с зубчато-реечным механизмом [RU 159640].

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью программируемого контроллера управления ШСН, снабженного аналого-цифровым преобразователем для оцифровки показаний датчика тока (и, возможно, датчика напряжения).

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряют ток I₁ питания приводного асинхронного электродвигателя ШСН. По оцифрованным значениям измеренного тока рассчитывают его активную составляющую (активный ток статора асинхронного двигателя).

Описанные далее расчеты, выполняемые контроллером ШСН, основаны на известной векторной диаграмме асинхронного двигателя, представленной на фиг. 1 [В.Я. Беспалов, И.Ф. Котеленец. Электрические машины. - М.: Изд. Центр Академия, 2006, стр. 138].

Из векторной диаграммы асинхронного двигателя (фиг. 1) имеем:

где - вектор питающего тока (тока статора), - приведенный к статору вектор тока ротора, - вектор тока намагничивания.

Расчеты выполняются исходя из того, что в установившемся режиме работы асинхронного двигателя его скольжение мало и приведенный к статору ток ротора является активным, т.е. совпадает по фазе с приложенным напряжением U₁. Поэтому

где - приведенная к статору активная составляющая тока ротора, I₁_a - активная составляющая тока статора.

По формуле рассчитывается активная составляющая тока статора приводного асинхронного двигателя. Здесь I_μн - номинальный ток намагничивания, предварительно рассчитанный по формуле , где I_1н и cosϕ_н - номинальные (паспортные) значения тока статора и коэффициента мощности приводного асинхронного двигателя.

Активная составляющая тока статора I₁_а может быть определена также с помощью другой последовательности вычислений, выполняемых программируемым контроллером. Например, она может быть вычислена как проекция вектора измеренного тока I₁ на направление вектора дополнительно измеренного напряжения питания электродвигателя.

Полученное значение I₁_а используют для формирования в памяти контроллера эталонной и текущей временных диаграмм и . Диаграммы формируют за цикл работы штангового насоса, используя для этого (как и в прототипе) датчик перемещения, установленный на элементе механического привода и отражающий текущее положение плунжера и штока штангового насоса при возвратно-поступательном движении.

Эталонную диаграмму снимают (формируют и обновляют в памяти контроллера) изредка (например, раз в месяц), когда насос заведомо работает в штатном режиме (полное заполнение полости насоса, отсутствие неисправностей и т.п.).

Текущую диаграмму снимают непрерывно или с заданной периодичностью (например, каждые полчаса).

Снятые текущие диаграммы сравнивают с хранящейся в памяти контроллера эталонной диаграммой , вычисляя их отклонение от эталонной диаграммы.

Отклонение вычисляют по выбранному критерию (в простейших случаях это может быть максимальная или среднеквадратичная разность совмещенных во времени диаграмм) и сравнивают с заданным допустимым значением отклонения. Выбранный критерий может предусматривать вычисление отклонений с разными весовыми коэффициентами на разных участках цикла (например, для части цикла, соответствующей подъему штанги, отклонения могут вычисляться с коэффициентом единица, а для остальной части цикла - с коэффициентом ноль).

Если полученное отклонение превысит заданный порог (что свидетельствует о существенном несоответствии текущей и эталонной диаграмм), приводной электродвигатель останавливают по сигналу контроллера и запускают таймер на ожидаемое (прогнозируемое) время естественного заполнения скважины (например, на один час). По окончании этого времени (по сигналу срабатывания таймера) возобновляют работу приводного двигателя и процесс формирования и запоминания текущей диаграммы, вычисления их отклонения друг от друга и сравнения полученного отклонения с заданным порогом. Повторное превышение указанного отклонения может использоваться как основание, в частности, для следующих выводов:

- о возникновении неисправности насоса или его механического привода (с последующей диагностикой дефекта);

- о целесообразности увеличения прогнозируемого времени заполнения скважины;

- о принятии мер по повышению пластового давления.

Сопоставим заявленный способ с прототипом.

Согласно вышеизложенному в заявленном способе оценка усилия на верхней штанге ШСН, т.е. оценка усилия, непосредственно отражающего степень заполнения всасывающей полости насоса и (в случае отсутствия дефектов в ШСН и его механическом приводе) степень заполнения скважины, производится косвенно - по значению вращающего момента как функции активной составляющей I₁_а статорного тока приводного двигателя, вычисляемой по результатам измерения тока питания, потребляемого двигателем.

Как известно [О.Д. Гольдберг, С.П. Хелемская. Электромеханика. - М.: Изд. Центр Академия, 2007, стр. 205], вращающий момент М на валу асинхронного двигателя связан с магнитным потоком Ф и активной составляющей тока статора I_1а соотношением

где к постоянный коэффициент.

При постоянном магнитном потоке Ф это выражение может быть записано в виде линейной (пропорциональной) зависимости между активной составляющей тока асинхронного двигателя и вращающим моментом

где C=const.

В прототипе для оценки усилия в верхней штанге ШСН и соответствующего ему вращающего момента на валу приводного двигателя используется текущее значение угла ϕ между приложенным напряжением U₁ (совпадающим по фазе с активной составляющей тока статора I₁_а) и измеряемым током статора I₁. Как видно из векторной диаграммы (фиг. 1), значение угла ϕ определяется соотношением

Из совместного рассмотрения выражений (1) и (2) следует, что используемая в прототипе зависимость М(ϕ) имеет нелинейный характер и, следовательно, с большей погрешностью отражает вращающий момент на валу электродвигателя, чем линейная зависимость М(I₁_а), используемая в предлагаемом способе.

Таким образом, использование активной составляющей тока статора приводного асинхронного двигателя в качестве оценки величины вращающего момента на его валу (вместо фазового угла, используемого для этой цели в прототипе) позволяет получить вышеуказанный технический результат заявляемого способа - повышение достоверности контроля степени заполнения скважины.

1. Способ управления штанговым скважинным насосом с контролем заполнения скважины, заключающийся в том, что измеряют ток питания асинхронного электродвигателя насоса, рассчитывают активную составляющую измеренного тока, формируют и запоминают эталонную диаграмму активной составляющей за цикл работы насоса, формируют текущие диаграммы указанной составляющей, вычисляют по выбранному критерию их отклонение от эталонной диаграммы и при превышении вычисленным отклонением порога останавливают электродвигатель на прогнозируемое время заполнения скважины, после чего возобновляют работу электродвигателя с контролем указанного превышения.

2. Способ по п. 1, в котором активную составляющую измеренного тока рассчитывают с использованием паспортных данных асинхронного электродвигателя.

3. Способ по п. 1, в котором активную составляющую измеренного тока рассчитывают как проекцию вектора измеренного тока питания на направление вектора дополнительно измеренного напряжения питания электродвигателя.

Группа изобретений относится к стерилизации эндоскопа. Предложен перистальтический насос для использования в стерилизационной камере, содержащий гибкий насосный шланг с электропроводящей соединительной частью на каждом конце, находящейся в контакте с текучей средой в насосном шланге, приводимое в действие двигателем проталкивающее устройство, расположенное относительно насосного шланга таким образом, что, если проталкивающее устройство приведено в действие, оно прерывистым образом нажимает на насосный шланг, чтобы сблизить внутренние стенки насосного шланга друг с другом, первый электрод, контактирующий с проводящей соединительной частью в выходном конце насосного шланга, второй электрод, контактирующий с проводящей соединительной частью во входном конце насосного шланга, средство для подачи напряжения на электроды и средство для измерения электрического параметра между проводящими соединительными частями.

Плунжерный водяной насос и его гидравлическая управляющая система // 2579540

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в плунжерном водяном насосе и его гидравлической управляющей системе. Насос содержит две плунжерные группы (1, 2), каждая из которых содержит водяной цилиндр (11, 12) и масляный цилиндр (12, 22).

Способ регулировки насоса системы scr // 2560970

Группа изобретений относится к способу регулировки насоса системы селективной каталитической реакции (SCR) и к системе, позволяющей применять такой способ. В способе регулирования приводимого в действие электродвигателем насоса системы SCR на насос, создающий давление, действует гидравлический момент, связанный с этим давлением, и момент сопротивления.

Дозирующее устройство с питанием от батареек // 2557829

Изобретение относится к дозирующему устройству (100) для выдачи заданного объема жидкости, содержащему электромагнит (111) и выполненному с возможностью поддержания насоса (112) с намагничиваемым насосным элементом (110), перемещаемым под воздействием электромагнита, когда насос поддерживается в дозирующем устройстве.

Способ, устройство и средство привода возвратно-поступательного линейного насоса двустороннего действия // 2554703

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано для перекачивания жидких и тестообразных продуктов. Способ управления средством привода, механически соединенным с возвратно-поступательным линейным насосом двустороннего действия, заключается в том, что осуществляют регулирование частоты вращения на стадии, на которой поршень движется только в одном направлении вверх (109) или вниз (102), и осуществляют регулирование крутящего момента сразу после изменения (107, 114) направления хода на обратное.

Устройство управления частотно-регулируемым электроприводом магистральных насосов // 2551116

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования частоты вращения электродвигателей насосов, работающих на длинные трубопроводы, например магистральных насосов нефтепроводов.

Способ, устройство и набор данных (варианты) для управления компрессорной установкой // 2539232

Изобретение относится к способу управления компрессорной установкой, к устройству управления, а также набору данных для управления компрессорной установкой. В способе управления компрессорной установкой (1), которая включает в себя несколько компрессоров (2), при этом посредством установки (1) в системе сжатой текучей среды должно поддерживаться предварительно определенное избыточное давление, при этом через фиксированные или переменные интервалы времени принимают решения о действиях по переключению для адаптации системы к фактическим условиям.

Способ (варианты) и система управления компрессорной станцией // 2536639

Изобретение относится к способу управления компрессорной станции. Способ управления компрессорной станцией (1), которая включает в себя по меньшей мере несколько объединенных друг с другом в сеть компрессоров (2), может не только формировать стратегии переключений посредством электронной системы (3) управления для оказания влияния на количество имеющейся в распоряжении одного или нескольких пользователей станции (1) сжатой текучей среды в станции (1), но и в состоянии приспосабливать имеющееся в распоряжении одного или нескольких пользователей станции (1) количество сжатой текучей среды к будущим условиям работы станции (1) адаптивно к отбираемому количеству сжатой текучей среды из станции.

Гидравлический привод для преобразователя давления // 2531675

Изобретение относится к гидравлическому приводу (1) с регулированием количества и/или давления для преобразователя давления устройства высокого давления, состоящему по существу из двигательного привода с насосом для рабочей среды (10), а также блока управления.

Способ управления цилиндрическим линейным индукционным насосом // 2526029

Изобретение относится к МГД-технике и может быть использовано в насосных установках для перекачивания электропроводных жидкостей. Технический результат состоит в повышении точности управления.

Установка скважинная штанговая насосная с насосом двойного действия // 2609036

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано при эксплуатации высокообводненных скважин. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности, обеспечение работоспособности установки при отборе скважинной продукции с высоким газовым фактором и увеличение добывных возможностей установки за счет упрощения насоса.

Вычисление линий нагрузки флюидом, проверка на вогнутость и итерации относительно коэффициента затухания для диаграммы скважинного насоса // 2602719

Изобретение относится к области скважинных насосных установок. Насосная установка имеет скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеет двигатель на поверхности.

Оборудование для добычи и увеличения производства неочищенной нефти и газа // 2599674

Изобретение относится к оборудованию для добычи и увеличения производства неочищенной нефти и газа. Оборудование содержит: соединительный блок, соединенный с главным поршневым штоком, при этом главный поршневой шток выполняет возвратно-поступательные движения внутри главного цилиндра; поршневой блок, соединенный с соединительным блоком, при этом поршневой блок движется в соединении с главным поршневым штоком, чтобы добывать дополнительное количество добываемых объектов; цилиндровый блок создает давление для поднятия добываемых объектов на земную поверхность, когда поршневой блок выполняет возвратно-поступательные движения внутри поршневого блока; и блок снабжения, управляющий процессом транспортировки добываемых объектов, поднимая добываемые объекты на земную поверхность, когда поршневой блок движется вверх, и транспортируя добываемые объекты к хранилищу, когда поршневой блок движется вниз.

Скважинная штанговая насосная установка // 2594038

Изобретение относится к устройствам для подъема жидкости из скважин и может быть использовано для добычи нефти. Установка содержит силовой привод с тяговым органом, реверсивный приводной орган, две уравновешиваемые линии подъема жидкости разного веса, включающие соответствующие подвески, соединенные с реверсивным приводным органом посредством гибкого элемента, полированные штоки, штанговые колонны и насосы, размещенные в изолированных друг от друга колоннах труб.

Безбалансирный станок-качалка // 2581258

Безбалансирный станок-качалка содержит стойку-опору, вдоль которой установлены винт ходовой и электропривод. На винте ходовом установлена с возможностью продольного перемещения и вращения гайка.

Длинноходовой станок - качалка // 2581256

Длинноходовой станок-качалка предназначен для привода скважинного штангового насоса. Станок-качалка включает одноплечий балансир, головку балансира, закрепленную на поворотном рычаге-основании, одна из осей которого установлена в подшипниковых опорах на конце балансира.

Нефтеперекачивающая машина с шестерней, перемещающейся возвратно-поступательно по зубчатой рейке // 2580415

Изобретение относится к оборудованию для добычи нефти, в частности к нефтеперекачивающей машине с шестерней, перемещающейся возвратно-поступательно по зубчатой рейке.

Установка для одновременно-раздельной эксплуатации двух пластов // 2578093

Изобретение относится к скважинным насосным установкам и может быть применено для одновременно-раздельной эксплуатации двух пластов. Установка включает колонну лифтовых труб, верхний и нижний пакеры, установленные над соответствующими пластами, хвостовик с каналами, колонну штанг и штанговый насос с дополнительным всасывающим клапаном, сообщенным выходом с отверстием в стенке цилиндра, полым корпусом с боковым отверстием, сообщенным с межтрубным пространством, основным всасывающим клапаном в нижней части и разделительным поршнем, размещенным ниже отверстия для дополнительного всасывающего клапана в цилиндре с возможностью ограниченного продольного перемещения вниз в полость корпуса и вверх под воздействием плунжера, дополнительный нагнетательный клапан, пропускающий из полости корпуса через боковое отверстие в межтрубное пространство.

Привод скважинного штангового насоса // 2578011

Изобретение относится к техническим средствам для подъема жидкости из скважин и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для добычи нефти скважинными штанговыми насосами.

Способ оптимизации параметров привода штангового насоса // 2577922

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для обеспечения оптимальных параметров работы скважинной штанговой насосной установки. Способ оптимизации параметров привода штангового насоса, состоящего из балансира, головки балансира, стойки, шатуна, кривошипа, редуктора, приводного двигателя, тормоза и противовесов, заключается в увеличении длины хода полированного штока, осуществляемом изменением радиуса кривошипа, путем перестановки шатуна в отверстиях кривошипа.

Привод скважинного штангового насоса // 2611126

Изобретение относится к устройствам для подъема жидкости из скважин для использования в нефтедобывающей промышленности для добычи нефти. Привод содержит двигатель, редуктор, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное. Оси преобразующего механизма, противовеса и гибкого звена находятся вблизи одной вертикальной плоскости. Верхний ведомый шкив установлен в корпусе с возможностью вращения и ограниченного перемещения вдоль оси преобразующего механизма для регулирования натяжения непрерывного гибкого звена при помощи натяжного механизма. Механизм состоит из подвижного корпуса с осью шкива, установленного на продольных салазках корпуса привода и соединенного с толкателем. Толкатель выполнен в виде винтового домкрата, состоящего из оснований домкрата, соединенных шарнирами в виде ромба. Противоположные углы ромба выполнены с возможностью сближения или расхождения под действием винтовой пары. Одно основание домкрата зафиксировано относительно корпуса, а другое основание - относительно подвижного корпуса. Винт винтовой пары соединен с электрическим приводом для перемещения основания домкрата с подвижной частью натяжного механизма при ослаблении натяжения гибкого звена ниже выбранной величины усилия натяжения гибкого звена. Содержит датчик нагрузки, функционально связанный с блоком управления. Автоматически поддерживается постоянное натяжение гибкого звена преобразующего механизма с дистанционным диагностированием его работы, а также исключается влияние момента страгивания на работоспособность натяжного механизма. 4 ил.