Патент на изобретение №2184226
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
(57) Реферат: Изобретение относится к области контроля состояния оборудования нефтяных скважин, может быть использовано для текущего эксплуатационного контроля механического и электрического оборудования насосных установок. Техническим результатом является возможность выявления неисправностей оборудования нефтяной скважины, не оснащенной специальными устройствами контроля без необходимости подключения к электрическому оборудованию скважины специальных датчиков и, соответственно, без необходимости остановки электрического оборудования скважины. Поставленный технический результат достигается тем, что устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, блок индикации текущего значения данных, персональный компьютер с электрическим соединителем, блок управления с ключом запуска измерений и датчик тока в виде токоизмерительных клещей. 10 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к области контроля состояния оборудования нефтяных скважин, может быть использовано для текущего эксплуатационного контроля механического и электрического оборудования насосных установок, в частности, для диагностики неисправностей оборудования, качества производимых ремонтных и профилактических работ и состояния нефтяных пластов. Известно устройство (патент США 5362206) для контроля технического состояния штанговых глубинных насосов (ШГН), содержащее датчики тока, блок обработки показаний датчиков тока и индикатор результатов обработки показаний датчиков тока. Недостатками этого устройства являются ограниченная область применения, так как данное устройство предназначено для остановки ШГН при прекращении поступления нефти из скважины, кроме того, датчики устройства жестко привязаны к токоведущим частям привода ШГН, что делает невозможным использование одного устройства для контроля оборудования нескольких скважин. Наиболее близким к заявленному изобретению устройством является устройство для контроля состояния глубинных насосов (патент РФ 2097553), содержащее последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок памяти, выход которого подключен к выходу индикаторного устройства. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности использования устройства для контроля одним устройством оборудования нескольких нефтяных скважин, необходимость остановки насосного оборудования при вводе устройства в эксплуатацию, так как используемые в составе устройства пьезоэлектрические датчики следует механически сопрягать с оборудованием. Недостатком устройства также является обеспечиваемая в устройстве индикация показаний датчиков сразу после проведения измерений. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в возможности выявления неисправностей оборудования нефтяной скважины, не оснащенной специальными устройствами контроля без необходимости подключения к электрическому оборудованию скважины специальных датчиков и, соответственно, без необходимости остановки электрического оборудования скважины. Кроме того, устройство одновременно может быть использовано в качестве индикатора тока, проходящего через токоведущие части, что обеспечивает возможность своевременного устранения неисправностей электрического оборудования скважины, например, обрыв фазы электродвигателя. Точные результаты регистрации значений токов, измеренных с помощью заявленного устройства, не могут быть считаны, обработаны и интерпретированы без подключения блока измерений к персональному компьютеру, на который установлено соответствующее программное обеспечение. В связи с этим изобретение позволяет проводить объективный анализ состояния оборудования нефтяной скважины за счет исключения возможности вмешательства в процесс обработки и интерпретации данных персонала, обслуживающего скважинное оборудование. Также использование изобретения позволяет исключить злоупотребления со стороны персонала, обслуживающего оборудование скважин. Например, сопоставление измерений, проведенных до и после профилактических работ, обеспечивает объективный анализ качества проведенных работ. Работами, качество которых может быть оценено с помощью изобретения, являются, в частности, удаление парафиновых отложений из скважины, ремонт или замена клапанов насосного оборудования, работы по ремонту или замене электрического оборудования насосной установки. Для достижения технического результата и исключения указанных выше недостатков прототипа предложено устройство для контроля состояния оборудования нефтяных скважин, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с блоками памяти и индикации текущего значения данных, персональный компьютер с электрическим соединителем и блок управления с ключом запуска измерений, отличающееся тем, что в устройство введен датчик тока в виде токоизмерительных клещей, выходная обмотка которых через согласующий блок соединена с входом аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого соединен с первым тактирующим выходом блока управления, второй тактирующий выход блока управления соединен с блоком индикации текущих значений данных, а информационный и третий тактирующий выход блока управления соединены с блоком памяти, выход данных и вход адреса которого соединены с входом данных и выходом адреса блока интерфейса, внешний вход/выход которого соединен с электрическим соединителем, взаимно соответствующим соединителю блока интерфейса персонального компьютера, а другой выход блока интерфейса связан с входом блока управления, при этом блок управления выполнен обеспечивающим возможность повторения заранее заданное первое число раз после формирования ключом запуска измерения сигнала запуска измерения, формирования сигнала записи данных с выхода данных аналого-цифрового преобразователя в отдельную ячейку памяти блока памяти заранее заданное второе число раз. В связи с тем, что устройство предназначено для проведения ограниченного числа измерений в процессе полного цикла работы, в устройстве может быть использован блок отображения числа сигналов запуска измерения, сформированных ключом запуска измерения. Для обработки результатов измерений, осуществленных устройством, в составе устройства используется персональный компьютер, выполненный обеспечивающим возможность считывания данных из ячеек памяти блока памяти и формирование в памяти компьютера отдельных совокупностей измеренных данных для каждой совокупности данных, соответствующей одному из сигналов запуска измерения, сформированному ключом запуска измерения. При этом персональный компьютер может быть выполнен обеспечивающим возможность отображения на экране монитора персонального компьютера значений данных совокупности измеренных данных, которые могут быть отражены на экране монитора либо в виде численных значений, либо в виде графика изменения значения указанных данных совокупности измеренных данных. Для облегчения обработки результатов измерений, осуществленных с помощью устройства, персональный компьютер выполнен обеспечивающим возможность формирования в памяти компьютера совокупности фильтрованных данных путем цифровой фильтрации совокупности измеренных данных и отображения на экране монитора персонального компьютера значений данных совокупности фильтрованных данных. Также персональный компьютер может быть выполнен обеспечивающим возможность отображения на экране монитора персонального компьютера значений данных совокупности фильтрованных данных в виде графика изменения значения указанных данных либо в виде численных значений. При обработке результатов измерений в автоматизированном режиме, персональный компьютер выполняется обеспечивающим возможность для каждой совокупности измеренных данных сравнения значений данных совокупности измеренных данных со значениями данных заранее заданных эталонных совокупностей данных, соответствующих различным режимам работы оборудования нефтяной скважины с последующим отображением на экране монитора персонального компьютера значений данных выбранной эталонной совокупности данных, имеющей максимальное сходство с совокупностью измеренных данных и указания на режим работы оборудования нефтяной скважины, соответствующего выбранной эталонной совокупности данных. При обработке фильтрованных данных персональный компьютер выполняется обеспечивающим возможность для каждой совокупности фильтрованных данных сравнения значений данных совокупности фильтрованных данных со значениями данных заранее заданных эталонных совокупностей данных, соответствующих различным режимам работы оборудования нефтяной скважины с последующим отображением на экране монитора персонального компьютера значений данных выбранной эталонной совокупности данных, имеющей максимальное сходство с совокупностью измеренных данных и указания на режим работы оборудования нефтяной скважины, соответствующего выбранной эталонной совокупности данных. В отдельных случаях, например при проверке качества проведения профилактических работ, в качестве одной из эталонных совокупностей данных используется совокупность измеренных данных. Для обеспечения возможности наиболее полного анализа результатов измерений блок управления выполнен обеспечивающим формирование заранее заданное второе число раз сигнала записи данных с выхода аналого-цифрового преобразователя в течение периода времени, большего длительности полного цикла работы насосного оборудования нефтяной скважины. На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг.2 – принципиальная схема блока управления, который может быть использован в составе устройства, а также связи блока управления с основными элементами устройства. Функционально устройство выполняется в виде блока измерений и блока обработки измерений, выполненного в виде персонального компьютера. Блок измерений устройства (фиг.1) содержит токоизмерительные клещи, сердечник 1 которых выполнен с возможностью охватывания токоведущей части 2 электрического оборудования насосной установки нефтяной скважины. При этом токоведущая часть 2 используется в качестве первичной обмотки трансформатора тока, образованного также сердечником 1 и выходной (вторичной) обмоткой токоизмерительных клещей. Выходная обмотка 3 токоизмерительных клещей через согласующий блок, например резистивный шунт 4, соединена с аналоговым входом аналогово-цифрового преобразователя 5, выход данных (информационный выход) которого соединен с входом данных блока памяти 6. В качестве согласующего блока, при необходимости, может быть использован усилитель или аттенюатор. Выход данных аналогово-цифрового преобразователя 5 может быть соединен с входом данных блока 7 индикации текущего значения данных на выходе данных аналого-цифрового преобразователя. В качестве блока 7 может быть использован любой индикатор с преобразователем кода, преобразующим код на выходе преобразователя 5 (например, двоичный код) в код, соответствующий показаниям на выходе индикатора (например, одинарный код для линейки из светодиодов). Кроме того, устройство содержит блок управления 8, обеспечивающий возможность повторения заранее заданное первое число раз после формирования ключом запуска измерения сигнала запуска измерения, формирования сигнала записи данных с выхода данных аналого-цифрового преобразователя в отдельную ячейку памяти блока памяти заранее заданное второе число раз. При этом значение числа, соответствующего числу сигналов запуска измерения, сформированных ключом запуска измерения (фиг.2), формируется на отдельном выходе 10 блока управления 8, соединенном с информационным входом блока 11 отображения числа сигналов запуска измерения, сформированных ключом запуска измерения, и преобразуется указанным блоком в визуальную форму. Блок 11 может быть выполнен аналогично блоку 7. Также блок 8 обеспечивает формирование на своем выходе 12 цифровой информации, поступающей на адресный вход блока памяти 6. Причем в течение одного цикла работы устройства для каждого числа, формируемого на выходе данных преобразователя 5 и записываемого в блок памяти 6, на выходе 12 блока 8 формируется уникальный адрес. Кроме того, блок управления 8 обеспечивает формирование тактовых импульсов, поступающих на тактовые входы 15, 16, 17 и 18 блоков 5, 6, 7 и 19 соответственно. Указанные тактовые импульсы обеспечивают нормальную работу устройства. В частности, тактовый импульс на вход 16 записи блока памяти 6 поступает после поступления тактового импульса на вход 15 начала измерения преобразователя 5 с обеспечением начала записи данных в блок памяти 6 после формирования на выходе данных преобразователя 5 значения измеренного тока. Аналогично тактовые импульсы поступают на тактовый вход 17 блока 7 в моменты времени, исключающие индикацию неопределенных значений, формируемых на выходе преобразователя 5 в процессе работы (при изменении значений на выходе указанного блока). Устройство также содержит блок согласования 20, предназначенный для согласования интерфейса персонального компьютера с блоком памяти 6 и блоком управления 7 устройства. В частности, блок согласования обеспечивает возможность переноса в память персонального компьютера значений измеренных токов, записанных в блок памяти 6, числа произведенных измерений и формирование по команде, полученной с персонального компьютера, сигнала, обеспечивающего возврат устройства в первоначальное состояние, то есть установку в ноль счетчика числа произведенных изменений. Внешний вход/выход блока согласования 20 соединен с электрическим соединителем 21, взаимно соответствующим соединителю персонального компьютера (например, соединителю параллельного или последовательного порта или соединителю шины данных, адресов и управления системной платы персонального компьютера). Конструкция блока управления 8 определяется функциями, выполняемыми указанным блоком, и не имеет принципиального значения с точки зрения работоспособности устройства и достигаемого технического результата, так как указанная конструкция определяется доступной элементной базой и предпочтениями разработчиков. Один из возможных вариантов выполнения блока управления 8, элементы которого представлены на фиг.2, содержит счетчик 19 (например, двоичный счетчик), таймер 22, обеспечивающий поочередную подачу тактовых импульсов на тактовые входы преобразователя 5, блока памяти 6 и счетный вход 18 счетчика 19. Блок управления 8 также содержит элемент И 23, элемент ИЛИ-НЕ 24, элемент ИЛИ 25 и элемент ИЛИ 26. Один из входов элемента ИЛИ-НЕ 24 соединен с выходом формирователя 27 сигнала запуска измерений. Другие входы элемента ИЛИ-НЕ 24 соединены с младшими разрядами выхода счетчика 19, со старшими разрядами которого соединены входы элемента И 23. Выходы элементов 23 и 24 соединены с входами элемента ИЛИ 25, выход которого соединен с входом блокировки счета счетчика 19 и первым входом элемента ИЛИ 26. Формирователь 27 выполнен в виде резистора 28, один вывод которого соединен с источником сигнала логического нуля, а другой – с выходом формирователя 27 и последовательно соединенных ключа 9 и параллельной RC-цепи 29, включенных между источником сигнала логической единицы и выходом формирователя 27. Вход сброса счетчика 19 (на схеме не показан) соединен с соответствующим выходом блока согласования. Старшие разряды счетчика 19 указывают на число произведенных измерений и выходы старших разрядов счетчика 19 соединены с информационным входом блока 11. Блок памяти может быть выполнен на основе микросхем энергонезависимой памяти или блок памяти может быть постоянно подключен к отдельному источнику питания, что обеспечивает сохранение отснятых показаний при выключенном состоянии прибора. Также к автономному источнику питания должен быть подключен счетчик, который обеспечивает последовательность записи информации в блок памяти. Устройство работает следующим образом: Магнитопровод токоизмерительных клещей устанавливается в рабочее положение – края магнитопровода сведены и магнитопровод охватывает токопроводящую часть (один из фазных проводов) электропривода насоса. В режиме контроля кодовая последовательность в блок памяти 6 не записывается. На тактовый вход аналого-цифрового преобразователя от блока управления непрерывно поступают сигналы, а на индикаторе отражается текущее значение тока, проходящего через фазный провод. Указанный режим работы может быть использован для обнаружения критических режимов работы электрического оборудования, например короткого замыкания в обмотках электропривода или обрыва цепи питания электропривода. Указанный режим работы может обеспечиваться путем подачи напряжения питания на тактовый генератор, аналого-цифровой преобразователь и индикатор напряжения. При регистрации токов первоначально выход счетчика 19 обнулен, на выходе элемента И 23 установлен сигнал логического нуля, на выходе элемента ИЛИ-НЕ 24 сигнал логической единицы, на выходе элемента ИЛИ 25 установлен сигнал логической единицы, блокирующий работу счетчика 19 и поступление сигналов на вход записи блока памяти 6 через элемент ИЛИ 26. Для фиксации (записи) значений тока, протекающего через фазный провод электропривода при работе насосного оборудования, оператор, выполняющий измерения, обеспечивает кратковременное замыкание контактов ключа 9. Кратковременное замыкание контактов ключа 9 обеспечивает формирование на одном из входов элемента ИЛИ-НЕ 24 сигнала логической единицы, соответственно, на выходе младшего разряда счетчика 19 формируется логическая единица и обеспечивается нормальная работа счетчика 19 с обеспечением увеличения показаний счетчика на единицу по каждому тактовому сигналу. Данные на выходе счетчика 19 соответствуют адресу ячейки памяти, в которую записываются данные с выхода аналогово-цифрового преобразователя, причем указанный адрес является уникальным для каждого фиксируемого значения тока. После того как на вход счетчика поступают тактовые импульсы, число которых равно второму числу раз, на всех младших разрядах счетчика устанавливаются логические нули, а младший из старших разрядов счетчика увеличивает свои показания на 1. В связи с тем, что на младших разрядах счетчика устанавливаются логические нули, на выходе элемента ИЛИ-НЕ 24 формируется логическая единица и на вход блокировки счетчика 19 поступает сигнал логической единицы, который блокирует работу счетчика и поступление сигналов на вход записи блока памяти. Одновременно значение показаний индикатора числа произведенных измерений увеличивается на 1. Устройство готово к следующему циклу работы. Повторное измерение по описанной выше процедуре обеспечивает увеличение на единицу показаний индикатора, так как число, сформированное старшими разрядами, увеличивается на единицу. После того как сигналы на выходах всех старших разрядов счетчика становятся равными единице, на выходе элемента И 23, выходе элемента ИЛИ 25 устанавливается сигнал логической единицы, который не может быть изменен путем нажатия замыкания контактов ключа 9. Блок памяти полностью заполнен данными и дальнейшее снятие показаний не может быть осуществлено, так как происходит полная блокировка счетчика 19. Частота работы тактового генератора и количество младших разрядов счетчика выбирается таким, что снятие показаний измерений осуществляется за время, не меньшее одного периода работы насосной установки ШГН или электрического центробежного насоса. Количество старших разрядов счетчика определяет число циклов работы устройства при проведении измерений. После снятия показаний прибор с идентификационными данными, включающими для каждого из снятых показаний указание скважины, дату и время снятия показаний, а также при необходимости фазу, с которой были сняты показания, передается для обработки снятых показаний. Для обработки показаний разъемный соединитель подключается к разъемному соединителю интерфейса персонального компьютера. Под управлением блока согласования данные из блока памяти, содержащие адреса ячеек блока памяти, и данные, записанные в данные ячейки, переносятся в память персонального компьютера. После этого, при необходимости, на вход сброса счетчика подается импульс сброса, переводящий все разряды счетчика в нулевое состояние, что обеспечивает возможность продолжения измерений с помощью блока измерений. Данные, перенесенные в память персонального компьютера, под управлением соответствующего программного обеспечения обрабатываются и визуализируются. Полученные результаты могут иметь высокочастотные флуктуации, вызванные различного рода наводками в электрических цепях, вибрациями оборудования и тем, что измерение синусоидального тока может проводиться два и менее раз в течение одного периода напряжения питающей сети. В связи с этим предпочтительной формой визуализации и обработки данных для ГШН является фильтрация высокочастотной составляющей в полученных данных и представление полученных данных в виде графиков на экране монитора персонального компьютера. Фильтрация сигнала по верхним или нижним частотам позволяет обеспечить локализацию контролируемых параметров ШГН или электрических центробежных насосов (ЭЦН) за счет существенного снижения взаимного влияния сигналов, создаваемых работой различных узлов и механизмов насосных установок, что особенно актуально для ШГН. С помощью соответствующего программного обеспечения снятые данные сопоставляются с типовыми (эталонными) данными, соответствующими различного рода неисправностям насосного оборудования, и кривая, соответствующая снятым показаниям, отображается на экране компьютера. При этом эталонные данные могут быть представлены как в виде совокупности численных значений, так и в виде математических выражений, описывающих эталонные кривые. Анализ соответствия эталонных кривых и снятых показаний может происходить как путем визуального сопоставления кривых, так и путем компьютерной обработки сопоставляемых кривых. При необходимости показания, снятые для нескольких циклов, усредняются и производится сравнение полученных кривых с эталонными. При обработке результатов измерений, например, учитывается, что нормальная работа приемного и нагнетательного клапана ШГН сопровождается колебаниями в низкочастотном диапазоне, период которых зависит от частоты качаний подвижной части ШГН, а форма колебаний близка к синусоидальной. Обрыв штанги ШГН или уменьшение производительности насоса, связанное с появлением негерметичности приемного и нагнетательного клапана, приводит к заметному искажению формы колебаний и уменьшению амплитуды переменной составляющей на диаграмме токов вплоть до появления практически прямой линии с незначительными пульсациями. При износе деталей подвижной части УСШГН или при низком качестве монтажа ШГН снижение производительности, связанное с появлением вибраций в подвижной части установки, сопровождается характерными колебаниями с частотой, большей частоты качаний ШГН. При нормальной работе УСШГН эти колебания не наблюдаются. Устройство может быть также использовано для контроля монтажа и установки электрических центробежных насосов (ЭЦН). При некачественном монтаже или при неправильной установке ЭЦН возникают вибрации в процессе его работы, приводящие к быстрому износу оборудования и последующему обрыву насоса, которые регистрируются устройством в виде колебаний, частота которых отлична от частоты сетевого питающего напряжения. По результатам анализа полученных диаграмм токов делается вывод о производительности скважины, ее состоянии или состоянии насосного оборудования, например, для центробежного насоса определяется потребляемая мощность и, соответственно, производительность насоса, наличие субгармонических колебаний, которое может свидетельствовать о повреждении лопаток, засорении насоса или дефекте в подшипниках. На основании сделанных выводов даются рекомендации по проведению профилактических работ на скважине, например по очистке парафиновых пробок в скважине, замене оборванной штанги, замене клапанов лифта и др. Кроме того, по результатам замеров даются рекомендации по эксплуатации скважины, например о необходимости снижения производительности насоса или вывода скважины из эксплуатации при уменьшении дебета скважины. Также на основании полученных результатов делается вывод о качестве произведенных работ или устанавливается факт их проведения. Например, сохранение неизменным производительности и потребляемой насосом мощности свидетельствует о некачественном проведении работ по удалению парафиновых отложений из скважины или замене клапанов лифта. Также по результатам анализа кривых делается вывод о целесообразности проведения профилактических работ, что предотвращает проведение профилактических или ремонтных работ при отсутствии необходимости их проведения и, соответственно, сокращает затраты на эксплуатацию скважины. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 14.10.2003
Извещение опубликовано: 7.04.2005 БИ: 12/2005
|
||||||||||||||||||||||||||
