УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМОМЕТРИРОВАНИЯ ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННЫХ НАСОСОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК F04B51/00 F04B47/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для диагностики состояния и контроля за работой подземной части глубиннонасосного оборудования станка-качалки.

Известен гидравлический динамограф ГДМ-3 (Тахаутдинов Ш.Ф., Фархуллин Р. Г., Муслимов Р.Х., Сулейманов Э.И., Никашев О.А., Губайдуллин А.А. Обработка практических динамограмм на ПЭВМ. - Казань: Новое знание, 1997. - с. 4-9). Он содержит рычажную систему, передающую нагрузку полированного штока на упругую диафрагму камеры, заполненную жидкостью и соединенную капилляром с геликсной пружиной, на конце которой установлено перо, которое помещено на бумажный диаграмный бланк, закрепленный на подвижном столике или барабане, соединенном посредством механической передачи с тросиком, который в свою очередь соединен с неподвижной точкой - сальником устьевого оборудования.

Перемещение столика пропорционально ходу полированного штока и отображено по оси абсцисс, а смещение пера пропорционально усилию на полированном штоке - по оси ординат. При этом за один цикл работы станка-качалки на бланке изображена динамограмма в системе координат "ход-усилие".

Стандартное оборудование штанговых глубинных насосов (ШГН) предусматривает возможность установки динамографа в разъеме между траверсами канатной подвески.

Несмотря на простоту устройства гидравлический динамограф обладает рядом недостатков:
- невозможность стыкования с микропроцессорной техникой автоматических систем управления и дистанционного динамометрирования ШГН;
- для установки прибора необходимо останавливать скважину;
- большая масса (≈8,0 кг);
- для работы с прибором нужно два человека.

Известен тензометрический динамограф для диагностики ШГН ("Нефтяное хозяйство", 1988, N 3, с. 44-46, рис. 1). Он содержит датчик усилий на полированном штоке, имеющий тензорезисторы, наклеенные на специальный элемент - мессдозу, которая устанавливается в узле канатной подвески полированного штока ШГН, и датчик перемещения полированного штока, выходы датчиков усилий и перемещений соединены со входом вертикальной и горизонтальной развертки блока отображения динамограммы и/или регистрации.

К недостаткам тензорезисторных динамографов относятся:
- для установки прибора необходимо останавливать скважину;
- большая масса;
- для работы с прибором нужно два человека.

Известно устройство для диагностики ШГН, содержащее датчики частотные угловых перемещений балансира (ДЧУП), малых линейных перемещений (деформация балансира) (ДЧЛП) которые устанавливаются соответственно на оси балансира и на верхней полке в распорке между струбцинами, при этом выходы датчиков соединены со входами горизонтальной и вертикальной развертки устройства отображения и/или регистрации динамограммы (Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Автоматический контроль и диагностика скважинных штанговых насосных установок. - М.: Недра, 1988. с. 18-36).

Недостатками динамографа с частотными датчиками являются:
- сложность конструкции динамографа;
- большая температурная погрешность;
- низкая надежность устройства.

Наиболее близок к предлагаемому из известных устройств для динамометрирования ШГН - динамограф преимущественно для скважинных штанговых насосов (а. с. СССР 1772421, кл. F 04 B 51/00, БИ N 40-1992), содержащий датчик усилия, размещенный в корпусе на канатной подвеске между планшайбой скважины и балансиром, шарнирно соединенным со стойкой, датчик перемещения штока и блок электропитания датчиков, подключенных линией передачи к разъему регистрирующего устройства, датчик перемещения выполнен в виде излучателя и приемника звуковой волны с репером, установленных на планшайбе, а линия передачи к регистрирующему устройству размещена вдоль балансира от канатной подвески до шарнирного соединения со стойкой, на которой закреплен разъем регистрирующего устройства (структурная схема приведена на фиг. 1).

На схеме обозначено цифрами: 1 - полированный шток; 2 - датчик усилий; 3 - датчик перемещений; 4 - устройство регистрации и отображения.

Датчиком перемещений 3, определяется положение полированного штока 1, датчиком усилий, 2 определяются усилия на полированном штоке 1, выходы датчиков перемещения и усилия подключаются к входу устройства регистрации и отображения 4.

Общими недостатками известного динамографа являются:
- сложность монтажа устройств на станок-качалку;
- необходимость остановки станка-качалки при монтаже устройств;
- наличие подвижной кабельной линии связи, соединяющей движущиеся датчики.

Предлагаемое изобретение решает технические задачи упрощения процесса динамометрирования, сокращения трудоемкости монтажа, а также увеличения срока службы и повышения надежности устройства за счет отсутствия подвижных частей, контактирующих с исследуемым объектом.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов, содержащее репер и датчик перемещения полированного штока в виде излучателя и приемника, подключенный к регистрирующему устройству, согласно изобретению снабжено фильтром верхних частот, вход которого подключен к выходу датчика перемещения полированного штока и одному из входов регистрирующего устройства, а выход - ко второму входу регистрирующего устройства, при этом репер закреплен на деталях подвески полированного штока, а датчик перемещения полированного штока установлен неподвижно относительно планшайбы, при этом репером являются элементы канатной подвески, для динамометрирования используется датчик перемещения в виде излучателя и приемника либо ультразвуковых волн, либо сверхвысокочастотного излучения, либо лазерного излучения.

По второму варианту, устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов, содержащее датчик перемещения полированного штока в виде излучателя и приемника, подключенный к регистрирующему устройству, согласно изобретению снабженно фильтром верхних частот, вход которого подключен к выходу датчика перемещения полированного штока и одному из входов регистрирующего устройства, а выход - ко второму входу регистрирующего устройства, при этом излучатель закреплен на деталях подвески полированного штока, а приемник установлен неподвижно относительно планшайбы, при этом приемник и излучатель выполняются в виде отдельных блоков, снабженных устройством синхронизации, передатчик устанавливается на элементах канатной подвески или балансире, а приемник устанавливается неподвижно относительно планшайбы, для динамометрирования используется датчик перемещения в виде излучателя и приемника либо ультразвуковых волн, либо сверхвысокочастотного излучения, либо лазерного излучения.

Структурная схема предлагаемого устройства для контроля и диагностики штанговых глубинных насосов представлена на фиг. 2.

На схеме обозначено цифрами: 1 - полированный шток; 3 - датчик перемещений, в виде излучателя и приемника; 4 - устройство регистрации и отображения, 5 - фильтр верхних частот (ФВЧ).

ФВЧ 5 может быть реализован в аналоговом (преобразование осуществляется с помощью операционных усилителей) или цифровом (преобразование осуществляется с помощью микропроцессорной техники) исполнении.

Вывод информации осуществляется на экран осциллографа или монитор компьютера, представляющий собой устройство отображения и регистрации 4.

На фиг. 3 показана схема монтажа предлагаемого устройства. На схеме обозначено: 1 - полированный шток; 3 - датчик перемещений в виде излучателя и приемника; 6 - головка балансир станка-качалки; 7 - репер; 8 - планшайба; 9 - балка балансира; 10 - ось балансира; 11 - траверса подвески полированного штока.

Устройство работает следующим образом.

В процессе работы станка-качалки балка балансира поворачивается вокруг своей оси и одновременно под действием нагрузки, передаваемой через подвеску полированного штока, происходит деформация изгиба балки балансира (≈12 мм), перемещение точки крепления троса канатной подвески совпадает с перемещением точки подвеса колонны штанг и репера, таким образом движение репера будет складываться из возвратно-поступательных движений точки крепления троса подвески колонны штанг, возникающих в результате поворота балки балансира, представляющих собой большие перемещения, и деформаций изгиба балки балансира, представляющих собой малые перемещения.

Датчик перемещения в виде излучателя - приемника 3 устанавливается неподвижно относительно планшайбы 8 (см. фиг. 3) (один из вариантов установки) и направляется на репер 7, устанавливаемый на элементы подвески полированного штока. Возможен вариант, когда элементы подвески будут играть роль репера. Волны излучаются, отражаются от репера и принимаются датчиком 3.

Возможны варианты работы приемника-передатчика: 1) излучение в ультразвуковом диапазоне частот, 2) сверхвысокочастотное излучение; 3) лазерное излучение.

В процессе работы станка-качалки балка балансира 9 поворачивается вокруг своей оси 10 и одновременно под действием нагрузки, передаваемой через траверсу подвески 11 полированного штока 1, происходит деформация изгиба балки балансира 9 (≈12 мм), перемещение точки крепления троса канатной подвески совпадает с перемещением точки подвеса колонны штанг и репера 1, таким образом движение репера 1 будет складываться из возвратно-поступательных движений точки крепления троса подвески колонны штанг, возникающих в результате поворота балки балансира 9, представляющих собой большие перемещения, и деформаций изгиба балки балансира 9, представляющих собой малые перемещения.

При облучении репера 7 получается сигнал, модулированный низкочастотными колебаниями репера 7, совпадающими по частоте и амплитуде с перемещениями полированного штока 1, и деформацией балки балансира:
- колебания при деформации (Y);
- колебания при движении (X).

Сигнал с приемника поступает на ФВЧ 5, где осуществляется выделение высокочастотной составляющей Y, несущей информацию о малых перемещениях репера станка-качалки 7 (равных перемещениям крайних точек головки балансира 6, соответствующих деформации балки балансира), и, следовательно, об усилии на полированном штоке. Сигнал (X+Y) и выделенная высокочастотная составляющая Y с выходов ФВЧ и приемника поступают на входы регистрирующего устройства.

При втором варианте приемник и передатчик выполняются в виде отдельных блоков и синхронизируются устройством синхронизации. Передатчик устанавливается на элементах канатной подвески или балансире, а приемник устанавливается неподвижно относительно планшайбы 8, что позволяет повысить чувствительность устройства.

Устройство отображения и регистрации может быть реализовано в портативном исполнении, с применением компьютера типа Notebook, при этом информация к нему поступает через аналого-цифровой преобразователь. Питание блоков устройства может осуществляться от встроенных аккумуляторных батарей, либо от бортовой сети автомобиля.

Таким образом, устройство для динамометрирования скважинных насосов позволяет получать относительную динамограмму работы установки без непосредственного механического контакта частей контрольно-измерительного устройства и исследуемого объекта. При этом одновременно от одного источника поступает информация, позволяющая построить относительную динамограмму. Благодаря реализации данного способа и устройства на базе персонального компьютера упрощается интеграция в системы автоматического управления контроля и телеметрирования.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для диагностики штанговых глубинных насосов при эксплуатации нефтяных месторождений.

По сравнению с прототипом заявляемое устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов имеет следующие преимущества:
1) удобство работы и более высокая надежность, поскольку отсутствие в одном из вариантов реализации необходимости соединения элементов устройства с подвижными частями ШГН;
2) отсутствие необходимости остановки работы ШГН для установки устройства за счет отсутствия в одном из вариантов реализации необходимости соединения элементов устройства с подвижными частями ШГН;
3) более высокая точность благодаря цифровому отсчету;
4) возможность использования устройства в цифровых устройствах обработки информации на базе микропроцессоров и миниЭВМ, обусловленные наличием цифрового и аналогового выходов.

Изобретение предназначено для использования в контрольно-измерительной технике для диагностики состояния и контроля за работой подземной части глубинно-насосного оборудования станка-качалки. Устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов содержит репер и датчик перемещения полированного штока в виде излучателя и приемника, подключенный к регистрирующему устройству. У фильтра верхних частот вход подключен к выходу датчика перемещения полированного штока и одному из входов регистрирующего устройства, а выход - ко второму входу регистрирующего устройства. Репер закреплен на деталях подвески полированного штока. Датчик перемещения полированного штока установлен неподвижно относительно планшайбы. Репером являются элементы канатной подвески. Для динамометрирования используется датчик перемещения в виде излучателя и приемника либо ультразвуковых волн, либо сверхвысокочастотного излучения, либо лазерного излучения. По второму варианту устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов содержит датчик перемещения полированного штока в виде излучателя и приемника, подключенный к регистрирующему устройству. У фильтра верхних частот вход подключен к выходу датчика перемещения полированного штока и одному из входов регистрирующего устройства, а выход - ко второму входу регистрирующего устройства. Излучатель закреплен на деталях подвески полированного штока. Приемник установлен неподвижно относительно планшайбы. Приемник и излучатель выполняются в виде отдельных блоков, снабженных устройством синхронизации. Передатчик устанавливается на элементах канатной подвески или балансире, а приемник устанавливается неподвижно относительно планшайбы. Для динамометрирования используется датчик перемещения в виде излучателя и приемника либо ультразвуковых волн, либо сверхвысокочастотного излучения, либо лазерного излучения. Упрощается процесс динамометрирования, сокращается трудоемкость монтажа, увеличивается срок службы, повышается надежность. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов, содержащее репер и датчик перемещения полированного штока в виде излучателя и приемника, подключенный к регистрирующему устройству, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром верхних частот, вход которого подключен к выходу датчика перемещения полированного штока и одному из входов регистрирующего устройства, а выход - ко второму входу регистрирующего устройства, при этом репер закреплен на деталях подвески полированного штока, а датчик перемещения полированного штока установлен неподвижно относительно планшайбы. 2. Устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов по п.1, отличающееся тем, что репером являются элементы канатной подвески, а для динамометрирования использован датчик перемещения в виде излучателя и приемника либо ультразвуковых волн, либо сверхвысокочастотного излучения, либо лазерного излучения. 3. Устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов, содержащее датчик перемещения полированного штока в виде излучателя и приемника, подключенный к регистрирующему устройству, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром верхних частот, вход которого подключен к выходу датчика перемещения полированного штока и одному из входов регистрирующего устройства, а выход - ко второму входу регистрирующего устройства, при этом излучатель закреплен на деталях подвески полированного штока, а приемник установлен неподвижно относительно планшайбы. 4. Устройство для динамометрирования штанговых глубинных насосов по п.3, отличающееся тем, что приемник и излучатель выполняются в виде отдельных блоков, снабженных устройством синхронизации, передатчик устанавливается на элементах канатной подвески или балансире, а приемник устанавливается неподвижно относительно планшайбы. 5. Устройство для динамометрирования скважинных насосов по п.3, отличающееся тем, что для динамометрирования использован датчик перемещения в виде излучателя и приемника либо ультразвуковых волн, либо сверхвысокочастотного излучения, либо лазерного излучения.