СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ НА ПРИЕМЕ ПОГРУЖНОГО НАСОСА Российский патент 2007 года по МПК E21B47/06 E21B47/12 

Изобретение относится к области исследования скважин с погружными электродвигателями, работающими в приводе насосов погружных электроустановок для добычи нефти, может быть использовано в составе оборудования для измерения и контроля технологических параметров в скважине и защиты погружных электродвигателей от аномальных режимов, у которых связь между скважинной и наземной частями осуществляется по кабелю-токопроводу погружного электродвигателя, и касается усовершенствования погружного и наземного блоков оборудования.

Известно стационарное скважинное устройство для контроля давления в скважине, эксплуатируемое погружным электронасосом, содержащее датчик давления, преобразователь напряжение-частота, вход которого соединен с выходом датчика давления, блок частотной модуляции, выход которого последовательно соединен через разделительный трансформатор с входным разделительным конденсатором [1].

Известное устройство вырабатывает частотно-модулированный сигнал, несущий информацию о давлении в скважине и передает ее по кабелю токоподводу в наземную станцию управления, обеспечивая при этом высокую помехозащищенность в виду полной гальванической развязки от цепей питания и канала связи. Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает получение информации о температуре обмоток погружного электродвигателя.

Известно скважинное устройство для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса названное преобразователем давления и температуры, преобразователь напряжение-частота, блок высокочастотной модуляции, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, а выход соединен со входом усилителя мощности. [2]

Известное устройство обеспечивает преобразование аналоговых сигналов о давлении на приеме насоса и температуре обмоток электродвигателя в последовательность частотно-модулированных сигналов и последовательную передачу последних в линию связи. Однако последовательная выработка сигналов ограничивает быстродействие скважинного устройства, а также существенно снижает его точность ввиду сокращения интервала передачи информационной посылки до полупериода питающего напряжения. Отсутствие развязывающих элементов на выходе скважинного устройства снижает его помехоустойчивость и надежность работы. Что в силу наличия нуль-органа, управляемого из наземного блока (станции), приводит к сбоям в последовательности передачи сигналов и рассогласованию сигналов о давлении и температуре при их приеме, демодуляции и оценке в наземном блоке.

Это приводит к недостоверности оценки информации о давлении и температуре, к снижению надежности контроля указанных технологических параметров.

Известна скважинная часть устройства для контроля технологических параметров в скважине и защиты погружного электродвигателя от аномальных режимов, содержащая измерительный преобразователь давления, преобразователь напряжение-частота, вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя давления, блок формирования частотно-модулированного сигнала, элемент контроля температуры, усилитель мощности, выход которого подключен к разделительному конденсатору, установленному на выходе устройства [3].

В качестве элемента для контроля температуры в известном устройстве используется термореле, срабатывающее при достижении предельно допустимого значения температуры и обеспечивающее переключение диапазона несущей частоты блока модуляции, а это не позволяет контролировать текущее значение температуры, а также изменять предельно допустимые значения температуры контроля без извлечения скважинного устройства из скважины, т.е. без извлечения погружного электронасоса. Необходимость изменения предельно допустимых значений температуры часто возникает в условиях высоких температур пластовых жидкостей. Недостаточная развязка выхода скважинного устройства от цепей питания погружного электродвигателя, особенно в условиях частого срабатывания тиристорных переключателей в связи с высокой температурой эксплуатации, обусловленной пластовыми жидкостями, приводит к снижению достоверности оценки технологических параметров и надежности контроля в указанных условиях. Низкая информативность устройства по параметру давления затрудняет его применение в системах обработки информации и управления нефтепромысловым оборудованием с использованием ЭВМ.

Известно также скважинное устройство для измерения и контроля давления на приеме погружного насоса, содержащее наземный блок, источник питания и погружной блок, скважинная часть которого содержит измерительный преобразователь давления, преобразователь напряжение-частота, вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя давления, усилитель мощности, выход которого через разделительный трансформатор подключен к разделительному конденсатору, расположенному на выходе скважинного устройства [4].

Известное скважинное устройство (узел, модуль преобразует измерительную информацию о текущих значениях давления в последовательные сигналы в виде последовательных пачек импульсов, включая импульсы синхронизации и передает их через кабель-токоподвод погружного электродвигателя в наземную часть.). При этом скважинное устройство защищено от помех цепей питания благодаря полной гальванической развязке с последним. Однако последовательная выработка сигналов о давлении в виде пачек импульсов синхронизации, во-первых, ограничивает быстродействие как скважинного устройства (модуля), так и всего устройства для контроля в целом, во-вторых, снижает достоверность оценки параметров и надежность контроля при изменении температурных условий эксплуатации и наличии импульсов помех в целях питания (в линии связи). Помехи, которые могут возникнуть от частоты срабатывания тиристорных переключателей и по другим причинам, способны запускать преобразователь пачек импульсов в прямоугольные импульсы, нарушая синхронизацию приема сигналов, что снижает достоверность оценки параметров. Недостаточная помехоустойчивость в осложненных условиях эксплуатации способна привести к возникновению несоответствия уставок давления условиям работы, чреватого снижением надежности контроля. Измерение уставок требует длительных наблюдений при частом отключении электронасосов, что, в свою очередь, снижает достоверность оценки.

Описанные недостатки препятствуют использованию известного устройства для совместной работы с ЭВМ в реальном режиме времени, а также препятствуют его использованию в составе других станций контроля.

Наиболее близким к заявляемому к устройству, выбранному в качестве прототипа, является скважинное устройство для измерения и контроля давления на приеме насоса, содержащее наземный блок, погружной блок, измерительный преобразователь температуры, измерительный преобразователь давления, преобразователь напряжение - частота, вход которого соединен с выходом измерительного давления, последовательно соединенный усилитель мощности, разделительный трансформатор и разделительный конденсатор, вычислительный блок и блок питания, цифровой индикатор. Скважинное устройство дополнительно содержит генератор, управляемый напряжением, первый вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя температуры, второй вход генератора соединен с выходом измерительного преобразователя напряжение-частота, а выход генератора управляемого напряжением соединен с входом усилителя мощности. При этом генератор, управляемый напряжением, выполнен в виде ограничителя напряжения, масштабирующего усилителя-сумматора, дополнительного преобразователя напряжение-частота, причем выход ограничителя напряжения соединен с первым входом масштабирующего усилителя сумматора, выход которого соединен с входом дополнительного преобразователя напряжение-частота, а выход последнего соединен с входом усилителя мощности, выход измерительного преобразователя температуры соединен с входом ограничителя напряжения, а выход преобразователя напряжение-частота соединен с вторым входом масштабирующего усилителя сумматора [5].

Известное скважинное устройство, взятое в качестве прототипа, имеет следующие недостатки.

Для выработки несущей частоты и частоты девиации и модулирования частоты девиации модулирующей частотой, несущей информацию об измеренном давлении и формировании сложного результирующего частотно-модулированного сигнала на основе модулирующего и аналогового сигналов, известное скважинное устройство дополнительно содержит генератор, управляемый напряжением, выполненный в виде ограничителя напряжения, масштабирующего усилителя сумматора и дополнительного преобразователя напряжение-частота.

Наличие дополнительного генератора для выработки несущей частоты и частоты девиации и модулирования частоты девиации модулирующей частотой, несущей информацию об измеренном давлении и формировании сложного результирующего частотно-модулированного сигнала на основе модулирующего и аналогового сигналов, во-первых, усложняет конструкцию как скважинного устройства, так и всего устройства в целом, во-вторых, сложность скважинного устройства приводит к снижению надежности его работы.

Предлагаемое скважинное устройство для измерения и контроля давления на приеме насоса устраняет указанные недостатки и решает задачу упрощения конструкции и повышения надежности его работы, что обеспечивает повышение производительности скважины за счет повышения длительности работы скважинного устройства, при этом обеспечивается точность и достоверность измерения и контроля давления на приеме насоса.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в упрощении конструкции скважинного устройства для измерения и контроля давления на приеме насоса без снижения достоверности измерения и контроля давления на приеме насоса.

Дополнительный технический результат - повышение надежности работы вследствие упрощения конструкции устройства.

Достижение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что в скважинном устройстве для измерения и контроля давления на приеме насоса, содержащим наземный блок, который выполнен в виде источника питания, вычислительного блока, цифрового индикатора, и погружной блок, содержащий измерительный преобразователь давления, который через линию связи соединен с наземным блоком.

Согласно изобретению наземный блок дополнительно содержит первый аналого-цифровой преобразователь напряжения источника питания и второй аналого-цифровой преобразователь тока источника питания, при этом вход наземного блока связан с входом первого аналого-цифрового преобразователя напряжения источника питания, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, вход наземного блока соединен с первым выходом источника питания, а второй выход источника питания соединен через резистор на «землю» и с входом второго аналого-цифрового преобразователя тока источника питания, выход которого соединен с вторым входом вычислительного устройства, первый выход вычислительного устройства соединен с цифровым индикатором, а второй его выход соединен с входом источника питания, при этом измерительный преобразователь давления выполнен в виде приемника давления, который жестко связан с измерительным резистором, выход последнего через диод и линию связи соединен с входом наземного блока.

Сущность заявляемого скважинного устройства для измерения и контроля давления характеризуется тем, что в нем впервые наземный блок дополнительно содержит первый аналого-цифровой преобразователь напряжения источника питания, который выполняет следующие функции - измеренное напряжение источника питания преобразует в цифровой вид, которое затем поступает на первый вход вычислительного устройства и второй аналого-цифровой преобразователь тока источника питания, преобразует ток источника питания в цифровой сигнал, который поступает на второй вход вычислительного устройства. По измеренным значениям напряжения и тока источника питания вычислитель вычисляет значение сопротивления измерительного резистора погружного блока, по которому вычисляется значение давления.

На точность вычисления сопротивления измерительного резистора влияет сопротивление изоляции линии связи (суммарное сопротивление изоляции трансформатора питания двигателя погружного насоса, силового кабеля и двигателя). Поэтому соединение входа наземного блока с входом первого аналого-цифрового преобразователя напряжения источника питания, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, входа наземного блока с первым выходом источника питания, а второго выхода источника питания - через резистор на «землю» с входом второго аналого-цифрового преобразователя тока источника питания, выход которого соединен с вторым входом вычислительного устройства, первого выхода вычислительного устройства с цифровым индикатором, второго его выхода - с входом источника питания, наземный блок циклически измеряет отдельно сопротивление изоляции линии связи и суммарное сопротивление изоляции связи и сопротивления измерительного резистора, в результате чего исключается влияние сопротивления изоляции линии связи.

Одновременно жесткая связь измерительного преобразователя давления с измерительным резистором, выход которого соединен с входом наземного блока, обеспечивает преобразование давления в перемещение токосъемника измерительного резистора, что приводит к изменению значения сопротивления измерительного резистора.

Такое выполнение скважинного устройства упрощает его конструкцию и повышает его надежность. При этом обеспечивается повышение производительности скважины за счет повышения длительности работы скважинного устройства, при обеспечении необходимой точности и достоверности измерения и контроля давления на приеме насоса.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена структурная электрическая схема скважинного устройства для измерения и контроля давления на приеме погружного насоса.

Скважинное устройство для измерения и контроля давления на приеме погружного насоса содержит наземный блок 1, который выполнен в виде источника питания 2, вычислительного блока 3, цифрового индикатора 4.

Наземный блок 1 дополнительно содержит первый аналого-цифровой преобразователь напряжения 5 источника питания 2 и второй аналого-цифровой преобразователь тока 6 источника питания 2, при этом вход 7 наземного блока 1 связан с входом 8 первого аналого-цифрового преобразователя напряжения 5 источника питания 2, выход 9 которого соединен с первым входом 10 вычислительного блока 3. Кроме того, вход 7 наземного блока 1 соединен с первым выходом 11 источника питания 2, а второй выход 12 источника питания 2 соединен через резистор 13 на «землю» 14. Одновременно второй выход 12 источника питания 2 соединен с входом 15 второго аналого-цифрового преобразователя тока 6 источника питания 2, выход 16 которого соединен со вторым входом 17 вычислительного устройства 3. При этом первый выход 18 вычислительного устройства 3 соединен с цифровым индикатором 4, а второй выход 19 вычислительного устройства 3 соединен с входом 20 источника питания 2.

Погружной блок 21 содержит измерительный преобразователь давления, выполненный в виде приемника давления 22, жестко связанного через токосъемник 23 с измерительным резистором 24, выход которого через диод 25 и линию связи (линией связи между скважинным устройством и наземным оборудованием является электродвигатель погружного насоса 26, вторичная обмотка силового трансформатора 27 питания электродвигателя погружного насоса 26 и силового кабеля питания 28 электродвигателя погружного насоса 26) соединен с входом 7 наземного блока 1. Приемник давления 22 преобразует давление окружающей среды в перемещение токосъемника 23 измерительного резистора 24.

Погружной блок 21 стационарно устанавливают таким образом, чтобы он подвергался воздействию давления масла электродвигателя погружного насоса 26, равного давлению окружающей среды.

Скважинное устройство для измерения и контроля давления на приеме погружного насоса работает следующим образом.

Напряжение и ток источника питания 2 зависят от сопротивления измерительного резистора 24 погружного блока 21. Измеренное напряжение источника питания 2 через первый аналого-цифровой преобразователь напряжения 5 поступает на первый вход 10 вычислительного блока 3 в цифровом виде. Измеренный ток источника питания 2 через второй аналого-цифровой преобразователь тока 6 на второй вход 17 вычислительного блока 3 в цифровом виде. По измеренным значениям напряжения и тока источника питания 2 вычислительный блок 3 вычисляет значение сопротивления измерительного резистора 24 погружного блока 21. На точность вычисления сопротивления измерительного резистора 24 оказывает значительное влияние сопротивление изоляции линии связи (т.е. суммарное сопротивление изоляции силового кабеля питания 28 электродвигателя погружного насоса 26 и вторичной обмотки силового трансформатора 27). Для исключения этого влияния наземный блок 1 циклически изменяет полярность напряжения источника питания 2 и измеряет его напряжение и ток. По измеренным значениям вычисляет отдельно сопротивление изоляции линии связи (электродвигатель погружного насоса 26, вторичная обмотка силового трансформатора 27 питания электродвигателя погружного насоса 26 и силового кабеля питания 28 электродвигателя погружного насоса 26) по формуле

и суммарное сопротивление изоляции линии связи (электродвигатель погружного насоса 26, вторичная обмотка силового трансформатора 27 питания электродвигателя погружного насоса 26 и силового кабеля питания 28 электродвигателя погружного насоса 26) по формуле

и вычисляет сопротивление измерительного резистора 24 по формуле

где: (-)U - напряжение источника питания 2 при «минусе» на выходе 11 источника питания 2;

(-)I - ток источника питания 2 при «минусе» на выходе 11 источника питания 2;

(+)U - напряжение источника питания 2 при «плюсе» на выходе 11 источника питания 2;

(+)I - ток источника питания 2 при «плюсе» на выходе 11 источника питания 2;

Rир - сопротивление измерительного резистора 24;

Rиз - сопротивление изоляции линии связи;

Rсум - суммарное сопротивление изоляции линии связи и измерительного резистора 24.

При наличии «плюса» на выходе 11 источника питания 2 и «минуса» на выходе 12 источника питания 2 производится измерение и вычисление сопротивления изоляции линии связи - Rиз. А при наличии «минуса» на выходе 11 источника питания 2 и «плюса» на выходе 12 источника питания 2 производится измерение и вычисление суммарного сопротивления изоляции линии связи и измерительного резистора 24 - Rсум. Смена полярности источника питания 2 происходит по команде с выхода 19 вычислительного блока 3 на вход 20 источника питания 2.

Значение давления на приеме погружного насоса 26 вычисляется по формуле

где: Р - значение давления на приеме погружного насоса 26;

Кпр - коэффициент пропорциональности значения давления в зависимости от сопротивления Rир (атм/Ом) определяется по формуле

где: ΔР - диапазон изменения давления на приеме погружного насоса 26, определяемый по формуле

где: Рмах - максимальное измеряемое давление на приеме погружного насоса 26;

Рмин - минимальное измеряемое давление на приеме погружного насоса 26;

ΔRир - диапазон изменения сопротивления измерительного резистора 24 при изменении значения давления от Рмин до Рмах;

Rир.мах - сопротивление измерительного резистора 24, соответствующее давлению Рмах;

Rир.мин - сопротивление измерительного резистора 24, соответствующее давлению Рмин;

Диапазон изменения сопротивления измерительного резистора 24 определяется по формуле

Со второго выхода 18 вычислительного блока 3 вычисленное значение давления поступает на цифровой индикатор 4.

Предлагаемое скважинное устройство для измерения и контроля давления на приеме погружного насоса имеет простую конструкцию, отсутствие активных электронных элементов в погружном блоке существенно повышает надежность его работы. При этом обеспечивается сохранение погрешности значений показаний давления неизменным при уменьшении сопротивления изоляции линии связи от 10 мОм вплоть до аварийного значения - 30 кОм.

Источники информации

1. Присяжнюк Н.И. и др. Стационарное глубинное устройство контроля давления в скважине, эксплуатируемой погружным электронасосом. Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности: Реферативный научно-технический сборник. - М.: ВНИИОЭНГ, 1975, №7, с.14-17.

2. Разуваевский В.В. и др. Некоторые аспекты модернизации термометрической системы ТМС-3. Нефтяная промышленность: Научно-технический информационный сборник, вып.1 - М., 1989, с.1-3.

3. SU, авторское свидетельство №1640389, МПК Е21В 47/00, 1991 г.

4. SU, авторское свидетельство №1652525, МПК Е21B 47/06, 1991 г.

5. RU, патент России №2099522, МПК Е21В 47/06, Е21В 47/00, 1997 г. (прототип).

Изобретение относится к области исследования действующих скважин и может быть использовано для контроля давления на приеме погружного насоса в процессе эксплуатации. Устройство содержит наземный блок и погружной блок, содержащий измерительный преобразователь давления, выполненный в виде приемника давления, который жестко связан с измерительным резистором, выход последнего через диод и линию связи соединен с входом наземного блока. Наземный блок содержит источник питания, вычислительный блок, цифровой индикатор, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) напряжения источника питания и второй АЦП тока источника питания. Вход наземного блока связан с входом первого АЦП, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока. Также вход наземного блока соединен с первым выходом источника питания, а второй выход источника питания соединен через резистор на "землю" и с входом второго АЦП, выход которого соединен с вторым входом вычислительного устройства, первый выход вычислительного устройства соединен с цифровым индикатором, а второй его выход соединен с входом источника питания. Изобретение направлено на повышение надежности работы устройства. 1 ил.

Скважинное устройство для измерения и контроля давления на приеме погружного насоса, содержащее наземный блок, который выполнен в виде источника питания, вычислительного блока, цифрового индикатора, и погружной блок, содержащий измерительный преобразователь давления, который через линию связи соединен с наземным блоком, отличающееся тем, что наземный блок дополнительно содержит первый аналого-цифровой преобразователь напряжения источника питания и второй аналого-цифровой преобразователь тока источника питания, при этом вход наземного блока связан с входом первого аналого-цифрового преобразователя напряжения источника питания, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, вход наземного блока соединен с первым выходом источника питания, а второй выход источника питания соединен через резистор на "землю" и с входом второго аналого-цифрового преобразователя тока источника питания, выход которого соединен с вторым входом вычислительного устройства, первый выход вычислительного устройства соединен с цифровым индикатором, а второй его выход соединен с входом источника питания, при этом измерительный преобразователь давления выполнен в виде приемника давления, который жестко связан с измерительным резистором, выход последнего через диод и линию связи соединен с входом наземного блока.