ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ДЛЯ НАСОСНОЙ ШТАНГИ Российский патент 2014 года по МПК E21B47/09 

НАЗНАЧЕНИЕ

Изобретение относится к нефтедобывающей технике, а более конкретно, к интеллектуальной системе мониторинга насосных штанг.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционные методы добычи нефти в основном сводятся к использованию механических движущихся средств. Важной частью механического оборудования для добычи нефти является штанга, которая проходит под землю и приводится в движение подземным насосом. Штанга может передавать как возвратно-поступательное, так и вращательное, движение и соответствующие нагрузки.

В системе добычи нефти с помощью насоса в нефтяной трубе, штанга работает в возвратно-поступательном режиме. Когда движение превышает определенную норму, стержень подвергается усталостному разрушению. Из-за этого падает уровень добычи нефти. В системе добычи нефти с помощью винтовых насосов, насосная штанга вращается, передает и испытывает нагрузку кручения. Когда движение превышает определенный предел, также имеет место усталостное разрушение. Таким образом, и в этом случае добыча нефти падает. Из-за отсутствия испытательного оборудования могут использоваться как старые, так и новые насосные штанги, в том числе и насосные штанги с усталостным разрушением из-за перегрузки. Добыча нефти может значительно снизиться, а расходы на техническое обслуживание системы будут высоки. По данным полевых исследований, для каждой аварии, связанной с разрывом штанги, потери могут достигать десятков тысяч долларов. Это определяет недостаток существующих технологий.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В связи с вышеописанными проблемами, технической задачей изобретения является создание интеллектуальной системы мониторинга насосной штанги. Система мониторинга может обнаружить и записать число возвратно-поступательных движений или оборотов штанги и производить мониторинг нагрузок при движении или вращении насосной штанги.

Данная задача решается за счет следующих технических средств. Интеллектуальная система мониторинга для насосной штанги включает в себя центр мониторинга и взаимодействующее с ним устройство дистанционного беспроводного доступа, при этом устройство дистанционного беспроводного доступа соединено с блоком обнаружения движения и хранения параметров насосной штанги, который связан с радиочастотным (РФ) чипом памяти, расположенным на насосной штанге, для хранения информации о параметрах насосной штанги.

Чип памяти (РФ) хранит информацию о сырье, производителе, дате изготовления, идентификационном номере и числе возвратно-поступательных движений или оборотов вращения насосной штанги. Чип памяти (РФ) располагается в пазу на поверхности одного из торцов штанги. Опционально в насосной штанге может быть бокс для расположения чипа памяти (РФ). Бокс для чипа памяти (РФ) крепится к телу насосной штанги с помощью винта. Чип памяти (РФ) также может быть размещен в обруче, соединяющем две насосные штанги. При использовании в скважине, в соответствии с потребностью, может быть задействовано множество насосных штанг со встроенными чипами памяти (РФ), представляя собой полюс насосных штанг.

Радиочастотный (РФ) блок 3 чтения /записи считывает параметры насосных штанг из чипа памяти (РФ); блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг обнаруживает и сохраняет параметры, характеризующие движение и состояние насосных штанг, число линейных перемещений или оборотов, нагрузки насосных штанг. Устройство дистанционного беспроводного доступа посылает информацию о сохраненных и обнаруженных параметрах движения насосных штанг в центр мониторинга, который получает информацию о рабочем состоянии нефтяных скважин и насосных штангах в них. Центр мониторинга по состоянию штанг может предупреждать о ненормальном состоянии нефтяных скважин.

Блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг включает в себя основной микропроцессор и элементы, связанные с ним, элементы, составляющие сторожевую цепь, цепь сигнала, флэш-память и схему USB интерфейс; цепь сигнала далее связана с трансформатором тока и главный микропроцессор связан с устройством дистанционного беспроводного доступа.

Радиочастотный (РФ) блок чтения / записи содержит второй микропроцессор и связанные с ним радиочастотный трансивер, клавиатуру, ЖК-дисплей, модуль голосового выхода и зуммер, причем модуль радиочастотного приемопередатчика (трансивера) подключен к антенне.

Радиочастотный (РФ) чип памяти содержит радиочастотный модуль с антенной, LC резонатор, связанный с радиочастотным модулем. LC резонатор связан с цифровым модулем памяти через модем. Цифровой модуль памяти дополнительно соединен с таймером.

Устройство дистанционного беспроводного доступа является модулем GSM связи, модулем GPRS связи или модулем 3G связи. Основной микропроцессор выполнен на чине PIC18F6620.

Второй микропроцессор выполнен на чипе LPC2138. Флэш-память выполнена на чипе AT45DB081B. Дисплеем является ЖК-дисплей. Модуль радиочастотного приемопередатчика (трансивера) выполнен на чипе CLRC632.

В чип памяти (РФ) записывается первичная информация о сырье (материале изготовления), производителе, дате изготовления, а также идентификационный номер штанги. Таким образом, каждой насосной штанге присвоен идентификационный номер. Когда штанга эксплуатируется под землей, в чип памяти (РФ) с использованием радиочастотного (РФ) блока чтения / записи заносится информация о местонахождении нефтяной скважины, порядковом номере скважины, времени и номере размещенной в скважине штанги. Блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг сохраняет данные о движении насосных штанг, например, число возвратно-поступательных движений или оборотов при вращательном движении. При подъеме из нефтяной скважины радиочастотный (РФ) блок чтения / записи заносит информацию в (РФ) чип памяти о количестве выполненных движений насосных штанг. Таким образом записывается количество выполненных каждой насосной штангой движений. При необходимости прогнозирования можно также записать в чип памяти (РФ) сведения об остаточном ресурсе насосной штанги в соответствии с условиями ее использования.

В то же время, идентификационный номер недавно замененных насосных штанг, которые будут использоваться в скважинах, должны храниться в блоке обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг, чтобы следить за состоянием недавно замененных насосных штанг.

Блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг и устройство дистанционного беспроводного доступа связаны через последовательный порт.

Информация, хранящаяся в блоке обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг отсылается в центр монитора с помощью устройства дистанционного беспроводного доступа. При возникновении внештатной ситуации информация об этом передается в центр монитора.

Система питания насосной установки на поверхности (вне скважины) обеспечивает питанием блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг и устройство дистанционного беспроводного доступа. Когда происходит сбой в системе питания, для обеспечения питания используются литиевые батареи или конденсаторы. Информация о параметрах и движении насосных штанг до сбоя в системе питания хранится в блоке обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг. Информация о сбое в системе питания отправляется в центр монитора (мониторинга). Радиочастотный (РФ) блок чтения / записи питается от литиевых батарей, а когда их мощности недостаточно, может быть подключена система питания насосной установки на поверхности земли.

Преимущества изобретения изложены ниже. При присвоении идентификационного электронного номера насосной штанге и в соответствии с полученной информацией может осуществляться интеллектуальный мониторинг и управление насосными штангами. Систему мониторинга можно использовать на нефтяных месторождениях на земле, в пустыне или на море. Кроме того, при транспортировке на склад может быть получена информация о состоянии конкретных насосных штанг посредством дистанционного считывания параметров радиочастотным (РФ) блоком чтения/записи. Штанги могут быть отобраны и помещены на хранение в соответствии с параметрами, обусловленными условиями их эксплуатации и числом произведенных оборотов и возвратно-поступательных движений. Насосные штанги, имеющие схожие параметры могут использоваться совместно, что повысит эффективность работы и позволит избежать проблемы совместной работы насосных штанг с различным сроком службы. В предложенном изобретении реализуются такие преимущества, как сокращение несчастных случаев, снижение расходов на техническое обслуживание, и значительное улучшение эффективности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 изображена структурная схема интеллектуальной системы мониторинга насосных штанг;

На Фиг.2 изображена схема радиочастотного (РФ) блока чтения / записи;

На Фиг.3 изображена схема блока обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг;

На Фиг.4 изображена схема радиочастотного (РФ) чипа памяти;

На Фиг.5 изображена схема соединения штанг.

На чертежах используются следующие обозначения:

Центр 1 мониторинга; устройство 2 дистанционного беспроводного доступа; радиочастотный (РФ) блок 3 чтения / записи; блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг, радиочастотный (РФ) чип 5 памяти; модуль 6 голосового оповещения (выхода); зуммер 7; трансивер 8; антенна 9; второй микропроцессор 10; первый последовательный порт 11 RS232; клавиатура 12; ЖК-дисплей 13; цепь USB интерфейса 14; цепь 15 обеспечения безопасности; флэш-память 16; трансформатор 17 тока; цепь 18 формирования сигнала; главный микропроцессор 19; второй последовательный порт 20 RS232; третий последовательный порт 21 RS232; антенна 22 чипа 5 памяти; модуль 23 передающей части; LC резонатор 24; модем 25; цифровой модуль 26 памяти; таймер 27; насосная штанга 28; обруч 29.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ

Для иллюстрации изобретения ниже представлено подробное описание интеллектуальной системы мониторинга для насосной штанги. Следует отметить, что следующие примеры предназначены для описания, а не для ограничения изобретения. Как показано на фиг.1-5, интеллектуальная система мониторинга для насосных штанг включает в себя взаимодействующие друг с другом центр 1 мониторинга и устройство 2 дистанционного беспроводного доступа. Устройство 2 дистанционного беспроводного доступа получает сигнал от блока 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг. Блок 4 соединен с радиочастотным (РФ) блоком 3 чтения /записи. При этом радиочастотный (РФ) чип 5 памяти помещен в пазу на поверхности насосной штанги 28. В рассматриваемом варианте чип 5 памяти расположен в пазу на торце насосной штанги 28. При этом насосные штанги 28 соединяются между собой с помощью обруча 29. Радиочастотный (РФ) блок 3 чтения / записи считывает радиочастотный сигнал с чипа 5 памяти. Блок 4 считывает число возвратно-поступательных движений и число оборотов насосных штанг 28. Информация о параметрах движении с блока 4 передается на монитор центра 1 мониторинга, управляемого с помощью устройства 2 дистанционного беспроводного доступа. Таким образом, в центре 1 мониторинга собирается в режиме реального времени информация о состоянии скважин и насосных штанг 28. Центр 1 мониторинга анализирует информацию о движении и состоянии насосных штанг 28 и предупреждает о ненормальном состоянии нефтяной скважины.

Блок 3 содержит второй микропроцессор 10, модуль 8 трансивера (радиочастотного приемопередатчика), клавиатуру 12, монитор 13, модуль 6 речевою вывода, зуммер 7, и первый серийный порт 11 RS232, которые подключены ко второму микропроцессору 10. Трансивер 8 связан с антенной 9. В трансивере 8 используется чип CLRC632. Второй микропроцессор 10 (чип LPC2138) подключен к монитору 13, модулю 6, и клавиатуре 12 через порт ввода / вывода. Радиочастотный (РФ) блок 3 чтения /записи записывает и проверяет данные с чипа 5 памяти, причем данные можно скорректировать при помощи клавиатуры 12. Голосовой сигнал усиливается усилителем мощности и с помощью наушников или динамиков оповещает об успешной или неудачно проведенной операции чтения / записи и выполненной работе.

Когда чтение / запись прошла успешно, зуммер 7 сигнализирует об этом, и голосовой сигнал подтверждает успешный результат. Блок 3 чтения / записи может работать либо в KB, либо в ДМВ диапазоне.

Чип 5 памяти содержит радиочастотный модуль 23 с антенной 22 и LC резонатором 24, связанный с модулем 23. LC резонатор 24 соединен с модулем 26 цифровой памяти (цифровым модулем) через модем 25. Цифровой модуль 26 также соединен с таймером 27.

Основные параметры штанги 28 записываются в чип 5 памяти до того как пакет штанг 28 введен в нефтяную скважину. Когда каждая насосная штанга вводится в нефтяную скважину, блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг считывает ее идентификационный номер. Когда насосные штанги работают, информация о движении записывается на флэш-память 16, расположенную внутри блока 4. Блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг содержит основной микропроцессор 19 и связанные с ним элементы: сторожевую цепь 15, флэш-память 16, цепь USB интерфейса 14, трансформатор тока 17, цепь 18 формирования сигнала (цепь сигнала), второй последовательный порт 20 на чипе RS232 и третий последовательный порт 21 на чипе RS232. Основной микропроцессор 19 выполнен на чипе PIC18F6620. Сторожевой блок 15 выполнен на чипе 25043 с функциями предотвращения скачивания программы или ее перехода в бесконечный цикл. Флэш-память 16 выполнена на чипе AT45DB081B, ее основной функцией является сохранение необходимой информации, такой как идентификационный номер насосной штанги 28 и номер текущего движения насосной штанги 28, при прерывании подачи питания. USB интерфейс - контроллер 14 выполнен на чипе СН375 В. Вся сохраняемая информация о движении и параметрах насосных штанг может быть переписана на USB диск.

Таким образом, информация о движении и параметрах насосных штат 28 может быть сохранена на диске USB, и специалисты могут получить на месте данные о нефтяных скважинах. Данные будут переданы обратно в центр 1 монитора для обновления информации о насосных штангах. Трансформатор тока 17 детектирует информацию о движении (количество передвижений) насосных штанг 28. Выход трансформатора тока 17 соединен со входом цепи сигнала 18, выходной сигнал с которой подается на аналого-цифровой преобразователь и далее на основной микропроцессор 19.

Трансформатор тока 17 измеряет значение однофазного тока трехфазного источника питания. Это текущее значение поступает на аналого-цифровой преобразователь и далее на порт основного микропроцессора через цепь 18. Таким образом собирается и анализируется вся информация о движении штанги 28. При использовании поршневою масляного насос, измерение количества движения насосной штанги 28 достигается путем измерения максимального значения тока в одном цикле. Если используется масляный винтовой насос, измерение количества движения насосной штанги 28 достигается путем измерения частоты двигателя.

В одном из вариантов осуществления изобретения в устройстве 2 дистанционного беспроводного доступа используется GSM модуль. GSM модуль подключается к блок} 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг через второй последовательный порт 20, выполненный на чипе RS232. Блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг соединен с первым последовательным портом 11, выполненным на чипе RS232, а блок 3 чтения / записи подключен через третий последовательный порт 21, выполненный на чипе RS232. При поднятии насосной штат и 28 из скважины, данные о количестве передвижений штанги, сохраненные в блоке 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг, записываются в чип 5 памяти на насосной штанге 28. Таким образом собираются и сохраняются параметры движения насосных штанг 28.

В это же время блок 3 чтения / записи считывает идентификационный номер вновь опускаемой насосной штанги 28 и затем записывает идентификационный номер в блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг для запроса данных о параметрах насосной штанги 28.

В то время как конкретные варианты осуществления изобретения были показаны и описаны, для специалиста в данной области очевидно, что изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от изобретения в его более широких аспектах, и, следовательно, техническое решение, описанное в формуле изобретения, охватывает все такие изменения и модификации, которые входят в существо и объем изобретения.

Изобретение относится к нефтедобывающей технике и может быть использована для контроля технического состояния насосных штанг. Техническим результатом является повышение эффективности работы насосной установки, сокращение несчастных случаев и снижение расходов на техобслуживание. Предложена интеллектуальная система мониторинга для насосной штанги, содержащая центр мониторинга, устройство дистанционного беспроводного доступа для связи с ним, блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг, радиочастотный блок чтения/записи и радиочастотный чип памяти. При этом блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг соединен с радиочастотным чипом памяти, расположенным на насосных штангах, и устройством дистанционного беспроводного доступа. Причем радиочастотный блок чтения/записи и блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг выполнены с возможностью считывания с радиочастотного чипа памяти параметров движения и состояния насосных штанг и сохраняют их. Кроме того, блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг включает в себя главный микропроцессор и элементы, связанные с ним, составляющие сторожевую цепь, цепь сигнала, флэш-память и схему USB интерфейса. При этом цепь сигнала дополнительно соединена с трансформатором тока, а главный микропроцессор связан с устройством дистанционного беспроводного доступа. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Интеллектуальная система мониторинга для насосной штанги, содержащая центр мониторинга и устройство 2 дистанционного беспроводного доступа для связи с ним, отличающаяся тем, что
устройство 2 дистанционного беспроводного доступа соединено с блоком 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг; блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг соединен с радиочастотным (РФ) чипом 5 памяти, расположенным на насосных штангах,
радиочастотный (РФ) блок 3 чтения/записи и блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг считывают с радиочастотного (РФ) чипа 5 памяти параметры движения и хранения оборудования насосных штанг, обнаруживают и сохраняют параметры движения, состояния насосных штанг, причем параметры движения включают в себя число возвратно-поступательных движений или число оборотов, и параметры нагрузки на насосные штанги; устройство 2 дистанционного беспроводного доступа посылает информацию, хранящуюся в обнаруженных параметрах движения и хранения оборудования насосной штанги, в центр монитора так, чтобы центр монитора получал информацию о состоянии скважин и насосных штанг в нем; центр монитора со своей стороны определяет состояние штанг и предупреждает о ненормальном состоянии нефтяных скважин, при этом
блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг включает в себя основной микропроцессор и элементы, связанные с ним, элементы, составляющие сторожевую цепь, цепь сигнала, флэш-память и схему USB интерфейс; цепь сигнала дополнительно соединена с трансформатором тока и главный микропроцессор связан с устройством 2 дистанционного беспроводного доступа.

2. Интеллектуальная система по п.1, отличающаяся тем, что радиочастотный (РФ) блок 3 чтения/записи содержит второй микропроцессор и связанные с ним радиочастотный трансивер, клавиатуру, дисплей, модуль голосового выхода и зуммер, причем модуль радиочастотного приемопередатчика подключен к антенне.

3. Интеллектуальная система по п.1, отличающаяся тем, что радиочастотный (РФ) чип 5 памяти содержит радиочастотный модуль с антенной, LC резонатор связан с радиочастотным модулем; LC резонатор связан с цифровым модулем памяти с помощью модема и цифровой модуль памяти дополнительно соединен с таймером.

4. Интеллектуальная система по п.1, отличающаяся тем, что устройство 2 дистанционного беспроводного доступа является модулем GSM связи, GPRS модулем связи или модулем 3G связи.

5. Интеллектуальная система по п.1, отличающаяся тем, что основной микропроцессор выполнен на чипе PIC18F6620.

6. Интеллектуальная система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что второй микропроцессор выполнен на чипе LPC2138.

7. Интеллектуальная система по п.1, отличающаяся тем, что флэш-память выполнена на чипе AT45DB081B.

8. Интеллектуальная система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что дисплеем является ЖК-дисплей.

9. Интеллектуальная система по любому из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что модуль радиочастотного приемопередатчика выполнен на чипе CLRC632.