Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов Советский патент 1986 года по МПК F04B47/00 E21B43/00 

Изобретение касается нефтедобычи, в частности устройств диагностирования сква- жинных штанговых насосов, и может быть использовано в информационно-измерительных системах для объектов нефтяной промышленности.

Цель изобретения - повышение точности диагностирования.На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема устройства диагностирования скважинных шта.нговых насосов; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы; на фиг. 3 - функциональная схема блока управления; на фиг. 4 - то же, цифрового анализатора спектра; на фиг. 5 - то же, решающего блока.

Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов (фиг. ) содержит датчики усилия 1 и хода 2, выходы которых подключены соответственно к входам двух преобразователей 3 и 4 напряжения, формирователь 5 тактовой частоты, выход которого подключен к одному кз входов блока 6 управления, имеюпиего выходы, соединенные с входами блока 7 памяти и трех счетчиков 8, 9 и 10 импульсов, причем другие входы первого и второго счетчиков 8 и 9 импульсов подключены соответственно к выходам преобразователей 4 и 3. Один выход второго счетчика 9 импульсов подключен к другому входу третьего счетчика 10 импульсов, а другой выход второго 9 и выход третьего 10 счетчиков импульсов соединены с двумя входами схемы 11 сравнения, выход которой подключен к другому входу блока 6 управления, и блок 12 индикации.

Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов дополнительно снабжено цифровым анализатором 13 спектра и решающим блоком 14. Входы цифрового анализатора 13 спектра подключены соответственно к выходам первого счетчика 8 импульсов, формирователя 5 тактовой частоты блока 6 управления, выходы - к входу решающего блока 14 и третьему входу блока 6 управления, а выход решающего блока 14 связан с входом блока индикации, причем цифровой анализатор 13 спектра и блок 7 памяти, а также решающий блок 14 ,и блок 6 управления соответственно взаимосвязаны между собой и решающий блок 14 связан с блоком 7 памяти.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: Р - усилие ; S - перемещение; t - время; Р; - значение сигнала усилия в t, момент времени; Sj - значение сигнала хода в t; момент времени; Atj. - шаг дискретизации сигнала хода; At,, - niar дискретизации сигнала усилия; п - число дискретных значений сигнала хода за один период качания станка-качалки скважинного щтангово- го насоса, Т - период качания станка- качалки.

Блок 5 управления (фиг. 3) имеет схему 15 ИЛИ, два входа которой подключены

0

5

0

5

0

0

0

5

соответственно к выходу решающего бло ка 14 и тумблеру «Начальная установка, а выход - к входу триггера 16, второй вход которого подключен к выходу делителя 17 частоты, связанного с выходом схемы 11 сравнения, а выход - с входом схемы 18 И, на второй вход которой подается сигнал выхода формирователя 5 тактовой частоты. Сигнал с выхода схемы 18 И через счетчик 19 импульсов и триггер 20 связан с входом счетчика 9 импульсов и через делитель частоты 21 - с входом третьего счетчика 10 импульсов. Входы триггеров 22 и 23 связаны с выходом цифрового анализатора 13 спектра, причем вторые их входы связаны соответственно с выходами делителя 17 частоты и схемы 15 ИЛИ, а Выходы - с входами схем 24 и 25 И, вторые входы которых связаны с выходом формирователя 5 тактовой частоты, а выходы подключены соответственно к входу реверсивного счетчика 26 и объединенному входу блока 7 памяти и решающего блока 14. Второй вход реверсивного счетчика 26 связан с выходом счетчика 27 числа отсчетов, вход которого связан с выходом триггера 20. Сигнал с выхода реверсивного счетчика 26 через триггер 28 поступает на вход первого счетчика 8 импульсов, причем выход реверсивного счетчика 26 связан также с входом схемы 29 ИЛИ, второй вход которой подключен к выходу делителя 17 частоты, а выход - к входу реверсивного счетчика 26. Сигнал с выхода реверсивного счетчика 26 поступает также через схему 30 И, связанную с выходом триггера 22, и делитель 31 частоты на вход цифрового анализатора 13 спектра.

Цифровой анализатор 13 спектра (фиг. 4) имеет счетчик 32 импульсов и триггер 33, входы которых подключены к выходу блока 6 управления, а выходы - соответственно к входам сумматора 34 и схемы 35 И, причем выход счетчика 32 импульсов через схему 36 сравнения связан с входом блока 6 управления. Второй вход сумматора 34 связан с выходом схемы 35 И, второй вход которой связан с выходом формирователя 5 тактовой частоты, а выход его - с адресным входом блока 7 памяти. Выход схемы 35 И связан также с входом делителя 37 частоты, выход которого соединен с входами триггера 33, сумматора 34 и триггера 38, второй вход которого Подключен через формирователь 39 коротких импульсов к выходу формирователя 5 тактовой частоты. Выход схемы 35 И через элемент 40 задержки связан с синхро- входом блока 7 памяти, а через элемент 41 задержки - с входом схемы 42 И, второй вход которой подключен к выходу триггера 38. Кроме того, цифровой анализатор 13 спектра содержит умножители 43 и 44, два выхода которых подключены соответственно к выходу первого счетчика 8 импульсов и блока памяти 12, а выходы - к входам сумматоров 45 и 46, взаимосвязанных с параллельными сдвигающими регистрами 47 и 48, вторые входы которых подключены к выходу элемента 40 задержки. Выходы сумматоров 45 и 46 через умножители 49 и 50 подключены также к входам сумматора 51, выход которого связан с входами регистров 52 и 53, вторые входы которых подключены соответственно к выходам элемента 41 задержки и схемы 42 И, а выходы - к входам делителя 54, связанного через схему 55 И с входом решающего блока 14.

Решающий блок 14 (фиг. 5) имеет параллельный сдвигающий регистр 56, два входа которого подключены соответственно к выходам цифрового анализатора 13 спектра и блока 6 управления, а выход - к первому входу вычитания 57, второй вход которого связан с выходом блока 7 памяти, а выход через умножитель 58 и сумматор 59 подключен к входам регистра 60 и схемы 61 сравнения, взаимосвязанных между собой. При этом выход блока 6 управления подключен также через делитель 62 частоты к входам сумматора 59 и счетчика 63 номера класса, выход которого через схему 64 сравнения подключен к входу блока 6 управления, а через регистр 65, связанный со схемой 61 сравнения, подключен к входу блока 12 индикации. Используемые в цифровом анализаторе 13 спектра и решающем блоке 14 сумматоры, умножители и делитель могут быть выполнены на основе микросхем К155ИМЗ и известных схем И и ИЛИ.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода датчика 2 хода (фиг. 1) поступает на вход преобразователя 4 напряжения в частоту, а затем пропорциональная перемещению штанг частота поступает на вход второго счетчика 9 импульсов. На управляющий вход второго счетчика 8 импульсов поступают стробирующие импульсы с выхода блока 6 управления, сформированные из тактовой частоты формирователя 5. При этом в блоке 6 управления триггер 16 (фиг. 3) разрешает проход и.мпульсов с формирователя 5 тактовой частоты через схему 18 И на вход счетчика 19 импульсов, который подсчитывает импульсы, следующие с частотой fr, до момента переполнения. Короткие импульсы с выхода счетчика 19 поступают на счетный вход D-триггера 20 и преобразуются им в меандр. Таким образом, стробирующие сигналы на входе второго счетчика 9 импульсов следуют с частотой

1 S.

At.

2ш;

число состоянии счетчика 19. Каждый второй импульс с выхода триггера 20, пройдя через делитель 21 частоты, поступает на вход третьего счетчика 10 импульсов, где записывается значение сигнала хода, измеренное вторым счетчиком 9 импульса на предыдущем шаге дискретизации. Общее число измеренных значений сигнала хода фиксируется в счетчике 27 числа отсчетов. Схемой 11 сравнения производится сравнение последнего числа во втором счетчике 9 импульсов и предыдущего числа в третьем счетчике 10 импульсов. При равенстве этих чисел с выхода схемы 11 сравнения на вход блока 6 управления поступает сигнал, свидетельствующий о смене направления хода штанг (фиг. 2). При поступлении третьего сигнала с выхода схемы 11 сравнения

0 (окончание первого периода Т качания станка-качалки) на выходе делителя 17 частоты появляется сигнал, перебрасывающий триггер 16, который запрещает поступление импульсов на входы второго и третьего счетчиков 9 и 10 импульсов. С этого момента бло5 ком 6 управления начинают формироваться стробирующие импульсы, следующие с частотой fp -Г-- , которые разрешают счет Д1р

0 первому счетчику 8 импульсов. При этом сигнал с выхода датчика 1 усилия поступает на вход преобразователя 3 напряжения в частоту и затем пропорциональная усилию частота поступает на вход первого счетчика 8 импульсов. Частота fp стробирующих

5 импульсов устанавливается таким образом, чтобы за один период качания станка-качалки было получено N отсчетов значений сигнала усилия. С этой целью в блоке 6 управления по сигналу с выхода делителя 17 частоты в реверсивный счетчик 26 записы0 вается число NS измеренных значений сигнала хода с выхода счетчика 27 числа отсчетов, а триггер 22 разрешает прохождение тактовых импульсов с выхода формирователя 5 тактовой частоты через схему 24 И на вычитающий вход реверсивного счетчи5 ка 26. В моменты обнуления счетчика 26 короткие импульсы с его выхода поступают на вход триггера 28 и, преобразованные в меандр, следуют на стробирующий вход первого счетчика 8 импульсов. Эти же импульсы,

пройдя через схему 29 ИЛИ, вновь записывают число Ni в реверсивный счетчик 26, и цикл отсчета повторяется снова. При этом период следования стробирующих импульсов на входе первого счетчика 8 импульсов со2N Т 5 ставляет Atp -, число отсчетов

f.

ГПс

сигнала усилия равно

N т.. Atp

Таким образом, задавая число т N

состояний счетчика 19 импульсов, можно получить требуемое число N отсчетов сигнала усилия при любом периоде Т качания станка- качалки. Измеренное значение сигнала усиЛИЯ на каждом щаге дискретизации поступает с выхода первого счетчика 9 импульсов на вход цифрового анализатора 13 спектра, управляемого стробирующими импульсами

с блока 6 управления, в котором триггер 22 разрешает их прохождение через схему 30 И и делитель 31 частоты. Определение спектральных составляющих исследуемого сигнала усилия основано на реализации следующего соотношения

р2

Ai+B(|p.)Ч

9тт

+ (SP,sinfki),

tfH

N

где Aft и Bfe - соответственно косинусные и

синусные составляющие k-й

гармоники спектра сигнала

усилия;

Pi - числовое значение дискретного

отсчета сигнала усилия; i - порядковый номер дискретного отсчета;

k- порядковый номер гармоники. Классификационные признаки х для распознавания состояния скважинного штангового насоса по сигналу усилия определяются соотношением

Хг , где г 1, 2, 3.

Коды дискретных отсчетов сигнала P(t) с выхода первого счетчика 8 импульсов подаются на объединенные входы умножителей 43 и 44 (фиг. 4), формирующих частные произведения

Prcos(ki) и P,sin(gki).

Цифровые значения синуса и косинуса поступают на вторые входы умножителей 43 и 44 с выхода блока памяти. При этом номер дискретного значения, зафиксированный в счетчике 32, суммируется k раз тактовыми импульсами с выхода формирователя 5 тактовой частоты через открытую схему 35 И в сумматоре 34. Код аргумента с выхода сумматора 34 поступает на адресный вход блока 7 памяти. При поступлении на вход блока 7 памяти стробирующего импульса с выхода схемы 35 И через элемент 40 задержки на выходах блока 7 памяти появляется цифровое значение синуса и косинуса.

Цифровые значения частных произведений с выходов умножителей 43 и 44 поступают на входы сумматоров 45 и 46, каждый из которых связан прямой и обратной связью с соответствующими параллельными сдвигающими регистрами 47 и 48, что позволяет осуществлять циклическое движение сумм частотных произведений, соответствующих k : 1, 2, 3 и 4 внутри сдвигающих регистров с возвращением в сумматоры сумм для k 1 ко времени очередного (i + 1)-го дискретного отсчета сигнала усилия.

Параллельно сдвигающий регистр выполнен в виде параллельно соединенных разрядных цепочек, образующих четыре уровня.

0

5

0

5

0

соответствующих числу определяемых гармоник (k 4). Сдвиг слов в регистре происходит с тактовой частотой формирователя 5 импульсами с выхода элемента 40 задержки. Значения сумм частных произведений возводятся в квадрат в умножителях 49 и 50, а затем суммируются в сумматоре 51. Полученные на каждом щаге дискретизации

«9

значения квадратов гармоник С сигнала усилия с выхода сумматора 51 подаются на объединенные входы регистров 52 и 53. При этом каждое значение С1 записывается в регистр 52 тактовыми импульсами с выхода элемента 41 задержки, а в регистр 53 записывается только цифровое значение квадрата первой гармоники, причем стробирую- щий импульс на вход регистра 53 поступает с выхода схемы 42 И, открывающейся триггером 38. Цифровые значения величин С| и С поступают на входы делителя 54, который определяет классификационные при/- 2

знаки Хг Очевидно, что за время -1

выдачи всех N отсчетов на выходе схемы 55 И, связанной с делителем 54, последовательно появляются значения трех классификационных признаков xi, Х2, хз, поступающих на вход решающего блока 14. При этом с выхода схемы 36 сравнения на вход блока 6 управления поступает сигнал окончания обработки сигнала усилия. Блок 6 управления запрещает прохождение стробирующих импульсов на вход цифрового анализатора 13 спектра и начинает работу решающего блока 14. При этом значения классификационных признаков xi, Х2 и хз записываются в параллельный сдвигающий регистр 56 решающего блока 14 (фиг. 5). Найденные значения классификационных признаков в силу свойств коэффициентов Фурье оказываются инвариантными к положению нулевой линии сигнала усилия, началу отсчета сигнала усилия, коэффициенту передачи в тракте преобразования сигнала усилия и периоду качания станка-качалки.

5

Независимость классификационных признаков от начала отсчета сигнала усилия обеспечивает инвариантность результатов распознавания состояния скважинного штангового насоса от искажающего сдвига фаз между сигналами усилия и хода. Указанные свойства классификационных признаков значительно сокращают объем памяти, необходимой для хранения уставок, характеризующих центр каждого из шести классов состояния скважинного штангового насоса: нормальная работа, утечка в приемном или нагнетательном клапане, высокая или низкая посадка плунжера, незаполнение насоса. При этом заключение о состоянии работы скважинного штангового насоса принимается на основе алгоритма минимума евклидо- вого расстояния между исследуемым обра0

зом x{xi, Х2, хз} и центром соответствующего класса z/{zi;, Z2/, zs/j определяется

Q. Sy

-5j -ЛА ХГZfj) - JBH ,

где Xj, Хг, Xj - значения классификационных признаков для исследуемого образа-динамограммы; , zzj, Z3j - значения уставок для центра j-ro класса состояния сква- жинного штангового насоса; М 6 - число классов состояния сква- жинного штангового насоса. С этой целью в вычитателе 57 определяются разности между найденными значениями классификационных признаков х и уставками соответствующих классов. После возведения в квадрат в умножителе 58 полученные разности суммируются в сумматоре 59. За три периода стробирующих импульсов, поступающих с выхода блока 6 управления в сумматоре 59 образуется цифровое значение евклидового расстояния S/ между исследуемым образом X и центром соответствующего класса z,-. При этом стробирующие импульсы поступают на вход счетчика 63 классов через делитель 62 частоты и на в.ыходе счетчика 63 фиксируется номер очередного класса состоя

0

ния скважинного щтангового насоса. Найденное значение евклидового расстояния S; сравнивается схемой 61 сравнения с предыдущим значением .

В случае, если , с выхода схемы 61 сравнения на вход регистра 60 поступает сигнал, который записывает новое наименьшее значение евклидового расстояния в регистр 60. По этому же сигналу в регистре 65 с выхода счетчика 63 классов записывается код очередного номера класса состояния скважинного щтангового насоса. В случае, если код номера класса состояния скважинного щтангового насоса равен шести с выхода схемы 64 сравнения на вход блока управления поступает сигнал конца цикла обработки динамограммы, который приводит устройство в исходное состояние. В этот момент с выхода решающего блока 14 на вход блока 12 индикации поступает код номера распознанного класса состояния скважинного щтангового насоса и блок 12 индикации сигнализирует о соответствующем состоянии глубинного насоса.

Предложенное устройство позволяет диагностировать шесть классов состояния скважинного штангового насоса.

9ы/од S/tOHO Ь iffjpaf/ieHij.

7 cve/fj tJffff S uf yjTtcoS deixo3 $ла о8упро8лен1 я, Sxoff fnppfrjofsa cve/nvuffa fO uMfjyjj coS

вл1гоЗ cfeHe/ Ifcpa Het ujt djfOff S p/foS f fiffS ef uj;

dtr fa 6 yfipaSflffJuf: Sxoff/rfpsogff 8 i/ po s eftuff

дткоЗ S i npirf fH

Q/}u3aStiixof tfrOf ufioSa/Tre fl 5,

frroff/TjffSau

Sifffdi u flffafffff fff fy u3cf3i

7Sfta 73 e lfffff m

ft/iffflffafffff

тора 73 cne fTjpa дхад a fffi a д So/ifo 5/7g/ cf 6f/fj af/re- /Vf/я. Вход 7/7р/ Ягт. petaofffi esff S/rOKO /4- Siixodpea arot fSff .

Sorxo §/fOfea 5

JllJlL- Jl.

TT,

So/xoff OflMUpoSafrre/rf) 5 /ntyfffnafou

fftfirffj pea/fffou/efff /4

/fOVcr tl tfSi

ycrrraMffS ti вл/хо cxeMiif ff cpoSpa /J cfTftftrrpa

Sxa38ff}Sfosff cve/77vi a S uM/tif/f cfff

ffxff /re/J/ffsa c ffvu/m 8

Bsegff SjfO/i ff 7 u fttfo uiffff S ffffd /4

i uippoiofp offo,m/3a/r7fffla Л c/ff ffn a

вхоЗ S/ra/ a Б

yrrflaeyrfHiJ/

Зо/хад формиррогг I

/Trevw 5/г7ап П17 сй сгс/гг г/77А/ I

Sir/Ifa 7f ff/r a 7/7о-ло /77 BufxaV /refiffpfo суе/г7У // а S i// /7i//roci7ff

dii/jfoff 2 S a/i a

df ecHit/i Sxo3 5j7Of o 7fC / j}/7riJ

j5 0}fo §/717л а 6 yfrpcyS ef iJ

Cf/f xpaSjfa3

7/70МЯ/Г7и

ч|Н:

дхдЗ решавшего 5/7Pf a f

Sofxod ё yf ppS/7ff/tj

ffefxo ut tffflofff o a ff/TU, 3Pfnof:ff 7t c/je/i fTTpa

dotifo $/rffffo 7 nty/ flfrru

, 3xoff is/raf cF 5 ynpff y7e u

Sfoc } UHfu/fai/uu

Редактор M. Келемеш Заказ 1902/30

Составитель Э. Гинзбург

Техред И. ВересКорректор В. Бутяга

Тираж 586Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4