Устройство для автоматического управления глубиннонасосной установкой малодебитных нефтяных скважин Советский патент 1986 года по МПК F04B47/00 E21B43/00 

Изобретение относится к нефтедобыче, в частности к устройствам для автоматического управления глубинно- насосными установками, и может быть использовано при эксплуатации малоде битных нефтяных скважин в режиме периодической откачки жидкости.

Цель изобретения - повьшение точности контроля работы в режиме пе.рио дической откачки жидкости из скважи- ны.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема устройства для автоматического управления глубиннонасос най установкой малодебитных нефтяных скважин; на фиг. 2 - временная зависимость сигнала усилия предлагаемого устройства; на фиг. 3 - динамограммы нормальной работы насоса и работы насоса с незаполнением жидкостью устройства; на фиг. 4 - функциональная схема блока управления.

Устройство содержит частотный датчик 1 усилия, формирователь 2 напряжения сети, три элемента И (соответственно первьй И1, второй И2 и третий ИЗ), два элемента ИЛИ (соответственно первый ИЛИ 1 и второй ИЛИ 2),, блок 3 управления, счетчик 4 числа циклов незаполнения насоса, две схемы 5 и 6 сравнения, выходной триггер 7, исполнительное реле 8, счетчик 9 времени работы глубиннонасос- ной установки и блок 10 индикации. Выходы датчика 1 усилия и формирова- теля 2 напряжения сети соединены соответственно с первыми входами первого И1 и второго И2 элементов.

Выходы последних связаны с входом первого элемента ИЛИ 1, а второй вход второго элемента И2 - с выходом блока 3 управления, другие выходы которого соединены с одним входом первой схемы 5 сравнения. Выход последней через второй элемент ИЛИ 2 подключен к одному из входов счетчика 4 числа 1ЩКЛОВ незаполнений насоса, один выход которого соединен с одним из вхо- дсгв второй схемы 6 сравнения, своим выходом связанной с входом блока 3 управления, выходы которого также Подключены соответственно к второму входу счетчика 4 числа 1диклов незаполнения насоса и одному из входов выходного триггера 7. Последний своим выходом связан с входом исполнительного реле 8 и одним из входов третьего элемента И 3,

5

0

5 0

5

0

0

5

второй вход которого подключен к формирователя 2 напряжения ,сети, а выход - к входу счетчика 9 времени работы глубинно-насосной установки, своим выходом соединенного с блоком 10 индикации.

Устройство для автоматического управления глубиннонасосной установкой малодебитных нефтяных скважин снабжено отметчиком 11 крайних положений и реверсивным счетчиком 12 площади динамограммы. Выход отметчика 11 крайних положений связан с входом блока 3 управления, последнего подключены к второму входу первого элемента И 1 и трем входам реверсивного счетчика 12 площади динамограммы, четвертый вход которого связан с выходом первого элемента ИЛИ 1. Выходы реверсивного счетчика 12 площади динамограммы подключены соответственно к вторым входам обеих схем 5 и 6 сравнения и второго элемента ИЛИ 2, а выход счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса связан одновременно с выходом блока 3 управления и вторым входом выходного триггера 7,

При этом входы сброса реверсивного счетчика 12 площади динамограммы, счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса и счетчика 9 времени работы глубиннонасосной установки обозначены через cip , соответственно суммирующий и вы tнтaюuщй входы рей рсивного счетчика 12 площади динамограммы обозначены через а , и счетные входы реверсивного счетчика 12 площади динамограммы, счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса и счетчика 9 времени работы глубиннонасосной установки через (х д , Через /, обозначены информационные счетчика 4 циклов незаполнения насоса, реверсивного счетчика 12 площади динамограммы и счетчика 9 времени работь глубинно- «асосной установки (причем код, полученный на выходе / , характеризует содержимое каждого из указанных счетчиков) 5 а через j выходы переноса двоичных разрядов реверсивного счетчика 12 площади динамограммы и счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса .

На фиг, 2 приняты следую1цие обозначения, t - время;, Р - усилие,; N - код измеренного значе1{ия усилия; t - момент начала хода гатанг вверх; t - момент начала хода штанг вниз;, t к

момент окончания периода измерения площади динамограммы; Тц - время движения штанг вверх (первый полупериод Т - время движения штанг вниз (второй полупериод); Т - период качания станка-качалки; N,Ng, Ng, N и Nдl - коды значений усилия , измеренные в точках А,Б5В,Г иА ; О АБВ;0; - площадь динамограммы, измеренная к моменту времени относительно нулевого уровня; О,АБВО площадь динамограммы, измеряемая в течение первого полупериода качания станка-качалки относительно нулевого уровня 00 ; О ВГА 0 - площадь динамограммы, измеряемая в течение второго полупериода качания относительно нулевого уровня 00, при нормальной работе насоса; - площадь динамограммЫ; измеренная в течение второго полупериода качани относительно нулевого уровня 00 при незаполнении насоса жидкостью.

На фиг. 3 показаны реальная дина- мограмма нормальной работы насоса , регльная динамо грамма при незаполнении насоса жидкостью АБ,, и теоретическая динамо- грамма нормальной работы насоса АБВГ

Блок 3 управления (фиг. А) содержит фазовый детектор 13, фильтр 14; пару транзисторных ключей 15,. тук триггера 16 - 18, два элемента ИЛИ (КГМЗ и ИЛИ4). два элемента ( и И-НЕ2), два элемента задержки (31 и 32), два элемента НЕ (НЕ1 и НЕ2) и элемента И (И4), причем выход отметчика 11 крайних положений подключен через фазовый детектор 13 и фильтр 14 к входу транзисторных ключей 15, два выхода которых ( а, и cjj) подключены соответственно к двум входам элементов И-НЕ1 и И- НЕ2, два выхода которых подключены к двум входам триггера 16, два выход которого подключены соответственно к входам d и ск реверсивного счетчика 12 площади динамограммы, при этом выход элемента И-НЕ1 через элемент НЕ1 подключен к входу первой схемы 5 сравнения , через элементы НЕ 1 и 31 - к входу elg реверсивного счетчика 12 площади динамограммы, через элементы НЕ 1, .32, И 4 и ИЛИ 4 - к входу и о счетчи1са 4 числа циклов неза-

полнения насоса, а выход элемента И-НЕ2 через триггер 18 подключен к второму входу элемента И4. Кроме того, входы кнопки Пуск и второй

1& t5 20

5

5 0 0 5

схемы 6 сравнения подключены через элемент ШИЗ к входу выходного три:- гера 7, а через элемент ИЛИЗ и триггер 17 - к входам элементов И-НЁ2, И-НЕ1 и И1, причем выход /3 счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса через триггер 17 соединен с входом элемента И2, а через элемент НЕ2 подключен к второму входу элемента ИЛИ4, причем выход первой схемы 5 сравнения связан с вторым входом триггера 18.

Устройство работает следующим образом.

При первоначальном включении устройства, т.е. поступлении сигнала Пуск, счетчик 9 времени работы глубиннонасосной установки сбрасывается в нулевое состояние, а сигналом с соответствующего выхода блока 3 управления выходной триггер 7 устанавливается в единичное состояние, срабатывает исполнительное реле 8, включающее глубиннонасосную установку. Кроме того, по сигналу Пуск в блоке 3 управления (фиг.4) триггер 17 устанавливается в единичное состояние и на двух соответствующих выходах блока 3 управления появляются сигналы, разрешающие прохождение .импульсов с вькода частотного датчика 1 усилия через открытый элемент И1 и элемент ИЛИ1 на счетный вход й з реверсивного счетчика 12 площади динамограммы. При этом частота импульсов на выходе датчика 1 усилия пропорциональна значениям сигнала усилия на полированном штоке станка- качалки .

При поступлении с отметчика 11 .крайних положений сигнала о нахождении полированного штока в крайнем . нижнем положении блоком 3 управления вырабатывается сигнал, поступающий на входы сброса rt реверсивного счет- чика 12 площади динамограммы и счетчика 4 числа циклов незааолнения насоса, устанавливая их в нулевое состояние.

Кроме того, с соответствующего выхода блока 3 управления подается управляющий сигнал на суммируюшлй вход Ы. реверсивного счетчика 12 площади динамограммы.

Таким образом, реверсивный счетчик 12 площади динамограммы, начиная с момента t начала хода штанг вверх, осуществляет подсчет импульсов, поступающих с выхода датчика 1 усилия. Так как частота поступающих импульсов пропорциональна усилию на поли- фованном штоке, код на выходе /, реверсивного счетчика 12 площади дина- мограммы в любой момент времени оказывается пропорциональным площади S фигуры, ограниченной кривой усилия P(t), нулевой линией 0,0 и ординаустанавливается в режим суммирования и оказывается подготовленным к следующему циклу качания, Код на выходе 1, реверсивного счетчика 12 пло J щади динамограммы в этот момент оказывается пропорциональным площади ре альной динамограммы (фиг, 3), полученной путем вычитания площадей под кривой усилия P(t) за первый и второ

тами 0 А и 0; В. , соответствующими мо- 10 полупериоды качания. Таким образо , меМтам времени tjj и t; (фиг. 2 и 3). полученное значение Sp площади ре- Суммирование импульсов в реверсивном счетчике 12 площади динамограммы

альной динамограммы не зависит от по

нулевой линии 0,0. Так как максимальная частота импульсов 15 на выходе частотного датчика 1 усипродолжается до поступления на блок 3 управления с отметчика 11 крайних положений сигнала о нахождении полированного штока в крайнем верхнем положении.

В момент времени t код на выхо де й| реверсивного счетчика 12 пло щади динамограммы пропорционален площади динамограммы, измеренной в течение первого полупериода качания относительно нулевой линии 0 0 , т.е. площади фигуры 0 АБВО,,. Сигнал о нахождении полированного штока в крайнем верхнем положении поступае с выхода отметчика 11 крайних положений на вход блока 3 управления и, пройдя через фазовый детектор 13 и фильтр 14, поступает на вход пары разнополярных ключей 15, на выходе а которой появляется импульс устанавливающий триггер 16 в единичное состояние (фиг, 4). В результате этого с выхода блока 3 управления на вычитающий вход ci реверсивного счетчика 12 площади динамограммы поступает сигнал, устанавливаюпщй этот счетчик в режим вычитания. При этом импульсы, поступающие с выхода датчика 1 усилий на вход ei реверсивного счетчика 12 площади динамограммы, теперь вычитаются из накопленной в счетчике суммы.

Вычитание продолжается до тех пор пока с отметчика 11 крайних положений на блок 3 управления не поступит сигнал о нахождении полированного штока в крайнем нижнем положении. Этот сигнал, пройдя в блоке 3 управления через фазовый детектор 13 и фильтр 14, поступает на вход пары транзисторных ключей 15, на вькоде

л-

л-

д, которой появляется импульс, уста навливающий триггер 16 в нулевое состояние. При этом реверсивный счетчик 12 площади динамограммы вновь

устанавливается в режим суммирования и оказывается подготовленным к следующему циклу качания, Код на выходе 1, реверсивного счетчика 12 пло- J щади динамограммы в этот момент оказывается пропорциональным площади реальной динамограммы (фиг, 3), полученной путем вычитания площадей под кривой усилия P(t) за первый и второй

полупериоды качания. Таким образо , полученное значение Sp площади ре-

альной динамограммы не зависит от по10 полупериоды качания. Таким образо , полученное значение Sp площади ре-

нулевой линии 0,0. Так как максимальная частота импульсов 15 на выходе частотного датчика 1 уси

ЛИЙ f

Л|С1ИС

3200 Гц (диапазон частот датчика uf 2800-3200 Гц), а максимальный период качания Т„., 15 с

/ ( кач./мин, то максимальный код

выходе , реверсивного счетчика 12 площади динамограммы определяется как

N„„,0 2400 бит.

Следовательно, разрядность (16дво- разрядов) реверсивного счетчика 12 площади динамограммы вполне достаточна для преобразования площади динамограммы Sp в цифровой код за один период качания. При этом реверсивный счетчик 12 площади динамо- граммы может быть выполнен на базе мргкросхем К155ИЕ7.

П)и поступлении сигнала о нахождении полированного штока в крайнем нижнем положении блок 3 управления разрешает работу первой схемы 5 сравнения, где осуществляется сравнение кода на выходе j, реверсивного счетчика 12 динамограммы

с.

45

50

55

с величиной уставки S

Чет

которая

заранее определена соотношением

с -с 17

тй 3

где S - значение шюя;ади теоретической динамограммы нормальной работы насоса для данной скважины;

Kj - допустимый коэф(})ициент заполнения насоса ясидкостью. Если S , , то это означает, что коэффициент заполнения насоса еще не снизился до заданной величины. При этом на выходе второй схемы 6 сравнения сохраняется уровель логической единиць, и в следующем цикле качания вновь осуществляется измерение площади динамограммы Sp и сравнение ее с уставкой Syt-Y .

7

Если Sp t S,j

TO это означает,

что возможно уже коэффициент заполнения насоса жидкостью снизился до заданной величины. При этом на выходе первой схемы 5 сравнения получается сигнал О, который поступает на вход блока 3 управления и через элемент ИЛИ 2 на счетный вход (У счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса, код на выходе р, которого увели- ю ходе в нулевое состояние выходного чивается на единицу.Подсчет продолжа- триггера 7, выход которого подключен ется в течение 15 циклов работы на- к одному из входов элемента ИЗ, имсоса. Это происходит следуюш тм образом.

Б каждом цикле качания в момент нахождения полированного штока в крайнем верхнем положении с отметчика 11 крайних положений на вход блока 3 управления поступает сигнал, который устанавливает триггер 18 в единичное состояние и ра зрешает работу элемента Н 4. В момент нахождения полированного штока в крайнем нижнем положении, т.е. по окончании периода качания , с отметчика 11 крайних положений на вход блока 3 управления поступает импульс, в течение которого анализируется состояние первой схемы 5 сравнения. Этот импульс подается на вход элемента И 4 с задержкой Tj , большей времени срабатывания t

первой схемы 5 сравнения.

iS

Если S р

то на выходе первой схемы 5

сравнения появляется нулевой сигнал, сбрасывающий в О триггер 18. Уро- .вень логического О, проходя через элемент И 4, поступает на сбросный вход счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса и разрешает подсче импульсов. Если (- , то на выход первой схемы 5 сравнения сохраняется уровень логической 1, триггер 18 остается в единичном состоянии и разрешает прохождение единичного импульса с выхода а, пары транзисторных ключей 15 через элемент Н 4 на вход счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса. При этом счетчик 4 (например, К155ИЕ7) сбрасывается в нулевое состояние и подсчет числа циклов незаполнений насоса начинается заново. В этом случае принимается решение о случайности возникновения ситуации незаполнения насоса жидкостью. Если в течение 15 циклов подряд подтверждается состояние незаполнения насоса жидкостью, то Снижение коэффициента заполнения насоса

саРнення

94268

до заданной величины считается достоверным. При этом на выходе перено- .

счетчика 4 числа циклов незапол- насоса появляется сигнал логического О , который устанавливает выходной триггер 7 в нулевое состояние, что обесточивает исполнительное реле 8 и выключает электродвигатель станка-качалки. Кроме того, при пере

пульсы с частотой 25 Гц с выхода формирователя 2 напряжения сети через

элемент ИЗ не проходят, и поэтому заполнение счетчика 9 времени работы глубиннонасосной установки прекращается, т.е. заканчивается подсчет времени ее работы.

Начиная с этого момента устройство переходит к подсчету времени накопления жидкости t . При этом нулевой сигнал с выхода р. счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса поступает на

вход блока 3 управления и устанавливает в нулевое состояние триггер 17, выходы которого подключены к входам . элементов И1 и И2. При этом блок 3 управления -запрещает прохождение импульсов с выхода датчика 1 усилий через элемент И1 и разрешает прохождение импульсов частотой 25 Гц с выхода формирователя 2 напряжения сети через открытый элемент И2на счетный вход (xLj последовательно соединенных через элемент ИЛИ2 реверсивного счетчика 12 площади динамограммы и счетчика 4 числа циклов незаполнения насоса, образующих 24-разрядный счетчик. При этом счетчик 4 числа циклов не заполнения насоса может быть вьтол- нен в виде последовательно соединенных двух микросхем К155ИЕ7, причем выход переноса первой микросхемы ( 15) является выходом j переноса счетчика 4, который связан с входами выходного триггера 7 и блока 3 управления. При подсчете импульсов с выхода формирователя 2 напряжения сети счетчики 12 и 4 используются для подсчета времени накопления жидкости t, причем сигнал с выхода переноса ( реверсивного счетчика 12 площади динамограммы, пройдя через элемент ИЛИ2, поступает на счетный вход oCj счетчиj a 4 числа циклов незаполнения насоса. Информационные выходы , счетчиков 12 и 4 подключены к входам второй схе- мь 6 сравнения. Таким образом, на

вторую схему 6 сравнения подается текущее значение времени накопления жидкости tj. Заданное значение времени накопления жидкости t идустанав- ливается во второй схеме 6 сравнения заранее. В процессе работы происходит сравнение t., с заданной величиной

г1

-Н ЧДА

Если t.it,,.. то на выходе второй

Н п, тСЯД

схемы 6 сравнения сохраняется уровень 1, и поэтому подсчет времени накопления жидкости продолжается.. Если ..--. , то на выходе второй схеП А ИгчИ

МЫ 6 сравнения получается сигнал О , который поступает на вход блока 3 .. управления, триггер 17 устанавливается в единичное состояние, что означает окончание времени накопления жидкости и начало очередного цикла изме.- рения площади динамограммы. При этом по сигналу с блока 3 управления за- крьгоается элемент И2 и открывается элемент И1, разрешая прохождение импульсов с выхода частотного датчика усилий на счетный вход oi реверсив- кого счетчика 12 площади динамограм- мы. Кроме того, с выхода блока 3 управления на установочный вход выходного триггера 7 поступает сигнал О, который устанавливает выходной триггер 7 в единичное состояние, поэтому срабатывает исполнительное

реле 8 и включается электродвигатель станка-качалки. При этом сигнал 1 иа выходе выходного триггера 7 разре- шает прохождение импульсов частотой 25 Гц с выхода формирователя 2 напряжения сети через элемент ИЗ на счетньш вход ot счетчика 9 времени работы глубиннонасосной установки. Устройство переходит в состояние ожидания сигнала с выхода отметчика 11 крайних положений о нахождении полированного штока в крайнем нижнем положении. При получении этого сигнала блок 3 управления обнуляет реверсив-- ныл счетчик 12 площади динамограммы и счетчик 4 числа циклов незаполнения насоса, устанавливает реверсивный счетчик 12 в режим суммирования;, и цикл контроля работы глубиннонасос- ной установки возобновляется.

Таким образом, счетчик 9 времени работы глубиннонасосной установки подсчитывает фактическое суммарное время работы глубиннонасосной установки, а блок 10 индикации показывает фактическое суммарное время работы глубиннонасосной установки. При этом показания блока 10 индикации за определенный промежуток времени характеризуют эффективность эксплуатации малодебитных скважин в режиме периодической откачки.

Фиг. I

е