Устройство для определения заполнения скважинного штангового насоса Советский патент 1989 года по МПК E21B43/00 

Изобретение относится к нефтедобыче и предназначено для управления работой глубинно-насосной установки в режиме периодической откачки.

Цель изобретения - повышение надежности определения заполнения насоса.

На фиг. приведена структурная схема устройства для определения заполнения скважинного штангового насоса; на фиг. 2 - формы сигналов датчика хода и датчика

установочным входом регистра 16, вторым входом второго элемента ИЛИ 19 и установочным входом устройства. Кроме того, в устройстве имеется блок отключения двигателя станка-качалки, содержащий исполнитель- 5 ное реле 23 и выходной триггер 24, прямой выход которого соединен с входом исполнительного реле 23, единичный установочный вход выходного триггера 24 связан с установочным входом устройства, а нулевой усусилия при нормальной работе глубинного 10 тановочный вход триггера 24 соединен с вто- насоса и при незаполнении.рым выходом дешифратора (ДШ) 25, причем

Устройство для определения заполнения первый выход дешифратора 25 подключен

к второму входу элемента И 20, а вход дешифратора 25 связан с выходом счетчика 21

скважинного глубинного насоса содержит датчик 1 усилия, счетный триггер 2, соединенный с выходом экстремум-детектора (ЭД) 3, вход которого через второй фильтр 4 соединен с выходом датчика 5 хода (ДХ), первый фильтр 6, одновибратор (ОВ) 7, вход которого подключен к выходу счетного триггера 2, а инверсный выход - к входу первого

15

числа циклов незаполнения насоса.

Устройство для определения заполнения скважинного глубинного насоса работает следующим образом.

Предварительно сигналом, поступающим на установочный вход устройства, через

элемента 8 задержки, задатчик 9 допустимых 20 второй элемент ИЛИ 19 обнуляется счетотклонений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, информационный вход которого через первый фильтр 6 соединен с выходом датчика 1 усилия, а выход АЦП 10 подключен к информационному входу блока 11 ключей, управляющий вход которого соединен с прямым выходом одновибрато- ра 7, выход блока 11 ключей связан с информационным входом накапливающего сумматора 12, установочный вход которого под25

чик 18 циклов работы насоса и через первый элемент ИЛИ 22 устанавливается в «О счетчик 21 числа циклов незаполнения насоса. Регистр 16 устанавливается в состояние, соответствующее единицам во всех его, разрядах, а выходной триггер 24 через исполнительное реле 23 запускает электродвигатель станка-качалки насоса (не показан). Сигнал датчика 5 хода, отфильтрованный от помех вторым фильтром 4 и представляюключен к выходу первого элемента 8 задерж- зо собой синусоидальное напряжение с

постоянной составляющей (фиг. 2, диаграмма а) поступает на ЭД 3, который формирует импульсы в моменты времени, соответствующие экстремальным (минимальным и максимальным) значениям синусоиды. Постуки, причем выход накапливающего сумматора 12 соединен с первым информационным входом блока 13 вычитания, управляющий вход которого связан с инверсным выходо.м ОВ 7, а выход блока 13 вычитания подключен к первому входу элемента 14 сравнения, 35 счетный триггер 2, каждый второй второй вход которого связан с задатчиком 9 такой импульс формирует перепад напряжения, запускающий ОВ 7. В зависимости от

40

допустимых отклонений. В устройстве имеет ся генератор 15 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен с управляющими входами AU,n 10 и накапливающего сумматора 12, выход которого подключен к информационному входу регистра 16 (РГ), соединенного своим выходом с вторым информационным входом блока 13 вычитания. Устройство также снабжено вторым элементом 17 задержки и счетчиком 18 циклов 45 работы насоса, счетный вход которого связан с выходом счетного триггера 2, а установочный вход - с выходом второго элемента ИЛИ 19, первый вход которого соединен с выходом элемента И 20, причем первый

начального состояния триггера это будет либо каждый четный, либо каждый нечетный импульс, что безразлично, поскольку они используются для подсчета числа качаний насоса и для формирования одинаковых промежутков времени, равных периоду качания насоса. Для этого важно, что-в каждом качании образуется два таких импульса и возникают они в строго определенные моменты времени каждого периода, так что время между двумя четными или нечетными импульсами составляет один период качания насоса. Количество таких перепадов напряжения подсчитывается счетчиком 18 циклов

вход элемента И 20 соединен с входом второ- 50 Работы насоса, что равносильно подсчету

го элемента 17 задержки и с выходом элемента 14 сравнения, а выход второго элемента 17 задержки подключен к счетному входу счетчика 21 числа циклов незаполнения насоса, установочным входом связанночисла качаний насоса. На прямом выходе ОВ 7 присутствует высокий уровень напряжения, пропускающий через блок .11 ключей сигнал датчика 1 усилия, отфильтрованный первым фильтром 6 и преобразованный в

го с выходом первого элемента ИЛИ 22, 55 цифровой код АЦП 10 с частотой ГТИ 15, первый вход которого и управляющий вход Информация с блока 11 ключей под действием импульсов с ГТИ 15 в моменты времени /; поступает в накапливающий сумматор 12,

регистра 16 соединены с выходом счетчиКа 18 циклов работы насоса, второй вход первого элемента ИЛИ 22 соединен с единичным

где образуется число, равное суммарному.

установочным входом регистра 16, вторым входом второго элемента ИЛИ 19 и установочным входом устройства. Кроме того, в устройстве имеется блок отключения двигателя станка-качалки, содержащий исполнитель- ное реле 23 и выходной триггер 24, прямой выход которого соединен с входом исполнительного реле 23, единичный установочный вход выходного триггера 24 связан с установочным входом устройства, а нулевой ус

числа циклов незаполнения насоса.

Устройство для определения заполнения скважинного глубинного насоса работает следующим образом.

Предварительно сигналом, поступающим на установочный вход устройства, через

второй элемент ИЛИ 19 обнуляется счетвторой элемент ИЛИ 19 обнуляется счет

чик 18 циклов работы насоса и через первый элемент ИЛИ 22 устанавливается в «О счетчик 21 числа циклов незаполнения насоса. Регистр 16 устанавливается в состояние, соответствующее единицам во всех его, разрядах, а выходной триггер 24 через исполнительное реле 23 запускает электродвигатель станка-качалки насоса (не показан). Сигнал датчика 5 хода, отфильтрованный от помех вторым фильтром 4 и представляю0

5

начального состояния триггера это будет либо каждый четный, либо каждый нечетный импульс, что безразлично, поскольку они используются для подсчета числа качаний насоса и для формирования одинаковых промежутков времени, равных периоду качания насоса. Для этого важно, что-в каждом качании образуется два таких импульса и возникают они в строго определенные моменты времени каждого периода, так что время между двумя четными или нечетными импульсами составляет один период качания насоса. Количество таких перепадов напряжения подсчитывается счетчиком 18 циклов

Работы насоса, что равносильно подсчету

числа качаний насоса. На прямом выходе ОВ 7 присутствует высокий уровень напряжения, пропускающий через блок .11 ключей сигнал датчика 1 усилия, отфильтрованный первым фильтром 6 и преобразованный в

цифровой код АЦП 10 с частотой ГТИ 15, Информация с блока 11 ключей под действием импульсов с ГТИ 15 в моменты времени /; поступает в накапливающий сумматор 12,

где образуется число, равное суммарному.

за период Tk качания значению напряжений С/, датчика 1 усилий.

Очередной рабочий перепад напряжения на выходе счетного триггера 2, возникающий по окончании периода качания насоса, вырабатывает разнополярные импульсы на выходах ОВ 7. Отрицательный импульс (логический перепад типа 1-О-1) на прямом выходе предотвращает дальнейщее поступление информации в накапливающий сумматор 12, закрывая блок 11 ключей на время действия этого импульса. Положительный импульс (логический перепад О-1-0) на инверсном выходе ОВ 7, поступая на управляющий вход блока 13 вычитания, инициирует вычитание содержимого накапливающего сумматора 12-из содержимого регистра 16, а также через первый элемент 8 задержки обнуляет накапливающий сумматор 12. По окончании переходного процесса в ОВ 7 блок 11 ключей снова открывается и в накапливающем сумматоре 12 начинает формироваться число, равное значению 2t// в следующем периоде качания насоса.

В основе работы устройства лежит тот факт, что при наступлении явления незаполнения некоторые параметры сигнала датчика 1 усилия (в данном случае, суммарного за период качания напряжения SL , датчика 1 усилия) начинают интенсивно в течение нескольких качаний увеличиваться (фиг. 2, диаграмма б, значения Si/, )- Однако постепенный дрейф характеристики датчика 1 усилий также может привести к значительному увеличению St/,. (фиг. 2, диаграмма б, значения Sf/n), в то время, как неза- иолнения насоса еще не произошло, поэтому определение незаполнения насоса по возрастанию текущего значения S(/i может оказаться недостоверным.

Для повышения достоверности в устройстве по истечении десятки качаний насоса, количество которых подсчитывается счетчиком 18 циклов работы насоса, на выходе счетчика 18 возникает импульс, осуществляющий запись в регистр 16 числа, равного значению из накапливающего сумматора 12. В течение следующей серии из десяти качаний насоса содержимое регистра 16 будет служить эталоном для сравнения в конце каждого качания с суммой, накопленной в сумматоре 12. Затем эталонное значение в регистре 16 вновь обновится и т. д. Сравнение содержимого сумматора 12 и регистра 16 производится путем вычитания в блоке 13 вычитания и сравнения результата в элементе 14 сравнения с допустимой величиной А, учитывающей возможные случайные отклонения и хранящейся в задатчике 9 допустимых отклонений. Если содержимое накапливающего сумматора 12 (число, равное текущему значению Et/,-) больше содержимого регистра 16 (число, равное эталонному значению SL/,) на величину, превы- щающую Д, то на выходе элемента 14 сравнения появляется сигнал, свидетельствующий о том, что в текущем качании насоса наблюдалось его незаполнение. Поскольку в начальный после включения устройства

промежуток времени возможны переходные процессы, то эталонное значение Е(У, для первых десяти качаний не фиксируется, а в регистр 16 сигналом предварительной установки заносится информация, представляющая собой единицы во всех его разрядах,

О т. е. наибольщее для данной разрядности число, гарантирующее, что содержимое регистра больще содержимого сумматора и на выходе элемента 14 сравнения не появится сигнал о незаполнении насоса.

Однако сигнал о незаполнении в одном и даже в нескольких качаниях может сви- детельствать не только об откачке жидкости из скважины и снижении ее уровня до приема насоса, при которых следует прекращать

0 откачку, но и о прорыве порции газа (газового пузыря) к забою скважины. В последнем случае по истечении нескольких, обычно от четырех до шести, качаний нормальное заполнение цилиндра насоса восстанавли5 вается, поскольку незаполнение в этом случае не является следствием снижения уровня жидкости. Во избежание реагирования устройства на такие ситуации счетчиком 21 числа циклов незаполнения насоса подсчитывается количество качаний с незаполне0 нием на каждые десять качаний. Информация об этом поступает на его счетный вход через второй элемент 17 задержки в виде импульсов с элемента 14 сравнения. Снижение уровня жидкости в скважине будет достоверным, если в течение серии качаний

5 их количество с незаполнением составит шесть или более качаний. При этом сигнал с второго выхода дешифратора 25, дешифрирующего состояние счетчика 21 числа циклов незаполнения, обнуляет выходной триггер 24, отключая исполнительное реле 23 управляющее электродвигате 1ем станка- качалки скважины. Если же число незаполнений за очередную серию будет меньше шести, то возможной причиной незаполнения является прорыв газа, поэтому импульс о

5 завершении серии со счетчика 18 циклов работы насоса через первый элемент ИЛИ 22, обнуляет счетчик 21 числа циклов незаполнения насоса, подготавливая его к выполнению соответствующих функций в очередной серии качаний.

0 В работе устройства возможна ситуация, при которой незаполнение насоса возникает в нескольких последних из очередных десяти качаний. Смена образцового значения 26/ в регистре 16 при этом нежелательна, поскольку она может завуалировать факт уве личения текущего суммарного значения SL ,-. Во избежание этого первым сигналом о не- заполйении с элемента 14 сравнения счетчик 8 циклов работы насоса, подсчитывающий общее количество качаний в серии, че0

рез элемент И 20 и второй элемент ИЛИ 19 обнуляется. Тем самым число качаний в анализируемой серии увеличивается и образцовое значение Е(У,- в регистре 16 остается неизменным еще на десять качаний. Кроме того, не обнуляется счетчик 21 числа циклов незаполнения насоса, т. е. подсчет числа незаполнений о серии не возобновляется, а продолжается. Чтобы эти действия не повторялись, после каждого незаполнения прохождение сигнала о незаполнении с элемента 14 сравнения через элемент И 20 разрешается сигналом с первого (нулевого) выхода дешифратора 25, т. е. через элемент И 20 пропускается только первый сигнал о незаполнении, так как этот же сигнал, про- ходя через второй элемент 17 задержки, изменяет состояние счетчика 21 числа циклов незаполнения насоса и дешифратора 25, запрешая, тем самым, прохождение остальных импульсов через элемент И 20 до тех пор, пока счетчик 21 числа циклов незапол- нения вновь не будет обнулен. Наличие второго элемента 17 задержки необходимо для того, чтобы изменение состояния счетчика 21 числа циклов незаполнения насоса и дешифратора 25 произошло с задержкой по времени, позволяющей элементу И 20 пропустить сигнал о незаполнении насоса без искажений.

Таким образом, введение в устройство порогового значения для количества незаполнений в серии качаний и сравнение сигнала датчика 1 усилий в текущем качании по одному из параметров с периодически обновляемым образцовым значением .такого параметра позволяет на фоне нестабильных изменений сигнала, вызванных прорывом порции газа к забою скважины, и медленных, но значительных по величине изменений, вызванных дрейфом характеристик датчика 1, надежно и достоверно выделить стабильные и интенсивные изменения сигнала, связанные со снижением уровня жидкости в скважине до приема насоса, которое имеет важное значение для организации управления процессом периодической откачки жидкости из малодебитных скважин. Устройство позволяет более надежно определять незаполнение скважинного штангового насоса, вызванное снижением уровня жидкости. При этом исключаются как случаи ложного срабатывания (остановка скважины при не- дооткаченной жидкости), так и случаи продолжения откачки при снижении уровня жидкости до приема насоса, вызванные дрейфом характеристик датчика 1 усилий. Кроме того, в устройстве исключаются ложные срабатывания, вызванные прорывом газа к приему глубинного насоса при еще не снизившемся уровне жидкости. Это позволяет точнее определять момент отключения глубинно-насосной установки для накопления жидкости и исключить случаи ложного отключения.

5

Формула изобретения Устройство для определения заполнения скважинного штангового насоса, содержащее датчик усилий, счетчик циклов работы насоса, счетчик числа циклов незаполнения насоса, элемент сравнения и блок отключения двигателя станка-качалки, включающий выходной триггер и исполнительное реле, подключенное к прямому выходу выходного триггера, отличающееся тем, что, с целью повыщения надежности, оно снабжено датчиком хода, первым и вторым фильтрами, экстремум-детектором, счетным триггером, одновибратором, первым и вторым элементами задержки, задатчиком допустимых отклонений, аналого-цифровым преобразователем, блоком ключей, накапливающим сумматором, блоком вычитания, генератором тактовых импульсов, регистром, первым и вторым элементами ИЛИ, элементом И и дешифратором, причем датчик хода через второй фильтр и экстрему м-детектор подключен к входу счетного триггера, выход которого соединен со счетным входом счетчика циклов работы насоса и входом одно- вибратора, прямой выход которого подключен к управляющему входу блока ключей, инверсный выход соединен с управляющим входом блока вычитания и входом первого элемента задержки, выход которого подютю- чен к установочному входу накапливающего сумматора, вход которого соединен с выходом блока ключей, вход блока ключей подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен через первый фильтр с выходом датчика усилий, управляющий вход подключен к генератору тактовых импульсов и управляющему входу накапливающего сумматора, выход которого соединен с первым входом блока вычитания и входом регистра, выход которого подключен к второму входу блока вычитания, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, второй вход которого подключен к задатчику допустимых отклонений, выход соединен с первым входом элемента И и через второй элемент задержки подключен к счетному входу счетчика числа циклов незаполнения насоса, установочный вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, выход подключен к входу дешифратора, первый выход которого соединен с вторым входом элемента И, выход которого подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с установоч- 0 ным входом счетчика циклов работы насоса, выход которого подключен к управляющему входу регистра и первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с установочным входом устройства, установочным входом регистра, вторым входом второго элемента ИЛИ и единичным установочным входом выходного триггера, нулевой установочный вход которого подключен к второму выходу дешифратора.

0

5

0

5

5

ЛХ

О

Изобретение относится к нефтедобыче в малодебитных скважинах. Цель - повышение надежности определения заполнения насоса (Н). Устройство содержит датчик 1 усилия, счетчик 18 циклов работы Н, счетчик 21 числа циклов незаполнения Н, элемент 14 сравнения и блок отключения двигателя станка-качалки. Последний включает выходной триггер 24 и исполнительное реле 23. Для достижения цели устройство имеет датчик 5 хода, фильтры 4, 6, экстремум-детектор 3, счетный триггер 2, аналого-цифровой преобразователь 10, генератор 15 тактовых импульсов, блок 11 ключей, одновибратор 7, накапливающий сумматор 12, элементы 8, 17 задержки, регистр 16, блок 13 вычитания, задатчик 9, элементы ИЛИ 22,19, элемент И 20, дешифратор 25. Датчик 5 дает информацию о количестве циклов работы Н. Число циклов подсчитывается счетчиком 18. Сигнал датчика 1 периодически оцифровывается через шаг квантования, определяемый генератором 15, и накапливается в сумматоре 12. Накопление производится за период качания Н. В регистре 16 хранится предыдущее значение суммарного сигнала. Производятся вычитание в блоке 13 и сравнение с уставкой. При превышении разностного сигнала над уставкой фиксируется незаполнение. Число незаполнений подсчитывается в счетчике 21. Дешифратор 25 срабатывает при шести циклах незаполнения. Триггер 24 отключает через реле 23 электродвигатель станка-качалки. Изобретение позволяет исключить определение незаполнения, вызванное прорывом порции газа к забою скважины и дрейфом характеристики датчика 1. 2 ил.

ИАИ

8

Л Uii

ифг Ug,i

М I

г

ViftZ

7Ui2

/

Ainu

7nUiiU UL7

Фиа 2