Устройство диагностирования скважинных штанговых насосов

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1224444

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3767269/25-06 (22) 05.07.84 (46) 15.04.86. Бюл. № 14 (71) Азербайджанский институт нефти и химии им. М. Азизбекова (72) Т. М. Алиев, В. P. Костанян и А. А. Тер-Хачатуров (53) 621.651(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 836343, кл. Е 21 В 44/00, 1979. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ

НАСОСОВ, содержащее датчики усилия и хода, выходы которых подключены соответственно к входам двух преобразователей напряжения, формирователь тактовой частоты, выход которого подключен к одному из входов блока управления, имеющего выходы, соединенные с входами блока памяти и трех счетчиков импульсов, причем другие входы первого и второго счетчиков импульсов подключены соответственно к выходам преоб(я) 4 F 04 В 47 00 Е 21 В 43 00 разователей напряжения, один выход второго счетчика импульсов подключен к другому входу третьего счетчика импульсов, а другой выход второго и выход третьего счетчиков импульсов соединены с двумя входами схемы сравнения, выход которой подключен к другому входу блока управления, и блок индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности диагностирования, оно дополнительно снабжено цифровым анализатором спектра и решающим блоком, входы цифрового анализатора спектра подключены соответственно к выходам первого счетчика импульсов, формирователя тактовой частоты и блока управления, выходы — к входу решающего блока и третьему входу блока управления, а выход решающего блока связан с входом блока индикации, щ а причем цифровой анализатор спектра и блок памяти, а также решающий блок и блок управления соответственно взаимосвязаны между собой и решающий блок связан с бло- С ком памяти.

1224444

Изобретение касается нефтедобычи, в частности устройств диагностирования скважинных 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 штанговых 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. 1) 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 из входов блока 6 управления, имеющего 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 ! 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 !4 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; S; — значение сигнала хода в t; момент времени; At, — шаг дискретизации сигнала хода; Л! — шаг дискретизации сигнала усилия; n — число дискретных значений сигнала хода за один период качания станка-качалки скважинного штангового насоса, Т вЂ” период качания станкакачалки.

Блок 5 управления (фиг. 3) имеет схему

15 ИЛИ, два входа которой подключены

5 ! о

3S

S5 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 !8 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 синхровходом 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 па1224444

50 раллельными 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 4 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 импульсов с формирователя 5 тактовой частоты через схему 18 И на вход счетчика 19 импульсов, который подсчитывает импульсы, следующие с частотой f„ 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

At, 2m, — = — --, где m, — число состояний 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 сигto

45 нала 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 (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 блоком 6 управления начинают формироваться стробирующие импульсы, следующие с частотой f = — -, которые разрешают счет

1 л 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 f стробирующих 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 записывается число N, 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 счетчика 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 N, в реверсивный счетчик 26, и цикл отсчета повторяется снова. При этом период следования стробирующих импульсов на входе первого счетчика 8 импульсов со2N, Т ставляет At = †- - = вЂ, число отсчетов

m, сигнала усилия равно

N = — -=m,.

Т

At

Таким образом, задавая число m, = N состояний счетчика 19 импульсов, можно получить требуемое число N отсчетов сигнала усилия при любом периоде Т качания станкакачалки. Измеренное значение сигнала усилия на каждом шаге дискретизации поступает с выхода первого счетчика 9 импульсов на вход цифрового анализатора 13 спектра, управляемого стробирующими импульсами

1224444 и-

+ (ХР; sin — ki), м N

5 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

C „= A + В „= (ZP; cos — ki) + где А и 13> — соответственно косинусные и синусные составляющие k-й гармоники спектра сигнала усилия;

Р; — 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

С2 х,= — +, где г=1, 2, 3.

Коды дискретных отсчетов сигнала Р(1) с выхода первого счетчика 8 импульсов подаются на объединенные входы умножителей 43 и 44 (фиг. 4), формирующих частные произведения

Ргcos(— ki) и Р; sin(— ki).

2л . . 2л

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, f0

40 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 шаге дискпетизации значения квадратов гармоник С сигнала усилия с выхода сумматора 51 подаются на объединенные входы регистров 52 и 53.

При этом каждое значение С» записывается в регистр 52 тактовыми импульсами с выхода элемента 41 задержки. а в регистр 53 записывается только цифровое значение квадрата первой гармоники, причем стробирующий импульс на вход регистра 53 поступает с выхода схемы 42 И, открывающейся триггером 38. Цифровые значения величин С и C i поступают на входы делителя 54, который определяет классификационные при2 знаки х, = вЂ, †. Очевидно, что за время

c„+, С выдачи всех N отсчетов на выходе схемы

55 И, связанной с делителем 54, последовательно появляются значения трех классификационных признаков xi, х, 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 !4. При этом значения классификационных признаков xi, х 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.

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 евклидового расстояния между исследуемым образом x(xi, х2, хз} и центром соответствующего класса;(z», z», z ;} определяется з у ч п $.

Si =Е(х zrj) = ей

Г=1 где х,, х„х — значения классификационных признаков для исследуемого образа-динамограммы;

z>I, z>,, кз; — значения уставок для центра

j-го класса состояния скважинного штангового насоса;

М = 6 — число классов состояния скважинного 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. 3а три периода стробирующих импульсов, поступающих с выхода блока 6 управления в сумматоре 59 образуется цифровое значение евклидового расстояния S между исследуемым образом Х и центром соответствующего класса z;. При этом стробирующие импульсы поступают на вход счетчика 63 классов через делитель 62 частоты и на выходе счетчика 63 фиксируется номер очередного класса состояP

Вияод блана 6 упридления

8ra8 Второго счелчима бимлултсо8

Втм од блана б упродления

Вяодтретптего гчеп чино

/В имлулесоб

8eraa сгемтт гбсроднгния

Вяау блопоб упроаления дтаод бпрно 6 упро8лемиг дтодпергога счеатчима Б улрабле ия

Ветяод блеют b упрадлен ия

Втаб аифеодого омолизалора то еле,матра бтпот7фррмиродап еля 6 тонлоаой

Вгодцифродога анализа лора 73 ело таа

Вагаб иифродого анализ мюра тб слемтра

8raa блана б упродления бород блана б упродлея ия Вяо8 блана 7ломял решоюит его блом т 74

Ветгод решомттуега блом

74

8r ra87 блана b упрадле ния мяти

«а /4 одо о амтслеплял

1224444 ния скважинного штангового насоса. Найденное значение евклидового расстояния

S> сравнивается схемой 61 сравнения с предыдущим значением S;

В случае, если S (S» 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 запи1о сывается код очередного номера класса состояния скважинного штангового насоса.

В случае, если код номера класса состояния скважинного штангового 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 штангового насоса и блок 12 индикации сигнализирует о соответствующем состоянии глубинного насоса.

Предложенное устройство позволяет диагностировать шесть классов состояния скважинного штангового насоса.

1224444

7лимялгб и_#_лелс я улр

Бе ко Блелт Б уллоАгел сю

БлЕиюг фиг Б

Редактор М. Келемеш

Заказ 1902/30

Зла леля

Лихая

Аие

Составитель Э. Гинзбург

Техред И. Верес Ко р ректор В. Бу тяга

Тираж 586 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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