Устройство и способ управления насосной системой скважины

 

Использование: для управления работой нефтяных скважин. Сущность изобретения: устройство управления насосной системой скважин, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом, содержащее средства измерения нагрузки на насосные штанги при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, средства измерения положения насосных штанг при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, а также средства построения диаграммы по измеренным значениям положения и нагрузки, компьютерные средства для определения значения площади части диаграммы, средства задания эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для изменения рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением, снабжено средствами установки на диаграмме эталонного значения нагрузки, большего по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, и двух эталонных значений положения при ходе нагнетания вниз, а компьютерные средства выполнены с возможностью определения значения площади нижней части диаграммы, ограниченной сверху указанным эталонным значением нагрузки и заключенной между эталонными значениями положения. 4 с. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области управления работой нефтяных скважин и более точно касается устройства и способа управления насосной системой скважины.

Известен способ управления насосной скважины, состоящий в контроле условий прекращения откачки скважины путем оценки данных на диаграмме, которая воспроизводит измеренную нагрузку блестящей штанги и измеренное или рассчитанное положение блестящей штанги. Известно также устройство управления насосной системой скважины [1] которое позволяет контролировать прекращение откачки путем определения того, превышает ли нагрузка в определенной точке хода поршня вниз заданной или регулируемый пользователем предел. Известны устройства, позволяющие измерять площадь внутри диаграммы для одного полного хода, которая представляет работу, выполненную насосом, и сравнивать эту площадь с предельной. В частности, в [2] описано устройство и способ интегрирования полной площади внутри диаграммы. В [3] описан способ интегрирования равных участков при ходе поршня вверх и ходе поршня вниз.

В [4] описано устройство управления насосной системы скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом возвратно-поступательного действия, содержащее средства измерения нагрузки при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания и генерирования сигналов, пропорциональных относительной нагрузке на насосные штанги, средства измерения положения насосных штанг и генерирования сигналов, пропорциональных положению набора насосных штанг в цикле нагнетания, одновременно с каждым сигналом нагрузки, а также средства построения диаграммы по измеренным значениям положения и нагрузки, компьютерные средства интегрирования для определения значения площади части диаграммы, средства задания эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для изменения рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением.

Там же описан способ управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом, при котором определяют значения нагрузки на набор насосных штанг при движении насоса в цикле нагнетания, определяют значения положения насосных штанг при возвратно-поступательном движении в цикле нагнетания, а также формируют диаграмму по измеренным значениям положения и нагрузки, определяют значение площади части диаграммы, задают эталонное значение площади и сравнивают определенное значение площади с ее эталонным значением, с последующим изменением рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением.

Однако, известные способ и устройство обладают недостатками, заключающимися в том, что они трудны для использования при регулировании и иногда дают ложное обнаружение необходимости прекращения откачки, когда скважина в действительности полная. Например, когда скважина была закрыта в течение длительного периода времени, как например, при проведении осмотра и текущего ремонта, уровень жидкости в кольце может подниматься. Этот подъем уровня жидкости уменьшает гидростатический напор, необходимый для подъема жидкости на поверхность, так, как если бы скважина была менее глубокой. Когда насос вновь запускается, ему, следовательно, необходимо выполнить меньшую работу, и площадь внутри диаграммы может уменьшиться до точки, в которой будет обнаружено прерывание откачки даже, если насос полный.

В основу изобретения поставлена задача создать устройство и способ управления насосной системой скважины, которые исключали бы возможность ложного обнаружения необходимости прекращения откачки.

Эта задача решается тем, что устройство управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом, содержащее средства измерения нагрузки на насосные штанги при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, средства измерения положения насосных штанг при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, а также средства построения и нагрузки, компьютерные средства для определения значения площади части диаграммы, средства задания эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для изменения рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением, согласно изобретению, снабжено средствами установки на диаграмме эталонного значения нагрузки, большего по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, и двух эталонных значений положения при ходе нагнетания вниз, а компьютерные средства выполнены с возможностью определения значения площади нижней части диаграммы, ограниченной сверху указанным эталонным значением нагрузки и заключенной между эталонными значениями положения.

Целесообразно компьютерные средства выполнить с возможностью фиксации момента прохождения по меньшей мере одним элементом наземной части насосной системы заданного положения в каждом цикле и начала определения площади в заданное время после этого момента, а средства сравнения выполнить с возможностью выявления случая, в котором определенное значение площади меньше ее эталонного значения.

Желательно также средства управления выполнить с возможностью отключения приводного двигателя по меньшей мере по времени или с возможностью уменьшения скорости приводного двигателя.

Возможно, кроме того компьютерные средства выполнить с возможностью построения диаграммы по значениям нагрузки и положения насосных штанг по меньшей мере за один полный цикл нагнетания насосной системы, а средства управления выполнить с возможностью изменения рабочих параметров на основании сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением за несколько циклов.

Можно в качестве средств измерения нагрузки использовать датчик нагрузки, размещенный между набором насосных штанг и приводным двигателем.

Можно, также в качестве средств измерения нагрузки использовать датчик нагрузки, размещенный на подъемном балансире.

Желательно, в качестве средств измерения положения использовать потенциометр, размещенный с возможностью контакта с подъемным балансиром.

Однако возможно также в качестве средств измерения положения использовать выключатель для фиксации момента прохождения по меньшей мере одним элементом наземной насосной системы через заданное опорное положение при ходе вверх.

Целесообразно, кроме того, в качестве средств измерения положения использовать потенциометр, установленный на подъемном балансире.

Предпочтительно, чтобы устройство было снабжено дисплеем для видимого воспроизведения диаграммы в процессе цикла нагнетания.

В другом варианте поставленная задача решается тем, что устройство управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом возвратно-поступательного действия, содержащее средства измерения нагрузки при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания и генерирования сигналов, пропорциональных относительной нагрузке на насосные штанги, средства измерения положения и генерирования сигналов, пропорциональных положению набора насосных штанг в цикле нагнетания, одновременно с каждым сигналом нагрузки, а также средства построения диаграммы по измеренным значениям положения и нагрузки, средства интегрирования для определения значения площади части диаграммы, средства заданий эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для изменения рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением, согласно изобретению снабжено средствами установки на диаграмме момента времени окончания интегрирования при ходе нагнетания вниз, момента времени начала интегрирования и эталонного значения нагрузки, большего по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, а средства интегрирования выполнены с возможностью накопления положительных разностей между эталонным значением нагрузки и текущими значениями нагрузки, соответствующими сигналами, генерированным средствами измерения нагрузки при всех измерениях в течение временного интервала между заданными моментами времени начала и окончания интегрирования.

Поставленная задача, кроме того, решается тем, что в способе управления насосной системой скважины, имеющей природный двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом, при котором определяют значения нагрузки на набор насосных штанг при движении насоса в цикле нагнетания, определяют значения положения насосных штанг при возвратно-поступательном движении в цикле нагнетания, а также формируют диафрагму по измеренным значениям положения и нагрузки, определяют значение площади части диаграммы, задают эталонное значение площади и сравнивают определенное значение площади с ее эталонным значением, с последующим изменением рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением, согласно изобретению, устанавливают на диаграмме эталонное значение нагрузки, большее, по меньшей мере, некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, а также начальное и конечное эталонные значения положения и определяют значение площади нижней части диаграммы, ограниченной сверху указанным эталонным значением нагрузки и заключенной между начальным и конечным эталонными значениями положения.

Целесообразно при определении значения площади фиксировать момент прохождения по меньшей мере одним элементом наземной части насосной системы заданного опорного положения в процессе отдельного цикла и начинать определение площади в заданное время после этого момента.

Желательно при сравнении площадей выявлять случаи, когда определенное значение площади меньше ее эталонного значения.

Возможно приводной двигатель отключать по меньшей мере периодически при измерении рабочих параметров.

Возможно также при измерении рабочих параметров уменьшать скорость приводного двигателя.

Предпочтительно формировать замкнутую диаграмму по значениям положения и нагрузки по меньшей мере за один полный цикл нагнетания.

Желательно изменение рабочих параметров осуществлять по результатам сравнения определенной площади с ее эталонным значением за несколько циклов.

Для определения значения площади можно фиксировать момент прохождения по меньшей мере одним элементом наземной насосной системы через заданное опорное положение и начинать определение площади в заданное время после этого момента, причем на этапе сравнения следует выявлять случаи, когда определенное значение площади меньше ее эталонного значения, а на этапе изменения параметров отключать приводной двигатель по меньшей мере периодически, если указанные случаи выявляются многократно.

Еще в одном варианте поставленная задача решается тем, что устройство управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом возвратно-поступательного действия, содержащее средства измерения нагрузки на набор насосных штанг и их положения при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, включающие выключатель для фиксации момента прохождения по меньшей мере одни элементом наземной насосной системы через заданное опорное положение при нагнетании, средства построения диаграммы по измеренным значениям положения и нагрузки в течение полного цикла нагнетания, компьютерные средства для определения значения площади части диаграммы, средства задания эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для изменения рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения, согласно изобретению снабжено средствами установки на диаграмме эталонного значения нагрузки, большего по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, и средствами установки первого эталонного значения положения, характеризующего положение насосных штанг в первый выбранный момент времени после прохождения упомянутым элементом через заданное опорное положение, и средствами установки второго опорного положения, характеризующего положение насосных штанг при ходе вниз во второй выбранный момент времени, компьютерные средства выполнены с возможностью определения значения площади нижней части диаграммы, ограниченной сверху эталонным значением нагрузки и заключенной между первым и вторым эталонным значениями положения, средства сравнения с возможностью выявления случая, в котором определенное значение площади меньше ее эталонного значения, а средства управления с возможностью отключения приводного двигателя, по меньшей мере периодически, на основании результатов сравнения значений площадей в течение множества циклов.

Предпочтительно формируемую диаграмму воспроизводить визуально в течение цикла нагнетания.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами. На фиг. 1 изображено в поперечном разрезе насосное оборудование скважины как на поверхности, так и в скважине; на фиг. 2 участок А на фиг. 1, увеличено; на фиг. 3 участок В на фиг. 1, увеличено, изометрия; на фиг. 4 участок С на фиг. 1, увеличено; на фиг. 5 - укрупненная блок-схема устройства управления насосной системой скважины; на фиг. 6 согласно изобретению примеры диаграмм с интегрируемыми площадями для полного насоса и для случая прекращения откачки; на фиг. 7 общая логическая технологическая схема предпочтительного варианта изобретения.

На фиг. 1 показан общий вид обычной нефтяной скважины и насосной установки 1. В обычной практике используют ряд взаимосвязанных штанг, называемых насосными штангами, образующими набор 2 штанг для соединения приводного двигателя 3 насосной установки 1 (станка-качалки) с подземным насосом 4. Самая верхняя штанга 5, обычно называемая блестящей штангой, проходит через сальниковое уплотнение 6, позволяющее набору 2 штанг двигаться вверх и вниз в скважине без утечки жидкости из скважины. Как видно на фиг. 2 набор 2 штанг подвешен за узду 7 станка качалки на держателе 8 посредством зажима 9 блестящей штанги 5.

На фиг. 4 показано как набор 2 штанг соединяет станок-качалку с плунжером 10 насоса 4, который перемещается вверх и вниз в корпусе 11 благодаря возвратно-поступательному движению набора 2 штанг.

При ходе вверх жидкость (показана штриховкой) в тюбинге 12 поднимается насосом 4 и вся нагрузка жидкости подпирается плунжером 10 и скользящим клапаном 13. При ходе вниз плунжер 10 движется вниз в корпусе 11 насоса 4, который заполняется жидкостью. Давление жидкости в корпусе 11 заставляет шарик скользящего клапана 19 открываться и позволяет плунжеру 10 скользить вниз сквозь жидкость в корпусе 11 насоса. При открытом скользящем клапане 19 нагрузка жидкости передается неподвижному клапану 14 и, следовательно, тюбингу 12.

При ходе вверх, гидростатическое давление жидкости в кольцевом зазоре между тюбингом 12 и кожухом 15 вынуждает жидкость течь через неподвижный клапан 14 в корпусе 11 насоса, которая откачивается поднимающимся плунжером 10. Когда гидростатический напор уровня жидкости в кольце между кожухом 15 и тюбингом 12 снижается ниже критического давления всасывания, при этом, однако подземный насос будет кавитировать (т.е. в нем образуется пустая полость) из-за неполного заполнения, создаются условия, обычно называемые "прекращением откачки". Вследствие неполного заполнения насоса 4 в части его корпуса 11 сразу же под плунжером 10 присутствует пар, что показано штриховой на фиг. 4. Давление этого пара является недостаточным для того, чтобы заставить открыться скользящей или подвижный клапан 13, и нагрузка не передается от набора 2 штанг тюбингу 12 до тех пор, пока плунжер 10 не пересечет границу поверхности раздела между парообразной и жидкой фазами в корпусе 11 насоса, заставляя быстро передавать нагрузку жидкости и кинетическую энергию от набора 2 штанг 12, что обычно называют "биением жидкости". Биение жидкости, действующее совместно с прекращением откачки может вызвать повреждения насосного оборудования, в частности набора 2 штанг, тюбинга 12 и корпуса 11 насоса. Величина биения жидкости пропорциональна сумме плавучего веса набора 2 штанг и жидкости и квадрату скорости перемещения плунжера 10 при пересечении им поверхности раздела парообразной и жидкой фаз. Вследствие того, что движение обычной насосной установки, является, в основном, синусоидальным, скорость возрастает от нуля в вершине такта нагнетания до максимума в середине хода вниз. Поэтому желательно точно и своевременно обнаружить или выявить возникновение прекращения откачки при ходе вниз для того, чтобы остановить работу скважины до тех пор, когда жидкость в кольце между кожухом 15 и тюбингом 12 сможет подняться и создать достаточный гидростатический напор для заполнения корпуса 11 насоса 4.

Чтобы обнаружить момент прекращения откачки таким путем, необходимо обеспечить измерение нагрузки и положения набора 2 штанг все время. Проведение таких измерений может быть осуществлено с использованием различных известных устройств.

В описываемом ниже примере выполнения устройства для осуществления таких измерений имеется тензометрический датчик 16 (фиг. 1, 2) нагрузки, установленный между держателем 8 и зажимом 9 блестящей штанги 5, и предназначенный для передачи всей нагрузки штанги 5. Электрический выходной сигнал такого установленного на блестящей штанге 5 датчика 16 нагрузки прямо пропорционален нагрузке на блестящей штанге 5.

Возможно, кроме того, как изображено на фиг. 1 и 3, нагрузку на блестящей штанге 5 измерять с помощью датчика 17 нагрузки, установленные на верхней полке подъемного балансира 18. Блестящая штанга 5 передает нагрузку подъемному балансиру 18 через держатель 8 зажим 9 и узлу 7, которая заставляет балансир 18 слегка изгибаться, удлиняя таким образом его верхнюю полку. Датчик 17 нагрузки измеряет удлинение верхней полки подъемного балансира 18, которое пропорционально нагрузке на блестящую штангу 5. Если используется тензометрический датчик, то может оказаться необходимым предусмотреть средства для компенсации перепада солнечного нагрева между верхней и нижней полками подъемного балансира.

Для изменения положения блестящей штанги 5, соответствующего в любой момент измеренному значению нагрузки в устройстве, согласно изобретению, предусмотрен датчик положения, в данном случае потенциометр 19, корпус которого прикреплен к статичной конструкции насосной установки (станка-качалки), например, к стойке 20. Потенциометр 19 содержит валик, присоединенный параллельно балансиру 18 через телескопический валик 21 и цепь 22. Так как подъемный балансир 18 поворачивается по дуге, телескопический валик 21, и, следовательно, движок потенциометра 19 поворачивается на тот же угол, что и подъемный балансир. Положение движка потенциометра 19, следовательно, пропорционально положению блестящей штанги 5.

В качестве датчика положения может быть, кроме того, использован уклономер, который установлен на верхней полке подъемного балансира 18, при этом уклономер генерирует электрический сигнал, пропорциональный углу отклонения балансира 18 и, следовательно, положению блестящей штанги 5.

Еще одним средством определения положения, согласно изобретению, является переключатель (или коммутатор) 23 положения, установленный на статичной конструкции насосной установки 1 (станка-качалки) таким образом, что обеспечивается возможность зафиксировать момент прохождения плеча кривошипа 2, через заданное опорное положение при ходе вверх, что дает информацию о положении блестящей штанги 5, в одной точке каждого нагнетательного такта. Так как движение блестящей штанги 5 является, в основном, синусоидальным, и период или время такта известно, возможно хорошее воспроизведение положения блестящей штанги 5 путем анализа времени или периода такта, геометрии насосной установки 1 и сдвига в приводном двигателе 3.

Выходной сигнал потенциометра 19 или уклономера, становящийся большим, чем заранее установленное значение, также может использоваться как коммутатор обнаружения положения подъемного балансира в отдельной точке хода вверх. Другим средством определения положения блестящей штанги 5 является установка ртутного переключателя на подъемном балансире таким образом, чтобы ртуть внутри ртутного переключателя подключала электрическую схему в определенной точке хода вверх.

Устройства, выбранные для измерения нагрузки и положения, соединены кабелями 25 с устройством управления насосной системой скважины регулятором 26. Регулятор 26 анализирует данные о нагрузке и положении и определяет момент прекращения откачки в соответствии со способом управления, согласно изобретению.

На фиг. 5 показана блок-схема устройства управления насосной системой скважины регулятора 26, включая ее сходы и выходы. Сигналы с датчика 27 нагрузки и сигналы с датчика 28 положения, подключенных выходами ко входу многоканального модулятора 29, поступает с выхода последнего на вход аналого-цифрового преобразователя 30, который установлен на входе регулятора 26 и который передает данные в цифровой форме для использования в блоке 31 обработки данных регулятора. Блок 31 обработки данных (компьютерное средство) регулятора может быть интегральной схемой микрорегулятора типа off-the-shelf, выпускаемой фирмой Intel Corp в серии 8051. Регулятор 26 может управляться входными командами пользователя с внешней клавишной панели 32 или по каналу 38 связи. Главной функцией блока 31 регулятора является передача управляющего сигнала на выход 34 управления для того, чтобы, остановить двигатель 3 (или иным способом передачи управления, когда существуют такие условия, как прекращения откачки), и посылка сигнала, управляющего запуском двигателя через соответствующий период времени. Базовая рабочая схема 35,3 блок 36 программного управления и блок 37 алгоритма обнаружения прекращения откачки для системы предпочтительно содержится только в считывающей памяти. Рабочие параметры, рабочие программы, данные кратковременного хранения, как например, данные диаграммы усилий, предпочтительно, хранятся в запоминающем устройстве 38 с произвольным порядком выборки. Исторические данные и главный экземпляр (оригинал) рабочих параметров, предпочтительно, хранятся в батарейном резервном долговременном запоминающем устройстве 39 с произвольным порядком выборки. При включении в сеть рабочие программы блоков 35, 36 и 37 передаются из считывающей памяти в память с произвольным порядком выборки и рабочие параметры передаются из запоминающего устройства 39 в запоминающее устройство 38. Блок 31 запрограммирован на команду с клавишной панели 32 или канала 33 связи регистрировать сообщения, содержащие описание и значения любых параметров, в дисплее 40.

Сущность способа управления насосной системой скважины согласно изобретению будет ясна из нижеследующего описания со ссылками на фиг. 6, на которой приведен пример форм диаграмм полного насоса и прекращения откачки, использующих непреобразованные данные по поверхности.

Горизонтальная ось на фиг. 6 представляет положение (выше или ниже) блестящей штанги 5 относительно уровня земли, тогда как вертикальная ось представляет нагрузку на штангу 5. Так как насос действует или работает по своему циклу, точка нагрузки положение движется в направлении по часовой стрелке по диаграмме. Линия 41 представляет эталонную нагрузку и регулятор будет интегрировать площадь между линией 41 и линией диаграммы. Эталонная нагрузка может быть выбрана пользователем либо как абсолютное значение нагрузки, либо как относительное значение, приведенное например, к максимальной, минимальной или средней нагрузке (или любой их комбинации, как например, разности между максимумом и минимумом, выше специального калибровочного такта или расчетного такта, или как значение, определяемое нагрузкой за определенное время или положением в калибровочном или расчетном такте, как например, нагрузка на верху такта. Альтернативно эталонная нагрузка 41 может автоматически устанавливаться регулятором любым способом. Некоторые автоматические способы могут включать динамическую калибровку эталонной нагрузки, при которой ее устанавливают на различном уровне в процессе такта в зависимости от фактического измеренного значения нагрузки.

Регулятор интегрирует площадь ниже линии 41 эталонной нагрузки между двумя пределами положения 42 и 43. Предел положения 42 является точкой, в которой начинается интегрирование, и обычно расположен на вершине такта. Предел положения 42 можно определить несколькими путями, включая сигнал от переключателя, физически расположенного на вершине такта программу или схему, выполняющую математическую МАХ функцию, или таймер, измеряющий фиксированный или изменяющийся период времени от известной точки при ходе вверх. При осуществлении таймерного способа с использованием регулятора пользователь помещает где-нибудь не неподвижной опорной конструкции схему, которая обнаруживает прохождение подвижной поверхности насосного оборудования через определенную точку при ходе вверх, например, с помощью вспомогательного устройства на неподвижной части. Затем регулятор дает возможность пользователю выбрать и ввести заданный промежуток времени, измеряемый в долях секунд или, возможно, в долях такта. В процессе работы регулятор включает таймер, когда подвижная часть проходит детектор. По истечении заданного периода времени, начинается интегрирование. Регулятор может иметь способность рассчитывать средний период такта, в этом случае пользователь может иметь возможность устанавливать время сигнала таймера таким образом, чтобы выбранная пользователем доля периода такта кончалась после запуска детектора. Эта дополнительная способность позволяет более точно обнаружить вершину такта, не считаясь с изменениями скорости откачивания, которые могут быть значительными.

Для системы необязательно, чтобы при начале интегрирования эталонный предел положения 42 точно согласовывался с вершиной такта. Пользователь может настроить таймер таким образом, чтобы он срабатывал на части хода при ходе вниз. Однако, обычно нежелательно, чтобы предел был установлен перед вершиной такта. Данная система сконструирована так, чтобы измерять часть площади внутри диаграммы. При обычных способах интегрирования, если интегрирование начинается до вершины такта, или эталонная нагрузка 41 установлена слишком большой, вычисление площади между эталонной нагрузкой 41 и линией диаграммы будет искаженным из-за включения площади, которая лежит снаружи линии диаграммы. Регулятор предотвращает эту проблему путем занесения в интеграл любого отдельного участка площади, если нагрузка при интегрировании от линии 41 превышает фактически измеренные данные нагрузки, то есть, если площадь является положительной, даже между пределами положения 42 и 43. Другими словами, когда измеренное значение нагрузки больше, чем интеграл эталонного значения 41. Следовательно, не имеет значения, если предел положения 42 установлен перед вершиной такта.

Следовательно, в соответствии с основной концепцией изобретения, которая состоит в интегрировании площади, ограниченной эталонной линией 41, концом интегрирования эталона 42 и кривой диаграммы, необязательно использовать начальный предел положения 42. Предпочтительно, регулятор может быть просто установлен или настроен на начало вычисления площади после прохождения измеряемого значения нагрузки ниже линии 41 интегрирования эталона. Следовательно, в основной форме изобретения этап и средства для настройки начала периода интегрирования (точка 42) могут быть исключены (или пропущены), интегрирование может начать, когда линия диаграммы проходит через линию 41 эталонного значения нагрузки.

Предел положения 43 является точкой, в которой интегрирование заканчивается, и может быть установлен пользователем или определен автоматически регулятором, включая те же приемы, которые описаны выше для предела 42 положения. Альтернативно регулятор может быть так пространственно расположен, чтобы позволить пользователю выбирать окончание интегрирования эталона на фиксированном расстоянии, времени или части периода такта после начала интегрирования эталона.

На фиг. 6 изображены две наложенные друг на друга примерные кривые, одна из которых 44 представляет условия полного насоса, а другая 45 представляет условия прекращения откачки. Маленькая площадь 46 со штриховкой представляет площадь, интегрируемую, когда скважина работает в условиях прекращения откачки. Затененная площадь изображает дополнительную площадь, интегрируемую, когда скважина работает с полным насосом.

Фиг. 6 иллюстрирует принцип, заключающийся в том, что интегрируемая площадь для скважины в условиях прекращения откачки (площадь 46) намного меньше, чем для скважины в условиях полного насоса (площадь 46 плюс площадь 47). Обращаясь к фиг. 4, отметим, что нормально работающий насос сразу же передает нагрузку при ходе вниз от скользящего (перемещающегося) клапана 13, неподвижному клапану 14. В условиях же прекращения откачки насос быстро двигается вниз через пар до соприкосновения с поверхностью раздела жидкой и парообразной фаз, что задерживает открывание скользящего клапана 13. Это изменение положения без уменьшения нагрузки можно увидеть на диаграмме прекращения откачки (кривая 45 фиг. 6) как приблизительно горизонтальную линию, идущую влево выше линии 416 интегрирования эталона, начинаясь возле правого края диаграммы в месте, обозначенном стрелкой с позицией 45.

Общая площадь диаграммы 45 прекращения откачки на фиг. 6 также меньше, чем площадь участка 44 диаграммы полного насоса подтверждая истину, что скважина в условиях прекращения откачки совершает меньшую работу. Это уменьшение общей площади, однако, не так легко заметить, как уменьшение частичной площади, ограниченной вышеописанными примерами, а именно, линией 41 интегрирования эталона, пределом 43 окончания интегрирования эталона и реальной диаграммой между этими эталонами. Настоящий способ, следовательно, является намного более чувствительным к условиям прекращения откачки, чем известные способы.

Способ, согласно изобретению, предотвращает возможность ложного обнаружения прекращения откачки при повторном запуске путем учета только описанной выше частичной площади. Если высокий уровень жидкости заставляет количество работы уменьшаться, даже если насос полный, общий размер диаграммы будет сокращаться, но нижний правосторонний участок при интегрировании существенно не уменьшится. Если скважина действительно прекратила откачку, то этот интегрируемый участок заметно сократился.

На фиг. 7 представлена общая логическая технологическая схема одного из вариантов настоящего изобретения. Технологическая схема показана как примерный алгоритм управления, который может быть записан в блок 37 алгоритма обнаружения прекращения откачки, фиг. 5. Когда запускается двигатель 3 насоса 4 регулятор 26 начинает принимать данные по каждому такту 48, включая данные нагрузки 49 (принимаемые от датчиков нагрузки 16 или 17 фиг. 1) и данные положения 50 (принимаемые от датчика положения или потенциометра 19 или переключателя 23 фиг. 1).

Для каждого такта, применяя введенные пользователем пределы 41 43, регулятор вычисляет описанную выше частичную площадь. Регулятор вычисляет этот интеграл следующим образом. Когда сигнал положения 50 численно равен или меньше, чем (т. е. проходит ниже) сигнал начала интегрирования параметра 42, численного больше, чем (т.е. не проходит ниже) сигнал окончания интегрирования параметра 43, показания нагрузки 49 вычитается из интеграла эталонного параметра 41, и разность прибавляется к нулевому показанию площади на самописце 51. Как обсуждалось выше, если действительное значение нагрузки выше, чем интеграл эталонного параметра 41, как в случае участка с прекращением откачки на диаграмме, показанной на фиг. 6, вычисленное значение разности нагрузок устанавливают на нуль и оно не влияет на показание площади на самописце 51. Несмотря на то, что это не изменит результат вычисления в случае, показанном на фиг. 7, регулятор также может быть запрограммирован на начало интегрирования площади и прибавление ее к искажению площади на самописце 51 только после того, как кривая диаграммы прошла через интеграл эталона 41. Когда сигнал положения 50 численно меньше, чем (т.е. проходит ниже) сигнал окончания интегрирования параметра 43 и регулятор обнаружил конец такта 52, то регулятор сравнивает вычисленный частичный интеграл 53 с хранящимся эталонным параметром 54. Эталонный параметр 54 должен быть установлен таким образом, чтобы при некотором допустимом обычном отклонении данных регулятор не отмечал прекращение откачки. На фиг. 7 эталон 54 установлен пользователем, но может быть уменьшенной в процентном отношении площадью продолжающегося нагнетательного такта, от предыдущего (перед текущим) такта или колебаться около среднего значения из определенного числа предыдущих тактов.

Если вычисленная частичная площадь для текущего такта превышает эталонную площадь, регулятор устанавливает счетчик задержки и площадь на самописце на нуль, смотри 55 и 56. Иначе, регулятор продвигает вперед счетчик задержки, который сконструирован, так, что позволяет пользователю знать, что сообщение регулятора о прекращении откачки ошибочно, только если регулятор обнаруживает условия прекращения откачки на заданном пользователем количестве последовательных тактов 57. Альтернативно, счетчики задержки могут давать изображение, например, тот, который сообщает о прекращении откачки, если на определенном проценте последних тактов было прекращение откачки. Для другого примера можно использовать колебание вокруг среднего значения площади в течение множества тактов и сравнение этого значения с эталонным. Пользователь может выбирать вышеупомянутые процентные соотношения и количества тактов, или они могут быть установлены автоматически.

Если задержка счетчика не равна установленному пользователем пределу, сморит 58, то регулятор устанавливает на ноль заполненную площадь и ожидает получения данных о следующем такте. Иначе, регулятор задерживается, чтобы проверить, истекло ли время прекращения откачки (см. 59) и, если это та3к, предпринимает контрольные действия. На фиг. 7 такое управляющее действие заключается в выдаче команды 60 остановить двигатель 3 и запустить таймер или реле времени "простоя", который задерживает 61 на установленное пользователем время простоя 62 и затем посылает сигнал 63 с повторным запуском мотора. Время простоя может быть заранее запрограммировано вместо устанавливаемого пользователем, и регулятор может быть приспособлен к тому, чтобы изменять время простоя на основании данных измерений. Например, регулятор мог сберечь время предыдущего и текущего хода (т.е. время между запуском и остановкой/ и изменить время простоя путем прибавления или вычитания заданного периода времени, например, одну минуту, если время текущего хода короче или длиннее по крайней мере, на десять процентов (или любое другое значение), чем время предыдущего хода. Другими различными действиями управления, также возможными, являются посылка сигнала в центральную ячейку памяти, воспроизведение сообщения на экране или дисплее, выключение мотора в то время, когда он на техобслуживании, вызывание сигнала тревоги или никаких действий. Регулятор также может быть запрограммирован на уменьшение скорости мотора, на более медленную откачку жидкости. Альтернативно, может быть выбрана комбинация этих управляющих действий. Регулятор может быть так оформлен, что дает возможность пользователю выбирать и изменять действие управления, или действие управления может быть запрограммировано. Пользователь может вручную посылать команду запуска 64.

Регулятор задерживает проведение любых действий управления на установленное пользователем время "накачки" 65, которое может быть фиксированным заданным периодом времени или определенным количеством тактов (если регулятор настроен на измерение периода такта). Непосредственно после запуска корпуса 11 насоса и тюбинг 12 (фиг. 4) могут быть не заполнены жидкостью, и работа, совершаемая насосом и нагрузка на колонну штанг могут беспорядочно флуктуировать или начинаться при необычно низких значениях. Задержка 59 сконструирована таким образом, что дает возможность стабилизировать нагнетание до некоторой степени до того, как регулятор начнет компенсировать отключение или закрытие скважины.

Несмотря на то, что выше описаны предпочтительные варианты, следует использовать и другие типы вариантов вышеописанной системы. Кроме того, могут быть использованы множество типов программирования для выполнения специальных команд и управления компьютером. Например, очевидно, что можно использовать машинное программирование. Также можно обеспечить выполнение алгоритма узнавания ошибки предназначенной для этого интегральной схемой, используя микрокод или программирующую логическую схему, что проще, чем компьютерная программа. Таким образом, специалистами понято, что возможно множество альтернативных форм и вариантов настоящего изобретения, не выходящие из сферы применения настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом, содержащее средства измерения нагрузки на насосные штанги при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, средства измерения положения насосных штанг при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, а также средства построения диаграммы по измеренным значениям положения и нагрузки, компьютерные средства для определения значения площади части диаграммы, средства задания эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для изменения рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением, отличающееся тем, что оно снабжено средствами установки на диаграмме эталонного значения нагрузки, большего по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, и двух эталонных значений положения при ходе нагнетания вниз, а компьютерные средства выполнены с возможностью определения значения площади нижней части диаграммы, ограниченной сверху указанным эталонным значением нагрузки и заключенной между эталонными значениями положения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что компьютерные средства выполнены с возможностью фиксации момента прохождения по меньшей мере одним элементом наземной части насосной системы заданного положения в каждом цикле и начала определения площади в заданное время после этого момента.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства сравнения выполнены с возможностью выявления случая, когда определенное значение площади меньше ее эталонного значения.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства управления выполнены с возможностью отключения приводного двигателя по меньшей мере по времени.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства управления выполнены с возможностью уменьшения скорости приводного двигателя.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что компьютерные средства выполнены с возможностью построения диаграммы по значениям нагрузки и положения насосных штанг по меньшей мере за один полный цикл нагнетания насосной системы.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства управления выполнены с возможностью изменения рабочих параметров на основании сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением за несколько циклов.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства измерения нагрузки включают датчик нагрузки, размещенный между набором насосных штанг и приводным двигателем.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства измерения нагрузки включают датчик нагрузки, размещенный на подъемном балансире.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства измерения положения включают потенциометр, размещенный с возможностью контакта с подъемным балансиром.

11. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что средства измерения положения имеют выключатель для фиксации момента прохождения по меньшей мере одним элементом наземной насосной системы через заданное опорное положение при ходе вверх.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства измерения положения включают потенциометр, установленный на подъемном балансире.

13. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно снабжено дисплеем для видимого воспроизведения диаграммы в процессе цикла нагнетания.

14. Устройство управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом возвратно-поступательного действия, содержащее средства измерения нагрузки при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания и генерирования сигналов, пропорциональных относительной нагрузке на насосные штанги, средства измерения положения и генерирования сигналов, пропорциональных положению набора насосных штанг в цикле нагнетания, одновременно с каждым сигналом нагрузки, а также средства построения диаграммы по измеренным значениям положения и нагрузки, средства интегрирования для определения значения площади части диаграммы, средства задания эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для измерения рабочих параметров системы на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением, отличающееся тем, что оно снабжено средствами установки на диаграмме момента времени окончания интегрирования при ходе нагнетания вниз, момента времени начала интегрирования и эталонного значения нагрузки, большего по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, а средства интегрирования выполнены с возможностью накопления положительных разностей между эталонным значением нагрузки и текущими значениями нагрузки, соответствующими сигналам, генерированным средствами измерения нагрузки при всех измерениях в течение временного интервала между заданными моментами времени начала и окончания интегрирования.

15. Способ управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом, при котором определяют значения нагрузки на набор насосных штанг при движении насоса в цикле нагнетания, определяют значения положения насосных штанг при возвратно-поступательном движении в цикле нагнетания, а также формируют диаграмму по измеренным значениям положения и нагрузки, определяют значение площади части диаграммы, задают эталонное значение площади и сравнивают определенное значение площади с ее эталонным значением с последующим изменением рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением, отличающийся тем, что устанавливают на диаграмме эталонное значение нагрузки, большее, по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, а также начальное и конечное эталонные значения положения и определяют значение площади нижней части диаграммы, ограниченной сверху указанным эталонным значением нагрузки и заключенной между начальным и конечным эталонными значениями положения.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что при определении значения площади фиксируют момент прохождения по меньшей мере одним элементом наземной части насосной системы заданного опорного положения в процессе отдельного цикла и начинают определение площади в заданное время после этого момента.

17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что при сравнении площадей выявляют случаи, когда определенное значение площади меньше ее эталонного значения.

18. Способ по п. 15, отличающийся тем, что приводной двигатель отключают по меньшей мере периодически при измерении рабочих параметров.

19. Способ по п. 15, отличающийся тем, что при изменении рабочих параметров уменьшают скорость приводного двигателя.

20. Способ по п. 15, отличающийся тем, что формируют замкнутую диаграмму по значениям положения и нагрузки по меньшей мере за один полный цикл нагнетания.

21. Способ по п. 15, отличающийся тем, что изменение рабочих параметров осуществляют по результатам сравнения значений определенной площади с ее эталонным значением за несколько циклов.

22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что для определения значения площади фиксируют момент прохождения по меньшей мере одним элементом наземной насосной системы через заданное опорное положение и начинают определение площади и заданное время после этого момента, причем на этапе сравнения выявляют случаи, когда определенное значение площади меньше ее эталонного значения, а на этапе изменения параметров отключают приводной двигатель по меньшей мере периодически, если указанные случаи выявляются многократно.

23. Устройство управления насосной системой скважины, имеющей приводной двигатель, соединенный набором насосных штанг с подземным насосом возвратно-поступательного действия, содержащее средства измерения нагрузки на набор насосных штанг и их положения при возвратно-поступательном движении насоса в цикле нагнетания, включающие выключатель для фиксации момента прохождения по меньшей мере одним элементом наземной насосной системы через заданное опорное положение при нагнетании, средства построения диаграммы по измеренным значениям положения о нагрузке в течение полного цикла нагнетания, компьютерные средства для определения значения площади части диаграммы, средства задания эталонного значения площади, средства сравнения определенного значения площади с ее эталонным значением и средства управления для изменения рабочих параметров системы скважины на основании результатов сравнения, отличающееся тем, что оно снабжено средствами установки на диаграмме эталонного значения нагрузки, большего по меньшей мере некоторых значений, измеренных при ходе нагнетания вниз, и средствами установки первого эталонного значения положения, характеризующего положение насосных штанг в первый выбранный момент времени после прохождения упомянутым элементом через заданное опорное положение, и средствами установки второго опорного положения, характеризующего положение насосных штанг при ходе вниз во второй выбранный момент времени, компьютерные средства выполнены с возможностью определения значения площади нижней части диаграммы, ограниченной сверху эталонным значением нагрузки и заключенной между первым и вторым эталонными значениями положения, средства сравнения с возможностью выявления случая, когда определенное значение площади меньше ее эталонного значения, а средства управления с возможностью отключения приводного двигателя по меньшей мере периодически на основании результатов сравнения значений площадей в течение множества циклов.

24. Способ по п. 20, отличающийся тем, что формируемую диаграмму воспроизводят визуально в течение цикла нагнетания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7