УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПУСКО-ПОДЪЕМНЫХ ОПЕРАЦИЙ

МКИЕ2IB 47/04
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНР1Я ПАРАМЕТРОВ СПУСКО-ПОДЪЕМНЫХ ОПЕРАЦИЙ
Полезная модель относится к нефтедобывающей и газовой промышленности, в частности к устройствам для измерения веса и длины колонны труб при спускоподъемных операциях (СПО) в процессе подземного и капитального ремонта скважин.
Известно устройство для автоматического замера длины труб при спускоподъемных операциях в скважине, содержащее барабан лебедки с кинематической передачей, датчик импульсов, соединенный с блоком счетчиков, блок питания, датчик автоматического управления, узел подготовки и запоминания информации, включающий входной вал, блок электромагнитногосцепления с исполнительным
механизмом (Авторское свидетельство СССР N 1550119, кл. Е21В 47/04, опубл. бюл. № 10, 1990).
Недостатком устройства является его сложность, а следовательно и ненадежность из-за большого числа механических элементов.
Наиболее близким к полезной модели является устройство для измерения глубины спуска объекта при спускоподъемных операциях в скважине, содержащее барабан с лебедкой с расположенным на нем гибким органом, усилитель, блок памяти и блок питания, блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа, контроллер, первый вход-выход которого соединен с входом аналогоцифрового преобразователя, блок задания предельных значений контролируемых параметров, выход которого соединен со входом контроллера, блок световой и звуковой сигнализации, блок индикации, соединенные с контроллером, блок коррекции нелинейности датчика силы натяжения гибкого органа, блок тарировочной памяти, переносный блок памяти, искробезопасный блок, табло, удерживающий механизм, выполненный в виде направляющей, один конец которой подвижно связан с лебедкой, другой конец жестко связан с блоком измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа. Блок перемещения каната и измерения силы его натяжения выполнен в виде подвижных роликов, не менее трех, размещенных на подвижном гибком органе с возможностью перегиба его. (Патент №2168624, МКИ Е21 В 47/04, б. №16 2001).
Недостатком этого устройства является его сложность, а следовательно и ненадежность из-за большого числа механических элементов, кроме того оно не точно измеряет длину из-за вытяжки гибкого органа. Известно (См. кн. Муравьев В.М. Справочник мастера по добыче нефти. М. «Недра, 1975, с.206 ), что нагрузка на крюке при СНО изменяется от нуля до нескольких десятков тонн. При такой ситуации, удлинение каната подъемника по мере увеличения колонны достигает значительных величин, что приводит к накоплению погрешности измерения длины.
Сущность полезной модели. Полезная модель направлена на создание устройства, которое позволило бы при его упрошении повысить надежность его работы, точность измерения и точность определения аварийной ситуации.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи заключается в том, что, в процессе выполнения спускоподъемных операций производят измерение веса каждой трубы колонны вне скважины, затем вычисляют длину колонны труб, что значительно упрощает устройство, повышая надежность, а предельно заданный вес адаптируется к конкретным условиям спуско-подъемных операций, что позволит точно определить аварийную ситуацию. Измерение
веса колонны труб вне скважины, что позволяет оценить величину сил трения колонны труб о стенки скважины, измерение числа труб, измерение времени подъема трубы с мостков, измерения времени спуска колонны труб и т.п. Все основные технологические параметры СПО регистрируются в устройстве в реальном масштабе времени и в случае аварии или для анализа ситуации могут быть в любой момент воспроизведены (например, по требованию оператора).
Данный технический результат достигается за счет того, что в известное устройство измерения длины колонны труб при спускоподъемных операциях, содержащее блок питания, силоизмерительный блок, соединенный с искробезопасным блоком, контроллер, вход-выход которого соединен с блоком памяти, вход с блоком управления, а выходы с блоком передачи информации, с блоком предельных значений, с блоком индикации и через искробезопасный блок с табло,введен усилитель с программным
управлением, причем его входсоединен с выходом
искробезопасного блока, а выход соединен с входом контроллера, а один из выходов контроллера подключен к управляющему входу усилителя. Силоизмерительный блок
содержит датчик силы, преобразователь и приспособления для крепления блока к неподвижному гибкому органу, блок передачи информации выполнен в виде переносного блока памяти и т.п.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения длины колонны труб при спускоподъемных операциях; на фиг. 2 представлен фрагмент диаграммы нагрузок на крюке подъемника при спуске труб; на фиг.З представлен силоизмерительный блок.
Устройство (фиг. 1) состоит из силоизмерительного блока 1, который соединен через искробезопасный блок 2 с усилителем с программным управлением 3, выход которого соединен со входом контроллера 4, вход которого соединен с выходом блока управления 5, вход-выход контроллера соединен с блоком памяти 6, первый выход контроллера 4 соединен с входом блока передачи информации 7, второй выход соединен с входом блока предельных значений 8, третий выход соединен с входом блока индикации 9, четвертый выход контроллера 4 соединен через искробезопасный блок 2 с табло 10, пятый выход контроллера 4 подключен к управляющему входу усилителя
3, блок питания 11 обеспечивает необходимыми напряжениями питания все блоки устройства.
Силоизмерительный блок (фиг.З) состоит из датчика силы 12, выполненный в виде упругой балки с наклеенными на нее тензорезисторами, преобразователя 13 и приспособлений для крепления силоизмерительного блока к неподвижному гибкому органу, состоящих из стоек 14 и прижимнопрогибочного устройства 15.
Устанавливается он на неподвижном гибком органе таким образом, что последний оказывается преломленным между двумя крайними неподвижными стойками и прижимнопрогибочным устройством. Натяжение гибкого органа определяет усилие, действующее на тензоизмерительную балку. Под действием измеряемого усилия деформация балки вызывает изменение сопротивления тензорезисторов, что приводит к разбалансу моста и появлению выходного сигнала, пропорционального измеряемому усилию. Преобразователь 13 предназначен для получения сигнала на выходе блока необходимой величины и формы для работы устройства.
Искробезопасный блок 2 предназначен для исключения опасности взрыва, пожара при работе устройства в местах наличия взрывоопасной среды. Блок выполнен на резисторах.
ограничивающих ток в цепях питания датчиков и выносного табло до взрывобезопасных значений. Номиналы резисторов выбирают в соответствии с ГОСТ 22782.5. Блок ограничен на плате контуром, который после монтажа заливается компаундом.
Контроллер 4 - это самостоятельная система, которая содержит процессор, вспомогательные схемы и устройства ввода-вывода данных. Выполнен контроллер 4 на микроконтроллере семейства 8051 компании Intel (см. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том 1. Москва: Постмаркет, 2001. - с. 174).
Устройство работает следующим образом. Перед спуском труб в скважину оператор обнуляет показания всех индикаторов, нажатием кнопки блока управления 5. Таким образом, устраняется влияние веса подвижного блока талевой системы, веса крюкоблока, элеватора, упругой деформации гибкого органа и т.п. на показания индикаторов при измерении веса труб. При спуске труб оператор захватывает трубу с помощью элеватора, подвешенного на крюке подъемника, и затем мащинист поднимает трубу с мостков. Этот процесс занимает время t3-t4 (см. фиг.2). В этот момент сигнал с
выхода блока 1 пропорциональный весу трубы вне скважины, через искробезопасный блок 2 и усилитель с программным управлением 3 поступает на вход контроллера 4. В качестве усилителя 3 используется, например усилитель с программным управлением PGA204 фирмы BURR-BROWN. При помощи аналого-цифрового преобразователя контроллера поступивший сигнал преобразуется в цифровой код. Контроллер 4 по программе заложенной в блоке его памяти измеряет значение поступившего сигнала, т.е. пропорционального весу одной трубы вне скважины Ртр (см. фиг. 2), затем сравнивает это значение с величиной Р2, заранее установленной с помощью клавиатуры блока управления 5. Если измеряемая величина меньще величины Р2, то контроллер 4 вырабатывает сигнал на увеличение коэффициента усиления программно управляемого усилителя 3. Так как информационный сигнал поступает на измерительный вход контроллера 4 через усилитель 3 с большим коэффициентом усиления, то чувствительность измерения увеличивается, что позволяет измерять малые веса с высокой точностью. Для определения длины спускаемой в скважину трубы необходимо поделить вес трубы на вес одного погонного метра этой трубы.
Например, цена младшего разряда при использовании 4-х разрядного индикатора блока индикации 9 и табло 10 равна 0,1 кг. При весе одной трубы (Ртр) равной 78,5 кг, индикатор покажет величину 078,5 кг. При весе 1м этой трубы (Ры) равном 9,46 кг (из справочника) длина этой трубы будет равна:
L Ртр/PiM  78,5/9,46 8,298м
Длина и вес колонны труб вне скважины определяются суммированием длин и весов отдельных труб. Длина колонны труб в скважине равна длине колонны труб вне скважины плюс удлинение колонны труб от ее веса.
После свинчивания труб машинист приподнимает колонну труб для снятия клинового захвата и затем спускает трубы в скважину. При э.том вес на крюке становится значительно больше величины Р2. Контроллер 4 вырабатывает сигнал на подключение к своему входу усилителя 3 с программным управлением, который изменяет свой коэффициент усиления по команде с контроллера. Таким образом, чувствительность измерения уменьшается, что позволяет измерять вес колонны труб спущенных в скважину, а также измерять вес колонны труб при ее подъеме. Например, цена младшего разряда при
c(eo3i)
использовании того же 4-х разрядного индикатора равна 0,1 тс. При весе колонны труб равной 115,1 тс, индикатор покажет величину 115,1 тс. Одновременно с измерением веса трубы производится измерение времени нахождения этого веса на крюке (t3 -15) с помощью таймера контроллера 4 и его значение заносится в блок памяти 6. Отрезок времени (t4 -15) спуска колонны труб в скважину (см. фиг. 2) определяемый с момента возрастания нагрузки, т.е. снятия колонны труб с клиньев до момента уменьшения нагрузки до уровня Р1, т.е. установки колонны труб на клинья. Уровень Р1 выбираетсяизусловия
помехозащищенности и надежности срабатывания элементов сравнения контроллера.
После спуска очередной трубы в блоке памяти 6 записывается ее номер, например, . Номера по порядку будут присваиваться каждому последующему спуску трубы. Все значения веса трубы вне скважины, реального времени, порядкового номера и вес колонны труб в скважине измеряются и последовательно записываются в блок памяти 6. Значения длины трубы, длины колонны труб, удлинение колонны труб от веса и т.п. определяются вычислением.
Величина веса колонны труб в скважине всегда меньше веса этой колонны вне скважины, так как она находится в жидкости и ложится на стенки скважины. Однако при подъеме колонны труб из скважины нагрузка на крюке подъемника может быть значительно больше, чем вес колонны труб вне скважины из-за заклинивания, что может привести к аварийной ситуации. После спуска колонна устанавливается на клиновые захваты и вес на крюке падает до нуля. Оператор снимает с колонны элеватор и берет с мостков следуюшую трубу. Далее процесс повторяется.
Блок предельных значений 8 контролируемых параметров предназначен для выработки сигнала при превышении предельно допустимых значений измеряемых величин, например усилий на крюке подъемника и т.п. При превышении предельных значений выше заданных, подается световой и/или звуковой сигнал, а также может автоматически отключатся привод лебедки, что исключает аварийную ситуацию.
В любой момент времени по требованию оператора значения величин веса колонны труб в скважине или вне скважины, времени их возникновения, числа спущенных
Труб, длина колонны труб и другие параметры могут быть выведены на табло или переданы при помощи блока передачи информации 7 ( например, переносного блока памяти или переносного компьютера и/или радиоканала, и т.п.) в компьютер диспетчерского пункта.