МОДУЛЬ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ СКВАЖИННОГО ПРИБОРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к устройствам для питания и управления скважинных приборов, осуществляющих акустическое воздействие на продуктивные пласты, привязку к зоне обработки и измерение параметров нефтяных, газовых, водных и др. скважин, протоколирование параметров и передачу их по модему в диспетчерскую службу. Модуль питания и управления (МПУ) входит в состав Комплекса ультразвукового воздействия на пласт (УЗВП). МПУ обеспечивает единое управление Комплексом УЗВП через компьютер посредством мнемосхем и сенсорного экрана.
МПУ может использоваться также с акустическими излучателями при: обеспечении транспортировки нефти по трубопроводам, особенно высоковязких и тяжелых; переработке нефти - обеспечение увеличения выхода легких фракций; повышении качества цементирования скважин; газификации угля в недрах земли.
Уровень техники
Известно устройство управления (патент 2162519 опубликован 27.01.2001 г.), которое предназначено для формирования импульсных сигналов заданного ряда частот технологического диапазона, поступающих на входы соответствующих каналов фазоимпульсного модулятора. Каналы фазоимпульсного модулятора могут быть выполнены по известной схеме и обеспечивают преобразование входного сигнала заданной частоты в два импульсных напряжения, сдвинутых по фазе пропорционально уровню сигнала на шине управления.
Согласующее устройство обеспечивает резонансную фильтрацию комбинированного сигнала в технологическом диапазоне частот и согласование выхода генераторного устройства через кабель с входом скважинного акустического излучателя.
Недостатками данного устройства управления является то, что оно обеспечивает только выработку и согласование со скважинным излучателем заданного диапазона частот. Но не обеспечивает ни привязку к зоне перфорации, ни корректировку режимов обработки, ни документирование текущих параметров.
Известен наземный блок комплекса (патент 2202038 опубликован 10.05.2002 г.), в котором размещены: регулятор напряжения, выполненный, например, с помощью схем с использованием тиристора; блок питания, представляющий собой стандартный выпрямитель и сглаживающий фильтр; интерфейсный модуль - это панель оператора с органами управления, измерительными приборами и индикаторами. Возможно использование, например, ЖКИ-индикаторов или других подобных устройств; модуль энергонезависимой памяти; контроллер наземного блока, выполненный на основе микропроцессорных устройств, например, однокристальных ЭВМ; модем наземного блока, реализуемый, например, на основе стандартных микросхем усилителей переменного тока, и смеситель токов наземного блока, реализуемый на основе стандартных реактивных элементов - индуктивности и емкости.
Органы ручного управления и контроля - кнопки, переключатели, цифровые индикаторы и стрелочные приборы размещены в интерфейсном модуле, с помощью которого оператор может задавать и контролировать необходимые параметры - мощность и частоту сигнала, интенсивность механических колебаний и другие.
Основными недостатками наземного блока является невозможность корректировки режимов обработки пластов в реальном масштабе времени, ввиду отсутствия в блоке и составе комплекса каротажного оборудования.
Известен ультразвуковой генератор (патент 2322309 опубликован 20.04.2008 г.), схема управления которого содержит обмотку акустической обратной связи, расположенную на отдельном сердечнике магнитострикционного излучателя, переключатель режимов, регулятор несущей частоты, регулятор частоты модулирующих импульсов, регулятор скважности и фазорегулятор, при этом один конец обмотки акустической обратной связи подключен к общему проводу, а другой - через переключатель режимов, соединен со вторым ШИМ-контроллером. Регулятор частоты модулирующих импульсов, регулятор скважности и фазорегулятор подключены к управляющим входам второго ШИМ-контроллера, а регулятор несущей частоты подключен к управляющему входу первого ШИМ-контроллера.
Переключатель режимов работы в правом по схеме положении замыкает цепь обратной связи, при этом включается фазовая автоподстройка несущей частоты и автоматически устанавливается ее значение, равное резонансной частоте механической колебательной системы, состоящей из магнитострикционного излучателя и устройств, на которые он нагружен. В левом по схеме положении переключателя осуществляется ручная регулировка несущей частоты. Ультразвуковой генератор работает следующим образом. Частота и скважность импульсов, а соответственно и выходная мощность генератора определяются положением регуляторов.
Недостатком данного ультразвукового генератора является также невозможность корректировки режимов обработки пластов в реальном масштабе времени, ввиду отсутствия в блоке и составе комплекса каротажного оборудования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является наземная аппаратура (патент RU 2026970 опубликован 20.01.1995 г), в состав которой входит блок питания, соединенный с генератором и преобразователем. Выход генератора связан с акустическим излучателем, а вход преобразователя - с выходом датчика. Выход преобразователя подсоединен к входу блока управления, при этом на вход блока управления поступают также сигналы от локатора муфт. Выходы блока управления соединены с блоком питания и индикаторным блоком. Работой устройства по заданной программе управляет связанный двухсторонней связью с блоком управления микропроцессор.
Основным недостатком данного устройства является то, что оно позволяет корректировку режимов акустического воздействия на обрабатываемый пласт только по одному параметру. Для привязки к зоне перфорации дополнительно используется каротажный регистратор, функционально не входящий в состав наземного оборудования.
Все перечисленные выше устройства построены на идеологии и элементной базе 20-го века (фиг. 1) и имеют следующие недостатки:
- обеспечивают только питание скважинных приборов и выработку сигналов для акустических преобразователей;
- отсутствует наглядное отображение информации по всем внутренним и внешним контурам;
- имеется несколько индикаторов, отображающих только 3-5 выходных параметров;
- не обеспечивают диагностику всех составных частей комплекса;
- отсутствуют контроллеры для сбора и хранения текущих параметров;
- нет модемной связи для обеспечения удаленного мониторинга;
- взаимодействуют только с акустическими излучателями, нет контура каротажного регистратора для работы с геофизическими приборами.
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является устранение всех перечисленных недостатков.
Технический результат заключается в повышении успешности операции по акустическому воздействию на продуктивные пласты. Под успешностью операции понимается вероятность увеличения дебита нефтяной скважины в результате ультразвуковой обработки.
Заявленный технический результат обеспечивается за счет того, что модуль питания и управления скважинного прибора, содержащий корпус в котором установлен блок питания, силовой блок, включающий контроллер, модуль формирования колебаний, выходной трансформатор и разделительный конденсатор; геофизический блок, включающий контроллер и источник постоянного тока; блок контроля параметров, включающий котроллер сбора внутренних параметров и контроллер управляющих команд; модем, причем контроллер силового блока, контроллер геофизического блока и контроллер блока контроля параметров соединены витыми парам проводов с возможностью обмена данными и упомянутые блоки объединены в локальную сеть посредством установленного в корпусе промышленного компьютера, а блок питания соединен с упомянутыми блоками посредством светодиодной ленты.
В частном случае реализации заявленной полезной модели модуль питания и управления скважинного прибора выполнен с возможностью подключения к промышленному принтеру.
В частном случае реализации заявленной полезной модели силовой блок дополнительно содержит блок подмагничивания с системой охлаждения.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - изображения аналогов;
Фиг. 2 - схема модуля питания и управления скважинного прибора
Фиг. 3 - внешний вид модуля питания и управления скважинного прибора.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - устройство аварийного отключения; 2 - магнитный пускатель; 3 - сетевые фильтры; 4 - контроллер; 5 - модуль формирования колебаний; 6 - выходной трансформатор; 7 - контроллер преобразования аналоговых сигналов в цифровые; 8 - источник постоянного тока для геофизического скважинного прибора (ГФСП); 9 - контроллер сбора внутренних параметров; 10 - контроллер управляющих команд.
Раскрытие полезной модели
Конструктивно МПУ представляет собой стандартный 19-ти дюймовый одностоечный металлический шкаф (фиг. 3), внутри которого установлены следующие компоненты (фиг. 2): блок питания, силовой блок, геофизический блок, блок контроля параметров, модем и промышленные компьютер и принтер. Все блоки объединены в локальную сеть посредством промышленного компьютера, обмен данными в которой осуществляется через интерфейс RS-232 или RS-485 по протоколу «BITBUS».
Физически осуществляется витыми парами проводов с экранированной оплеткой соединяющими контроллеры блоков с промышленным компьютером. Блок питания соединяется с другими блоками посредством RGB светодиодной ленты.
Блок питания состоит из устройства аварийного отключения (1), магнитных пускателей (2) и сетевых фильтров (3). Блок подачи питания обеспечивает электрическим питанием все остальные блоки, входящие в состав МПУ.
Силовой блок состоит из контроллера (4), модуля формирования колебаний (ультразвуковой генератор) (5), выходного трансформатора (6) и разделительного конденсатора, обеспечивающего защиту трансформатора от протекания постоянного тока.
Силовой блок обеспечивает повышение успешности операции по акустическому воздействию за счет надежного поддержания заданного значения частоты и мощности излучения, а также обеспечения информацией о рабочем состоянии скважинного акустического прибора (САП).
Контроллер силового блока обеспечивает автоматическую подстройку заданной частоты колебаний за счет управления частотой генератора с помощью его частотной модуляции и синхронного выделения переменной составляющей активной проводимости колебательной системы и ввода адаптивного управления амплитудой модулирующего сигнала в зависимости от величины частотной расстройки.
В силовом и других блоках используются стандартные, серийно выпускаемые контроллеры типа SIMATIC.
Модуль формирования колебаний предназначен для выработки мощных импульсов ультразвуковой частоты, величина которой определяется блоком управления. Модуль содержит мостовой усилитель и драйвер. В случае использования скважинного акустического излучателя магнитострикционного типа, в силовой блок включается также блок подмагничивания с системой охлаждения воздушного либо жидкостного типа.
Силовой блок генерирует колебания как для постоянного ультразвукового излучения скважинными акустическими приборами в диапазоне частот 14-30 кГц, так и для импульсного излучения в диапазоне частот 1-20 Гц.
Силовой блок МПУ построен на самой современной элементной базе - транзисторах, что стало возможным с появлением на рынке таких уникальных электронных компонентов, как IGBT транзисторы и мощные высоковольтные полевые транзисторы.
Кроме высокого КПД, транзисторные генераторы имеют такие явные преимущества, как малые габариты и вес (почти в два раза превосходят по этим показателям тиристорные генераторы). Это позволяет наиболее рациональным образом использовать внутреннее пространство лабораторного отсека геофизического подъемника.
Следует также отметить, что не существует принципиальных ограничений на установленную мощность единичного блока транзисторного генератора, и только соображения удобства обслуживания и общей компоновки могут накладывать такие ограничения.
Геофизический блок предназначен для осуществления привязки к зоне перфорации и осуществления контроля процесса обработки призабойной зоны пласта с целью корректировки режимов обработки в реальном масштабе времени, что существенно повышает успешность операций. Геофизический блок состоит из контроллера (7) и источника постоянного тока (8) для питания ГФСП.
Геофизический блок обеспечивает прием аналоговых сигналов от ГФСП (естественной гамма-активности горных пород, давления, температуры, влагосодержания, мест притока и поглощения скважинной жидкости, локации муфтовых соединений колонны), преобразование их в цифровые сигналы и передачу на промышленный компьютер.
Блок контроля параметров состоит из котроллера сбора внутренних параметров (9) и контроллера управляющих команд (10). Блок обеспечивает сбор и передачу сигналов работы каротажного подъемника (глубины погружения геофизического кабеля, его натяжение и скорость перемещения и др.), контроля состояния скважинных приборов и МПУ (температура, напряжение и сила тока по контурам и др. параметров внутренней диагностики), а также действий оператора по управлению МПУ.
Контроль за состоянием работы комплекса УЗВП и своевременная корректировка его работы и работы операторов управления способствует повышению успешности операций по акустическому воздействию.
Применение модемной связи обеспечивает удаленный мониторинг работы оборудования и оператора с диспетчерского пункта исполнителя или заказчика, что позволяет:
- осуществлять контроль за состоянием работоспособности ультразвукового оборудования, стационарно установленного на нефтяных скважинах, и при необходимости оперативно изменять режимы его работы;
- оказывать помощь и осуществлять контроль за действиями специалистов геофизических партий, а также вносить корректировку в принимаемые ими решения при проведении УЗВП;
- обеспечить открытость результатов УЗВП для заказчика.
Все перечисленные функции также обеспечивают повышение успешности операций.
Промышленный принтер позволяет оперативно оформлять первичные документы (акты, протоколы и пр.) для последующего формирования итоговых актов и финансовых документов с заказчиками работ.
К МПУ подключаются два внешних прибора САП и ГФСП.
САП обеспечивает преобразования электрических сигналов в механические колебания ультразвукового диапазона, и предназначен для интенсификации добычи нефти и повышения нефтеотдачи пластов, за счет разрушения загрязнений (кольматанта) в призабойной зоне пласта (ПЗП).
ГФСП предназначен для осуществления привязки к зоне перфорации и осуществления контроля процесса обработки ПЗП с целью корректировки режимов обработки в реальном масштабе времени, что существенно повышает процент успешности операций.
Управление работой МПУ осуществляет промышленный компьютер с цветным сенсорным экраном, расположенным на передней панели. В компьютер заложено программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление всеми функциями МПУ. Цветной сенсорный экран позволяет наглядно отображать на мнемосхемах основные параметры технологического процесса, а также управлять Комплексом УЗВП. Компьютер также обеспечивает документирование всех параметров работы скважинных приборов, МПУ и действий оператора, а также передачу их через модем в центр обработки статистических данных. Благодаря документированию параметров работы комплекса УЗВП нарабатывается статистика по акустической обработке скважин, обработка которой и внесение соответствующих корректировок в режимы работы комплекса и его параметры обеспечивают повышение успешности операций.
Конструктивно МПУ представляет собой стандартный 19-ти дюймовый одностоечный металлический шкаф (фиг. 3), внутри которого установлены элементы описанных выше блоков. На днище шкафа закреплены вентиляторы, а в верхней части выполнены отверстия, обеспечивающие приточно-вытяжную вентиляцию.
На правой боковой стенке шкафа размещены разъемы внешних связей:
- вилка первичного электропитания;
- розетки для подключения нагрузки;
- розетка для подключения кабеля интерфейса RS-232 или RS-485;
- клемма заземления.
На лицевой панели (дверце) шкафа размещен цветной сенсорный экран промышленного компьютера и кнопки «Пуск» и «Стоп». Дверца шкафа оснащена замком, исключающим несанкционированный доступ.
МПУ устанавливается в любой стандартный каротажный подъемник отечественного и зарубежного производства.
Функционирование МПУ происходит в следующей последовательности.
После нажатия кнопки «Пуск» электропитание от магнитного пускателя (2), обеспечивающего плавность пуска, через сетевые фильтры (3) подается на все остальные блоки МПУ. Блок контроля параметров посредством своего контроллера (9) осуществляет проверку работоспособности всех внутренних блоков МПУ и внешних приборов (САП и ГФСП). При наличии неисправностей контроллер выдает информацию о них на экран компьютера. Все проходящие сигналы между блоками МПУ, в том числе вносимые оператором, регистрируются контроллером управляющих команд (10), протоколируются в компьютере и передаются на модем. Модем отправляет эти параметры в центральную диспетчерскую.
При отсутствии неисправностей контроллер обеспечивает вывод на сенсорный экран компьютера мнемосхему с отражением всех проверенных параметров. Контроллер (9) осуществляет проверку состояния всех блоков с заданной периодичностью. После (задания при помощи мнемосхемы требуемых параметров обработки скважины и) нажатия оператором кнопки «Привязка» сигнал пуска поступает на котроллер (7) геофизического блока и источник постоянного тока (8). От источника тока питание поступает на ГФСП. ГФСП проводит замеры параметров и в аналоговом виде подает их в котроллер (7), который преобразует аналоговые сигналы в цифровые и передает их на компьютер, где они протоколируются и отражаются на мнемосхеме экрана. После осуществления привязки к зоне перфорации при помощи ГФСП, оператор вводит необходимые параметры для работы САП и нажимает кнопку «Старт». Сигнал от компьютера поступает на котроллер силового блока (4) и модуля формирования колебаний (5). Контроллер обеспечивает работу САП с заданными параметрами, фиксирует все параметры и передает их на компьютер, где они протоколируются и отражаются на экране. В модуле (5) формируется электрический ток с заданными параметрами и через усилительный трансформатор (6) передается в САП. Все проходящие между блоками и внутри блоков сигналы передаются на компьютер, где они протоколируются и отправляются через модем в диспетчерскую, а при необходимости распечатываются на принтере. В случае возникновения аварийных ситуаций сигнал от контроллеров или кнопки аварийной остановки поступает на устройство аварийного отключения (1), которое обесточивает МПУ.
Предлагаемое устройство может быть использовано следующим образом.
МПУ соединяется трехжильным геофизическим кабелем со скважинными приборами. Две жилы используются для соединения с САП и одна жила для соединения с ГФСП. После включения МПУ происходит проверка работоспособности всех подсистем. При положительном тесте скважинные приборы спускаются на геофизическом кабеле при помощи каротажного подъемника в скважину. Геофизический блок МПУ через ГФСП обеспечивает привязку скважинных приборов к обрабатываемой зоне пласта, затем происходит замер геофизических параметров скважины, которые протоколируются в компьютере.
Посредством сенсорного экрана МПУ вводятся необходимые параметры, обеспечивающие заданный режим ультразвукового воздействия на пласт и начинается обработка пласта. Обработка пласта производится последовательно по участкам. Периодически (периодичность также задается с экрана компьютера) замеряются геофизические параметры. Все замеряемые параметры выводятся на экран и анализируются в онлайн режиме. При необходимости производится корректировка режимов обработки пласта. Все параметры геофизические и режимов обработки протоколируются, а также в онлайн режиме передаются на диспетчерские пункты исполнителя и заказчика и фиксируются в центральной базе данных либо дата центре. Такая схема в случае нестандартной ситуации обеспечивает оперативную помощь полевой бригаде со стороны более квалифицированных специалистов, которую они могут оказать, находясь удаленно, благодаря возможностям современных средств - интернет или мобильную связь. Имея возможность доступа к данным объективного контроля, они могут предложить наиболее верное решение.
МПУ позволяет:
- осуществлять контроль за состоянием работоспособности ультразвукового оборудования, стационарно установленного на нефтяных скважинах, и при необходимости оперативно изменять режимы его работы;
- оказывать помощь и осуществлять контроль за действиями специалистов геофизических партий, а также вносить корректировку в принимаемые ими решения при проведении УЗВП;
- постоянно совершенствовать используемое оборудование благодаря возможности оперативного сбора статистических материалов по результативности проводимых работ и внесения необходимых изменений в конструкцию приборов и технологию работ для повышения эффективности и надежности УЗВП;
- повышать квалификацию специалистов благодаря возможности анализа его ошибочных действий по объективным показателям;
- соответствовать современным трендам в области нефтегазодобычи - создание «интеллектуальных» скважин;
- обеспечить открытость и прозрачность технологий и результатов УЗВП для заказчика.