Устройство магнитно-акустической диагностики установки электрического центробежного насоса

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности для исследования скважин, а именно для регистрации, идентификации дефектов установки электрического центробежного насоса (УЭЦН) и передачи телеметрической информации.
В настоящее время неотъемлемой частью УЭЦН для откачки пластовой жидкости становятся системы погружной телеметрии (ТМС), которые позволяют контролировать ряд рабочих параметров УЭЦН. Эта тенденция объясняется возможностью решения целого ряда задач [Феофилактов С.В. «Высокоточные системы погружной телеметрии для проведения гидродинамических исследований» // Инженерная практика, №09, 2010 г. сс. 18-20]:
- контроль и диагностика работы УЭЦН;
- оптимизация режима работы УЭЦН;
- повышение эффективности добычи углеводородного сырья.
У нас в стране и за рубежом ТМС серийно выпускают целый ряд предприятий (ОАО ИРЗ, ОАО «Алнас» и др.). Достоинством ТМС является возможность контроля давления и температуры масла погружного электродвигателя(ПЭД), температуры пластовой жидкости, температуры статорной обмотки ПЭД, уровня вибрации ПЭД, сопротивления изоляции силового кабеля и ПЭД. Недостатком стандартных ТМС является ограниченный перечень идентифицируемых дефектов.
Общеизвестно, что надежность любых сложных систем определяется надежностью наиболее слабого элемента. В случае УЭЦН, погружаемых в скважины и состоящих из погружного электродвигателя, протектора, фильтра насоса, центробежного насоса, основного кабеля, соединительной муфты, кабеля-удлинителя (комплектующего кабеля) и кабельного ввода, наиболее чувствительным элементом системы является ПЭД в силу наименьшего уровня изоляции по сравнению с другими элементами системы.
Он не только подвержен термобарической, газовой и химической агрессии скважинной среды, но и страдает при внутренних (коммутационных) и внешних (атмосферных) перенапряжениях в
изоляции погружного электродвигателя. Под выходом из строя ресурса изоляции ПЭД считается электропробой обмоток электродвигателя, а также недопустимое снижение уровня изоляции обмоток.
Известно устройство диагностики установки электрического центробежного насоса [SU 314158 А1, МПК7 G01R 31/06, опубл. 01.01.1971], которое состоит: из корпуса, сигнальной лампы, кнопки контроля, сальника, кабеля с проводами, зажима заземления и предохранителя. Недостатками технического решения являются: схема устройства работает только при отключенном положении электродвигателя; если электродвигатель не приспособлен к диагностированию, то устройство контролирует только техническое состояние изоляции обмоток.
Известно устройство диагностики установки электрического центробежного насоса (RU 45871 U1, МПК7 Н02Н 7/08, опубл. 27.05.2005), содержащее датчик давления, датчик температуры, датчик вибрации, станцию управления, предназначенную для измерения параметров работы погружного электродвигателя, источник переменного напряжения, трансформаторы постоянного тока и снабжено процессором. Недостатками аналога является ограниченный перечень идентифицируемых дефектов.
Известно устройство регистрации дефектов и оценки остаточного ресурса изоляции погружных электродвигателей [Сухачев И.С., Сушков В.В. Моделирование расхода ресурса изоляции погружных электродвигателей при разнообразных воздействиях // Динамика систем, механизмов и машин. - 2016. - Т. 3, №1. С. 166-169], соединенное с ПЭД при помощи муфты, и содержащее аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, где через встроенный алгоритм идентифицируется вид перенапряжения (внешнее или внутреннее) и оценивается остаточный ресурс изоляции погружного электродвигателя. Передача данных на поверхность осуществляется по силовому кабелю.
Достоинством устройства является возможность контроля чрезмерного количества внешних (атмосферных) или внутренних (коммутационных) перенапряжений, оказываемых влияние на электродвигатель, для возможного принятия оправданных предупредительных мероприятий по ограничению количества определенных видов (внешних или внутренних) перенапряжений, а также оценка ресурса изоляции ПЭД. Недостатком устройства является невозможность регистрации и идентификации дефектов прочих частей УЭЦН - протектора, фильтра насоса, центробежного насоса, основного кабеля, соединительной муфты, кабеля-удлинителя (комплектующего кабеля) и кабельного ввода.
Известно устройство определения технического состояния установки электрического центробежного насоса для добычи нефти [RU 2213270 С2, МПК F04D 13/10, F04D 15/00, опубл. 27.09.2003], состоящее из датчика напряжения с аналоговым выходом по напряжению и кабелем для подключения к записывающему прибору, при этом датчик выполнен в виде токовых клещей, которые установлены на все фазы энергоподводящего кабеля электродвигателя установки. Сигнал от датчика поступает на записывающий прибор, далее на компьютер для анализа и хранения.
Недостатком этого устройства является то, что требуется непосредственный доступ к диагностируемому двигателю, а также не возможно с достаточной достоверностью выявить конкретный вид дефекта.
Известно устройство диагностики установки электрического центробежного насоса [патент US 8020616 B2, опубл. 20.09.2011], включающее оптическое волокно для развертывания в скважине, в непосредственной близости от скважинного оборудования, и блок анализа обнаруженных световых сигналов, возвращаемых из оптического волокна, на которые воздействовали акустические волны, генерируемые скважинным оборудованием. Источник когерентного света (например, лазерный источник), который генерирует когерентный свет, используется для генерации зондирующих оптических импульсов, которые передаются в оптическое волокно. Вибрация двигателя, насоса и т.д, приводит к тому, что часть оптического волокна подвергается воздействию акустических волн, что вызывает локальное изменение показателя преломления части оптического волокна. Это изменение оптического волокна приводит к изменению характеристики рассеянного света, принимаемого на детекторе. Недостатком устройства является низкая достоверность выявления повреждений.
Известно устройство диагностики УЭЦН [патент RU 2387831 C1, опубл. 27.04.2010], принятое в качестве прототипа, содержащее RC фильтры, своими входами соединенные с линией связи, а выходами фильтр - с делителем напряжения и входом стабилизатора, и второй RC фильтр - к точке соединения стабилизатора и опорного стабилитрона. Выход делителя напряжения соединен со входом декодера, подключенного выходом к первому входу блока обработки. Первый выход блока обработки соединен со входом кодера, подключенного выходом к управляющему входу запитываемого от стабилизатора через токозадающий резистор ключа, один вывод которого соединен с нулевой шиной линии связи. Второй выход блока обработки соединен с коммутатором питания, выходы которого соединены с измерительными датчиками, подключенными выходами ко входам измерительного блока, выход которого соединен с блоком обработки.
Достоинством устройства является повышенная помехоустойчивость приема-передачи данных с устройства диагностики УЭЦН на наземную станцию. Недостатком прототипа является недостаточная достоверность идентификации дефектов.
Задачей технического решения является создание устройства магнитно-акустической диагностики УЭЦН, при осуществлении которого достигается технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств диагностики УЭЦН.
Технический результат достигается тем, что устройство магнитно-акустической диагностики установки электрического центробежного насоса содержит входной узел, состоящий из двух параллельно соединенных RC фильтров. Выход первого RC фильтра соединен со входом стабилизатора напряжения и входом делителя напряжения, выход которого подключен ко входу декодера, выход стабилизатора соединен через токозадающий резистор с ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом кодера, а выход второго RC фильтра соединен с опорным стабилитроном стабилизатора. Выход декодера соединен со входом микроконтроллера, подключенного к выходу стабилизатора, при этом к выходам микроконтроллера подключены вход кодера и входы измерительных датчиков - феррозондового магнитометра и приемного датчика акустического импульса, а также вход возбуждающего датчика акустического импульса. Выходы измерительных датчиков подключены ко входу микроконтроллера.
Магнитная память металла - последействие, которое проявляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности изделий в зонах концентрации напряжений и повреждений от рабочих нагрузок. (ГОСТ Р 52005-2003. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Общие требования. - М.: ФГУП «Стандартинформ»). Предлагаемый в устройстве диагностики измерительный датчик -феррозондовый магнитометр позволяет получать информацию о амплитуде, частоте и направлении действия вектора измеряемого магнитного поля. Обработка и сравнение микроконтроллером полученных данных с ферромагнитного магнитометра позволяет выявить отклонения от исходных параметров УЭЦН.
Движущиеся части (насосы, двигатели, клапаны и т.д.) УЭЦН в процессе эксплуатации постепенно изнашиваются. По мере износа оборудования повышается уровень вибрации УЭЦН, в результате чего в скважине генерируются типичные акустические образы (спектры, гармоники и т.д.), характерные для различных видов дефектов оборудования УЭЦН. Использование в процессе эксплуатации УЭЦН приемного датчика акустических импульсов позволяет получать акустические сигналы, обрабатывать и сравнивать полученные данные с эталонными данными. Таким образом, использование измерительных датчиков - феррозондового магнитометра и приемного датчика акустического импульса позволяет выявить отклонения от исходных параметров УЭЦН и зарегистрировать механические напряжения в деталях УЭЦН.
Полезная модель поясняется неограничивающими сущность графическими материалами, где:
На фиг. 1 показана УЭЦН в стволе скважины.
На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства магнитно-акустической диагностики.
На фиг. 3 показана функциональная схема соединения наземного блока и устройства магнитно-акустической диагностики через нулевую точку трансформатора питания погружного насоса.
Устройство магнитно-акустической диагностики УЭЦН представляет собой секцию 1 (фиг. 1) УЭЦН, которая встраивается между газосепаратором и протектором и состоит из входного узла, состоящего из параллельно соединенных RC фильтра 2 и RC фильтра 3 (фиг. 2, фиг. 3), выход RC фильтра 2 соединен со входом делителя напряжения 4 и входом стабилизатора напряжения 5. Выход RC фильтра 3 соединен с опорным стабилитроном 6 стабилизатора напряжения 5. Выход делителя напряжения 4 подключен ко входу декодера 7, выход которого соединен со входом микроконтроллера 8, который подключен к выходу стабилизатора напряжения 5. Выход микроконтроллера подключен ко входу декодера 9, а выход декодера 9 подключен к соединенному через токозадающий резистор 10 с стабилизатором напряжения 5 управляющему входу ключевого элемента 11.
К управляющим выходам микроконтроллера 8 подключен возбуждающий датчик акустического импульса 12 и измерительные датчики - приемный датчик акустического импульса 13 и феррозондовый магнитометр 14. Выходы измерительных датчиков 13 и 14 подключены ко входу микроконтроллера 8.
Устройство магнитно-акустической диагностики соединено с наземным блоком (фиг. 3) через нулевую точку трансформатора питания погружного насоса 15, силовой трехжильный кабель 16 (линия связи) и нулевую точку двигателя погружного насоса 17. Наземный блок содержит последовательно соединенные блок обработки и регистрации 18, кодер 19, управляемый источник 20 питания постоянного тока, соединенный одним выводом непосредственно с линией связи, а вторым - со входом декодера 21, выход которого подключен ко входу блока обработки и регистрации 18 и к первому выводу преобразователя 22 «ток-напряжение». Второй вывод преобразователя 22 «ток-напряжение» соединен с нулевой шиной линии связи.
Устройство работает следующим образом. Питание устройства магнитно-акустической диагностики и связь осуществляются по силовому кабелю 16 (линия связи) погружного насоса на расстоянии до 4 км, при условии: емкость линии связи до 4 мкФ; сопротивление линии связи до 1 кОм; сопротивление изоляции линии связи не менее 20 кОм. Напряжение питания подается с наземного блока (фиг. 3) от источника 20 постоянного тока. Передача информации от наземного блока к устройству магнитно-акустической диагностики 1 производится изменением напряжения питания устройства магнитно-акустической диагностики в два раза так, что напряжение постоянного тока в линии 16 связи изменяется по величине и во времени. Эти изменения напряжения постоянного тока поступают в микроконтроллер 8 через первый RC фильтр 2, делитель 4 напряжения и декодер 7.
Т. к. условия эксплуатации устройства магнитно-акустической диагностики 1 очень тяжелые (высокая температура, длинная линия связи, большая емкость линии 16 связи, наличие в линии связи высокого напряжения и больших токов), то для упрощения схемы и повышения надежности этого блока выбрана низкая скорость передачи по линии 16 связи. Устройство магнитно-акустической диагностики 1 передает «отчет» к наземному блоку, а наземный блок в случае успешного приема передает «ответ» устройству магнитно-акустической диагностики 1.
Для повышения надежности питание на возбуждающий датчик акустического импульса 12 и измерительные датчики - приемный датчик акустического импульса 13 и феррозондовый магнитометр 14, от стабилизатора 5 через микроконтроллер 8 передается только на время измерения.
При вводе в эксплуатацию УЭЦН значения амплитуды, частоты и направления действия вектора измеряемого магнитного поля с феррозондового магнитометра 14 и акустические сигналы с приемного датчика акустического импульса 13 принимаются за эталонные данные. При эксплуатации УЭЦН устройство магнитно-акустической диагностики циклически проводит замеры измерительными датчиками 13 и 14, результаты замеров обрабатываются микроконтроллером 8, сравниваются с предыдущими измеренными значениями и эталонными данными до тех пор, пока не произойдет изменение одного или нескольких измеряемых параметров, в случае чего микроконтроллер обрабатывает измеренные значения и идентифицирует тип дефекта УЭЦН.
В качестве феррозондового магнитометра можно использовать датчик TFM100-G2 фирмы Billingsley Aerospace & Defense (https://www.aseg.org.au/sites/default/files/TFM100G2%20Manual%20%28GR%29.pdf).
Устройство магнитно-акустической диагностики позволяет выявлять неисправности на ранней стадии возникновения и планировать рациональные сроки проведения ремонтов.