СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам управления наземного гидравлического привода погружного скважинного штангового насоса.
Известен гидравлический привод скважинного насоса, содержащий рабочий цилиндр с поршнем, разделяющим его на две полости, штоковая из которых соединена нагнетательной линией через гидрораспределитель в одном его положении с насосом, сливной линией со сливом через гидрораспределитель - в другом его положении, при котором насос соединен сливной линией со сливом, отличающийся тем, что он снабжен регулируемым дросселем, установленным в сливной линии штоковой полости рабочего цилиндра, которая гидравлически разобщена от сливной линии насоса, причем он содержит блок управления, вход которого соединен с датчиками конечных положений поршня рабочего цилиндра, а выход - с узлом переключения гидрораспределителя (патент ПМ RU №117527, F04B 47/04, опубл. 27.06.2012).
Известен также гидропривод штангового скважинного насоса, содержащий силовой гидроцилиндр, гидробак, приводной электродвигатель, напорный трубопровод, отличающийся тем, что в качестве приводного электродвигателя применен двигатель-генератор, а в качестве силового гидронасоса применен насос-мотор, причемон снабжен электронной системой управления (патент ПМ RU №120153, F04B 47/04, опубл. 10.09.2012).
Недостатками систем управления обоих устройств является необходимость остановки и перемещения конечных датчиков переключения направления движения для изменения при необходимости длины хода гидравлического привода, причем это должно быть осуществлено специальными бригадами, оснащенными специальным оборудованием, что приводит к постоянным материальным затратам, связанным с остановкой насоса и обслуживанием привода.
Наиболее близким является система управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса, включающая управляемый гидравлический привод возвратно-поступательного движения штанг штангового насоса, локальную систему управления конкретным гидравлическим приводом и центральный процессор, при этом локальная система управления содержит локальный контроллер обработки информации и локальный контроллер управления приводом, выход которого подключен к управляемому гидравлическому приводу, датчики хода штока штангового насоса, подключенные выходами к входам локального контроллера обработки информации, при этом локальный контроллер управления приводом выполнен с возможностью управления приводом по скорости, отличающаяся тем, что локальный контроллер управления приводом, кроме того, выполнен с возможностью управления максимальной длиной хода штока насоса и контроля усилия на штоке, а также с возможностью контроля динамического уровня жидкости в скважине и/или давления на приеме насоса, для чего в локальную систему управления введены дополнительно соответствующие датчики, при этом система управления содержит несколько идентичных локальных систем управления конкретными гидравлическими приводами, причем локальные системы управления объединены в группы, каждая из которых снабжена групповым контроллером, который, в каждой входящей в группу локальной системе управления, соединен средством обмена информацией с входами-выходами локального контроллера обработки информации и входами локального контроллера управления приводом, кроме того, в систему управления введен центральный контроллер, который средством обмена информацией соединен с каждым из групповых контроллеров и центральным процессором (патент ПМ RU №126061, F04B 49/06, 47/04, E21B 44/00, опубл. 20.03.2013).
Недостатками данной системы управления является ступенчатое регулирование длины хода с шагом не менее 25 см, так как технологически трудно разместить дополнительные концевые датчики с меньшим шагом на приводе без резкого удорожания, что делает невозможном применение такой системы управления на малодебитных скважинах, при этом не реализована система плавного замедления и ускорения штанг в крайних верхнем и нижнем положениях, что может привести к обрыву штанг или выходу из строя самого привода, из-за гидроударов и резких пиковых нагрузок, связанных с резким изменением направления движения штанг, которые в 3-10 раз больше веса самих штанг.
Технической задачей предлагаемой системы управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса является создание простой, дешевой и надежной системы плавного регулирования хода штанг и значительного уменьшения гидроударных и пиковых нагрузок.
Техническая задача решается системой управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса, включающей управляемый гидравлический привод возвратно-поступательного движения штанг штангового насоса, локальную систему управления конкретным гидравлическим приводом и центральный процессор, при этом локальная система управления содержит локальный контроллер обработки информации и локальный контроллер управления приводом, выход которого подключен к управляемому гидравлическому приводу, несколько датчиков хода штока штангового насоса, установленных с определенным шагом и подключенных выходами к входам локального контроллера обработки информации, выполненного с возможностью управления максимальной длиной хода привода, подавая сигналы переключения на соответствующие переключатели гидравлического привода
Новым является то, что между датчиками хода привода и контролером установлено управляемое этим контроллером реле задержки сигнала, позволяющее плавно регулировать длину хода штока штангового насоса в пределах одного шага между датчиками, а между контроллером и управлением гидравлического привода размещен преобразователь, позволяющий увеличить время переключения направления движения плунжерного насоса.
На фиг. 1 изображена схема системы управления гидравлическим приводом.
На фиг. 2 изображен совмещенный график входного и выходного сигнала на реле задержки.
На фиг. 3 изображен график входного сигнала на преобразователе.
На фиг. 4 изображен график выходного сигнала преобразователя, идущего переключателю.
На графиках (фиг. 2-4) горизонтальная ось соответствует положению штока, измеряемому в метрах.
Гидравлический привод содержит силовой гидроцилиндр 1 (фиг. 1) с поршнем 2, шток 3 которого посредством муфты 4 соединен с штангами 5, соединенными со штоком скважинного насоса (на фиг. 1 не показан), а также гидробак 6, приводной управляемый локальной системой управления 7 насоса 8 с переключателем 9. Локальная система 7 содержит локальный контроллер обработки информации (на фиг. 1 не показан) и локальный контроллер управления приводом (на фиг. 1 не показан), выход 10 и 10' подключены соответственно к управляемому гидравлическому приводу 8 и его переключателю 9, несколько датчиков 11-15 хода штока штангового насоса, установленных с определенным шагом L и подключенных выходами к входам локального контроллера обработки информации, выполненного с возможностью управления максимальной длиной хода штока 3 и, как следствие, плунжера насоса, подавая сигналы переключения на соответствующие переключатели 9 гидравлического привода. Между датчиками 11-15 хода штока 3 привода и конторолером локальной системы 7 установлено управляемое этим контроллером обработки информации локальной системы 7 реле 16 задержки сигнала, позволяющее плавно регулировать длину хода штока 3 и поршня 2 привода пределах одного шага между датчиками 11, 12 или 11, 13 и т.п., которые с контроллера активизируются для снятия сигналов переключения. Между контроллером управления локальной системы 7 и переключателем 9 размещен преобразователь 17, позволяющий увеличить время переключения направления движения поршня 2.
Система управления работает следующим образом.
Штанговый насос, плунжер которого соединяют со штангами 5, спускают в скважину 18 в интервал установки (на фиг. 1 не показан). Штанги 5 через муфту 4 соединяют со штоком 3 и поршнем 2 гидравлического привода. Определяют максимальный ход штока 3 с поршнем 2, для чего устанавливают крайние датчики 11 и 15, которые при проходе муфты 4 дают на сигнал через реле задержки 16 контроллер обработки информации локальной системы 7 для переключения направления движения штока 3. Между крайними датчиками на равном расстоянии с шагом L устанавливают другие датчики 12-14. Скорость хода штока 3 определяется производительностью насоса 8, который выбирают из максимального дебита скважины 18, а частоту вращения регулируют сигналом на выходе 10 с контроллера управления приводом локальной системы 7. Насос 8 через переключатель 9, управляемый через преобразователь 17 сигналом на выходе 10' с контроллера управления приводом локальной системы 7, сообщают попеременно с верхом и низом гидроцилиндра 1. Верх и низ гидроцилиндра 1 также сообщены с питательной емкостью 6 насоса 8 в противофазе с насосом 8 (переключатели для емкостей 6 на фиг. 1 не показаны). Емкость 6 может быт выполнена открытой или герметичной, связанной с пневматическим конденсатором (на фиг. 1 не показан) для возможности накопления энергии при опускании штанг 5 в скважину 18. После установки калибруют локальный контроллер обработки информации локальной системы 7, для этого производят один цикл вверх-вниз поршня 2 и штока 3 гидравлического привода. Сигналы с датчиков 11-15 и соответствующее им положение муфты 4 штока 3 (см или м) запоминаются локальным контроллером обработки информации локальной системы 7. После этого делают несколько циклов вверх-вниз поршня 2 и штока 3 гидравлического привода, калибруя реле задержки 16 так, чтобы иметь возможность смещения управляющего сигнала на всем шаге l, места остановки муфти 4 штока 3 (см или м) в зависимости от работы реле 16 задержки запоминаются локальным контроллером обработки информации локальной системы 7. При этом настраивают преобразователь 17 переключателя 9, чтобы в крайних точках положения поршня 2 в гидроцилиндре 1 не было резких остановок и набора скорости (то есть снижения ускорения) для исключения гидроудара в гидроцилиндре 1 и больших динамических нагрузок на шток 3, муфту 4 штанги 5 и плунжер штангового насоса.
После этого дают сигнал пуска на локальную систему 7, локальный контроллер управления приводом которой подает с выхода 10 сигнал на работу насоса 8. Данные о положении муфты 4 и штока 3 снимаются с крайних датчиков 11 и 15 и проходя через реле задержки 16 обрабатываются локальным контроллером обработки информации локальной системы 7, после чего обработанный сигнал подается локальный контроллер управления приводом, а с него - через преобразователь 17 на переключатель 19 для изменения направления движения штока 3. При этом плунжер штангового насоса совершает возвратно-поступательные движения, и скважинная жидкость поднимается из скважины 18 на поверхность, где отводится по трубопроводу 19.
При необходимости изменения длины хода штока 3 (например, при изменении продуктивности вскрытого в скважине 18 пласта - не показан) на локальную систему 7 подают останавливающий сигнал, и локальный контроллер управления приводом подает останавливает работу насоса 8. Без вызова высокооплачиваемых специальных бригад, оператор выставляет необходимую длину хода на локальной системе 7, локальный контроллер обработки информации которой автоматически из введенных параметров выбирает какие пары датчиков 11, 12, 13, 14 или 15, и задействовать (например: 12 и 14), и какое время задержки выбрать, отстраивая реле задержки 16. После чего дают сигнал пуска на локальную систему 7, локальный контроллер управления приводом которой подает с выхода 10 сигнал на работу насоса 8.
Рассмотрим работу двухметрового привода с пятью датчикам 11-15, на котором выставили 1,3 м хода, например: задействованы локальной системой 12 и 14. Сигналы с этих датчиков 12 и 14 приходят на вход реле задержки 16 (см. график 1 на фиг. 2). При этом муфта 4 проходит 1 м. На выходе реле задержки 16 сигнал датчика 11 задерживается так, чтобы муфта 4 до переключения прошла еще 0,3 м (см. график 2 на фиг. 2). Сигнал с выхода реле задержки 16 подаются контроллер обработки информации локальной системы 7 и далее на контроллер обработки информации, на выходе 10' которого формируются разно переменные управляющие сигналы (см фиг. 3), преобразующиеся в плавно нарастающие управляющие сигналы на его выходе (см. фиг. 4), обеспечивающие плавную работу переключателя 9 и, как следствие всего гидропривода без гидроударов и высоких динамических пиковых нагрузок.
Система 7 для визуализации процессов может быть снащена экраном.
Предлагаемая система управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса проста, дешева и надежна за счет простого плавного регулирования хода штанг и значительного уменьшения гидроударных и пиковых нагрузок.