Модуль управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора

Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к техническим средствам, обеспечивающим герметизацию геофизического кабеля в скважинном лубрикаторе за счет принудительной подачи уплотнительной смазки в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора при проведении геофизических исследований и работ в нефтяных и газовых скважинах с избыточным давлением на устье.
Известна установка для принудительной подачи уплотнительной смазки в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора, содержащая двигатель внутреннего сгорания, компрессор, гидронасос, насос для подачи уплотнительной смазки, емкости для смазки и рабочей жидкости гидросистемы, распределительную и контрольно-регулирующую аппаратуру [Зайцев Ю.Н. и др. Освоение и ремонт нефтяных и газовых скважин под давлением. - М.: Недра. - 1982. - С. 171-172]. Такая конструкция установки позволяет подавать уплотнительную смазку в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора под давлением, необходимым для эффективной герметизации геофизического кабеля.
Недостатком известной установки является наличие большого количества вспомогательных узлов, а также отсутствие возможности регистрации в режиме реального времени и документирования технологических параметров работы установки.
Известна установка для принудительной подачи уплотнительной смазки, состоящая из закрепленных на несущей раме емкости для уплотнительной смазки с пневмоприводным насосом, панели управления и барабанов с рукавами высокого давления, при этом внутри установки смонтирован паропровод, разделенный запорным краном на входную и выходную зоны, сообщенные соответственно с барабанами входного и выходного паровых рукавов и установленным в емкости нагревательным змеевиком, причем паропровод выполнен с возможностью сообщения с линией подачи сжатого воздуха, а несущая рама покрыта снаружи утепленным кожухом, разделенным на две зоны глухой перегородкой [RU 2468280 С1, МПК F16N 7/14, Е21В 33/03, опубл. 2012]. Давление уплотнительной смазки при работе установки в комплексе с лубрикатором оценивается по показаниям манометра, а установка необходимого давления смазки осуществляется исходя из анализа показаний воздушного манометра.
Недостатком известной установки является использование для подачи уплотнительной смазки в уплотнительной устройство скважинного лубрикатора насоса с приводом от компрессора (пневмоприводного насоса), что не позволяет использовать установку в условиях отрицательных температур окружающей среды, а также то, что установка не имеет в своем составе контроллера, позволяющего оптимизировать количество подаваемой в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора уплотнительной смазки и уменьшать при необходимости ее расход при проведении геофизических исследований и работ.
Известен комплекс для герметизации устья скважины при проведении геофизических исследований и работ в скважинах с избыточным устьевым давлением, в состав которого, в том числе, включен модуль интеллектуального управления закачкой уплотнительной смазки и опрессовки СКУЛ - MP 1.0, состоящий из датчиков, установленных в узлах лубрикаторной установки, и содержащий гидробак с датчиками давления, температуры, уровня жидкости, исполнительный механизм в виде радиально-поршневого насоса, опущенного в гидробак, с приводом от асинхронного двигателя, шкаф управления, рукав высокого давления для подачи и отвода уплотнительной смазки, при этом управление насосом и поддержание заданного давления осуществляется за счет управления частотой вращения асинхронного двигателя с помощью векторного преобразователя частоты [Многофункциональный интеллектуально-технологический комплекс для герметизации устья скважины при проведении геофизических исследований и работ в скважинах с избыточным устьевым давлением / Плотников В.Л. и др. // Газовая промышленность. - №9. - 2019. - С. 24-30]. Конструктивное выполнение модуля позволяет использовать его в виде автономного устройства и производить закачку смазки в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора в условиях отрицательных температур окружающей среды.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относится отсутствие в составе модуля закачки уплотнительной смазки контроллера с часами реального времени, позволяющего осуществлять регистрацию в режиме реального времени, визуализацию и документирование технологических параметров закачки и работы модуля в качестве самостоятельного автономного устройства.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании полезной модели, является создание модуля управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора, параметры, которого удовлетворяют заданным требованиям герметизации уплотнительного устройства скважинного лубрикатора с геофизическим кабелем, имеющего возможность регистрации в режиме реального времени, визуализации и документирования технологических параметров модуля, с записью информации в память контроллера или на сменный носитель.
Поставленная техническая проблема при использовании полезной модели решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении надежности функционирования модуля за счет визуализации показаний датчиков давления и уровня уплотнительной смазки и их регистрации в режиме реального времени в памяти контроллера или на сменном носителе при обеспечении необходимой степени герметизации уплотнительного устройства скважинного лубрикатора с геофизическим кабелем в течение всего цикла работ, достоверной оценки достаточности имеющихся запасов уплотнительной смазки в емкости, а также предупреждении создания нештатной ситуации с использованием технических возможностей контроллера.
Указанный технический результат достигается тем, что в модуле управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора, содержащим емкость с уплотнительной смазкой, в которую опущен насосный агрегат, состоящий из исполнительного механизма в виде радиально-поршневого насоса с приводом от асинхронного электродвигателя, блок управления, рукав высокого давления для подачи уплотнительной смазки уплотнительной смазки в скважинный лубрикатор, датчик давления смазки и датчик уровня смазки, новым является то, что блок управления содержит сенсорный панельный контроллер с энергонезависимыми часами реального времени, выполненный с возможностью поступления, визуализации, регистрации и обработки технологических параметров закачки - сигналы от датчиков давления смазки и уровня смазки и управления количеством закачиваемой в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора уплотнительной смазки. Модуль может быть выполнен с возможностью осуществления подачи уплотнительной смазки в емкость для уплотнительной смазки, для чего снабжен линией подачи смазки в патрубок, расположенный в верхней части емкости. Датчик давления смазки установлен в штуцер линии подачи уплотнительной смазки в лубрикаторное устройство.
Конструктивное выполнение модуля обеспечивает возможность оценки тренда технологических параметров закачки уплотнительной смазки и управления в автоматизированном и диалоговом режимах количеством смазки, подаваемой в уплотнительной устройство с целью обеспечения надежной герметизации скважинного лубрикатора с геофизическим кабелем при проведении геофизических исследований и работ, принятия своевременных мер для снижения рисков и предотвращения нештатных ситуаций, возможность визуализации показаний датчиков давления и уровня уплотнительной смазки и их регистрации в режиме реального времени в память контроллера или на сменный носитель, возможность объективной оценки достаточности имеющихся запасов уплотнительной смазки для выполнения запланированных работ и оценки качества работы контактного уплотнения уплотнительного устройства скважинного лубрикатора, автоматизированное и диалоговое управление закачкой смазки, а также локального и удаленного мониторинга технологических параметров модуля.
На фигуре схематично показано исполнение модуля управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора.
Модуль управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора выполнен в виде единой конструкции и содержит емкость 1 для уплотнительной смазки, исполнительный механизм в виде радиально-поршневого насоса 2, опущенного в емкость 1, с приводом от асинхронного электродвигателя 3, блок управления 4 со встроенным сенсорным панельным контроллером 5, исходную информацию для которого обеспечивают датчик уровня смазки 7, расположенный в емкости 1, и датчик давления смазки 6, установленный в выходной штуцер 8 в линии подачи уплотнительной смазки, служащий для присоединения рукава высокого давления, соединяющего модуль с уплотнительным устройством скважинного лубрикатора (не показан на фигуре).
Крышка емкости 1 для уплотнительной смазки представляет собой основание, на котором смонтированы асинхронный электродвигатель 3 и блок управления 4. Для обеспечения возможности пополнения уплотнительной смазки в крышке емкости 1 установлен специальный патрубок (не показан на фигуре).
Все элементы модуля находятся в функционально-конструктивном единстве.
Основным технологическим узлом модуля, обеспечивающим решение описанной технической проблемы, является сенсорный панельный контроллер 5, который встроен в блок управления 4. Сенсорный панельный контроллер 5 с энергонезависимыми часами реального времени представляет собой устройство сбора и обработки данных и предназначен для регистрации, визуализации и документирования технологических параметров закачки смазки в режиме реального времени, а также управления закачкой уплотнительной смазки с целью поддержания заранее заданного давления.
Программное обеспечение контроллера 5 позволяет осуществлять регистрацию уровня смазки в емкости 1 и давления смазки в выходном штуцере 8 в режиме реального времени, а также их визуализацию, регистрацию и документирование с записью информации в память контроллера или на сменный носитель. Программное обеспечение контроллера также позволяет автоматически поддерживать заранее заданное давление закачки путем регулирования крутящего момента электродвигателя насосного агрегата.
В качестве контроллера возможно использование сенсорного панельного контроллера (например, СП-310Б), имеющего энергонезависимые часы реального времени, последовательный интерфейс RS-485, порт USB для подключения к компьютеру и USB-flash-накопитель, на который поступают сигналы от датчиков давления смазки 6 и уровня смазки 7.
В качестве датчика уровня смазки применяют, например, магнитные поплавковые индикаторы уровня типа ПДУ-2.1-350, работающие в диапазоне температур от минус 20 до плюс 80°С и имеющие максимальную коммутируемую мощность 30 Вт.
В качестве датчика давления смазки возможно применение, например, таких датчиков как датчики Курант ДИ. Рабочая среда для датчиков: жидкости, пар, газы, парогазовые и газовые смеси при давлении до 100 МПа.
Блок управления 4 содержит элементы управления крутящим моментом, такие как например, преобразователь частоты, блок питания, выключатель и контактор. Управление крутящим моментом скалярное вольт-частотное, при котором изменение частоты вращения достигается путем воздействия на частоту напряжения статорных обмоток при одновременном изменении амплитуды этого напряжения. Связь блока управления с исполнительным механизмом осуществляется через преобразователь частоты.
Установка датчика давления смазки в штуцер линии подачи уплотнительной смазки в лубрикаторное устройство обеспечивает его измерение в режиме реального времени для обеспечения контроля давления.
Модуль управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора работает следующим образом.
Включают электропитание электродвигателя 3 и блока управления 4. Регулированием крутящего момента электродвигателя 3 привода насоса 2 устанавливают необходимое давление уплотнительной смазки, подаваемой в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора. Давление уплотнительной смазки в нормальных условиях выбирают таким образом, чтобы на входе в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора оно превышало скважинное давление примерно на 0.1 МПа. В этом случае расход уплотнительной смазки минимален при сохранении герметизирующих свойств уплотнения.
На блоке управления 4 включают режимы визуализации и регистрации технологических параметров закачки в память контроллера или на внешний носитель, а также режим автоматического поддержания заранее заданного давления закачки.
Основными измеряемыми параметрами закачки являются: давление смазки, уровень смазки в емкости и время замера технологических параметров. Основными параметрами, которые вычисляются контроллером, являются объемный расход уплотнительной смазки в единицу времени в процессе проведения геофизических исследований и работ и значения крутящего момента электродвигателя насосного агрегата, необходимые для автоматического поддержания заранее заданного давления закачки.
Зарегистрированные контроллером в режиме реального времени значения уровня уплотнительной смазки заносятся в память контроллера и обрабатываются для оценки достаточности имеющихся запасов уплотнительной смазки при выполнении запланированных работ и, при автоматическом поддерживании давления закачки, ориентировочной оценки качества работы контактного уплотнения уплотнительного устройства скважинного лубрикатора.
В уплотнительном устройстве скважинного лубрикатора при проведении геофизических исследований и работ одновременно работают два вида уплотнений: контактное и гидродинамическое. Контактное уплотнение - это преимущественно резинотехнические изделия, осуществляющие обжатие движущегося геофизического кабеля. Резина в процессе скважинных работ достаточно быстро изнашивается и требует периодической замены. Однако в большинстве случаев износ контактных элементов происходит не одномоментно и позволяет какое-то время использовать контактное уплотнение с частично изношенными элементами в работе.
Модуль обеспечивает функционирование гидродинамического уплотнения и осуществляет закачку уплотнительной смазки в пустотное пространство между повивами брони кабеля и элементами контактного уплотнения, что позволяет частично компенсировать неэффективную работу контактного уплотнения за счет увеличения расхода уплотнительной смазки.
Возможны случаи, когда уровень уплотнительной смазки в емкости 1, контролируемый датчиком уровня смазки 7, достигает своего предельного значения, обозначенного в руководстве по эксплуатации модуля, тогда контроллер 5 выдает сигнал о необходимости пополнения запасов уплотнительной смазки в емкости до нужного уровня или включает систему автоматического пополнения емкости со смазкой.
В процессе работы модуля осуществляется отслеживание объемного расхода уплотнительной смазки. Если в процессе работы происходит увеличение расхода уплотнительной смазки, то можно объективно оценить время, на которое ее хватит и возможность завершения запланированного цикла скважинных операций без пополнения емкости, что позволяет прогнозировать ее потребность для выполнения всего цикла работ. Если величина расхода уплотнительной смазки в конце работы более чем на 5% выше, чем в начале, это свидетельствует о неудовлетворительной работе контактного уплотнения скважинного лубрикатора и необходимости выявления ее причин путем диагностирования.
Контроллер, анализируя изменения объемного расхода уплотнительной смазки в единицу времени, может оценивать эффективность работы контактного уплотнителя и выдавать рекомендации о возможности продолжения работ или необходимости их прекращении до устранения неисправностей контактного уплотнителя. При этом модуль переводится из автоматизированного режима в диалоговый и дальнейшие решения принимают сотрудники геофизической партии, обладающие необходимой квалификацией.
Пример работы модуля управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора.
Сенсорный панельный контроллер блока управления 4 собирает и обрабатывает информацию, полученную от датчиков уровня 5 и давления смазки 6 и, на основе результатов обработки информации, отправляет по электрическому кабелю управляющий сигнал, обеспечивающий регулирование крутящего момента электродвигателя 3 насоса, тем самым устанавливая на выходе штуцера 8 выбранное давление закачки.
При увеличении расхода уплотнительной смазки, возможно автоматическое или ручное пополнение емкости 1 с уплотнительной смазкой из отдельного источником пополнения (не показан на фигуре), в качестве которого может быть использован резервуар, бак или контейнер. Линия пополнения емкости 1 с уплотнительной смазкой может, например, представлять собой съемный шланг, связанный с источником пополнения. Стопорный клапан закрывается, когда емкость со смазкой полна, предотвращая переполнение. Таким образом, емкость с уплотнительной смазкой может пополняться по мере необходимости, позволяя модулю работать в течение требуемого периода.
Программное обеспечение контроллера имеет интуитивно понятный интерфейс, разработанный специально для сенсорного дисплея, что позволяет упростить управление модулем, сконцентрировав органы управления и индикации в одном месте.
Программное обеспечение контроллера в режиме реального времени осуществляет:
выбор одного из двух режимов работы модуля: автоматический режим поддержания предварительно установленного давления закачки уплотнительной смазки в уплотнительное устройство скважинного лубрикатора или диалоговый режим изменения параметров закачки в ручном режиме;
визуализацию текущих значений технологических параметров закачки и результатов их обработки;
управление электродвигателем насосного агрегата;
регистрацию технологических параметров закачки в режиме реального времени, а также их документирование с записью информации в память контроллера или на сменный носитель.
Испытания модуля показали, что технологические параметры работы регистрируются без искажений и пригодны к последующей обработке.
Заявляемый модуль управления уплотнительным устройством скважинного лубрикатора обеспечивает контроль и поддержание заданных параметров, благодаря чему повышается надежность его эксплуатации, обеспечивается надежная герметизация геофизического кабеля в скважинном лубрикаторе в процессе геофизических исследований и работ, снижается вероятность рисков осложнений и нештатных ситуаций в процессе работы модуля.
Таким образом, конструктивное выполнение модуля обеспечивает решение поставленных задач: обработка информации от датчиков, автоматизированное или диалоговое управление процессом закачки уплотнительной смазки, регистрация значений крутящего момента электродвигателя насосного агрегата в режиме реального времени, отображение служебной информации на экране дисплея в режиме реального времени, а также документирование технологических параметров и служебной информации с записью в память контроллера или на сменный носитель.