УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ДЕПАРАФИНИЗАЦИИ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
OIL WELL TUBING DEWAXING CONTROLLER

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к контролю и управлению процессом депарафинизации насосно-компрессорных труб нефтяных скважин, и предназначается для контроля процесса перемещения скребка в скважине.
Уровень техники
Известно устройство для измерения длины кабеля при спуске глубинного оборудования по патенту США №5351531, которое содержит калиброванное измерительное колесо, датчик усилий, датчики температуры и вычислительное устройство. Измерительное колесо имеет электрический счетчик, который выдает импульсы при вращении колеса. Измерительное колесо вращается под действием движения кабеля, который намотан на один оборот вокруг колеса, таким образом измеряется длина кабеля. Датчик усилия измеряет силу натяжения, возникающую в кабеле под действием веса кабеля и подвешенного глубинного оборудования. Значение усилия используется для коррекции изменения длины кабеля под действием силы натяжения. Датчики температуры измеряют окружающую температуру на поверхности и в скважине. Значения температур используются для коррекции изменения длины кабеля под действием окружающей температуры.
Недостатком данного устройства является необходимость установки датчика усилия и измерительного колеса на участке от барабана до скважины. Также необходимость высокой точности измерения глубины спускаемого оборудования, что не требуется в процессе депарафинизации, усложняет устройство.
Прототипом служит система управления процессом депарафинизации насосно-компрессорных труб нефтяных скважин по патенту РФ №2047762, содержащая электродвигатель, механически соединенный через лебедку и трос со скребком и связанный через блок коммутации с блоком управления, и датчик контроля провиса троса, снабжена дополнительным блоком коммутации, датчиком тока, первым, вторым и третьим компараторами, дифференцирующим блоком, первым, вторым и третьим формирователями заданного уровня, при этом выход датчика контроля провиса троса соединен через последовательно включенные в один из фазных проводов электродвигателя дополнительный блок коммутации и датчика тока с входом первого компаратора, к второму входу которого подключен первый формирователь заданного уровня, первый вход второго компаратора подсоединен к выходу датчика тока, а второй вход соединен с выходом второго формирователя заданного уровня, первый вход третьего компаратора соединен с выходом датчика тока через дифференцирующий блок, к второму входу третьего компаратора подключен выход третьего формирователя заданного уровня, а выходы первого, второго и третьего компараторов подсоединены к входу блока управления.
Недостатком данной системы является: низкое быстродействие, обусловленное инерционностью датчика тока, отсутствие контроля за зацеплением троса при его разматывании с барабана, отсутствие контроля положения скребка в скважине. Также в условиях низких температур возможно заклинивание механического датчика контроля провиса.
Раскрытие изобретения.
Цели изобретения - контроль натяжения троса, контроль за зацеплением троса при разматывании с барабана лебедки, определение положения скребка в скважине, точное определение момента достижения скребком крайнего верхнего положения при подъеме, увеличение быстродействия системы, повышение точности работы системы управления движением скребка за счет точного определения причины возникновения внештатной ситуации.
Для достижения указанных целей устройство контроля процесса депарафинизации насосно-компрессорных труб, содержащее электродвигатель, механически соединенный через редуктор, барабан и трос со скребком, снабжается датчиком усилия, установленным на неподвижной опоре и включенным в механическую связь между неподвижной опорой и корпусом электродвигателя и редуктора, датчиком оборота барабана, позволяющим судить о глубине спуска скребка, датчиком сдвига фаз между фазными током и напряжением одной из фаз питания электродвигателя, позволяющими повысить быстродействие системы и точность определения причины возникновения внештатной ситуации. Сигналы со всех датчиков поступают в вычислительное устройство. Вычислительное устройство по заложенному алгоритму производит управление режимом процесса депарафинизации насосно-компрессорных труб.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства контроля процесса депарафинизации.
Устройство содержит электродвигатель 6, редуктор 7, корпус 8 электродвигателя и редуктора, трос 2, скребок 9, находящийся в скважине 10, датчик усилия 5, установленный на неподвижной опоре 11, датчик оборота 4 барабана 1, вычислительное устройство 12, датчик сдвига фаз 17. Вычислительное устройство представляет собой МПБУ - микропроцессорный блок управления с указанными входными сигналами: Noб - значение счетчика оборотов барабана, Fк - сигнал датчика усилия 5, Δϕ - сигнал с датчика сдвига фаз 17. Датчики усилия, оборота и сдвига фаз соединены с вычислительным устройством с помощью линий связи 13, 14 и 19 соответственно. Трехфазное питание на электродвигатель подается по кабелю 15. Подача питания на электродвигатель управляется блоком коммутации 16. Мт - момент силы натяжения троса относительно оси барабана 18. Мк - момент силы реакции опоры корпуса 8 относительно оси барабана 18.
На фиг.2 представлено состояние зацепления троса на барабане. Обозначения те же, что и на фиг.1.
Осуществление изобретения.
Устройство работает следующим образом. Сила натяжения троса Fт, возникающая под действием скребка 9, веса висящего участка троса и силы трения скребка о стенки насосно-компрессорных труб, создает вращательный момент Мт вокруг оси 18 барабана 1, передающийся через редуктор 7 электродвигателю 6, закрепленному в корпусе 8. Во время работы электродвигатель создает вращающий момент. Созданный электродвигателем момент стремится провернуть корпус редуктора и электродвигателя вокруг оси 18 барабана, вызывая тем самым реакцию опоры корпуса Fк, которая действует на датчик усилия 5, являющийся механической связью между опорой 11 и корпусом 8. В итоге момент Мк реакции опоры корпуса противодействует моменту Мт силы натяжения троса. По значению сигнала Fк датчика усилий 5 производится контроль натяжения троса 2, что позволяет выявить застревание скребка в парафине. При спуске застревание скребка вызывает ослабление натяжения троса и его провис. При подъеме застревание скребка вызывает увеличение силы натяжения троса, что может стать причиной его разрыва или выхода из строя электродвигателя из-за долгой работы в режиме повышенных токов. Датчик усилия 5 измеряет силу реакции опоры корпуса 8. Сигнал с датчика усилия поступает в вычислительное устройство 12, где он сравнивается с предустановленными минимальным и максимальным порогами. Если значение силы реакции опоры меньше допустимого минимального или больше допустимого максимального значений, то производится изменение режима процесса депарафинизации в соответствии с заложенным алгоритмом. Вычислительное устройство представляет собой микропроцессорный блок управления, выполняющий функции приема сигналов от датчиков, обработки этих сигналов и выдачи управляющих сигналов по заданным алгоритмам.
Т
К
Во время спуска скребка возможно зацепление троса, в результате чего трос наматывается на барабан в противоположном направлении, и скребок в скважине движется вверх. В этом случае меняется положение троса 2 относительно оси 18 барабана, как показано на фиг.2, вследствие чего меняется направление момента Мт силы F натяжения троса. Изменение момента натяжения троса ведет к изменению знака момента Мк и, соответственно, силы реакции F опоры корпуса электродвигателя, что фиксируется датчиком усилия 5. Сигнал Fк с датчика усилий подается в вычислительный блок 12, где производится проверка знака сигнала. В случае смены знака сигнала датчика усилия производится изменение режима процесса депарафинизации с целью вывода системы из выявленной внештатной ситуации.
Во время движения вверх, если скребок доходит до крайнего верхнего положения в скважине или застревает в парафине, резко возрастает нагрузка на электродвигатель. При этом сигнал датчика сдвига фаз 17, подаваемый в вычислительное устройство 12, будет иметь значение, показывающим уменьшение угла Δϕ сдвига фаз между фазными напряжением и током. Если значение угла сдвига фаз будет меньше предустановленного минимального порога, то производится корректировка режима процесса депарафинизации по заложенному алгоритму в соответствии с выявленной причиной. Если значение глубины погружения скребка в скважине достаточно большое, то можно сделать вывод о застревании скребка в парафине. Если значение глубины близко к нулю, то можно сделать однозначный вывод о достижении скребком верхнего положения в скважине.
Также для определения застревания скребка в парафине или достижения скребком верхнего положения в скважине может использоваться значение скорости изменения угла сдвига фаз между фазными током и напряжением питания электродвигателя. Если угол сдвига фаз уменьшается медленно, то можно судить о движении скребка в парафине с увеличением сопротивления. В случае резкого уменьшения угла сдвига фаз до нуля можно сделать вывод о резком увеличении сопротивления парафина или достижении скребком верхнего положения в скважине. Использование значения скорости уменьшения угла сдвига фаз совместно со значением глубины спуска скребка позволяет повысить точность определения характера движения скребка.
Для любой скорости w вращения барабана в системе трос - барабан, приводимый во вращение электродвигателем через редуктор, независимо от направления вращения барабана, выполняется соотношение:
Т
T
К
К
где F - сила натяжения троса, R - радиус действия силы натяжения троса, F - сила реакции опоры корпуса электродвигателя и R - радиус действия силы реакции опоры корпуса электродвигателя.
Из равенства (1) определяем
К
T
Tmin
Tmax
Tmin
Tmax
К
T
К
Сигнал F с датчика усилия подается на вычислительное устройство, где вычисляется F и сравнивается с пороговыми значениями F и F, которые задаются в зависимости от вида применяемого троса. Минимальное значение силы натяжения F троса можно принять фиксированным, а максимальное значение F зависит от свойств троса. В случае достижения полученного по показаниям F датчика усилий значения силы натяжения F троса минимального или максимального пороговых значений, или, если в вычислительном устройстве фиксируется смена знака сигнала F датчика усилий, производится изменение режима процесса депарафинизации с целью вывода системы из выявленной внештатной ситуации.
T
При достижении скребком крайнего верхнего положения или его застревании в парафине во время подъема сила натяжения троса F резко возрастает, вследствие чего резко увеличивается нагрузка на электродвигатель, в результате уменьшается угол Δϕ сдвига фаз между фазными током и напряжением электродвигателя. Значение угла сдвига фаз, близкое к нулю, и одновременное значении глубины спуска скребка в скважину, близкое к нулю, определяют крайнее верхнее положение скребка в скважине, либо, в случае достаточно большого значения глубины спуска скребка, определяется застревание скребка в парафине.
Положение скребка в скважине определяется с помощью датчика оборота 4. Для этого датчик оборота 4, неподвижно закрепленный на опоре, выдает импульс в момент прохождения около него метки 3, установленной на ободе барабана 1. Импульс с датчика оборота 4 поступает в вычислительное устройство 12, которое во время спуска скребка увеличивает на единицу и во время подъема уменьшает на единицу значение Noб счетчика количества оборотов при каждом прохождении метки около датчика оборота. Предполагая, что трос при наматывании на барабан направляется укладчиком, можно считать, что трос на барабан уложен в несколько слоев с определенным количеством рядов в каждом слое. Поэтому для всех рядов в одном слое радиус, а следовательно, и длину окружности можно считать постоянной. А так как диаметр сечения троса постоянен по всей длине, то при переходе к соседнему слою радиус слоя меняется на определенное известное значение. Принимая данные утверждения и используя их в вычислительном устройстве, глубина спуска скребка измеряется с точностью, достаточной для операции депарафинизации.