ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ДЛЯ НАСОСНОЙ ШТАНГИ
PUMP ROD SMART MONITORING SYSTEM

НАЗНАЧЕНИЕ
Изобретение относится к нефтедобывающей технике, а более конкретно, к интеллектуальной системе мониторинга насосных штанг.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционные методы добычи нефти в основном сводятся к использованию механических движущихся средств. Важной частью механического оборудования для добычи нефти является штанга, которая проходит под землю и приводится в движение подземным насосом. Штанга может передавать как возвратно-поступательное, так и вращательное, движение и соответствующие нагрузки.
В системе добычи нефти с помощью насоса в нефтяной трубе, штанга работает в возвратно-поступательном режиме. Когда движение превышает определенную норму, стержень подвергается усталостному разрушению. Из-за этого падает уровень добычи нефти. В системе добычи нефти с помощью винтовых насосов, насосная штанга вращается, передает и испытывает нагрузку кручения. Когда движение превышает определенный предел, также имеет место усталостное разрушение. Таким образом, и в этом случае добыча нефти падает. Из-за отсутствия испытательного оборудования могут использоваться как старые, так и новые насосные штанги, в том числе и насосные штанги с усталостным разрушением из-за перегрузки. Добыча нефти может значительно снизиться, а расходы на техническое обслуживание системы будут высоки. По данным полевых исследований, для каждой аварии, связанной с разрывом штанги, потери могут достигать десятков тысяч долларов. Это определяет недостаток существующих технологий.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с вышеописанными проблемами, технической задачей изобретения является создание интеллектуальной системы мониторинга насосной штанги. Система мониторинга может обнаружить и записать число возвратно-поступательных движений или оборотов штанги и производить мониторинг нагрузок при движении или вращении насосной штанги.
Данная задача решается за счет следующих технических средств. Интеллектуальная система мониторинга для насосной штанги включает в себя центр мониторинга и взаимодействующее с ним устройство дистанционного беспроводного доступа, при этом устройство дистанционного беспроводного доступа соединено с блоком обнаружения движения и хранения параметров насосной штанги, который связан с радиочастотным (РФ) чипом памяти, расположенным на насосной штанге, для хранения информации о параметрах насосной штанги.
Чип памяти (РФ) хранит информацию о сырье, производителе, дате изготовления, идентификационном номере и числе возвратно-поступательных движений или оборотов вращения насосной штанги. Чип памяти (РФ) располагается в пазу на поверхности одного из торцов штанги. Опционально в насосной штанге может быть бокс для расположения чипа памяти (РФ). Бокс для чипа памяти (РФ) крепится к телу насосной штанги с помощью винта. Чип памяти (РФ) также может быть размещен в обруче, соединяющем две насосные штанги. При использовании в скважине, в соответствии с потребностью, может быть задействовано множество насосных штанг со встроенными чипами памяти (РФ), представляя собой полюс насосных штанг.
Радиочастотный (РФ) блок 3 чтения /записи считывает параметры насосных штанг из чипа памяти (РФ); блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг обнаруживает и сохраняет параметры, характеризующие движение и состояние насосных штанг, число линейных перемещений или оборотов, нагрузки насосных штанг. Устройство дистанционного беспроводного доступа посылает информацию о сохраненных и обнаруженных параметрах движения насосных штанг в центр мониторинга, который получает информацию о рабочем состоянии нефтяных скважин и насосных штангах в них. Центр мониторинга по состоянию штанг может предупреждать о ненормальном состоянии нефтяных скважин.
Блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг включает в себя основной микропроцессор и элементы, связанные с ним, элементы, составляющие сторожевую цепь, цепь сигнала, флэш-память и схему USB интерфейс; цепь сигнала далее связана с трансформатором тока и главный микропроцессор связан с устройством дистанционного беспроводного доступа.
Радиочастотный (РФ) блок чтения / записи содержит второй микропроцессор и связанные с ним радиочастотный трансивер, клавиатуру, ЖК-дисплей, модуль голосового выхода и зуммер, причем модуль радиочастотного приемопередатчика (трансивера) подключен к антенне.
Радиочастотный (РФ) чип памяти содержит радиочастотный модуль с антенной, LC резонатор, связанный с радиочастотным модулем. LC резонатор связан с цифровым модулем памяти через модем. Цифровой модуль памяти дополнительно соединен с таймером.
Устройство дистанционного беспроводного доступа является модулем GSM связи, модулем GPRS связи или модулем 3G связи. Основной микропроцессор выполнен на чине PIC18F6620.
Второй микропроцессор выполнен на чипе LPC2138. Флэш-память выполнена на чипе AT45DB081B. Дисплеем является ЖК-дисплей. Модуль радиочастотного приемопередатчика (трансивера) выполнен на чипе CLRC632.
В чип памяти (РФ) записывается первичная информация о сырье (материале изготовления), производителе, дате изготовления, а также идентификационный номер штанги. Таким образом, каждой насосной штанге присвоен идентификационный номер. Когда штанга эксплуатируется под землей, в чип памяти (РФ) с использованием радиочастотного (РФ) блока чтения / записи заносится информация о местонахождении нефтяной скважины, порядковом номере скважины, времени и номере размещенной в скважине штанги. Блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг сохраняет данные о движении насосных штанг, например, число возвратно-поступательных движений или оборотов при вращательном движении. При подъеме из нефтяной скважины радиочастотный (РФ) блок чтения / записи заносит информацию в (РФ) чип памяти о количестве выполненных движений насосных штанг. Таким образом записывается количество выполненных каждой насосной штангой движений. При необходимости прогнозирования можно также записать в чип памяти (РФ) сведения об остаточном ресурсе насосной штанги в соответствии с условиями ее использования.
В то же время, идентификационный номер недавно замененных насосных штанг, которые будут использоваться в скважинах, должны храниться в блоке обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг, чтобы следить за состоянием недавно замененных насосных штанг.
Блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг и устройство дистанционного беспроводного доступа связаны через последовательный порт.
Информация, хранящаяся в блоке обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг отсылается в центр монитора с помощью устройства дистанционного беспроводного доступа. При возникновении внештатной ситуации информация об этом передается в центр монитора.
Система питания насосной установки на поверхности (вне скважины) обеспечивает питанием блок обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг и устройство дистанционного беспроводного доступа. Когда происходит сбой в системе питания, для обеспечения питания используются литиевые батареи или конденсаторы. Информация о параметрах и движении насосных штанг до сбоя в системе питания хранится в блоке обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг. Информация о сбое в системе питания отправляется в центр монитора (мониторинга). Радиочастотный (РФ) блок чтения / записи питается от литиевых батарей, а когда их мощности недостаточно, может быть подключена система питания насосной установки на поверхности земли.
Преимущества изобретения изложены ниже. При присвоении идентификационного электронного номера насосной штанге и в соответствии с полученной информацией может осуществляться интеллектуальный мониторинг и управление насосными штангами. Систему мониторинга можно использовать на нефтяных месторождениях на земле, в пустыне или на море. Кроме того, при транспортировке на склад может быть получена информация о состоянии конкретных насосных штанг посредством дистанционного считывания параметров радиочастотным (РФ) блоком чтения/записи. Штанги могут быть отобраны и помещены на хранение в соответствии с параметрами, обусловленными условиями их эксплуатации и числом произведенных оборотов и возвратно-поступательных движений. Насосные штанги, имеющие схожие параметры могут использоваться совместно, что повысит эффективность работы и позволит избежать проблемы совместной работы насосных штанг с различным сроком службы. В предложенном изобретении реализуются такие преимущества, как сокращение несчастных случаев, снижение расходов на техническое обслуживание, и значительное улучшение эффективности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 изображена структурная схема интеллектуальной системы мониторинга насосных штанг;
На Фиг.2 изображена схема радиочастотного (РФ) блока чтения / записи;
На Фиг.3 изображена схема блока обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг;
На Фиг.4 изображена схема радиочастотного (РФ) чипа памяти;
На Фиг.5 изображена схема соединения штанг.
На чертежах используются следующие обозначения:
Центр 1 мониторинга; устройство 2 дистанционного беспроводного доступа; радиочастотный (РФ) блок 3 чтения / записи; блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг, радиочастотный (РФ) чип 5 памяти; модуль 6 голосового оповещения (выхода); зуммер 7; трансивер 8; антенна 9; второй микропроцессор 10; первый последовательный порт 11 RS232; клавиатура 12; ЖК-дисплей 13; цепь USB интерфейса 14; цепь 15 обеспечения безопасности; флэш-память 16; трансформатор 17 тока; цепь 18 формирования сигнала; главный микропроцессор 19; второй последовательный порт 20 RS232; третий последовательный порт 21 RS232; антенна 22 чипа 5 памяти; модуль 23 передающей части; LC резонатор 24; модем 25; цифровой модуль 26 памяти; таймер 27; насосная штанга 28; обруч 29.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ
Для иллюстрации изобретения ниже представлено подробное описание интеллектуальной системы мониторинга для насосной штанги. Следует отметить, что следующие примеры предназначены для описания, а не для ограничения изобретения. Как показано на фиг.1-5, интеллектуальная система мониторинга для насосных штанг включает в себя взаимодействующие друг с другом центр 1 мониторинга и устройство 2 дистанционного беспроводного доступа. Устройство 2 дистанционного беспроводного доступа получает сигнал от блока 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг. Блок 4 соединен с радиочастотным (РФ) блоком 3 чтения /записи. При этом радиочастотный (РФ) чип 5 памяти помещен в пазу на поверхности насосной штанги 28. В рассматриваемом варианте чип 5 памяти расположен в пазу на торце насосной штанги 28. При этом насосные штанги 28 соединяются между собой с помощью обруча 29. Радиочастотный (РФ) блок 3 чтения / записи считывает радиочастотный сигнал с чипа 5 памяти. Блок 4 считывает число возвратно-поступательных движений и число оборотов насосных штанг 28. Информация о параметрах движении с блока 4 передается на монитор центра 1 мониторинга, управляемого с помощью устройства 2 дистанционного беспроводного доступа. Таким образом, в центре 1 мониторинга собирается в режиме реального времени информация о состоянии скважин и насосных штанг 28. Центр 1 мониторинга анализирует информацию о движении и состоянии насосных штанг 28 и предупреждает о ненормальном состоянии нефтяной скважины.
Блок 3 содержит второй микропроцессор 10, модуль 8 трансивера (радиочастотного приемопередатчика), клавиатуру 12, монитор 13, модуль 6 речевою вывода, зуммер 7, и первый серийный порт 11 RS232, которые подключены ко второму микропроцессору 10. Трансивер 8 связан с антенной 9. В трансивере 8 используется чип CLRC632. Второй микропроцессор 10 (чип LPC2138) подключен к монитору 13, модулю 6, и клавиатуре 12 через порт ввода / вывода. Радиочастотный (РФ) блок 3 чтения /записи записывает и проверяет данные с чипа 5 памяти, причем данные можно скорректировать при помощи клавиатуры 12. Голосовой сигнал усиливается усилителем мощности и с помощью наушников или динамиков оповещает об успешной или неудачно проведенной операции чтения / записи и выполненной работе.
Когда чтение / запись прошла успешно, зуммер 7 сигнализирует об этом, и голосовой сигнал подтверждает успешный результат. Блок 3 чтения / записи может работать либо в KB, либо в ДМВ диапазоне.
Чип 5 памяти содержит радиочастотный модуль 23 с антенной 22 и LC резонатором 24, связанный с модулем 23. LC резонатор 24 соединен с модулем 26 цифровой памяти (цифровым модулем) через модем 25. Цифровой модуль 26 также соединен с таймером 27.
Основные параметры штанги 28 записываются в чип 5 памяти до того как пакет штанг 28 введен в нефтяную скважину. Когда каждая насосная штанга вводится в нефтяную скважину, блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг считывает ее идентификационный номер. Когда насосные штанги работают, информация о движении записывается на флэш-память 16, расположенную внутри блока 4. Блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг содержит основной микропроцессор 19 и связанные с ним элементы: сторожевую цепь 15, флэш-память 16, цепь USB интерфейса 14, трансформатор тока 17, цепь 18 формирования сигнала (цепь сигнала), второй последовательный порт 20 на чипе RS232 и третий последовательный порт 21 на чипе RS232. Основной микропроцессор 19 выполнен на чипе PIC18F6620. Сторожевой блок 15 выполнен на чипе 25043 с функциями предотвращения скачивания программы или ее перехода в бесконечный цикл. Флэш-память 16 выполнена на чипе AT45DB081B, ее основной функцией является сохранение необходимой информации, такой как идентификационный номер насосной штанги 28 и номер текущего движения насосной штанги 28, при прерывании подачи питания. USB интерфейс - контроллер 14 выполнен на чипе СН375 В. Вся сохраняемая информация о движении и параметрах насосных штанг может быть переписана на USB диск.
Таким образом, информация о движении и параметрах насосных штат 28 может быть сохранена на диске USB, и специалисты могут получить на месте данные о нефтяных скважинах. Данные будут переданы обратно в центр 1 монитора для обновления информации о насосных штангах. Трансформатор тока 17 детектирует информацию о движении (количество передвижений) насосных штанг 28. Выход трансформатора тока 17 соединен со входом цепи сигнала 18, выходной сигнал с которой подается на аналого-цифровой преобразователь и далее на основной микропроцессор 19.
Трансформатор тока 17 измеряет значение однофазного тока трехфазного источника питания. Это текущее значение поступает на аналого-цифровой преобразователь и далее на порт основного микропроцессора через цепь 18. Таким образом собирается и анализируется вся информация о движении штанги 28. При использовании поршневою масляного насос, измерение количества движения насосной штанги 28 достигается путем измерения максимального значения тока в одном цикле. Если используется масляный винтовой насос, измерение количества движения насосной штанги 28 достигается путем измерения частоты двигателя.
В одном из вариантов осуществления изобретения в устройстве 2 дистанционного беспроводного доступа используется GSM модуль. GSM модуль подключается к блок} 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг через второй последовательный порт 20, выполненный на чипе RS232. Блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг соединен с первым последовательным портом 11, выполненным на чипе RS232, а блок 3 чтения / записи подключен через третий последовательный порт 21, выполненный на чипе RS232. При поднятии насосной штат и 28 из скважины, данные о количестве передвижений штанги, сохраненные в блоке 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг, записываются в чип 5 памяти на насосной штанге 28. Таким образом собираются и сохраняются параметры движения насосных штанг 28.
В это же время блок 3 чтения / записи считывает идентификационный номер вновь опускаемой насосной штанги 28 и затем записывает идентификационный номер в блок 4 обнаружения движения и хранения параметров насосных штанг для запроса данных о параметрах насосной штанги 28.
В то время как конкретные варианты осуществления изобретения были показаны и описаны, для специалиста в данной области очевидно, что изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от изобретения в его более широких аспектах, и, следовательно, техническое решение, описанное в формуле изобретения, охватывает все такие изменения и модификации, которые входят в существо и объем изобретения.