СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА

Полезная модель относится к устройствам для добычи нефти, в частности к наземному оборудованию, которое приводит в действие штанговый скважинный насос.
Автоматизация управления технологическими процессами в нефтедобывающей промышленности имеет особенности, связанные с расположением добывающего оборудования в труднодоступной местности и на больших расстояниях от мест размещения управляющего персонала. При этом, для автоматизации управления технологическими процессами, как и в других отраслях производства, применяются локальные средства автоматизации и автоматизированные системы управления более высокого уровня.
В нефтедобывающей промышленности, из-за большой отдаленности добывающего оборудования от места управления, основной проблемой является соединение локальных электронных систем управления с автоматизированной системой управления более высокого уровня.
Второй задачей является использование локальных систем автоматического регулирования и управления гидроприводами штанговых насосов, что снижает нагрузку на операторов и технологов, повышает оперативность управления и уменьшает вероятность нарушения технологии эксплуатации скважин.
В настоящее время первая задача решается с использованием современных средств связи: сотовой GPRS связи, спутниковой связи, УКВ радиосвязи, волоконно-оптических линий связи. Каждый из этих видов связи имеет недостатки: либо ограниченную дальность, либо высокую стоимость. При этом и локальная система управления, и система управления более высокого уровня должны адаптироваться к применяемой системе связи, что также требует существенных затрат.
Известна интегрированная система управления штанговым насосом, содержащая контроллер, который обрабатывает информацию от датчиков и связан с устройством управления электродвигателем привода с помощью средств радиосвязи. Система управления контролирует перемещение штока в единицу времени и усилие на штоке с помощью соответствующих датчиков (патент US 7219723 В2 "Integrated control system for beam pump system", E21B 44/00 публ. 22.05. 2007 г.).
Недостатком данной системы является ограниченное число контролируемых технологических параметров привода, в частности система не позволяет управлять максимальной длиной хода штока, а также не позволяет управлять одновременно несколькими приводами. Управление длиной хода штока предпочтительнее управления скоростью хода (или, что - то же) числом ходов штока в минуту, поскольку позволяет снизить износ штанг.
Наиболее близкой к предлагаемой является локальная система управления приводом шангового скважинного насоса (патент US 6890156 В2 "Reciprocating pump control system", F04B 49/06, публ. 10.05.2005 г.), имеющая дистанционную связь с пользователем (оператором). Система управления содержит управляемый по скорости привод возвратно-поступательного движения штанг штангового насоса; электронный контроллер, непосредственно управляющий приводом, и процессор, производящий математическую обработку информации о движении штока по данным датчиков хода. Система передает оператору фактические параметры движения штока, получает от оператора требуемые параметры и обеспечивает соответствие фактических параметров требуемым с помощью заложенной в компьютер математической модели привода
В примере исполнения этой системы контроллер, размещенный на приводе, соединен с компьютером, размещенным в месте размещения оператора с помощью двух модемов и линии связи по протоколам TCP/IP или Ethernet. Связь может осуществляться по телефонной проводной или радиолинии, либо через спутник.
Недостатком данной системы является ограниченное число контролируемых и управляемых технологических параметров привода, в частности система не позволяет одновременно со скоростью перемещения штока, управлять максимальной длиной хода штока и контролировать усилие на штоке. Кроме того, известная система не позволяет управлять одновременно несколькими приводами, что снижает оперативность управления и повышает вероятность нарушения технологии эксплуатации скважин.
Заявленная полезная модель решает задачу создания системы управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса, осуществление которой позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности одновременного управления несколькими приводами, в расширение перечня контролируемых и управляемых технологических параметров привода и, следовательно, в повышении оперативности управления и в снижении вероятности нарушения технологии эксплуатации скважин.
Сущность заявленной полезной модели заключается в том, что в системе 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, 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, новым является то, 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.
Технический результат достигается следующим образом. Признаки формулы полезной модели: «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, …» являются неотъемлемой частью заявленной системы управления и обеспечивают ее работоспособность, а, следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Наличие в заявленной системе управления гидравлическим приводом локальных систем управления, обеспечивает возможность управления конкретным одиночным гидравлическим приводом, а также обеспечивает возможность объединения локальных систем управления в группы с учетом месторасположения одиночных приводов. Выполнение локального контроллера с возможностью управления приводом по скорости, управления максимальной длиной хода штока и контроля усилия на штоке, а также с возможностью контроля динамического уровня жидкости в скважине или давления на приеме насоса, для чего в локальную систему управления введены дополнительно соответствующие датчики, расширяет перечень управляемых параметров гидравлического привода, что придает системе управления универсальность.
Поскольку каждая группа локальных систем управления снабжена своим групповым контроллером, это делает сформированные группы независимыми друг от друга, что позволяет варьировать количеством одиночных приводов в группе и составлять группы из одиночных приводов с учетом их местоположения. Групповой контроллер собирает информацию от локальных систем управления, пакетирует ее соответственно и выставляет в определенной последовательности центральному контроллеру.
Введение центрального контроллера позволяет увеличить радиус обслуживания центральным процессором локальных систем управления, поскольку центральный контроллер выполняет роль промежуточного звена между групповыми контроллерами и центральным процессором осуществляя подключение групповых контроллеров к центральному процессору по заданному графику. Кроме того, центральный контроллер принимает и упорядочивает пакеты информации от групповых контроллеров, а так же пакетирует информацию от центрального процессора для групповых контроллеров. Наличие групповых контроллеров позволяет возложить на них функцию распакетирования информации от центрального контроллера. Это обеспечивает независимость по быстродействию центрального контроллера от групповых контроллеров.
Обмен пакетированной информацией ускоряет обмен информацией между центральным процессором и контроллерами, что повышает быстродействие, а, следовательно, оперативность заявленной системы управления.
Заявленная конфигурация системы управления позволяет изменять ее путем наращивания или количества локальных систем управления, объединенных общим групповым контроллером, или путем наращивания количества групп, объединенных центральным контроллером, или используя совокупность этих вариантов. Простота изменения конфигурации заявленной системы управления делает ее универсальной, легко адаптируемой к конкретным условиям размещения управляемых одиночных гидравлических приводов, независимо от их количества. При этом, благодаря организации оперативного информационного обмена между локальными системами управления и центральным процессором, достоинством заявленной системы управления гидравлическим приводом являются высокая оперативность, наличие возможностей для оптимизации управляющих воздействий.
Кроме того, заявленная системы управления, благодаря адаптируемости конфигурации, позволяет использовать различные, известные на сегодняшний день, средства связи для передачи и обмена информацией: кабельная связь, волоконная оптика, радиосвязь, сотовая связь, спутниковая связь.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленная система управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности одновременного управления несколькими приводами, в расширение перечня контролируемых и управляемых технологических параметров привода и, следовательно, в повышении оперативности управления и снижении вероятности нарушения технологии эксплуатации скважин. Это обеспечивается за счет создания системы управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса, обслуживающей от одного до нескольких гидравлических приводов одновременно, изменяющейся конфигурации в зависимости от числа одиночных управляемых гидравлических приводов, обеспечивающей управление скоростью перемещения штока поршня насоса, максимальной длиной хода штока насоса, контроль усилия на штоке, а также контроль динамического уровня жидкости в скважине или давления на приеме насоса.
На чертеже изображена блок-схема заявленной системы управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса, содержащая две группы из трех локальных систем управления в каждой группе.
Заявленная система управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса содержит управляемый гидравлический привод возвратно-поступательного движения штанг штангового насоса (на чертеже не показан), несколько локальных систем управления 1.1-1.3 и 2.1-2.3 конкретным одиночным гидравлическим приводом, групповые контроллеры 1 и 2, центральный контроллер 3 и центральный процессор 4.
Каждая локальная система управления 1.1-2.3 содержит локальный контроллер управления приводом 5, выполненный с возможностью управления приводом по скорости, максимальной длиной хода штока и контроля усилия на штоке насоса, а также с возможностью контроля динамического уровня жидкости в скважине или давления на приеме насос; локальный контроллер обработки информации 6; датчики режима работы штока штангового насоса 7, 8, 9, 10, обеспечивающие управление скоростью перемещения штока насоса, максимальной длиной хода штока насоса, контроль усилия на штоке, а также контроль динамического уровня жидкости в скважине и (или) контроль давления на приеме насоса. Скорость перемещения штока штангового насоса вычисляют как производную от перемещения штока по времени (dx/dt).
Тот или иной из этих параметров используется в соответствии с содержанием газа в скважине, влияющим на заполнение скважинного насоса, характеризуемого эффективной длиной хода штока, и на точность замера динамического уровня газо-жидкостной эмульсии эхолотом. При этом только точность определения давления на приеме скважинного насоса не зависит от содержания газа в скважинной жидкости (эмульсии).
Эффективная длина хода штока скважинного штангового насоса может быть определена, например, путем анализа динамограммы (зависимости нагрузки на штоке от величины перемещения штока или связанных с ним штанг).
Выход локального контроллера управления приводом 5 подключен к управляемому гидравлическому приводу. Датчики 7, 8, 9, 10 подключены выходами к соответствующим входам локального контроллера обработки информации 6.
Локальные системы управления объединены в группы 1.1-1.3 и 2.1-2.3, каждая из которых снабжена групповым контроллером 1 (2), который в каждой входящей в группу локальной системе управления, соединен средством обмена информацией с входами - выходами локального контроллера обработки информации 6 и входами локального контроллера управления приводом 5.
Центральный контроллер 3 средством обмена информацией соединен с каждым из групповых контроллеров 1 и 2, и с центральным процессором 4.
Заявленная система управления гидравлическим приводом скважинного штангового насоса работает следующим образом. В каждой локальной системе управления текущая информация о режиме работы привода (штока насоса) поступает с датчиков 7-10 на входы локального контроллера обработки информации 6. На своих входах - выходах локальный контроллер обработки информации 6 формирует информацию о текущем значении параметров привода в цифровом коде и передает ее в групповой контроллер 1 (2) по его запросу. Каждый групповой контроллер 1, 2 формирует пакеты информации от каждой локальной управляющей системы 1.1-1.3 (2.1-2.3.), формирует общий пакет групповой информации и направляет его в центральный контроллер по его запросу. Центральный контроллер 3 принимает и упорядочивает пакеты информации и направляет их в центральный процессор 4. Процессор 4 поочередно обрабатывает полученную от центрального контроллера 3 информацию в соответствии с заложенной в него программой, и выбирает параметры управления приводом, оптимизирующие режим его работы. Результаты обработки информации от процессора 4, содержащие в себе информацию для управления приводом, через центральный контроллер 3 поступают в соответствующие групповые контроллеры 1 (2), и далее, в каждой входящей в группу локальной системе управления, - на входы локального контроллера управления 5 приводом. Локальный контроллер управления 5 приводом вносит соответствующие изменения в работу гидравлического привода конкретного одиночного скважинного штангового насоса.
Связь всех устройств между собой может обеспечиваться по проводам, оптическому кабелю или по радио, как показано на фиг.1.
В конкретном исполнении системы управления применены пять гидроприводов штангового скважинного насоса с регулируемым гидронасосом типа ГПШСН 8×3,5А "Гейзер" (1.1-2.3) с локальными (5) промышленными контроллерами фирмы IFM, центральный процессор в составе АСУ ТП "Телескоп+" (4), групповые (1, 2) и центральный 3 контроллеры памяти-коммуникаторы с модемами сотовой GPR связи. Применен лазерный датчик (7) хода штока, замеряющий скорость и длину перемещения. Применен цифровой датчик (8) давления-усилия на штоке типа СДВ-И-40,0-4-20 мА, датчик (9) уровня жидкости в скважине-эхолот "Микон" и датчик (10) давления на приеме скважинного насоса ТМС-8. Применение эхолота, вычисление эффективной длины хода штока ШСН по динамограмме или применение датчика давления на приеме скважинного насоса обусловлено содержанием газа в конкретной скважине.
При высоком содержании газа, приводящем к пенообразованию на динамическом уровне жидкости в скважине, применяют датчик давления. При умеренном содержании газа применяют метод анализа динамограмм или эхолот, если последний обеспечивает требуемую точность измерений.