Полностью автоматическое устройство для добычи нефти

Полностью автоматическое устройство для добычи нефти

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к устройству для добычи нефти, а более конкретно к полностью автоматическому устройству для добычи нефти с цифровым управлением компьютерами.

В нефтяной промышленности существует проблема, состоящая в том, как сделать работу устройства соответствующей изменению нефтенасыщенности, и это является основным фактором, который влияет на добычу нефти. Если проблему успешно решить, добыча повысится. В противном случае она будет снижаться. В настоящее время в стране существует около 20 месторождений нефти и около 100000 механических устройств, работающих для добычи нефти. Появилось несколько типов энергосберегающих устройств, но они все еще приводятся в действие электрическим двигателем. Изменение скорости редуктором приводит в действие балансирный станок-качалку и насосную штангу под землей для добычи нефти. Устройства задерживают развитие способа из-за их физической конструкции. Они потребляют большое количество энергии. Эффективность низка, и механические потери очень велики. В целом, существует три основных проблемы, влияющие на работу традиционных устройств. Во-первых, балансирный станок-качалка работает так, что он преобразует вращательное движение в прямолинейное движение. Когда он работает, существует большая неуравновешенная сила. Возьмем в качестве примера устройство габарита 12. Неуравновешенная сила составляет 5 тонн. Механическое устройство совершает 6 циклов в минуту и более 4300 циклов за 24 часа. В ходе 24-часовой работы теряется большое количество энергии. С затратой такой энергии 5-тонный кран поднимает 5-тонный груз 4300 раз. Во-вторых, различная маслянистость подземных пластов вызывает изменения нефтегазонасыщенности и глубины нефтеносного слоя. Механические устройства не могут приспособиться к этим изменениям, и их эффективность составляет только около 20%. В-третьих, работа механического устройства не является логической по технике, поэтому реальная работа составляет только около 30%, и частота поломок устройств очень высока.

Целью настоящего изобретения является создание полностью автоматического устройства для добычи нефти, функционирующего под полным управлением компьютером и в новом режиме работы и с более логическим механизмом. Устройство достигает цели уменьшения потерь энергии и повышения эффективности добычи нефти.

В упомянутом соответствующем изобретению полностью автоматическом устройстве для добычи нефти применена конструкция осевой трансмиссии и мягкой ленточной подвески. Электродвигатель 17 соединяет редуктор 5 с осью, и редуктор 5 соединяет ведомую ступицу 7А с осью для приведения в действие трансмиссионных лент 10А и 10В. Когда ведомая ступица 7В соединяется с приспособлением 9 для подвески насосных штанг, будет присоединяться насосная штанга, и затем может приводиться в действие скважинный нефтяной насос 24. Когда электрический двигатель вращается вперед, добывается нефть. Когда электродвигатель вращается в обратном направлении, совершается возвратное движение.

Когда ведущая ступица 7А приводит в действие трансмиссионные ленты 10А и 10В, она также приводит в действие трансмиссионную ленту 11. Другой конец трансмиссионной ленты 22 соединен с балансировочным грузом 12, который работает синхронно, когда насос работает вперед или в обратном направлении. Это полностью автоматическое устройство для добычи нефти содержит основание 1 кронштейна 2 и платформы 3. Электрический двигатель 17, редуктор 5, ведущая ступица 7А и ведомая ступица 7В установлены на платформе 3. Электрический двигатель 17 и контроллер 20 управления процессом добычи нефти соединены через задающий трансформатор 18 частоты. Электрический двигатель 17 принимает команды, посылаемые программируемым контроллером 20 через задающий трансформатор 18 частоты, который работает как главный привод. Контроллер 20 управления процессом добычи нефти соединен с кодирующим средством 16 абсолютных значений, способным отображать рабочее состояние. Контроллер 20 управления процессом добычи нефти собирает информацию о положении и угле вращения оси ведущей ступицы. Часть слежения за движением и остановкой состоит из кодирующего средства 16 абсолютных значений и тормозного блока.

Согласно изобретению контроллер 20 управления процессом добычи нефти состоит из центрального процессорного модуля, модуля ввода-вывода и жидкокристаллического дисплея.

В этом полностью автоматическом устройстве для добычи нефти контроллер 20 управления процессом добычи нефти и кодирующее средство 15 приращения соединены, и контроллер 20 управления процессом добычи нефти также соединен с расходомером 19 нефти. Таким образом, контроллер 20 управления процессом добычи нефти собирает информацию о скорости вращения электрического двигателя с преобразователем и расходе нефти в добывающей трубе соответственно. Кодирующее средство 15 приращения получает информацию о положении, угле и скорости вращения оси электрического двигателя 17 непосредственным измерением. После запрограммированного контроля контроллером 20 управления процессом добычи нефти могут генерироваться команды управления. Команды управления могут управлять коммутацией электрического двигателя 17 и устанавливать и регулировать его вращательную скорость.

Полностью автоматическое устройство для добычи нефти работает посредством прямого балансирования нагрузки на подвесное средство грузом, и значения для этого получены точным вычислением компьютерами. Когда устройство работает, уравновешивающая сила может достигать свыше 90%, и может экономиться свыше 50% электроэнергии. В этом устройстве используется комбинация цифрового векторного преобразователя частоты, кодирующего устройства приращения и электрического двигателя с преобразователем в качестве привода, который, таким образом, может обеспечивать программируемый привод. В ходе работы устройство может регулировать его такт и частоту для приведения их к 100-процентному соответствию изменениям маслянистости, потока нефти и нефтеносных пластов. Оно может точно регулировать скорость работы при движении вверх или вниз для приспособления к подъему подвесного устройства нефтяной скважины таким образом, что эффективность добычи нефти будет повышаться. Компьютер так управляет устройством в условиях параметрической оптимизации, что все системы устройства могут работать непрерывно и надежно в течение долгого периода времени. Под управлением компьютера срок службы устройства эффективно продлевается, норма потерь, вызванных простоем частей, уменьшается, и стоимость этого устройства сокращается. Это изобретение имеет преимущества, состоящие в высокой допустимой нагрузке, ручном/автоматическом управлении с дальней связью, самодиагностике для обнаружения повреждений, автоматическом предупреждении и т.д. Это устройство может применяться в глубоких нефтяных скважинах, нефтяных скважинах с высоким содержанием влаги, скважинах с загустевшей нефтью и обычных нефтяных скважинах.

Описание чертежей:

фиг.1 изображает вид спереди конструкции этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.2 изображает вид справа конструкции этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.3 изображает вид балансировочного соотношения между нагрузкой и балансиром этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.4 изображает структурную схему соотношения пуска, величины хода, тактов перекачивания нефти и возвратного хода с насосной нагрузкой этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.5 изображает блок-диаграмму электрических схем управления этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.6 изображает блок-диаграмму принципа автоматического управления этим полностью автоматическим устройством для добычи нефти;

фиг.7 изображает вид спереди конструкции другого варианта выполнения полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.8 изображает вид справа конструкции другого варианта выполнения этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.9 изображает вид сбалансированного соотношения между нагрузкой и балансиром, соответствующим другому варианту выполнения полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.10 изображает структурную схему соотношения пуска, величины хода, тактов перекачивания нефти и возвратного хода с насосной нагрузкой другого варианта этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.11 изображает блок-диаграмму электрических схем управления другого варианта выполнения этого полностью автоматического устройства для добычи нефти;

фиг.12 изображает блок-диаграмму принципов автоматического управления другого варианта выполнения этого полностью автоматического устройства для добычи нефти.

Фиг.1, 2, 3 и 4 показывают конструкцию вышеописанного устройства. Принцип работы этого устройства предусматривает соединение источника 14 питания и трансформатора 18 частоты электрическими цепями, и с ними также соединен электрический двигатель 17. Когда включают питание, электрический двигатель 17 может вращаться вперед или в обратном направлении, при этом ось соединяет его с редуктором 5. Ось соединяет редуктор 5 с ведущей ступицей 7А так, что могут приводиться в действие трансмиссионные ленты 10А и 10В. Когда ведомая ступица 7В соединена с редуктором 5 и с приспособлением 9 для подвески насосных штанг, насосная штанга 8 будет приведена в действие, и начнет работать скважинный насос 24. Когда электрический двигатель вращается вперед, будет добываться нефть. Когда он вращается в противоположном направлении, будет совершаться возвратное движение. Когда электрический двигатель вращается вперед, расстояние перемещения называется величиной хода. Цикл вращения вперед и в обратном направлении называется тактами перекачивания нефти. Если пройден цикл, устройство добывает одну порцию нефти.

Когда ведущая ступица 7А приводит в действие трансмиссионные ленты 10А и 10В, она также приводит в действие трансмиссионную ленту 11. К другому концу трансмиссионной ленты 11 присоединен балансир 12. Когда скважинный нефтяной насос, приводимый в действие электрическим двигателем, работает вперед или в обратном направлении, для сохранения баланса балансир 12 будет работать синхронно с насосом. Кроме того, трансмиссионные ленты 10А и 10В могут заменяться цепями или тросами.

Контроллер 20 управления процессом добычи нефти принимает информацию о точном угле и положении вращения оси ведущей ступицы при помощи кодирующего средства 16 абсолютных значений. Кодирующее средство 16 передает сигналы положения в контроллер 20 управления процессом добычи нефти по электрическим цепям.

Контроллер 20 управления процессом добычи нефти передает программные команды трансформатору 18 частоты в соответствии с компьютерными программами. Преобразователь 18 частоты может приводить электрический двигатель 17, и устройство может выполнять функции остановки хода и регулирования хода.

Устройство содержит также основание 1, кронштейн 2, платформу 3, боковую направляющую 4 балансира, распределительную коробку 13, расходомер нефти и продуктовый трубопровод 21. На чертежах позицией 22 обозначено устье скважины, и позицией 23 обозначена нефть в нефтяной трубе под землей.

Трансмиссионные ленты 10А и 10В, приспособление 9 для подвески насосных штанг, насосная штанга 8, скважинный нефтяной насос 24, нефть 23 в нефтяной трубе (когда нефть в нефтяной трубе извлекают, сила трения составляет суммарную нагрузку на устройство), противовесная лента 11 и балансир 12 образуют противовесную систему этого устройства.

Редуктор 5 вращается с изменяемыми скоростями для того, чтобы электрический двигатель 17 мог приводить в действие грузовые ленты 10А и 10В, приспособление 9 для подвески насосных штанг, насосную штангу 8, скважинный нефтяной насос 24 и перемещать вверх нефть 23 в нефтяной трубе для ее извлечения. Одновременно имеет значение работа электрического двигателя 17. Для уменьшения мощности электрического двигателя 17 и уменьшения потребления энергии электрический двигатель 17 соединен с редуктором 5 и соединен с лентами 10А и 10В ведущей ступицей 7А. Одновременно в отрицательном направлении электрический двигатель соединен с противовесной лентой и балансиром 12, и когда электрический двигатель работает, формируется уравновешенное отношение подвешенной нагрузки и уравновешивающего груза. Таким образом достигается цель снижения потребляемой мощности электрическим двигателем и экономии электроэнергии.

Электрические цепи соединяют трансформатор 18 частоты и электрический двигатель 17, и преобразователь 18 частоты может принимать информацию о частоте и сигналы изменения тока от электрического двигателя, который работает под нагрузкой. Информация передается в программируемый логический контроллер для обработки. Посредством вычисления программируемый логический контроллер может получать данные о нагрузке для разных положений, когда электрический двигатель работает. Согласно этим данным могут выполняться обратные вычисления для получения необходимых данных о противовесе. Когда электрический двигатель работает под нагрузкой, посредством изменения вручную противовеса можно достигать 85%-100% равновесия, и может сберегаться свыше 80% энергии. То есть из всех устройств для добычи нефти это изобретенное полностью автоматическое устройство может добывать нефть с низким потреблением энергии, которое достигает минимального предела.

Кодирующее средство 15 приращения принимает сигналы об угловом положении и скорости вращения оси 8 электрического двигателя 17.

Контроллер 20 управления процессом добычи нефти принимает сигналы о скорости вращения, частоте и токе электрического двигателя 35 в преобразователь 18 частоты.

Контроллер 20 управления процессом добычи нефти принимает сигналы о добыче нефти устройством от расходомера 19 нефти.

В контроллере управления процессом добычи нефти после считывания информации, сохранения информации и обработки информации указанные выше принятые сигналы могут преобразовываться в новые программные команды для управления устройством.

Функции:

1. точное измерение нагрузки и измерение и регулирование противовеса устройства;

2. измерение параметра стартовой скорости устройства с нагрузкой;

3. измерение параметра величины хода устройства, работающего под нагрузкой;

4. измерение параметра тактов перекачивания нефти устройства, работающего под нагрузкой;

5. измерение параметра возвратного хода устройства, работающего под нагрузкой;

6. измерение параметра нагрузки при перекачивании устройства, работающего под нагрузкой.

Новые команды будут передаваться трансформатору 18 частоты для приведения в действие электрического двигателя 17 для его вращения так, чтобы достигать функции добычи нефти.

Принципы электрических цепей являются следующими.

1. Функцией кодирующего средства 16 абсолютных значений является определение хода устройства. Кодирующее средство 16 абсолютных значений способно непосредственно определять положения и углы, обнаруживая кодовые полоски ведущей оси устройства, и преобразовывать их в кодовые сигналы. После того, как контроллер 20 управления процессом добычи нефти обработает кодовые сигналы, генерируются команды "управления" и направляются в трансформатор 18 частоты. В соответствии с входной командой от контроллера управления процессом добычи нефти, трансформатор частоты приводит в действие электрический двигатель 17 так, что устройство может начать работу. В дополнение к этому может достигаться выявление положения приспособления 9 для подвески насосных штанг устройства и потребности в точной остановке работы.

2. Функцией кодирующего средства 15 приращения является определение скорости вращения и мощности электрического двигателя 17. Векторное кодирующее средство 15 способно непосредственно измерять скорость вращения оси электрического двигателя 17 и преобразовывать ее значение в кодовые сигналы. После того, как контроллер 20 управления процессом добычи нефти обработал кодовые сигналы, генерируются команды "управления" и посылаются в трансформатор 18 частоты. Согласно входной команде, выдаваемой контроллером управления процессом добычи нефти, трансформатор частоты приводит в действие электрический двигатель 17 так, что устройство может начинать работу. Таким образом, когда электрический двигатель вращается ровно вперед или в обратном направлении, нагрузка на подвесном устройстве может должным образом уравновешиваться, и электрический двигатель может точно реверсироваться с установкой и регулированием скорости вращения.

3. Функцией расходомера 19 нефти является измерение добычи нефти, извлекаемой в ходе каждого такта перекачки нефти.

Расходомер нефти может измерять добычу нефти из добывающей трубы в устье скважины и преобразовывать информацию в сигналы данных. После того, как контроллер 20 управления добычей нефти обработает сигналы данных, генерируются управляющие команды и посылаются в трансформатор 18 частоты. Согласно входным командам от контроллера управления процессом добычи нефти трансформатор частоты приводит в действие электрический двигатель 17 для начала работы устройства. Величина хода, такты перекачивания нефти и скорость вращения могут достигать требований максимальной добычи нефти.

4. Поскольку контроллер 20 управления процессом добычи нефти состоит из центрального процессорного модуля, модуля ввода-вывода и жидкокристаллического дисплея, он имеет оригинальные преимущества, заключающиеся в высокой скорости работы, большом объеме памяти, многих точках ввода и вывода и наличии некоторых стилизованных функций, относящихся к соединению и сообщению с преобразователем частоты. Существует несколько основных принципов работы. Во-первых, существует запоминающее устройство для хранения программ, в котором хранятся программы пользователя. Во-вторых, существует процессор, который может выполнять периодическое считывание программы. Когда начинается цикл считывания, процессор будет считывать все состояния сигналов, поступающих от входного конца, и сохранять их в области отображения процедуры для входных сигналов. Под управлением внутреннего счетного средства, средства записи двоичной информации и хронирующего средства процессор последовательно считывает программу. Процессор сохраняет новые состояния сигналов в области отображения процедуры для выходных сигналов. В конце цикла новые состояния информации могут посылаться на выходной конец.

Кодирующее средство 16 абсолютных значений, кодирующее средство 15 приращения и расходомер 19 нефти представляют сенсорное средство для определения рабочего состояния устройства. Сенсорное средство подает воспринятую информацию на вход запоминающего устройства для хранения программ контроллера управления процессом добычи нефти. После того, как программа считывания процессора обработает информацию, сенсорное средство будет посылать значения новых состояний сигналов в трансформатор частоты для приведения в действие электрического двигателя так, что устройство может начинать работать. Контроллер управления процессом добычи нефти может точно выполнять много задач. Он может управлять работой устройства и отображать рабочее состояние устройства. Программируемый контроллер может вносить поправки в параметры работы, такие как балансировка, пуск (нагрузка), величина хода, такты перекачивания нефти, возвратный ход и нагрузка при перекачивании. Он также имеет функцию защиты по паролю.

5. Трансформатор 18 частоты является главным приводом устройства. Он может обеспечивать точное реверсирование и ровное вращение вперед или в противоположном направлении электрического двигателя 17 так, чтобы соответствовать требуемой величине хода (вращению вперед) и возвратному ходу (вращению в обратном направлении) двигателя 17. Одновременно преобразователь частоты может быстро изменять частоту для точного изменения скорости вращения электрического двигателя, включая сверхнизкую скорость и сверхвысокую скорость. Он также имеет некоторые другие функции. Например, может устанавливаться существенный параметр, и его рабочее состояние может отслеживаться. Преобразователь частоты может приспосабливаться к изменению условий подъема подвесного устройства в нефтяной скважине и соответствовать техническим требованиям добычи нефти. Таким образом, в соответствии с разными условиями нефтяных скважин добыча нефти может осуществляться экономично и с высокой эффективностью.

Трансформатор частоты принимает команды "управления" от контроллера 20 управления процессом добычи нефти и в соответствии с командами приводит в действие электрический двигатель 17 для начала работы устройства для добычи нефти.

Работа электрических цепей в устройстве со ссылками на фиг.5 осуществляется следующим образом.

1. Установка скорости вращения, тока, при котором скорость вращения достигает мощности трогания и параметров начала работы, хода вверх, тактов перекачивания нефти и возвратного хода для начала работы устройства.

2. В ходе работы кодирующее средство 16 абсолютных значений, кодирующее средство 15 приращений, расходомер 19 нефти, трансформатор 18 частоты и электрический двигатель 17 воспринимают состояния всех сигналов устройства и затем посылают их значения в контроллер 20 управления процессом добычи нефти. В соответствии с конкретными требованиями работы устройства и рабочими условиями в нефтяных скважинах программируемый контроллер может получать параметры для работы устройства, при которых производительность устройства будет оптимальной. Затем новые состояния сигналов будут посылаться в трансформатор 18 частоты для приведения в действие электрического двигателя 17.

3. Устройство работает автоматически в соответствии с программами для новых состояний сигналов. При задании входных условий рабочей нагрузки устройства и рабочих условий нефтяных скважин эффективность добычи нефти может достигать наивысшего предела.

Если из-за изменения условий в нефтяной скважине эффективность добычи нефти изменяется, электронные схемы могут запустить вторую программу. Параметры программы для новых состояний сигналов будут генерироваться вновь для поддержания работы устройства с оптимальной эффективностью добычи нефти. Одновременно устройство должно поддерживать рабочие условия, при которых достигается максимальный предел экономии энергии.

Функцией тормозного блока 18.1 и тормозного сопротивления 18.2 является приложение торможения и использование электрической энергии в ходе управления реверсированием электрического двигателя и остановкой движения.

Команды управления работой устройства следующие:

1. цифровое значение стартовой скорости для начала работы;

2. цифровое значение скорости, при которой происходит выключение;

3. цифровое значение величины хода при работе;

4. цифровое значение продолжительности тактов перекачивания нефти при работе;

5. цифровое значение скорости возвратного движения при работе;

6. цифровое значение нагрузки при перекачивании при работе;

7. цифровое значение управления выключением насоса;

8. команды для выполнения программы защиты для управления перекачиванием;

9. команды предупреждения;

10. команды самозащиты.

Пример.

Команды для работы устройства следующие. Время пуска - одна секунда. Скорость вращения электрического двигателя переходит от 0 до 1380 за одну секунду. Величина хода составляет 6 м, и время такта добычи нефти составляет 3 секунды. Время остановки - одна секунда. Скорость вращения электрического двигателя уменьшается от 1380 до 0 за одну секунду. Время, величина хода и скорость при возвратном ходе аналогичны этим показателям при ходе вверх. Работа приводит к тому, что время одного извлечения нефти составляет 10 секунд, величина хода составляет 6 м, циклы перекачивания нефти проходят 6 раз в минуту, и за каждый цикл добывается 3 кг нефти.

Вариант 2 осуществления настоящего изобретения:

На фиг.8-12 показан другой вариант выполнения устройства для добычи нефти. В целом конструкция и принцип работы аналогичны показанным в первом примере. Отличие состоит в том, что в этом варианте кодирующее средство 15 приращения и расходомер нефти исключены. Поскольку кодирующее средство 15 приращения исключено, система управления переходит от управления с обратной связи к управлению без обратной связи. Поскольку расходомер нефти исключен, в системе управления нет параметра измеренного расхода нефти. На практике этот вариант дает преимущество уменьшения количества оборудования и снижения расходов. Недостатком является снижение точности работы электрического двигателя с преобразователем, и устройство не приспособлено к требованию точного управления скоростью вращения электрического двигателя на нефтяных скважинах с очень сложными рабочими условиями. Существует второй недостаток. Устройство не может точно вычислять объем добычи нефти, и это может влиять на регулирование точных параметров скорости пуска, скорости возвратного хода, величины хода и тактов перекачивания нефти.

1. Полностью автоматическое устройство для добычи нефти, характеризующееся тем, что использует осевую трансмиссию и мягкую ленточную систему подвески, ось соединяет электрический двигатель 17 с редуктором 5 и соединяет редуктор 5 и ведущую ступицу 7А, посредством чего приводятся в действие трансмиссионные ленты 10А и 10В, после присоединения ведомой ступицы 7В и приспособления 9 для подвески насосных штанг может присоединяться насосная штанга 8 и, таким образом, может приводиться в действие скважинный нефтяной насос 24, при вращении электрического двигателя вперед добывается нефть, при вращении электрического двигателя в обратном направлении осуществляется возвратный ход, ведущая ступица 7А способна приводить в действие трансмиссионные ленты 10А и 10В и трансмиссионную ленту 11, другой конец трансмиссионной ленты 11 соединен с балансиром 12, работающим синхронно с работой скважинного нефтяного насоса вперед и в обратном направлении, при этом устройство для добычи нефти содержит основание 1, кронштейн 2 и платформу 3, электрический двигатель 17, редуктор 5, ведущая ступица 7А и ведомая ступица 7В установлены на платформе 3, электрический двигатель 17 с преобразователем и контроллер 20 управления процессом добычи нефти соединены через задающий трансформатор 18 частоты, электрический двигатель 17 способен принимать команды управления, посылаемые контроллером 20 управления процессом добычи нефти через задающий трансформатор 18 частоты, функционирующий как главный привод, и затем начинать работу, контроллер 20 управления процессом добычи нефти соединен с кодирующим средством 16 абсолютных значений, способным отображать рабочие состояния и, таким образом, способным получать информацию о положении и угле вращения оси ведущей ступицы, кодирующее средство 16 абсолютных значений и тормозной блок составляют часть устройства для определения движения и торможения.

2. Полностью автоматическое устройство для добычи нефти по п.1, отличающееся тем, что контроллер 20 управления процессом добычи нефти содержит центральный процессорный модуль, модуль ввода-вывода и жидкокристаллический дисплей.

3. Полностью автоматическое устройство для добычи нефти по п.1, отличающееся тем, что контроллер 20 управления процессом добычи нефти соединен с кодирующим средством 15 приращения и с расходомером 19 нефти соответственно, посредством чего он способен получать информацию о скорости вращения преобразователя частоты и расходе нефти в добывающей трубе соответственно, кодирующее средство 15 приращения способно непосредственно получать информацию об угле, положении и скорости вращения оси электрического двигателя 17 с преобразователем, после запрограммированного контроля программируемым контроллером вырабатываются новые команды управления, новые команды управления могут управлять реверсированием электрического двигателя 17, а также установкой и регулированием его скорости вращения.