Устройство для измерения длины колонны труб

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для определения длины колонны труб при спускоподъемных операциях. Задача изобретения: повышение точности измерения и надежности работы. Для этого устройство содержит блок питания, силоизмерительный блок, соединенный с искробезопасным блоком, контроллер, вход которого соединен с блоком управления, вход-выход контроллера соединен с блоком памяти, первый, второй и третий выходы контроллера соединены соответственно с входами блока передачи информации, блока предельных значений и блока индикации, а четвертый выход контроллера через искробезопасный блок соединен с табло. Устройство снабжено блоком измерения веса труб, включающим коммутатор и два усилителя, один из которых имеет значительно больший коэффициент усиления, чем другой, при этом входы усилителей соединены с искробезопасным блоком, а выходы - с коммутатором, выход которого соединен с входом контроллера. Пятый выход контроллера соединен с управляющим входом коммутатора. Силоизмерительный блок может содержать датчик силы, выполненный в виде упругой балки с наклеенными на нее тензорезисторами, преобразователь и приспособления для крепления блока к неподвижному гибкому органу, состоящие из стоек и прижимно-прогибочного устройства. Блок передачи информации может быть выполнен в виде переносного блока памяти, или переносного компьютера, и/или радиоканала. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей и газовой промышленности, в частности к устройствам для измерения веса и длины колонны труб при спускоподъемных операциях (СПО) в процессе подземного и капитального ремонта скважин.

Известно устройство для автоматического замера длины труб при спускоподъемных операциях в скважине, содержащее барабан лебедки с кинематической передачей, датчик импульсов, соединенный с блоком счетчиков, блок питания, датчик автоматического управления, узел подготовки и запоминания информации, включающий входной вал, блок электромагнитного сцепления с исполнительным механизмом (авторское свидетельство СССР N 1550119, кл. Е 21 В 47/04, опубл. бюл. 10, 1990).

Недостатком устройства является его сложность, а следовательно, и ненадежность из-за большого числа механических элементов.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения глубины спуска объекта при спускоподъемных операциях в скважине, содержащее барабан с лебедкой с расположенным на нем гибким органом, усилитель, блок памяти и блок питания, блок измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа, контроллер, первый вход-выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, блок задания предельных значений контролируемых параметров, выход которого соединен со входом контроллера, блок световой и звуковой сигнализации, блок индикации, соединенные с контроллером, блок коррекции нелинейности датчика силы натяжения гибкого органа, блок тарировочной памяти, переносной блок памяти, искробезопасный блок, табло, удерживающий механизм, выполненный в виде направляющей, один конец которой подвижно связан с лебедкой, другой конец жестко связан с блоком измерения перемещения и силы натяжения гибкого органа. Блок перемещения каната и измерения силы его натяжения выполнен в виде подвижных роликов, не менее трех, размещенных на подвижном гибком органе с возможностью перегиба его (патент 2168624, МКИ Е 21 В 47/04, б. 16 2001).

Недостатком этого устройства является его сложность, а следовательно, и ненадежность из-за большого числа механических элементов, кроме того оно не точно измеряет длину из-за вытяжки гибкого органа. Известно (см. кн. Муравьев В.М. Справочник мастера по добыче нефти. - М.: Недра, 1975, с.206 ), что нагрузка на крюке при СПО изменяется от нуля до нескольких десятков тонн. При такой ситуации удлинение каната подъемника по мере увеличения колонны достигает значительных величин, что приводит к накоплению погрешности измерения длины.

Сущность изобретения. Изобретение направлено на создание устройства, которое позволило бы при его упрощении повысить надежность его работы, точность измерения и точность определения аварийной ситуации.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в том, что в процессе выполнения спускоподъемных операций производят измерение веса каждой трубы колонны, затем вычисляют длину колонны труб, что приведет к упрощению устройства при повышенной надежности, а предельно заданный вес адаптируется к конкретным условиям спуско-подъемных операций, что позволит точно определить аварийную ситуацию. Измерение веса колонны труб позволяет оценить величину сил трения колонны труб о стенки скважины, количество труб, величину времени подъема трубы с мостков, величину времени спуска колонны труб и т.п. Все основные технологические параметры СПО регистрируются в устройстве в реальном масштабе времени и в случае аварии или для анализа ситуации могут быть в любой момент воспроизведены (например, по требованию оператора).

Данный технический результат достигается за счет того, что в известное устройство измерения длины колонны труб при спускоподъемных операциях, содержащее блок питания, силоизмерительный блок, соединенный с искробезопасным блоком, контроллер, вход которого соединен с блоком управления, вход-выход контроллера соединен с блоком памяти, первый, второй и третий выходы контроллера соединены соответственно с входами блока передачи информации, блока предельных значений, блока индикации, а четвертый выход контроллера через искробезопасный блок соединен с табло, введен блок измерения веса труб вне скважины, включающий коммутатор и два усилителя, один из которых имеет больший коэффициент усиления, чем другой, при этом входы усилителей соединены с искробезопасным блоком, а выходы - с коммутатором, выход которого соединен с входом контроллера, а пятый выход контроллера соединен с управляющим входом коммутатора.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения длины колонны труб при спускоподъемных операциях, на фиг. 2 представлен фрагмент диаграммы нагрузок на крюке подъемника при спуске труб, на фиг.3 представлен силоизмерительный блок.

Устройство (фиг. 1) состоит из силоизмерительного блока 1, который соединен через искробезопасный блок 2 с блоком измерения веса труб 3, который содержит первый 4 и второй 5 усилители, выходы которых соединены с входами коммутатора 6, а их входы соединены с искробезопасным блоком 2, выход коммутатора соединен со входом контроллера 7, вход которого соединен с выходом блока управления 8, вход-выход контроллера соединен с блоком памяти 9, первый выход контроллера 7 соединен с входом блока передачи информации 10, второй выход соединен с входом блока предельных значений 11, третий выход соединен с входом блока индикации 12, четвертый выход контроллера 7 соединен через искробезопасный блок 2 с табло 13, пятый выход контроллера 7 подключен к управляющему входу коммутатора 5, блок питания 14 обеспечивает необходимыми напряжениями питания все блоки устройства.

Силоизмерительный блок (фиг. 3) состоит из датчика силы 15, выполненного виде упругой балки с наклеенными на нее тензорезисторами, преобразователя 16 и приспособлений для крепления силоизмерительного блока к неподвижному гибкому органу, состоящих из стоек 17 и прижимно-прогибочного устройства 18.

Устанавливается он на неподвижном гибком органе таким образом, что последний оказывается преломленным между двумя крайними неподвижными стойками и прижимно-прогибочным устройством. Натяжение гибкого органа определяет усилие, действующее на тензоизмерительную балку. Под действием измеряемого усилия деформация балки вызывает изменение сопротивления тензорезисторов, что приводит к разбалансу моста и появлению выходного сигнала, пропорционального измеряемому усилию. Преобразователь 16 предназначен для получения сигнала на выходе блока необходимой величины и формы для работы устройства.

Искробезопасный блок 2 предназначен для исключения опасности взрыва, пожара при работе устройства в местах наличия взрывоопасной среды. Блок выполнен на резисторах, ограничивающих ток в цепях питания датчиков и выносного табло до взрывобезопасных значений. Номиналы резисторов выбирают в соответствии с ГОСТ 22782.5. Блок ограничен на плате контуром, который после монтажа заливается компаундом.

Контроллер 7 - это самостоятельная система, которая содержит процессор, вспомогательные схемы и устройства ввода-вывода данных. Выполнен контроллер 7 на микроконтроллере семейства 8051 компании Intel (см. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том 1. Москва: Постмаркет, 2001. - С. 174).

Устройство работает следующим образом.

Перед спуском труб в скважину оператор обнуляет показания всех индикаторов нажатием кнопки блока управления 8. Таким образом, устраняется влияние веса подвижного блока талевой системы, веса крюкоблока, элеватора, упругой деформации гибкого органа и т.п. на показания индикаторов при измерении веса труб. При спуске труб оператор захватывает трубу с помощью элеватора, подвешенного на крюке подъемника, и затем машинист поднимает трубу с мостков. Этот процесс занимает время t3-t4 (см. фиг.2). В этот момент сигнал с выхода блока 1 пропорциональный весу трубы через искробезопасный блок 2 и первый усилитель 4 поступает через коммутатор 6 на вход контроллера 7. При помощи аналого-цифрового преобразователя контроллера поступивший сигнал преобразуется в цифровой код. Контроллер 7 по программе, заложенной в блоке его памяти, измеряет значение поступившего сигнала, т.е. пропорционального весу одной трубы Р_тр (см. фиг. 2), затем сравнивает это значение с величиной Р2, заранее установленной с помощью клавиатуры блока управления 8. Если измеряемая величина меньше величины Р2, то контроллер 7 через коммутатор 6 вырабатывает сигнал на подключение к своему входу второго усилителя 5, имеющего значительно больший коэффициент усиления, чем первый усилитель 4. В это время первый усилитель 4 отключается коммутатором 6 от входа контроллера 7. Так как информационный сигнал поступает на измерительный вход контроллера через усилитель 5 с большим коэффициентом усиления то чувствительность измерения увеличивается, что позволяет измерять малые веса с высокой точностью. Для определения длины спускаемой в скважину трубы необходимо поделить вес трубы на вес одного погонного метра этой трубы. Например, цена младшего разряда при использовании 4-разрядного индикатора блока индикации 12 и табло 13 равна 0,1 кг. При весе одной трубы (Р_тр), равной 78,5 кг, индикатор покажет величину 078,5 кг. При весе 1 м этой трубы (Р_1м), равном 9,46 кг (из справочника), длина этой трубы будет равна L = Р_тр/Р_1м = 78,5/9,46 = 8,298 м.

Длина и вес колонны труб определяются суммированием длин и весов отдельных труб.

После свинчивания труб машинист приподнимает колонну труб для снятия клинового захвата и затем спускает трубы в скважину. При этом вес на крюке становится значительно больше величины Р2. Контроллер 7 вырабатывает сигнал на подключение к своему входу с помощью коммутатора 6 первого усилителя 4, который имеет значительно меньший коэффициент усиления. Таким образом, чувствительность измерения уменьшается, что позволяет измерять вес колонны труб, спущенных в скважину, а также измерять вес колонны труб при ее подъеме. Например, цена младшего разряда при использовании того же 4-разрядного индикатора равна 0,1 тс. При весе колонны труб, равной 115,1 тс, индикатор покажет величину 115,1 тс. Одновременно с измерением веса трубы производится измерение времени нахождения этого веса на крюке (t3-t5) c помощью таймера контроллера 7, и его значение заносится в блок памяти 9.

Отрезок времени (t4-t5) спуска колонны труб в скважину (см. фиг. 2), определяемый с момента возрастания нагрузки, т.е. снятия колонны труб с клиньев до момента уменьшения нагрузки до уровня Р1, т.е. установки колонны труб на клинья. Уровень Р1 выбирается из условия помехозащищенности и надежности срабатывания элементов сравнения контроллера.

После спуска очередной трубы в блоке памяти 9 записывается ее номер, например 3. Номера по порядку будут присваиваться каждому последующему спуску трубы. Все значения веса трубы вне скважины, реального времени, порядкового номера и вес колонны труб в скважине измеряются и последовательно записываются в блок памяти 9. Значения длины трубы, длины колонны труб, удлинение колонны труб от веса и т.п. определяются вычислением.

Величина веса колонны труб в скважине всегда меньше веса этой колонны вне скважины, так как она находится в жидкости и ложится на стенки скважины. Однако при подъеме колонны труб из скважины нагрузка на крюке подъемника может быть значительно больше, чем вес колонны труб вне скважины из-за заклинивания, что может привести к аварийной ситуации. После спуска колонна устанавливается на клиновые захваты, и вес на крюке падает до нуля. Оператор снимает с колонны элеватор и берет с мостков следующую трубу. Далее процесс повторяется.

Блок предельных значений 11 контролируемых параметров предназначен для выработки сигнала при превышении предельно допустимых значений измеряемых величин, например усилий на крюке подъемника и т.п. При превышении предельных значений выше заданных подается световой и/или звуковой сигнал, а также может автоматически отключаться привод лебедки, что исключает аварийную ситуацию.

В любой момент времени по требованию оператора значения величин веса колонны труб в скважине или вне скважины, времени их возникновения, число спущенных труб, длина колонны труб и другие параметры могут быть выведены на табло или переданы при помощи блока передачи информации 10 (например, переносного блока памяти или переносного компьютера и/или радиоканала, и т.п.) в компьютер диспетчерского пункта.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения длины колонны труб при спускоподъемных операциях, содержащее блок питания, силоизмерительный блок, соединенный с искробезопасным блоком, контроллер, вход которого соединен с блоком управления, вход-выход контроллера соединен с блоком памяти, первый, второй, третий выходы контроллера соединены соответственно с входами блока передачи информации, блока предельных значений и блока индикации, а четвертый выход контроллера через искробезопасный блок соединен с табло, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком измерения веса труб, включающим коммутатор и два усилителя, один из которых имеет значительно больший коэффициент усиления, чем другой, при этом входы усилителей соединены с искробезопасным блоком, а выходы - с коммутатором, выход которого соединен с входом контроллера, а пятый выход контроллера соединен с управляющим входом коммутатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что силоизмерительный блок содержит датчик силы, выполненный в виде упругой балки с наклеенными на нее тензорезисторами, преобразователь и приспособления для крепления блока к неподвижному гибкому органу, состоящие из стоек и прижимно-прогибочного устройства.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок передачи информации выполнен в виде, например, переносного блока памяти или переносного компьютера и/или радиоканала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3