Способ увеличения продолжительности срока службы электрической центробежной насосной установки

 

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для продления срока службы электрических центробежных насосных установок различного типа. Способ включает выбор информативного параметра, характеризующего работу насоса, определение его оптимального режима и контроль технического состояния установки, при котором в качестве информативного параметра используют уровень вибраций в газовом столбе на устье скважины. Для измерения уровня вибраций в затрубном пространстве скважины выделяют перепады давления, преобразуют их в симметричные противофазные сигналы переменного тока, фильтруют от помех, усиливают с подавлением синфазных сигналов и электромагнитных фоновых наводок и регистрируют на первичном документе, который расшифровывают, а подавление фоновых наводок производят путем режекции основной гармоники на частоте промышленной сети. Уровень вибраций последовательно измеряют при регулировании мощности электродвигателя и напора насоса, определяют его минимальное значение, по которому устанавливают рабочий режим насоса. Причем измерение и регистрацию производят при фиксированном значении коэффициента усиления сигналов, а текущий контроль осуществляют по изменению уровня вибраций относительно ранее установленного минимального значения. Использование изобретения позволяет снизить уровень вибрации и износ рабочих колес насоса, предотвратить разгерметизацию соединительных узлов насосно-компрессорных труб и ослабление крепежных узлов. 1 ил.

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для продления срока службы электрических центробежных насосных установок (УЭЦН).

Известен способ вывода УЭЦН на рабочий режим, при котором регулируют подводимую к электродвигателю мощность, а рабочий режим устанавливают путем подбора фазных токов электродвигателя в области номинального паспортного значения [1].

Недостатком известного способа является низкая точность при установке и контроле рабочего режима УЭЦН, что приводит к преждевременному износу насоса, разгерметизации соединений насосно-компрессорных труб (НКТ), а в итоге к сокращению интервала межремонтного периода и в ряде случаев к обрывам насосов.

Например, фактический интервал межремонтного периода УЭЦН для нефтедобывающих предприятий. Самотлорского месторождения составляет 160-200 суток при гарантированном заводом-изготовителем сроке службы не менее двух лет, а количество обрывов насосов составляет от 2-х до 10-ти в месяц для различных нефтедобывающих предприятий.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является акустический способ контроля технического состояния скважинного штангового насоса и компрессорных труб, основанный на измерении информативного параметра, характеризующего работу насоса, регистрации его на первичном документе и расшифровке документа, при котором в затрубном пространстве скважины выделяют перепады давления, преобразуют их в симметричные противофазные сигналы переменного тока, фильтруют от помех и усиливают с подавлением синфазных сигналов и электромагнитных фоновых наводок, причем подавление фоновых наводок производят путем режекции основной гармоники на частоте промышленной сети [2].

Недостатком этого способа является ограниченная область его применения.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения способа.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве информативного параметра используют уровень вибраций в газовом столбе, который последовательно измеряют при регулировании мощности электродвигателя и напора насоса, и определяют его минимальное значение, по которому устанавливают рабочий режим насоса, причем измерение и регистрацию производят при фиксированном значении коэффициента усиления сигналов, а контроль осуществляют по изменению уровня вибраций относительно минимального значения.

Техническая сущность заявляемых решений может быть пояснена следующим образом.

Процесс работы УЭЦН сопровождается механическими вибрациями системы "электродвигатель - насос - компрессорные трубы", причем уровень вибраций зависит как от качества сборки насоса и монтажа установки, так и от режима работы насоса, в частности от согласования мощности электродвигателя с нагрузкой на его валу, а также от механических примесей в составе добываемой жидкости и от других факторов.

В зависимости от причины образования механические вибрации включают в себя постоянную составляющую, уровень которой определяется качеством сборки насоса и монтажа оборудования, и переменную составляющую, уровень которой существенным образом зависит от режима работы насоса.

С учетом изложенного максимальную продолжительность срока службы УЭЦН обеспечивает такой режим работы насоса, при котором механические вибрации, в частности переменная составляющая, имеют минимальный уровень.

Для этого устанавливают оптимальный режим работы насоса по минимуму вибраций, которые измеряют и регистрируют в газовом столбе на устье скважины.

Для получения оптимального режима работы насоса сначала производят регулирование мощности электродвигателя при постоянной механической нагрузке на его валу и при этом измеряют и регистрируют уровень вибраций, определяют его минимальное значение, по которому предварительно устанавливают оптимальный режим работы насоса по подведенной к элеткродвигателю мощности.

Далее производят регулирование напора насоса при постоянном значении подведенной к электродвигателю мощности, измеряют и регистрируют уровень вибраций, определяют его минимальное значение, по которому окончательно устанавливают оптимальный режим работы насоса с учетом его напорной характеристики.

Контроль работы установки производят при фиксированных значениях коэффициента усиления сигналов, численные значения которых учитывают при измерении уровня вибраций, что обеспечивает одинаковый масштаб при измерении и контроле.

Измерение и регистрация уровня вибраций в газовом столбе на устье скважины позволяет минимальными техническими средствами реализовать способ и поочередно обслуживать, например, с помощью одного прибора сотни скважин в месяц.

Периодический текущий контроль технического состояния конкретной ЭЦНУ производят путем измерения и регистрации уровня вибраций при фиксированном значении коэффициента усиления сигналов, зарегистрированного в процессе окончательного выбора оптимального режима работы насоса, и по изменению уровня вибраций относительно ранее зарегистрированного минимального значения судят о состоянии установки, в частности принимают решение о ее дальнейшей эксплуатации.

Пример реализации способа приведен на чертеже, где условно обозначены: 1 - пьезокерамический датчик, 2 - симметрирующий узел, 3 - ограничитель сигналов, 4 - повторитель напряжения, 5 - предварительный усилитель (предусилитель), 6 - подавитель фоновых наводок, 7 - фильтр нижних частот, 8 - регулируемый усилитель с фиксированными значениями коэффициента усиления сигналов, 9 - регистрирующий узел.

Конструктивно пьезокерамический датчик 1, последовательно соединенный с симметрирующим узлом 2, ограничителем сигналов 3 и повторителем напряжения 4, выполнены в одном корпусе и представляют собой первичный преобразователь, называемый для краткости волномером.

Предварительный усилитель 5, включенный последовательно с подавителем фоновых наводок 6, фильтром нижних частот 7, регулируемым усилителем 8 и регистрирующим узлом 9, представляет собой вторичный регистрирующий прибор, называемый регистратором, который через соединительный кабель подключают к выходу волномера.

Работа устройства, реализованного по предлагаемому способу, заключается в следующем.

К затрубному пространству скважины, например, через патрубок для эхолотирования подключают волномер, к выходу которого через соединительный кабель подключают регистратор.

Механические вибрации, создаваемые работающий УЭЦН, через столб жидкости и газовый столб в затрубном пространстве скважины воздействуют на обкладки пьезокерамического датчика 1, который преобразует их в электрические сигналы переменного тока. С выхода датчика 1 электрические сигналы поступают на вход симметрирующего узла 2, который производит преобразование электрических сигналов в симметричные противофазные по отношению к общей точке ("земле") сигналы переменного тока. С выхода симметрирующего узла 2 сигналы поступают на вход ограничителя сигналов 3, который ограничивает уровень выходных сигналов в режиме локации и не влияет на них в режиме диагностики. С выход ограничителя 3 сигналы поступают на вход повторителя напряжения 4, обладающего низким значением выходного сопротивления.

С выхода повторителя напряжения 4 усиленные по току сигналы поступают через соединительный кабель на вход предусилителя 5, который производит усиление сигналов по напряжению. С выхода предусилителя 5 сигналы поступают на вход подавителя фоновых наводок 6, который осуществляет подавление основной гармоники на частоте промышленной сети (50 Гц).

С выход подавителя фоновых наводок 6 сигналы поступают на вход фильтра нижних частот 7, который ограничивает полосу пропускания частот и с выхода которого отфильтрованные сигналы поступают на вход регулируемого усилителя 8 с фиксированными значениями коэффициента усиления.

С выхода регулируемого усилителя 8 сигналы поступают на вход регистрирующего узла 9, который осуществляет регистрацию сигналов на первичный документ, например на термочувствительную бумагу путем записи. Записанные на термочувствительной бумаге сигналы, создаваемые работой УЭЦН в режиме диагностики, называют виброграммой, которая содержит информацию о характере и уровне вибраций.

При экспериментальных исследованиях в качестве датчика 1 использован пьезокерамический датчик из титаната бария в виде полого цилиндра с размерами 33х28х20 мм, симметрирующее устройство 2 выполнено в виде двух резисторов с номиналами 499 кОм с заземленной средней точкой, ограничитель напряжения 3 выполнен в виде двух встречно-параллельных диодов типа КД 502 с напряжением отсечки 0,4 В.

Повторитель напряжения 4 реализован на микросхеме серии 544 УД 1А с симметричными входами относительно общей точки. Предварительный усилитель 5 выполнен на микросхеме 544 УД 1А в виде неинвертирующего масштабного усилителя с коэффициентом усиления 10 (раз).

Подавитель фоновых наводок 6 выполнен в виде двойного Т-образного моста на резисторах и конденсаторах с 1% отклонением номиналов от расчетного значения, обеспечивающим подавление основной гармоники на частоте 50 Гц не менее чем в 100 раз.

Фильтр нижних частот 7 реализован на микросхемах 1401 УД1 в виде активного фильтра Бесселя 4-го порядка с коэффициентом передачи сигналов в полосе пропускания, равном 1.

Регулируемый усилитель 8 и регистрирующий узел 9 использованы от электрокардиографа ЭК1Т-03М, причем коэффициенты усилия регулируемого усилителя выбраны с кратностью, равной 2 (1:1; 1:2; 1:4...1:128). Кроме того, в регулируемом усилите 8 предусмотрен режим переключения чувствительности с помощью кнопки (для положения "диагностика" 1:1 и для положения "локация" 1:20).

Экспериментальное исследование УЭЦН проводилось следующим образом. Волномер соединяют с затрубным пространством скважины через патрубок для эхолотирования и открывают задвижку на патрубке. Далее производят регулирование мощности электродвигателя путем переключения отпаек питающего трансформатора как в сторону повышения питающего напряжения, так и в сторону его понижения.

На каждом шаге регулирования мощности насоса производят запись виброграммы при фиксированном значении коэффициента усиления. Запись производят в режиме "диагностика", а первоначальный коэффициент усиления на первом шаге регулирования выбирают таким образом, чтобы размах сигнала на термочувствительной бумаге составлял 20-40 мм, а длительность интервала записи выбирают равной 10 с.

Дополнительно на виброграмме указывают положение отпайки и значение фазных токов электродвигателя, а также значение коэффициента усиления. Если в процессе регулирования мощности электродвигателя уровень вибраций на термочувствительной бумаге снижается в два или более раз, то производят переключение коэффициента усиления в сторону его увеличения, например, в два раза, а при определении уровня вибраций значение последнего делят соответственно для выбранного примера в два раза, что обеспечивает идентичность масштаба.

В процессе регулирования мощности электродвигателя определяют такое положение отпайки, при котором уровень вибраций имеет минимальное значение, и устанавливают оптимальное значение подводимой мощности путем переключения питающего трансформатора на данную отпайку.

Далее производят регулирование насоса по его напорной характеристике, например, с помощью манифольдной задвижки на устье скважины, причем регулирование напора производят как в сторону увеличения напора, так и в сторону его уменьшения. При этом величину напора контролируют косвенным образом, например, по манометру, измеряющему величину давления в затрубном пространстве скважины, и производят на каждом шаге регулирования запись виброграммы при фиксированном значении коэффициента усиления. Дополнительно на виброграмме указывают величину давления в затрубном пространстве скважины и значения фазных токов в обмотках электродвигателя, а также величину коэффициента усиления.

В итоге процесса регулирования напора насоса определяют такое положение манифольдной задвижки, при котором уровень вибраций имеет минимальное значение, что соответствует оптимальному режиму работы насоса.

Далее производят запись контрольной виброграммы, на которой дополнительно указывают номер куста и скважины, дату проведения исследования, значение фазных токов, положение переключателя отпаек питающего трансформатора, тип насоса и электродвигателя, давление в затрубном пространстве скважины и значение коэффициента усиления.

Кроме того, дополнительно производят по известным методикам замер дебита скважины и измерение уровня жидкости в скважине, которое производят путем переключения регистратора в режим "локация". В последнем случае производят кратковременное нажатие на рычаг подпружиненного клапана в волномере и записывают на термочувствительной бумаге процесс распространения упругой акустической волны от устья скважины до границы раздела сред "газ-жидкость" и обратно, а уровень жидкости в скважине определяют путем умножения половинного значения интервала между зондирующим и отраженным сигналом, взятому в с на скорость звука в затрубном пространстве скважины (м/с).

При периодическом текущем контроле УЭЦН производят запись виброграммы при том же значении коэффициента усиления, который был зарегистрирован на контрольной виброграмме. Если при этом уровень вибраций существенно возрастает, то уменьшают кратно коэффициент усиления, например, в два раза, а при измерении уровня вибраций соответственно учитывают изменение масштаба коэффициента усиления, то есть уровень вибраций для рассмотренного примера умножают на 2.

В случае кратного возрастания уровня вибраций после длительной эксплуатации установки проводят повторную оптимизацию режима работы насоса. Если при этом уровень вибраций не уменьшается, то принимают решение о дальнейшей эксплуатации установки, например о подъеме насоса.

В результате экспериментальных исследований, проведенных на нефтепромыслах Самотлорского месторождения, установлено, что после оптимизации режима работы УЭЦН уровень вибраций снизился в среднем в 4,5 раза при поэкземплярных разбросах от 1,5 до 9 раз; снижение фазных токов составило в среднем 5% при поэкземплярных разбросах от 0 до 10%, а изменение дебита зарегистрировано в пределах от -2,3 до +6,8% при среднем значении +3,4%.

Предполагаемый технико-экономический эффект при достаточно жестких ограничениях в оценке может быть выражен увеличением интервала межремонтного периода в 1,5-2 раза в зависимости от исходного состояния насоса (ранее находившегося в эксплуатации, подвергавшегося ремонту или нового), а общее снижение годовых затрат на одну установку, например, при 25%-ном увеличении интервала межремонтного периода с учетом экономии электроэнергии составляет не менее 30 тыс. рублей в масштабах цен 1998 года.

В целом предлагаемый способ позволяет увеличить продолжительность срока службы ЭЦНУ за счет снижения уровня вибраций, приводящих к преждевременному износу рабочих колес насоса, разгерметизации соединительных узлов насосно-компрессорных труб и ослаблению крепежных узлов, а также за счет согласования электрической мощности двигателя с механической мощностью на его валу, так как избыточная электрическая мощность приводит к более быстрому износу рабочих колес насоса, например, за счет прижатия их в верхнее положение.

Литература 1. Технологический регламент по выводу на режим УЭЦН при осложнениях призабойной зоны. Утвержден главным инженером ПО "Нижневартовскнефтегаз" 03.05.1990 г.

2. Акустический способ контроля технического состояния скважинного насоса и компрессорных труб. Федотов В.И., Федотов А.В., Ковалев В.В. Патент Российской Федерации N 2069257, 6 E 21 B 43/00, 1996 г.

Формула изобретения

Способ увеличения продолжительности срока службы электрической центробежной насосной установки, основанный на выборе информативного параметра, характеризующего работу насоса, определении его оптимального режима и контроле технического состояния установки, при котором регулируют мощность электродвигателя и напор насоса, а в затрубном пространстве на устье скважины выделяют перепады давления, преобразуют их в симметричные противофазные сигналы переменного тока, фильтруют от помех, усиливают с подавлением синфазных сигналов и электромагнитных фоновых наводок и регистрируют на первичном документе, который расшифровывают, а подавление фоновых наводок производят путем режекции основной гармоники на частоте промышленной сети, отличающийся тем, что в качестве информативного параметра используют уровень вибраций в газовом столбе, который последовательно измеряют при регулировании мощности электродвигателя и напора насоса и определяют его минимальное значение, по которому устанавливают рабочий режим насоса, причем измерение и регистрацию производят при фиксированном значении коэффициента усиления сигналов, а контроль осуществляют по изменению уровня вибраций относительно минимального значения.

РИСУНКИ

Рисунок 1