Способ автоматического регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом

 

Изобретение относится к технике добычи нефти и может быть использовано для оптимизации работы скважин, позволяющей увеличить межремонтный период работы насосного оборудования. Задачей изобретения является поддержание в процессе эксплуатации максимальной производительности насосной установки при оптимальном режиме работы системы скважина - насосная установка. Для этого регулирование работы насосной установки в скважине производится путем изменения ее производительности с помощью изменения числа оборотов приводного электродвигателя путем изменения частоты питающей сети. При этом поддерживают в заданных пределах давления на приеме насоса и на устье скважины при максимально возможной производительности, а также температуру внутри корпуса погружного электродвигателя. 4 ил.

Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для оптимального регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, Известны способы регулирования режима работы скважины оборудованной погружным центробежным электронасосом, путем подбора насосной установки расчетным путем, а также замены одной насосной установки на другую в процессе эксплуатации скважины. Дополнительное регулирование режима работы установки производится в период ее работы, изменением давления на выкиде насоса с помощью задвижки на устье скважины, Недостатком этого способа является трудность в подборе установки нужной производительности, так как по различным причинам производительность скважины не постоянна, а регулирование режима ее работы только с помощью задвижки на устье скважины экономически не выгодно.

Известен способ регулирования режима работы насосной установки в скважине путем поддержания заданных значений давлений на приеме центробежного насоса и в нагнетательной линии и регулирования частоты вращения привода насоса.

Недостатками этого способа являются отсутствие контроля за состоянием насосной установки в скважине, что приводит к перегреву обмотки погружного электродвигателя и ее сгоранию.

Известен способ автоматического регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, включающий измерение на приеме насоса и на выкидной линии на устье скважины, регулирование числа оборотов погружного привода электродвигателя насоса путем изменения частоты питающей сети и регулирования давления на устье скважины с помощью регулируемого штуцера, поддерживая давление на приеме насоса и на устье скважины в заданных пределах при максимально возможной производительности насосной установки /см. патент РФ N 2016252, кл. E 21 B 43/00, 15.07.94/.

Недостатком этого способа является отсутствие контроля за температурным режимом внутри электродвигателя, что приводит к перегреву его обмотки и выходу ее из строя, так как скорость потока жидкости, омывающей корпус электродвигателя с необходимой точностью, при известной производительности насоса, не определяется из-за отсутствия данных по площади проходного сечения между обсадной колонной и корпусом погружного электродвигателя. Кроме того, температурный режим электродвигателя зависит от свойства оплывающей его корпус жидкости, которая в процессе эксплуатации меняется.

Цель изобретения - поддержание в процессе эксплуатации максимальной производительности насосной установки при оптимальном режиме работы системы скважина - насосная установка.

Это достигается тем, что в способе автоматического регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, включающем измерение на приеме насоса и на выкидной линии на устье скважины, регулирование числа оборотов погружного привода электродвигателя насоса путем изменения частоты питающей сети и регулирования давления на устье скважины с помощью регулируемого штуцера, поддерживая давление на приеме насоса и на устье скважины в заданных пределах при максимально возможной производительности насосной установки, дополнительно задают и измеряют температуру внутри корпуса погружного приводного электродвигателя насоса и регулирование давления на устье скважины и числа оборотов погружного приводного злектродвигателя насоса осуществляют, дополнительно поддерживая температуру внутри корпуса погружного приводного электродвигателя насоса в заданных пределах.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг. 1 дана схема скважины, оборудованной центробежным электронасосом /а/, и схема глубинного канала связи /б/; на фиг. 2 даны графики превышения температуры обмотки статора погружного электродвигателя от номинального в зависимости от скорости и свойств потока жидкости, омачивающей его корпус; на фиг.3 дана зависимость температуры внутри корпуса электродвигателя после его ремонта при откачке технологической жидкости; на фиг. 4 дан алгоритм автоматического регулирования режима работы скважины; оборудованной погружным центробежным электронасосом.

Скважина с погружным центробежным электронасосом /фиг.1,а/ содержит пласт 1, эксплуатационную колонну 2, погружной приводной электродвигатель 3 насоса с глубинным манометром-термометром 4 и протектором 5, насос, 6, насосно-компрессорные трубы 7, силовой трансформатор 8, находящийся в станции управления, силовой токоподводящий кабель 9, манометры 10,11,12, регулируемый штуцер 13, выкидную линию 14 с обратным клапаном 15 на устье скважины, частотный преобразователь 16, станцию управления 17.

Основными параметрами погружного центробежного электронаcoca являются производительность Q м ³/сут и развиваемый напор H в м вод. ст., а также наличие на приеме насоса давления не ниже заданного значения. Для привода насоса применяется асинхронный электродвигатель с гидрозащитой, в котором предусматривается охлаждение за счет скорости откачиваемой жидкости. Силовой токоподводящий кабель служит для подвода электроэнергии к погружному электродвигателю. Силовой трансформатор служит для получения заданного напряжения для питания погружного электродвигателя. Станция управления 17 служит для управления и защиты погружного электродвигателя. Устьевая арматура, штуцер 13, обратный клапан 15 и манометры 10-12 служат для управления и контроля за потоком жидкости, подаваемой насосом на поверхность. Источником жидкости является продуктивный пласт, сообщение с которым осуществляется через отверстия в обсадной колонне скважины.

Установка погружного центробежного электронасоса работает следующим образом.

Жидкость из пласта 1 притекает в эксплуатационную колонну 2. Погружной электродвигатель 3, снабженный глубинным манометром-термометром 4 и протектором 5, вращает ось насоса 6. Далее жидкость по насосно-компрессорным трубам 7 подается на поверхность. Питание погружного электродвигателя осуществляется от силового трансформатора 8 по кабелю 9. Для измерения давления в межтрубном пространстве служит манометр 10, а для измерения давления на устье - манометр 11. Для контроля за выкидной линией 14 служит манометр 12, для регулирования подачи служит штуцер 13. Для предотвращения слива жидкости из выкидной линии 14 в межтрубное пространство скважины и для стравливания избыточного давления из межтрубного пространства служит обратный клапан 15. Для подачи жидкости на поверхность насос создает необходимый напор, величина которого зависит от типа насоса и параметров откачиваемой жидкости. Основными параметрами, характеризующими жидкость, является количество свободного газа в ней, которое зависит от давления на приеме насоса. В свою очередь, это давление определяется глубиной погружения насоса под динамический уровень. Излишнее погружение под динамический уровень ведет к неоправданным потерям в напоре, и, следовательно, к дополнительным потерям электроэнергии. Недостаточное погружение насоса под динамический уровень ведет к уменьшению подачи насоса или к ее срыву, что в итоге приводит к повышению температуры внутри корпуса погружного электродвигателя до критической величины, при которой его обмотка сгорает. Существует оптимальная глубина погружения насоса под динамический уровень, которая рассчитывается. Однако в процессе эксплуатации поддерживать определенный динамический уровень очень сложно, так как меняются параметры скважины, которые зависят от системы заводнения, числа работающих скважин и свойств откачиваемой жидкости. Поэтому большинство насосных установок работает не в режиме, что ведет к низкому коэффициенту их использования к авариям. В данном случае предлагается режим работы установки регулировать путем изменения ее производительности с помощью преобразователя частоты 16, находящегося в станции управления 17. На фиг.2 дана зависимость превышения температуры внутри корпуса приводного электродвигателя от скорости и свойств откачиваемой жидкости. Из этой зависимости следует, что при снижении скорости потока омывающей электродвигатель жидкости резко возрастает его температура, что в конечном итоге приводит к его выходу из строя. Для серийно выпускаемых погружных электродвигателей диапазон минимальных скоростей потока жидкости лежит в пределах 0,06-0,12 м/с. Кроме того, повышение температуры обмотки электродвигателя может быть при откачке жидкости повышенной плотности, например, после подземного ремонта скважины. На фиг.3 даны зависимости изменения температуры внутри корпуса погружного электродвигателя при различном давлении на приеме насоса, после подземного ремонта скважины из которых следует, что температура внутри погружного электродвигателя при этом может достигать критической величины. В настоящее время средний межремонтный период работы погружной установки составляет порядка 250 суток. Причинами выхода из строя насосных установок, оборудованных погружными центробежными электронасосами, являются: в 14% случаев насосы, в 54% электродвигатели, в 5,5% гидрозащита и в 26,5% случаев токоподводящий кабель. Выход из строя электродвигателей в 76% случаев происходит в результате сгорания его обмотки, в 6% случаев от снижения изоляции обмотки статора, в 10% от снижения изоляции в лобовой части обмотки и токоподвода и в 8% случаев по прочим причинам. Из приведенных данных следует, что основной причиной выхода из строя погружного электродвигателя является сгорание его обмотки, которая влечет за собой наиболее дорогостоящий капитальный ремонт или порой полный выход из строя всего электродвигателя. Поэтому предлагается регулирование режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, производить путем регулирования производительности насоса и давления на устье скважины и на приеме насоса с учетом температурного режима работы погружного электродвигателя, который отражает весь комплекс взаимосвязанных величин, характеризующих оптимальный режим работы скважины в целом. Для реализации этой задачи на скважине необходимо иметь преобразователь частоты для питающей сети погружного электродвигателя, дистанционный стационарный глубинный манометр- термометр на приеме насоса, датчик для измерения устьевого давления, дистанционно-управляемый штуцер на устье скважины и микропроцессорный контроллер для автоматического управления всем процессом регулирования. Для получения значений давления на приеме насоса и температуры внутри погружного электродвигателя используется глубинный канал связи, в котором в качестве линии связи используется питающий электродвигатель силовой кабель. Схема организации такого канала показана на фиг.1,б. Канал работает следующим образом. Напряжение переменного тока с поверхностного приемного устройства ПУ через среднюю точку силового трансформатора ТР подается по глубинному кабелю ГК к средней точке погружного электродвигателя, а с нее через конденсатор КС в глубинное устройство ГУ, в котором находятся датчик давления ДД и датчик температуры ДТ. Вторичным проводом при этом служит броня силового кабеля. Далее, сигналы от датчиков давления и температуры, модулированные высокой частотой, по этому же каналу связи поступают в поверхностное устройство ПУ, которое выделяет из него информативные сигналы по давлению на приеме насоса P_ПН и по температуре внутри корпуса электродвигателя Т_Д и подает их в микропроцессорный контроллер МК, в который одновременно поступает сигнал и от устьевого датчика давления ДДУ.

На фиг. 4 дан алгоритм, поясняющий процесс регулирования, который заключается в следующем.

Вначале, расчетным методом, с учетом предыдущих данных по эксплуатации скважины, определяются номинальные режимы работы насосной установки по давлению на приеме насоса P_ПН.2 по устьевому давлению P_Y.2, по производительности Q₂ и по температуре внутри корпуса погружного электродвигателя T_Д.2. По полученным данным выбирается соответствующая насосная установка, которая в частности, должна соответствовать максимально возможной рассчетной производительности. В начальный период работы насосной установки, когда давление на приеме насоса P_ПН высокое, а температура внутри корпуса электродвигателя T_Д и давление на устье P_y в норме, микропроцессорный контроллер МК выдает сигнал на преобразователь частоты ПЧ для ее увеличения на одно заранее определенное значение. По получению реакции в виде изменения давления на устье скважины P_y, микропроцессорный контроллер МК выдает команду на устьевой регулируемый штуцер РШ для его частичного открытия с целью регулирования устьевого давления. После наступления установившегося режима работы скважины микропроцессорный контроллер вновь проверяет соответствие режима работы установки заданному. Если при этом давление на приеме насоса P_ПН и температура внутри электродвигателя T_Д находятся в заданных пределах, то микропроцессорный контроллер МК вновь подает команду на увеличение частоты питающей сети, а следовательно, и производительности насоса с последующей проверкой расчетных параметров насосной установки. И так до тех пор, пока не будет достигнута максимальная производительность при заданных режимах работы насосной установки, или же пока температура в двигателе или давление по приеме насоса не достигнут расчетных значений, даже если производительность не достигла максимального значения. При изменении установившихся параметров процесс регулирования повторяется вновь. Таким образом обеспечивается поддержание оптимального режима работы насосной установки, при котором вероятность выхода из строя электродвигателя привода насоса становится минимальной.

Формула изобретения

Способ автоматического регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, включающий измерение давлений на приеме насоса и на выкидной линии на устье скважины, регулирование числа оборотов погружного привода электродвигателя насоса путем изменения частоты питающей сети и регулирования давления на устье скважины с помощью регулируемого штуцера, поддерживая давления на приеме насоса и на устье скважины в заданных пределах при максимально возможной производительности насосной установки, отличающийся тем, что задают и измеряют температуру внутри корпуса погружного приводного электродвигателя насоса и регулирование давления на устье скважины и числа оборотов погружного приводного электродвигателя насоса осуществляют, дополнительно поддерживая температуру внутри корпуса погружного приводного электродвигателя насоса в заданных пределах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4