Способ эксплуатации скважины насосной установкой с частотно-регулируемым приводом и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области добычи нефти и может быть использована для эксплуатации скважин, оборудованных электронасосами, в частности погружными центробежными электронасосами. Обеспечивает повышение эффективности способа и надежности работы устройства как в малодебитных, так и в высокопродуктивных скважинах. Сущность изобретений: способ заключается в периодическом повторении циклов, включающих откачку, поиск частоты прекращения подачи и накопление. При этом для обеспечения отбора такого количества жидкости из скважины, которое равно ее притоку, выбирают насосную установку с более высокой производительностью по сравнению с притоком жидкости из пласта в скважину. В процессе выполнения циклов производят коррекцию соотношения времени откачки-накопления в зависимости от результатов работы в предыдущих циклах до тех пор, пока соотношение откачки-накопления не перестанет изменяться. Момент наступления прекращения подачи определяют по равенству значений текущего момента на валу погружного электродвигателя и контрольного момента, который определяют предварительно по скачкообразному падению значения момента на валу двигателя в точке наступления прекращения подачи при снижении частоты питающего напряжения. Устройство содержит размещенную в колонне эксплуатационных труб скважины насосную установку, состоящую из центробежного насоса и погружного электродвигателя, подвешенную на колонне подземных труб. При этом погружной электродвигатель токопроводящим кабелем связан с находящимися на поверхности преобразователем частоты и управляющим устройством. Устройство содержит также согласующий трансформатор, блок определения частоты, тока, момента, мощности, блок связи, блок индикации и управления. При этом токопроводящий кабель связан с первым входом-выходом согласующего трансформатора, который вторым входом-выходом связан со входом-выходом преобразователя частоты. Преобразователь частоты своим вторым входом-выходом связан с блоком питания, а третьим входом-выходом - с первым входом-выходом блока определения частоты, тока, момента, мощности, который своим вторым входом-выходом связан с первым входом-выходом блока связи, второй вход-выход которого связан с четвертым входом-выходом преобразователя частоты, а третьим входом-выходом связан с первым входом-выходом контроллера управления, второй вход-выход которого связан с блоком индикации и управления. При этом обеспечена возможность поступления всех сигналов на блоки, находящиеся на поверхности, через токопроводящий кабель непосредственно с вала погружного электродвигателя. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области добычи нефти и может быть использовано для эксплуатации скважин, оборудованных электронасосами, в частности погружными центробежными электронасосами.

Предшествующий уровень техники

Известен способ эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом (патент РФ 2426867), основанный на непрерывной работе насоса и включающий запуск насоса с заданным технологическим темпом изменения частоты питающего напряжения в процессе вывода насоса на заданную частоту стационарного режима с ускорениями в случае срыва подачи и подачу жидкости насосом в стационарном режиме на заданной частоте, при этом для компенсации неустойчивой подачи и поддержания баланса между отбором жидкости из скважины и притоком жидкости из пласта периодически выполняют циклы, состоящие из чередования откачки жидкости насосом и накопления жидкости в скважине, причем откачку осуществляют за счет модуляции частоты в интервале значений, соответствующих параметрам поддержания подачи насоса, а при достижении заданной величины давления в колонне труб проводят накопление жидкости в скважине, для этого в текущем цикле снижают частоту питающего напряжения до прекращения подачи насоса с последующим поддержанием максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу, при этом в фазе притока жидкости в скважину в текущем цикле осуществляют модуляцию частоты напряжения питания электронасоса в интервале значений частоты, соответствующем изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновлении подачи, а при достижении в процессе притока жидкости предусмотренной на приеме насоса величины давления возобновляют подачу жидкости насосом, переводя его в откачку на частоту не ниже частоты возобновления подачи, после чего цикл повторяют, а при достижении в текущем цикле частоты возобновления подачи не выше заданной частоты насос переводят в стационарный режим, отличающийся тем, что в случае срыва подачи жидкости насосом в процессе вывода его на заданную частоту стационарного режима, осуществляют в течение заданного времени в интервале значений параметров возобновления и прекращения подачи насоса дополнительную модуляцию частоты восстановления подачи жидкости, причем дополнительную модуляцию выполняют до возобновления подачи насоса, которую проводят на частоте с заданным отклонением от достигнутой перед дополнительной модуляцией частоты срыва подачи, после чего продолжают вывод насоса на заданную частоту стационарного режима с заданным технологическим темпом вывода скважины на режим.

В этом способе модуляция частоты осуществляется в целях вывода насоса на заданную частоту стационарного режима.

Известен также способ эксплуатации скважины, оборудованной установкой электроцентробежного насоса с частотно-регулируемым приводом (патент РФ 2421605), который используется для вывода скважин, оборудованных установкой электроцентробежного насоса - УЭЦН, на стационарный режим работы после проведения подземного ремонта, который предполагает изменение частоты питающего напряжения электродвигателя в зависимости от обводненности добываемой скважинной жидкости.

Однако в этом способе изменение частоты питающего напряжения осуществляется только при выводе скважины на режим откачки.

Известен также способ эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом и устройство (патент РФ RU 2119578), основанный на периодическом повторении циклов, включающих запуск насоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения и подачу жидкости насосом при заданной частоте, причем после достижения заданной величины давления в колонне труб в текущем цикле уменьшают частоту питающего напряжения до прекращения подачи насоса, с последующим поддержанием для обеспечения притока жидкости из пласта максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу, а после достижения в процессе притока предусмотренной величины давления на приеме насоса цикл повторяют, восстанавливая подачу насоса переводом его на повышенную частоту. Данное изобретение принято авторами за прототип.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

- сложная конструкция для осуществления способа и устройства, а именно наличие дополнительного подземного оборудования - термоманометрической системы, устанавливаемой под погружным электродвигателем, что увеличивает стоимость способа эксплуатации скважины и не позволяет применить этот способ при высоких температурах пластовой продукции (свыше 90°C) вследствие отказов работы погружной электроники;

- способ ориентирован только на малодебитные скважины;

- определение момента прекращения подачи осуществляется по мощности и стендовым испытательным характеристикам насоса, что вызывает большие погрешности вследствие того, что испытания проводятся на флюиде, характеристики которого никак не совпадают с реальным флюидом в каждой конкретной скважине.

Задачей заявленного способа и устройства является обеспечение возможности работы как на малодебитных скважинах, так и на скважинах с высоким притоком жидкости, т.е. высокопродуктивных; упрощение устройства за счет отсутствия погружных датчиков; увеличение ресурса работы насосной установки установки за счет обеспечения возможности работы на более высокопродуктивном оборудовании за счет обеспечения заявленным способом работы на режимах, значительно меньше предельных.

Указанная задача решается за счет того, что способ эксплуатации скважины насосной установкой с частотно-регулируемым приводом заключается в периодическом повторении циклов, включающих откачку, поиск частоты прекращения подачи и накопление, при этом для обеспечения отбора такого количества жидкости из скважины, которое равно ее притоку, выбирают насосную установку с более высокой производительностью по сравнению с притоком жидкости из пласта в скважину, а в процессе выполнения циклов производят коррекцию соотношения времени откачки-накопления в зависимости от результатов работы в предыдущих циклах до тех пор, пока соотношение откачки-накопления не перестанет изменяться, а момент наступления прекращения подачи определяют по равенству значений текущего момента на валу погружного электродвигателя и контрольного момента, который определяют предварительно по скачкообразному падению значения момента на валу двигателя в точке наступления прекращения подачи при снижении частоты питающего напряжения.

Устройство для осуществления способа содержит размещенную в колонне эксплуатационных труб скважины насосную установку, состоящую из центробежного насоса и погружного электродвигателя, подвешенную на колонне подземных труб, при этом погружной электродвигатель токопроводящим кабелем связан с находящимися на поверхности преобразователем частоты и управляющим устройством, устройство содержит также согласующий трансформатор, блок определения частоты, тока, момента, мощности, блок связи, блок индикации и управления, при этом токопроводящий кабель связан с первым входом-выходом согласующего трансформатора, который вторым входом-выходом связан со входом-выходом преобразователя частоты, а преобразователь частоты своим вторым входом-выходом связан с блоком питания, а третьим входом-выходом - с первым входом-выходом блока определения частоты, тока, момента, мощности, который своим вторым входом-выходом связан с первым входом-выходом блока связи, второй вход-выход которого связан с четвертым входом-выходом преобразователя частоты, а третьим входом-выходом связан с первым входом-выходом контроллера управления, второй вход-выход которого связан с блоком индикации и управления, при этом все сигналы, поступают на блоки, находящиеся на поверхности, через токопроводящий кабель непосредственно с вала погружного электродвигателя.

Раскрытие изобретения

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена схема насосной установки с частотно-регулируемым приводом, с помощью которой осуществляется способ эксплуатации скважины;

на фиг.2. представлена блок-схема алгоритма работы установки;

на фиг.3 представлен график работы в циклах откачка - накопление установившегося циклического режима,

где

A - начало перехода в режим откачки;

Б - начало поиска частоты прекращения подачи;

C - начало накопления;

D - время откачки;

E - время накопления;

F - поиск частоты прекращения подачи;

a - частота;

b - ток;

c - момент;

d - MK2;

e - MK1.

Устройство содержит размещенные в колонне эксплуатационных труб 1 скважины насосную установку 2, состоящую из центробежного насоса 3 и погружного электродвигателя 4, подвешенную на колонне подземных труб 5, при этом погружной электродвигатель 4 токопроводящим кабелем 6 связан с находящимися на поверхности устройствами, а именно с первым входом-выходом согласующего трансформатора 7, который вторым входом-выходом связан со входом-выходом преобразователя частоты 8. Преобразователь частоты 8 своим вторым входом-выходом связан с блоком питания 9, а третьим входом-выходом - с первым входом-выходом блока определения частоты, тока, момента, мощности, который своим вторым входом-выходом связан с первым входом-выходом блока связи 11, второй вход-выход которого связан с четвертым входом-выходом преобразователя частоты 8, а третьим входом-выходом связан с первым входом-выходом контроллера управления 12, второй вход-выход которого связан с блоком индикации и управления 13. Характеристики, с помощью которых осуществляется способ, это частота на валу погружного электродвигателя 4, мощность, ток, момент, уставки MK1 и MK2.

MK1 - момент, развиваемый погружным электродвигателем в точке прекращения подачи жидкости,

MK2 - момент, превышающий МК1 от 3 до 10%.

Осуществление способа и устройства

Устройство работает следующим образом.

Насосная установка 2 с помощью токопроводящего кабеля 6 через согласующий трансформатор 7 соединена с преобразователем частоты 8, на который подано питание от блока питания 9. Преобразователь частоты 8 осуществляет преобразование напряжения промышленной частоты 50 герц в напряжение питания погружного электродвигателя с переменной частотой в диапазоне от 0 до 300 герц. Диапазон частоты насосной установки 2 с погружным электродвигателем 4 и центробежным насосом 3 на практике лежит в пределах от 30 до 70 герц.

Преобразователь частоты 8 оснащен блоком определения частоты, тока, момента, мощности 10 и определяет выходную частоту привода, ток погружного электродвигателя 4, крутящий момент, мощность, подаваемую на погружной электродвигатель 4. Все параметры вычисляются в реальном масштабе времени с периодом порядка 200 миллисекунд и хранятся в цифровой форме в памяти блоком определения частоты, тока момента, мощности 10. Преобразователь частоты 8 оснащен блоком связи 11, через который имеется доступ всех устройств ко всем параметрам преобразователя частоты 8 и через который подаются команды управления преобразователем частоты 8.

Контроллер управления 12, оснащенный блоком индикации и управления 13, непрерывно считывает необходимые параметры (частота, ток, напряжение, мощность, момент и т.д.) и выдает команды в соответствии с алгоритмом управления.

При начале эксплуатации скважины для определения момента, при котором прекращается подача, насосный агрегат разгоняют до частоты, при которой появляется подача жидкости. Затем частоту плавно снижают и непрерывно контролируют момент вращения двигателя. Как правило, при плавном снижении частоты пропорционально плавно снижается момент на валу двигателя. При достижении точки прекращения подачи (наступление момента холостого хода) момент падает скачком, что хорошо заметно на графическом экране контроллера (см. фиг.3). Величина этого момента (в процентах) выбирается в качестве уставки MK1. Вторая уставка MK2 выбирается на 3-10% больше первой.

Способ эксплуатации скважины насосной установкой с частотно-регулируемым приводом заключается в периодическом повторении циклов, включающих откачку, поиск частоты прекращения подачи и накопление, при этом для обеспечения отбора такого количества жидкости из скважины, которое равно ее притоку, выбирают насосную установку с более высокой производительностью по сравнению с притоком жидкости из пласта в скважину, а в процессе выполнения циклов производят коррекцию соотношения времени откачки-накопления в зависимости от результатов работы в предыдущих циклах до тех пор, пока соотношение откачки-накопления не перестанет изменяться, а момент наступления прекращения подачи определяют по равенству значений текущего момента на валу погружного электродвигателя 4 и контрольного момента, который определяют предварительно по скачкообразному падению значения момента на валу погружного электродвигателя 4 в точке наступления прекращения подачи при снижении частоты питающего напряжения.

Описание работы устройства и осуществление способа происходит в соответствии с блок-схемой алгоритма, представленного на фиг.2.

После запуска установки (начало) работу осуществляют на частоте ожидания подачи (под подачей подразумевается подача жидкости). После появления подачи контроллер управления 12 получает сигнал с блока определения частоты, тока, момента, мощности 10, развиваемых погружным электродвигателем 4, и определяют значение момента на валу погружного электродвигателя 4, которое отображается также на блоке индикации и управления 13, при котором прекращается подача, что осуществляется путем плавного снижения частоты питающего напряжения, при этом сигнал от контроллера управления 12 передается через блок связи 11, преобразователь частоты 8 на погружной электродвигатель 4. Причем непрерывно сравнивают скорость изменения частоты со скоростью изменения момента на валу погружного электродвигателя 4. При наличии подачи скорости изменения частоты и момента пропорциональны, в то время как при достижении точки прекращения подачи значение момента на валу погружного электродвигателя 4 падает скачком, так как прекращаются затраты энергии на подъем жидкости (см. фиг.3, где представлены графики установившегося циклического режима). Значение момента на валу двигателя (в процентах) принимают за уставку (MK1).

В зависимости от производительности установки и ожидаемого притока задают время откачки и время накопления, используя соотношение:

$$-\frac{Ожидаемыйприток}{Производительностьустановки}=-\frac{Времяоткачки}{Времяоткачки+Времянакопления}$$

Работают в режиме откачки заданное время и переходят в режим поиска частоты прекращения подачи. Частоту определяют при равенстве текущего момента на валу погружного электродвигателя 4 и контрольного момента MK1. Если частота не определилась, корректируют время откачки в сторону увеличения и цикл повторяют. Если частота определена, переходят в режим накопления на данной частоте и работают заданное время. В каждом цикле контролируют, изменилось ли соотношение времен откачки и накопления. Если это соотношение не меняется, то это означает, что скважина работает в установившемся циклическом режиме, когда приток жидкости в скважине равен ее отбору (изменение соотношения времени откачки-накопления при неизменном времени откачки и накопления происходит в режиме поиска частоты прекращения подачи, так как в зависимости от притока момент прекращения подачи будет происходить на разных частотах, то есть в разное время).

Если соотношение откачка-накопление меняется, то осуществляют его корректировку. Процесс происходит автоматически с помощью контроллера управления 12, который получает информацию от блока определения частоты, тока, момента, мощности 10, развиваемых погружным электродвигателем 4. Контроллер управления 12 передает управляющие сигналы через блок связи 11 на преобразователь частоты 8, который, в свою очередь, через согласующий трансформатор 7 передает сигналы на токопроводящий кабель 6 до приведения в соответствие притока жидкости из пласта и ее отбора. Если соотношение откачка-накопление вышло за установленные пределы, то есть не поддается регулировке по тем или иным причинам, останавливают скважину, затем повторяют запуск.

Изобретение позволяет оптимизировать добычу нефти путем откачки такого количества жидкости, которое соответствует ее притоку в скважине. Способ предполагает использование насосной установки с более высокой производительностью по сравнению с притоком жидкости в скважину. Способ основан на регулировании количества откачиваемой жидкости из скважины путем периодического повторения циклов, каждый из которых включает три режима:

Первый - работа на частоте, при которой происходит откачка жидкости;

Второй - режим поиска частоты прекращения подачи;

Третий - работа на частоте прекращения подачи.

Режимы наглядно представлены на фиг.3.

Способ осуществляют следующим образом.

При первом запуске ожидают появления подачи и определяют контрольный момент на валу погружного электродвигателя, при котором прекращается подача при снижении частоты вращения двигателя. Значение контрольного момента выбирают в качестве уставки, определяющей моменты перехода из одного режима в другой. В зависимости от притока, по результатам работы в предыдущих циклах, производят корректировку соотношения времен откачки и накопления до тех пор, пока это соотношение не перестанет изменяться, то есть до тех пор, пока скважина не перейдет в установившийся циклический режим, когда приток из пласта равен количеству отбираемой жидкости.

Промышленная применимость

Устройство выполнено из доступных и промышленно изготавливаемых комплектующих.

Основным отличием от прототипа по способу является то, что в предлагаемом способе циклический режим является основным как при выводе скважины на режим, так и в процессе текущей эксплуатации.

Способ и устройство ориентированы на применение на всех скважинах, включая малодебитные. Для высокопродуктивных скважин обеспечивается возможность применения погружных насосов заведомо большей производительности по сравнению с продуктивностью скважины, что позволяет увеличить ресурс работы установки, так как работа осуществляется на режимах значительно меньше предельных.

Устройство не требует никаких погружных датчиков, что упрощает само устройство. В заявленном устройстве все сигналы поступают на блоки, находящиеся на поверхности, через токопроводящий кабель непосредственно с вала погружного электродвигаеля.

Определение момента прекращения подачи определяется исходя из реальных свойств флюида и реальных характеристик насосной установки путем измерения скорости изменения вращающего момента на валу погружного электродвигателя. Как известно, при снижении частоты в момент, когда прекращается подача, то есть двигатель переходит в режим холостого хода, вращающий момент на его валу падает скачком, что и позволяет определить наступление момента прекращения подачи с учетом всех реальных условий, то есть свойств флюида и технических характеристик установки.

При данном способе эксплуатации скважины с использованием заявленного устройства для получения наилучших результатов по увеличению добычи нефти может быть использована насосная установка с более высокой производительностью по сравнению с притоком скважины. Это облегчает выбор типоразмера насосной установки и увеличивает межремонтный период во время эксплуатации, так как установка в этом случае работает в облегченных режимах эксплуатации.

Таким образом, все вышеперечисленное доказывает достижение технического результата

1. Способ эксплуатации скважины насосной установкой с частотно-регулируемым приводом, заключающийся в периодическом повторении циклов, включающих откачку, поиск частоты прекращения подачи и накопление, отличающийся тем, что для обеспечения отбора такого количества жидкости из скважины, которое равно ее притоку, выбирают насосную установку с более высокой производительностью по сравнению с притоком жидкости из пласта в скважину, а в процессе выполнения циклов производят коррекцию соотношения времени откачки-накопления в зависимости от результатов работы в предыдущих циклах до тех пор, пока соотношение откачки-накопления не перестанет изменяться, а момент наступления прекращения подачи определяют по равенству значений текущего момента на валу погружного электродвигателя и контрольного момента, который определяют предварительно по скачкообразному падению значения момента на валу двигателя в точке наступления прекращения подачи при снижении частоты питающего напряжения.

2. Устройство для эксплуатации скважины насосной установкой с частотно-регулируемым приводом, содержащее размещенную в колонне эксплуатационных труб скважины насосную установку, состоящую из центробежного насоса и погружного электродвигателя, подвешенную на колонне подземных труб, при этом погружной электродвигатель токопроводящим кабелем связан с находящимися на поверхности преобразователем частоты и управляющим устройством, отличающееся тем, что устройство содержит также согласующий трансформатор, блок определения частоты, тока, момента, мощности, блок связи, блок индикации и управления, при этом токопроводящий кабель связан с первым входом-выходом согласующего трансформатора, который вторым входом-выходом связан со входом-выходом преобразователя частоты, а преобразователь частоты своим вторым входом-выходом связан с блоком питания, а третьим входом-выходом - с первым входом-выходом блока определения частоты, тока, момента, мощности, который своим вторым входом-выходом связан с первым входом-выходом блока связи, второй вход-выход которого связан с четвертым входом-выходом преобразователя частоты, а третьим входом-выходом связан с первым входом-выходом контроллера управления, второй вход-выход которого связан с блоком индикации и управления, при этом обеспечена возможность поступления всех сигналов на блоки, находящиеся на поверхности, через токопроводящий кабель непосредственно с вала погружного электродвигателя.