УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИНЫ

Полезная модель относится к области добычи нефти и может быть использована для эксплуатации скважин, оборудованных электронасосами, в частности, погружными центробежными электронасосами.
Известны способ и устройство для эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом,
Устройство содержит размещенные в колонне эксплуатационных труб скважины насос, подвешенный на колонне подъемных труб, в комплекте с приводным электродвигателем, токоподводящим электрокабелем и датчиком давления. На поверхности установка снабжена преобразователем частоты с управляющим устройством, датчиком частоты питающего напряжения электронасоса и датчиком мощности, потребляемой электронасосом. Работа основана 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. Патент РФ 2119578.
К недостаткам этого устройства можно отнести следующее.
Сложная конструкция, то есть наличие дополнительного подземного оборудования - термоманометрической системы, устанавливаемой под погружным электродвигателем, увеличивает стоимость способа эксплуатации скважины и не позволяет применить этот способ при высоких температурах пластовой продукции (свыше 90°С) вследствие отказов работы погружной электроники. Устройство ориентировано только на малодебитные скважины. Характеристики и уставки, 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.
Известно также устройство для эксплуатации погружного электронасосного агрегата в нефтегазовой скважине (патент РФ №2256065), содержащее установленный в скважине погружной электронасосный агрегат с кабелем питания его электродвигателя, блок погружной телеметрии с датчиками параметров состояния скважины и электронасосного агрегата, измеритель дебита, установленный на выкидной линии, преобразователь частоты напряжения, соединенный со станцией управления, подключенной к кабелю питания электродвигателя, задатчик режима работы, при этом в устройство дополнительно введены адаптивный регулятор, блок динамической модели системы “пласт - скважина - погружной насос”, блок идентификации динамической модели, блок идентификации параметров призабойной зоны пласта, при этом выходы задатчика режима работы соединены с входами адаптивного регулятора, блока динамической модели системы “пласт - скважина - погружной насос” и блока идентификации параметров призабойной зоны пласта, выход которого соединен с входом задатчика режима работы, выход измерителя дебита соединен с входами блока идентификации динамической модели и блока идентификации параметров призабойной зоны пласта, вторые входы которых соединены с выходом станции управления, второй выход которой соединен со вторым входом адаптивного регулятора, выход которого подключен к входу преобразователя частоты напряжения, выходы блока динамической модели системы “пласт - скважина - погружной насос” и блока идентификации динамической модели соединены с третьим и четвертым входами адаптивного регулятора.
Недостатками прототипа являются:
Сложная конструкция, то есть наличие дополнительного подземного оборудования - термоманометрической системы, устанавливаемой под погружным электродвигателем, увеличивает стоимость способа эксплуатации скважины и не позволяет применить этот способ при высоких температурах пластовой продукции (свыше 90°С) вследствие отказов работы погружной электроники. Способ ориентирован только на малодебитные скважины.
Технической задачей данной полезной модели является упрощение устройства за счет отсутствия дополнительного подземного оборудования - термоманометрической системы, устанавливаемой под погружным электродвигателем, а также уменьшение стоимости эксплуатации скважины и надежности эксплуатации за счет того, что оборудование может эксплуатироваться при высоких температурах пластовой продукции и не вызывать отказов работы погружной электроники. Обеспечение функционирования устройства по заданным режимам.
Технический результат достигается за счет того, что, устройство управления режимом эксплуатации скважины включает установленную в скважине насосную установку, содержащую центробежный насос и погружной электродвигатель, токопроводящий кабель, соединенный на поверхности с блоком питания, частотным преобразователем и контроллером управления при этом частотный преобразователь соединен с силовым кабелем через согласующий трансформатор и содержит блок управления частотным преобразователем, шину обмена данными частотного преобразователя, блок определения выходных параметров погружного электродвигателя, блок памяти выходных параметров погружного электродвигателя, блок последовательной связи и блок цифровых входов-выходов частотного преобразователя, а контроллер управления содержит блок цифровых входов-выходов контроллера управления, шину обмена данными, центральный процессор, блок хранения оперативной информации, блок хранения постоянной информации, блок последовательной связи контроллера управления, блок связи с каналом связи, шину двухпроводной связи, устройство содержит также блок управления и индикации, а также опциональные блоки, а именно, блок связи с системной телеметрией, канал связи с системной телеметрией, блок связи с погружной телеметрией, канал связи с погружной телеметрией, блок связи со счетчиком электрической энергии, канал связи со счетчиком электрической энергии, причем силовой кабель своим входом выходом связан с первым входом-выходом блока питания, второй вход-выход которого связан с согласующим трансформатором, в свою очередь, второй вход-выход согласующего трансформатора связан с первым входом-выходом блока управления частотным преобразователем, второй вход-выход которого связан с первым входом-выходом шины обмена данными частотного преобразователя, второй вход-выход которой связан с входом-выходом блока определения выходных параметров погружного электродвигателя, третьим входом-выходом связан с входом-выходом блока памяти выходных параметров погружного электродвигателя, четвертый вход-выход которого связан с первым входом-выходом блока последовательной связи, второй вход-выход которого связан с первым входом-выходом шины двухпроводной связи, второй вход-выход блока цифровых входов-выходов частотного преобразователя связан с первым входом-выходом блока цифровых входов-выходов контроллера управления, второй вход-выход которого, в свою очередь, связан с первым входом-выходом шины обмена данными, которая своим вторым входом-выходом связана с входом-выходом центрального процессора, третьим входом-выходом связана с входом-выходом блока хранения оперативной информации, четвертым входом-выходом связана с входом-выходом блока хранения постоянной информации, пятым входом-выходом связана с первым входом выходом блока последовательной связи контроллера управления, шестым входом-выходом связана с первым входом-выходом блока связи с каналом связи, который, в свою очередь, своим вторым входом выходом связан с каналом связи, второй вход-выход блока последовательной связи контроллера управления связан со вторым входом-выходом шины двухпроводной связи, которая своим третьим входом выходом связана со входом блока управления и индикации, четвертым входом-выходом связана с первым входом-выходом блока связи с системной телеметрией, второй вход-выход которого связан со входом-выходом канала связи с системной телеметрией, пятый вход-выход шины двухпроводной связи связан с первым входом-выходом блока связи с погружной телеметрией, второй вход-выход которого связан со входом-выходом канала связи с погружной телеметрией, шестой вход-выход шины двухпроводной связи связан с первым входом-выходом блока связи со счетчиком электрической энергии, второй вход-выход которого связан со входом-выходом канала связи со счетчиком электрической энергии.
Указанная полезная модель поясняется чертежами, где
На фиг.1 представлено схематично погружное оборудование в скважине и блок-схема устройства управления режимом эксплуатации скважины.
Устройство управления режимом эксплуатации скважины содержит погружное оборудование 1, которое устанавливают в колонну 2 эксплуатационных труб, предварительно установленных в стволе скважины. В колонне 2 эксплуатационных труб скважины устанавливают насосную установку 3, в комплекте с погружным электродвигателем 4, центробежным насосом 5 и силовым кабелем 6. На поверхности установка имеет трубу выхода жидкости 7. Установка снабжена блоком питания 8, согласующим трансформатором 9, частотным преобразователем 10, контроллером управления 11, опциональными блоками 12. Частотный преобразователь 10 содержит блок управления частотным преобразователем 13, связанным через шину обмена данными 14 с блоком определения выходных параметров погружного электродвигателя 15, блоком памяти выходных параметров погружного электродвигателя 16, блоком последовательной связи 17, блоком цифровых входов-выходов частотного преобразователя 18, который, в свою очередь связан с блоком цифровых входов-выходов контроллера управления 19, осуществляющих обмен информацией через шину обмена данными 20 с центральным процессором 21, с блоком хранения оперативной информации 22, с блоком хранения постоянной информации 23, с блоком последовательной связи контроллера управления 24, с блоком связи с каналом связи 25, который в свою очередь связан с каналом связи 26.
Блок последовательной связи контроллера управления 24 через шину двухпроводной связи 27 связан с блоком последовательной связи 17 частотного преобразователя 10, с которой, в свою очередь связаны блок управления и индикации 28 и опциональные блоки 12, а именно, блок связи с системной телеметрией 29, с каналом связи с системной телеметрией 30, блок связи с погружной телеметрией 31, с каналом связи с погружной телеметрией, с блоком связи со счетчиком электрической энергии с каналом связи со счетчиком электрической энергии.
При этом силовой кабель 6 своим входом выходом связан с первым входом-выходом блока питания 8, второй вход-выход которого связан с согласующим трансформатором 9, в свою очередь второй вход-выход согласующего трансформатора 9 связан с первым входом-выходом блока управления частотным преобразователем 13, второй вход-выход которого связан с первым входом-выходом шины обмена данными частотного преобразователя 14, второй вход-выход которой связан с входом-выходом блока определения выходных параметров погружного электродвигателя 15, третьим входом-выходом связан с входом-выходом блока памяти выходных параметров погружного электродвигателя 16, четвертый вход-выход которого связан с первым входом-выходом блока последовательной связи 17, второй вход-выход которого связан с первым входом-выходом шины двухпроводной связи 27. Второй вход-выход блока цифровых входов - выходов частотного преобразователя 18 связан с первым входом-выходом блока цифровых входов-выходов контроллера управления 19, второй вход-выход которого, в свою очередь, связан с первым входом-выходом шины обмена данными 20, которая своим вторым входом-выходом связана с входом-выходом центрального процессора 21, третьим входом-выходом связана с входом-выходом блока хранения оперативной информации 22, четвертым входом-выходом связана с входом-выходом блока хранения постоянной информации 23, пятым входом-выходом связана с первым входом-выходом блока последовательной связи контроллера управления 24, шестым входом-выходом связана с первым входом-выходом блока связи с каналом связи 25, который, в свою очередь, своим вторым входом выходом связан с каналом связи 26.
Второй вход-выход блока последовательной связи контроллера управления 24 связан со вторым входом-выходом шины двухпроводной связи 27, которая своим третьим входом выходом связана со входом блока управления и индикации 28, четвертым входом-выходом связана с первым входом-выходом блока связи с системной телеметрией 29, второй вход-выход которого связан со входом-выходом канала связи с системной телеметрией 30, пятый вход-выход шины двухпроводной связи 27 связан с первым входом-выходом блока связи с погружной телеметрией 31, второй вход-выход которого связан со входом-выходом канала связи с погружной телеметрией, шестой вход-выход шины двухпроводной связи 27 связан с первым входом-выходом блока связи со счетчиком электрической энергии, второй вход-выход которого связан со входом-выходом канала связи со счетчиком электрической энергии.
Назначение и функции блоков, входящих в заявленное устройство.
Насосная установка 3, с помощью силового кабеля 6 через согласующий трансформатор 9 соединена с частотным преобразователем 10, на который подано питание от блока питания 8 через согласующий трансформатор 9. Частотный преобразователь 10 осуществляет преобразование напряжения промышленной частоты 50 герц в напряжение питания двигателя с переменной частотой в диапазоне от 0 до 300 герц. Диапазон частоты погружного электродвигателя 4 на практике лежит в пределах от 30 до 70 герц.
Частотный преобразователь 10 оснащен блоком определения выходных параметров погружного электродвигателя 15, а именно: частоты привода, тока погружного электродвигателя, крутящего момента, мощности, подаваемой на погружной электродвигатель. Все параметры вычисляются в реальном масштабе времени и хранятся в цифровой форме в памяти блока памяти выходных параметров погружного электродвигателя 16. Частотный преобразователь оснащен блоком последовательной связи 17 и блоком цифровых входов-выходов частотного преобразователя 18, через который имеется доступ ко всем параметрам частотного преобразователя 10 и через который подаются контроллером управления 11 команды управления частотным преобразователем.
Контроллер управления 11, связанный через шину обмена данными 20 и шину двухпроводной связи 27 с блоком управления и индикации 28 непрерывно считывает необходимые параметры (частота, ток, напряжение, мощность, момент и т.д.) и выдает команды в соответствии с заданным алгоритмом управления.
Блок цифровых входов-выходов частотного преобразователя 18, соединенный с блоком цифровых входов-выходов контроллера управления 19, принимает сигналы управления для частотного преобразователя 10 и выдает информацию о состоянии частотного преобразователя 10 на центральный процессор 21. Блок последовательной связи 17, соединенный с шиной двухпроводной связи 27 контроллера управления 11 осуществляет прием сигналов управления и выдает в канал информацию о состоянии частотного преобразователя 10.
Блок хранения оперативной информации 22, блок хранения постоянной информации 23 служат для сбора и хранения информации, причем, блок хранения постоянной информации 23 обеспечивает хранение информации с момента первого запуска устройства и, связанный через шину обмена данными 20 с центральным процессором получение информации о работе устройства за любой заданный период времени, причем визуальную информацию можно получить на блоке индикации и управления 28, а также через канал связи с каналом связи 25, например, через модемом и канал связи 26 на устройствах удаленного доступа (данной полезной моделью управление на удаленном доступе не заявляется), например, модем GPRS организует беспроводный доступ к информационным ресурсам контроллера управления 11.
Опциональные блоки 12, включающие блок связи с системной телеметрией 29, организующий канал связи с системной телеметрией 30, блок связи с погружной телеметрией 31, организующий канал связи с погружной телеметрией 32, блок связи со счетчиком (счетчиками) электрической энергии 33, организующий канал связи со счетчиком электроэнергии 34 служат для обеспечения бесперебойной работы устройства.
Устройство работает следующим образом.
При первом запуске ожидают появления подачи и определяют контрольный момент на валу погружного электродвигателя 4, при котором прекращается подача при снижении частоты вращения двигателя. Значение контрольного момента МК1 выбирается 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.
Устройство может работать на разных заданных режимах.
Например, при начале эксплуатации скважины, для определения момента, при котором прекращается подача, насосную установку 3 разгоняют до частоты, при которой появляется подача жидкости. Затем частоту плавно снижают и непрерывно контролируют момент вращения погружного электродвигателя 4. Как правило, при плавном снижении частоты пропорционально плавно снижается момент на валу погружного электродвигателя 4. При достижения точки прекращения подачи (наступление момента холостого хода) момент падает скачком, информация о чем поступает на центральный процессор 21 и одновременно отображается на блоке управления и индикации 28. Величину этого момента (в процентах) выбирают (с помощью заданного алгоритма) в качестве уставки МК1. Центральный процессор 21 обрабатывает полученную информацию, передает ее через шину обмена данными 20, блок цифровых входов-выходов контроллера управления 19 на блок цифровых входов-выходов 18 частотного преобразователя 10, и через шину обмена данными 14 на блок управления частотным преобразователем 13, который выдает необходимую последовательность сигналов управления на согласующий трансформатор 9 и далее через силовой кабель 6 на погружной электродвигатель 4.
Оператор при первом запуске на блоке управления и индикации 28 вводит начальные параметры, включающие уставки МК1 контроллера управления 11, параметры запуска, параметры моноразгона, технические параметры, параметры автозапуска. Сигнал с блока индикации и управления 28 через шину двухпроводной связи 27, блок последовательной связи контроллера управления 24 и шину обмена данными 20 поступает в центральный процессор 21, где обрабатывается и поступает в блок хранения оперативной информации 22, где запоминается. Также сигнал из центрального процессора 21, через шину обмена данными 20, блок последовательной связи контроллера 24, шину двухпроводной связи 27, блок последовательной связи 17, шину обмена данными частотного преобразователя 14 поступает в блок памяти выходных параметров погружного электродвигателя 16, где сохраняется и затем, при работе, через шину обмена данными частотного преобразователя 14 поступает в блок управления частотным преобразователем 13 для формирования необходимой последовательности сигналов управления насосной установкой 3 и соответственно погружным электродвигателем 4. Центральный процессор 21 контроллера управления 11 каждые 400 миллисекунд выдает сигнал, который через шину обмена данными 20, блок последовательной связи контроллера управления 24, шину двухпроводной связи 27, блок последовательной связи 17 поступает через шину обмена данными частотного преобразователя 14 в блок определения выходных параметров погружного электродвигателя 15 (напряжение, частота, ток, момент на валу погружного электродвигателя 4 и мощности). Указанный блок производит необходимые действия для вычисления указанных параметров и посылает по тому же пути обратный сигнал, который поступает в центральный процессор 21, где обрабатывается и затем запоминается в блоке хранения оперативной информации 22. Центральный процессор 21 также циклически передает считанные параметры в блок управления и индикации 28, где сигнал дешифруется и представляется в удобной для пользователя форме (визуализируется).
Устройство выполнено на блоках и установках, выпускаемых промышленностью, а значит промышленно применимо.
Все вышеперечисленное доказывает выполнение технической задачи данной полезной модели.
Достигается упрощение устройства за счет отсутствия дополнительного подземного оборудования, термоманометрической системы, устанавливаемой под погружным электродвигателем, как в прототипе, в котором ограничивается режим эксплуатации скважины при высоких температурах из-за сбоев дополнительного подземного оборудования.
В заявленном же устройстве за счет того, что все необходимые параметры определяются блоком определения выходных параметров погружного электродвигателя, выполненного в составе частотного преобразователя и далее обрабатываются контроллером управления достигается не только упрощение устройства, но и уменьшение стоимости эксплуатации скважины и надежности эксплуатации за счет того, что оборудование может эксплуатироваться при высоких температурах пластовой продукции (свыше 90°С) и не вызывать отказов работы погружной электроники. Устройство обеспечивает также работу по заданным режимам.
Предлагаемое устройство не требует никаких погружных датчиков.
Устройство ориентировано на применение на всех скважинах, включая малодебитные. Для высокопродуктивных скважин появляется возможность, с использованием заявленного устройства, выбирать погружное оборудование заведомо большей производительности по сравнению с продуктивностью скважины, что позволяет увеличить ресурс работы установки, так как работа осуществляется на режимах, значительно меньше предельных. Это облегчает выбор типоразмера насосной установки и увеличивает межремонтный период во время эксплуатации, так как установка в этом случае работает в облегченных режимах эксплуатации.
Параметры работы определяются исходя из реальных свойств флюида и реальных характеристик насосной установки путем измерения скорости изменения вращающего момента на валу двигателя. 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. Это стало возможным при использовании заявленного устройства.
Перечень фигур
1. - Погружное оборудование
2. - Ствол скважины
3. - Насосная установка
4. - Погружной электродвигатель
5. - Центробежный насос
6. - Силовой кабель
7. - Труба выхода жидкости
8. - Блок питания
9. - Согласующий трансформатор
10. - Частотный преобразователь
11. - Контроллер управления
12. - Опциональные блоки
13. - Блок управления частотным преобразователем
14. - Шина обмена данными частотного преобразователя
15. - Блок определения выходных параметров погружного электродвигателя
16. - Блок памяти выходных параметров погружного электродвигателя
17. - Блок последовательной связи
18. - Блок цифровых входов-выходов частотного преобразователя
19. - Блок цифровых входов-выходов контроллера управления
20. - Шина обмена данными
21. - Центральный процессор
22. - Блок хранения оперативной информации
23. - Блок хранения постоянной информации
24. - Блок последовательной связи контроллера управления
25. - Блок связи с каналом связи
26. - Канал связи
27. - Шина двухпроводной связи
28. - Блок управления и индикации
29. - Блок связи с системной телеметрией
30. - Канал связи с системной телеметрией
31. - Блок связи с погружной телеметрией
32. - Канал связи с погружной телеметрией
33. - Блок связи со счетчиком электрической энергии
34. - Канал связи со счетчиком электрической энергии