МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЦИФРОВАЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СКВАЖИНА
MULTIFUNCTIONAL AUTOMATIC DIGITAL INTELLIGENT WELL

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к системе управления многофункциональной автоматической цифровой интеллектуальной скважины (МАЦИС) для одновременного управления скоростью ротора погружного электродвигателя (ПЭД) установки центробежного электронасоса (УЭЦН) по данным контроля дебита и параметров скважинной жидкости (СКЖ), прогревом насосно-компрессорных труб (НКТ) для устранения образования асфальто-смолисто-парафиновых отложений (АСПО), индукционным прогревом призабойной зоны пласта для понижения вязкости нефти (природного битума) и/или раздельного выполнения указанных действий и может быть использована на промыслах при добыче нефти из скважин.
Известна система управления УЭЦН, содержащая станцию управления с преобразователем частоты и контроллерами, систему погружной телеметрии (Станция управления «Электон-05» ПЧ-ТТПТ-800-380-50-1-УХЛ1 ТУ 3416-003-43174012-2001).
Недостатком данной системы является то, что управление ПЭД осуществляется только по предварительно определенному заданию, отсутствует автоматическое регулирование производительности установки в соответствии с изменяющимися условиями добычи нефти, так как при управлении не учитываются реальные динамические характеристики системы «пласт-скважина-УЭЦН».
Известна система оптимального управления УЭЦН по патенту РФ №88167 от 27.10.2009, авторов Сипайлов В.А., Букреев В.Г. и Сипайлова Н.Ю.
Полезная модель относится к области управления технологическими процессами в нефтяной промышленности и направлена на повышение качества управления УЭЦН за счет возможности в реальном времени автоматически изменять показатели производительности установки и настраиваться на режим оптимального по технико-экономическим критериям функционирования.
Указанный технический результат достигается тем, что система оптимального управления УЭЦН, содержащая установленный в скважине погружной электронасосный агрегат с кабельной линией питания его электродвигателя, блок погружной телеметрии с датчиками параметров состояния скважины и электронасосного агрегата, измеритель дебита жидкости, установленный на выкидной линии и подключенный к первому входу блока идентификации, преобразователь частоты, подсоединенный к станции управления, силовой выход которой подключен к кабельной линии питания электродвигателя электронасосного агрегата, а информационный выход станции управления подключен ко второму входу блока идентификации, задатчик режима работы, дополнительно включает блок оптимизации и датчик буферного давления, выход которого соединен с первым входом блока оптимизации и третьим входом блока идентификации, четвертый вход которого подключен к первому выходу задатчика режима работы, второй выход которого подключен к информационному входу станции управления, третий выход соединен со вторым входом блока оптимизации, третий вход которого подключен к выходу блока идентификации, выход блока оптимизации подключен к управляющему входу преобразователя частоты.
Основные показатели работы УЭЦН - производительность (дебит жидкости) и потребление электроэнергии - зависят от технических параметров насоса и трубопровода, частоты вращения ротора электродвигателя, а также пластового и буферного давлений. Управление режимом работы УЭЦН обеспечивается путем изменения производительности (дебита жидкости) электроцентробежного насоса за счет регулирования частоты вращения ротора электродвигателя электронасосного агрегата путем изменения частоты напряжения и величины напряжения на выходе преобразователя частоты и напряжения (ПНЧ) в соответствии с рассчитанными в блоке оптимизации значениями, определяющими оптимальное по технико-экономическим критериям функционирование УЭЦН.
Оптимизация реализуется с помощью модели объекта методом перебора полученных решений в пределах заданных технологических ограничений. Результатом работы блока оптимизации является расчет управляющих воздействий (напряжение и частота напряжения на выходе преобразователя частоты), определяющих минимальное отклонение показателя технико-экономической эффективности УЭЦН (коэффициент рентабельности по электроэнергии) от планового значения. Оптимальные значения управляющих воздействий (частота напряжения и величина напряжения с выхода ПНЧ передаются в станцию управления. В результате ее работы происходит изменение частоты вращения ротора электродвигателя и устанавливается режим работы установки, наиболее приближенный к оптимальному. Задатчик режима работы может быть реализован в виде автоматизированного рабочего места технолога, а блоки идентификации и оптимизации программным (цифровым) способом с помощью программируемых контроллеров, например, контроллеров станции управления и преобразователя частоты.
Недостатком известной системы является недостаточный набор параметров управления УЭЦН и СКЖ, по которым производится оптимизация работы скважины и недостаточный набор функций для многофункциональности автоматической комплексной станции интеллектуальной скважины.
Последний недостаток аналога для управления УЭЦН при добыче высоковязких нефтей устраняется в многофункциональной автоматической комплексной станции интеллектуальной скважины по патенту РФ №128894 от 10.06.2013, авторов Глебова В.И., Скворцова Д.Е., принятой за прототип.
Система состоит из погружной установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) с погружным электродвигателем (ПЭД), погружной греющей кабельной линии, электрической линии связи и наземного оборудования, состоящего из управляющего устройства ПЭД и кабельным нагревом (КН), высокочастотного генератора с возможностью передачи энергии до облучающего индуктора на расстоянии более 1000 м от генератора.
Технический результат, достигаемый системой-прототипом, заключается в обеспечения комплексной работы одной станции для одновременного или раздельного управляемого процесса работы насосного оборудования, прогрева НКТ, индукционного прогрева призабойной зоны пласта и/или трубопроводов, с возможностью архивирования данных о работе каждого из процессов, дистанционного управления и передачи данных о работе каждого из процессов по беспроводному и/или проводному каналу, а также увеличение периода наработки на отказ скважинного оборудования за счет обеспечения увеличения надежности работы, снижению времени и трудозатрат при монтаже и эксплуатации многофункциональной автоматической комплексной станцией интеллектуальной скважины. Благодаря тому, что система-прототип выполнена в одном корпусе, это позволяет доставить станцию в сборе и компактно разместить станцию на месте эксплуатации, что снижает трудозатраты на сборку и запуск в эксплуатацию, по сравнению с прототипом.
Станция имеет дополнительно установленную систему дозированной подачи реагента и индукционного прогрева призабойной зоны пласта и/или трубопроводов и имеет возможность обеспечивать полный процесс оптимизации и интенсификации добычи, путем обеспечения оптимального режима работы насосного оборудования за счет ликвидации АСПО и солеотложений на скважинном оборудовании и предотвращения увеличения вязкости флюида при подъеме по НКТ.
Благодаря вышеуказанному исключается возможность образования АСПО и солеотложений на погружном скважинном оборудовании, упрощается процесс монтажа, эксплуатации и обслуживания станции, увеличивается период наработки оборудования на отказ по сравнению с известным устройством по прототипу.
При эксплуатации проблемных скважин, осложненных АСПО, необходимо производить прогрев призабойной зоны пласта без подъема пластовой жидкости (например, при подготовке скважины к запуску для того, чтобы вследствие нагрева снизить вязкость жидкости и обеспечить более мягкие условия для работы ПЭД) или осуществлять индукционный нагрев совместно с питанием ПЭД и прогревом НКТ, когда скважина уже вышла на режим и необходимо поддерживать стационарное тепловое поле ствола скважин. Или производить только питание ПЭД и дозированную подачу реагента, когда параметры добычи позволяют производить на каком-то отрезке времени подъем жидкости без нагрева, а при отключении ПЭД можно оставить нагрев скважины и дозированную подачу реагента в работе (такая ситуация возникает при работе скважины с периодическим режимом работы по откачке жидкости). Таким образом, без переналадки установки, в автоматическом режиме, без подъема узлов из ствола скважины обеспечивается расширение ее функциональных и технологических возможностей. Все указанные операции возможно производить и одновременно в осложненных АСПО и солеотложениями скважинах.
Недостатками прототипа является недостаточный набор параметров управления УЭЦН и СКЖ, по которым производится оптимизация работы скважины и отсутствие прибора для измерения расхода скважинной жидкости, по данным которого осуществляется измерение дебита ИС; отсутствие измерителей концентрации воды, плотности и вязкости, по которым определяется момент на валу ПЭД и регулируется частота ротора двигателя, отсутствие преобразователя частоты ПЭД.
Данные недостатки аналогов и прототипа могут быть устранены в предлагаемой нами многофункциональной автоматической цифровой интеллектуальной скважине (МАЦИС) с использованием ПМР-анализатора (ПМРА) и преобразователя напряжения и частоты (ПНЧ) в наземном оборудовании.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей в заявляемой МАЦИС за счет дополнительного использования ПМРА и ПНЧ.
Технический результат достигается тем, что в многофункциональной автоматической цифровой интеллектуальной скважине, включающей погружное оборудование, состоящее из погружного центробежного насоса с погружным электродвигателем, погружной греющей кабельной линии, электрической линии связи с системой погружной телеметрии, высокочастотного генератора с возможностью передачи энергии до индуктора и станцию наземного оборудования, включающую управляющее устройство, соединенное через входы и выходы с наземным и погружным оборудованием и возможностью управления погружным электродвигателем, модуль беспроводной и/или проводной связи с возможностью управления, приема и передачи данных по средствам беспроводной и/или проводной связи, насос-дозатор, манометр, уровнемер с возможностью передачи информации на управляющее устройство, расходомер реагента с возможностью передачи данных о расходе реагента на управляющее устройство, согласно настоящему изобретению, скважина дополнительно снабжена устьевым модулем (УМ), имеющим подвижный патрубок и выкидной патрубок в магистральный трубопровод, а наземное оборудование снабжено преобразователем напряжения/частоты и проточным экспресс-анализатором протонного магнитного резонанса (ПМРА), включающим магнит, диэлектрическую трубку с намотанной на нее катушкой индуктивности датчика ПМР, выход которой высокочастотным кабелем длиной в четверть волны соединен с усилителем мощности радиочастотных импульсов (передатчиком) и усилителем полезных сигналов ПМР (приемником) релаксометра, с которого через модуль информация о многофункциональной автоматической комплексной системе «интеллектуальная скважина - протонный магнитно-резонансный анализатор» передается на диспетчерский пульт контроля и управления нефтепромыслом.
При этом УМ выполнен в виде расширяющегося конического участка трубы; проточный ПМРА используется для измерения производительности скважины и для измерения физико-химических параметров скважинной жидкости.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема реализации заявляемой системы.
Обозначения на чертеже:
1 - скважина;
2 - УЭЦН;
3 - ПЭД;
4 - погружная греющая кабельная линии;
5 - линия связи с системой погружной телеметрии,
6 - высокочастотный генератор
7 - индуктор,
8 - станция наземного оборудования,
9 - управляющее устройство
10 - модуль управления,
11 - насос-дозатор
12 - манометр
13 - уровнемер
14 - расходомер
15 - преобразователь напряжения/частоты,
16 - устьевой модуль;
17 - подвижный патрубок
18 - выкидной патрубок
19 - магистральный трубопровод
20 - проточный экспресс-анализатор протонного магнитного резонанса
21 - магнит,
22 - диэлектрическая трубка
23 - катушка датчика ПМР,
24 - ВЧ-кабель длиной в четверть волны,
25 - усилитель мощности радиочастотных импульсов (передатчик,
26 - усилитель полезных сигналов ПМР (приемник),
27 - релаксометр
28 - диспетчерский пульт контроля и управления нефтепромыслом.
o
8
o
6
МАЦИС 1 включает погружное оборудование, состоящее из центробежного насоса 2 с погружным электродвигателем 3, погружной греющей кабельной линии 4 насосно-компрессорных труб, электрической линии связи 5 с системой погружной телеметрии, высокочастотного генератора 6 с возможностью передачи энергии до индуктора 7, размещенного на расстояние более 1000 м и станции наземного оборудования 8, включающей управляющее устройство 9, соединенное через входы и выходы с наземным и погружным оборудованием с возможностью управления ПЭД, модуль 10 беспроводной и/или проводной связи с возможностью управления, приема и передачи данных по средствам беспроводной и/или проводной связи (на фиг. 1 не показаны), насос-дозатор 11, манометр 12, уровнемер 13 с возможностью передачи информации на управляющее устройство 9, расходомер 14 реагента с возможностью передачи данных о расходе реагента на управляющее устройство, в которой согласно изобретению скважина дополнительно снабжена преобразователем напряжения/частоты 15 для управления скоростью ротора погружного электродвигателя 3 УЭЦН 2 и устьевым модулем (УМ) 16, имеющий подвижный патрубок 17 для отбора пробы из УМ и выкидной патрубок 18 для выброса СКЖ в магистральный трубопровод 19, а наземное оборудование имеет проточный экспресс-анализатор протонного магнитного резонанса (ПМРА) 20, включающий в своем составе магнит 21, в межполюсном пространстве которого проходит диэлектрическая трубка 22 с намотанной на нее катушкой 23 датчика ПМР, выход которой четвертьволновой (λ/4 = c/4ν=3⋅10/4⋅6⋅10, где с - скорость света, ν=6⋅10 МГц - резонансная частота ПМР-релаксометра ПМРА) кабелем 24, соединен с усилителем мощности 25 радиочастотных импульсов (передатчиком) и усилителем полезных сигналов ПМР (приемником) 26 релаксометра 27, через модуль 10 передающим информацию о МАКСИС-ПМРА на диспетчерский пульт 28 контроля и управления нефтепромыслом.
МАЦИС 1 функционирует следующим образом: центробежный насос 2 с погружным электродвигателем 3 откачивает скважинную жидкость вязкой нефти, у которой снижена вязкость после ее прогрева погружной греющей кабельной линией 4, высокочастотным генератором 6 посредством передачи энергии от индуктора 7 в затрубное пространство; в станции наземного оборудования 8, включающей управляющее устройство 9, соединенное через входы и выходы с наземным и погружным оборудованием с возможностью управления ПЭД через модуль управления 10 УЭЦН+ПЭД, насосом-дозатором 11, контролем манометром 12, уровнемером 13 расходомером 14 осуществляется подача реагента с возможностью передачи данных о расходе реагента на управляющее устройство, в которой согласно изобретению скважина дополнительно снабжена преобразователем напряжения/частоты 15 для управления в зависимости от параметров скважины и ФХП СКЖ скоростью ротора погружного электродвигателя 3 УЭЦН 2. В устьевом модуле 16 подвижный патрубок 17 осуществляет отбор пробы в любом сечении УМ, посредством выкидных патрубков 18 часть СКЖ выталкивается в магистральный трубопровод 19, а часть пробы через подвижный патрубок 17 поступает в проточный экспресс-анализатор протонного магнитного резонанса (ПМРА) 20, а именно в диэлектрическую трубку 22 с намотанной на нее катушкой 23 в межполюсном пространстве магнита 21 датчика ПМР, сигнал ПМР с которой через четвертьволновой кабель 24 подается в усилитель полезных сигналов ПМР (приемник) 26 релаксометра 27 и далее через модуль 10 информация о параметрах МАЦИС и о физико-химических параметрах СКЖ по ГОСТ Р 8.615-2005 ГСИ передается на диспетчерский пульт 28 контроля и управления нефтепромыслом.
Выполненные модельные эксперименты на стенде и моделирование процесса управления дебитом скважины показали пригодность системы МАЦИС-ПМРА для решения задач оптимизации работы интеллектуальной скважины.