СПОСОБ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ШТОКА В СИСТЕМЕ ОТКАЧКИ ФЛЮИДА ИЗ СКВАЖИНЫ

1. Способ определения оптимальной переменной угловой скорости Ω первичного двигателя блока откачки, снабженного насосной штангой, соединенной с погружным насосом для откачки насосом флюида из скважины, причем указанная оптимальная угловая скорость варьирует в течение периода единичного цикла откачки так, что производительность скважины становится максимальной, при поддержании заданных предельных допустимых напряжений в насосной штанге и предельно допустимых скорости двигателя, вращающего момента и потребления энергии, причем указанный способ включает в себя следующие операции:
(i) использование конечного числа параметров р для отображения угловой скорости Ω[p] двигателя в виде функции одной из переменных, выбранной из группы переменных, в которую входят положение s полированного штока, положение кривошипа (только для станков-качалок с балансирным уравновешиванием), или время t, соответственно, Ω[p](s), Ω[p](α) или Ω[p(t), для каждого одиночного полного цикла откачки;
(ii) создание динамической модели полной системы откачки, в том числе как поверхностного оборудования, включающего в себя качалку упрощенного типа с двигателем и полированным штоком, так и скважинного оборудования, включающего в себя насосную штангу с погружным насосом, для расчета вращающего момента двигателя, напряжений в указанной насосной штанге и выходного дебита скважины, в ответ на заданную угловую скорость Ω[p] двигателя, причем указанный выходной дебит V(Ω) скважины определен как объем Vol(Ω), откачиваемый насосом в течение периода T(Ω) одного цикла, то есть V(Ω)=Vol(Ω)/T(Ω); и
(iii) определение параметров р при помощи математического алгоритма для решения проблем нелинейной оптимизации, при которых угловая скорость Ω[p] двигателя максимально повышает дебит V(Ω) скважины, при удовлетворении следующих ограничений:
(a) минимальные и максимальные напряжения насосной штанги в течение указанного полного единичного цикла, полученные за счет налагаемой скорости Ω двигателя, не превышают заданных предельных значений;
(b) вращающий момент двигателя, необходимый для создания скорости Ω двигателя, не превышает заданного предельного значения в течение указанного цикла;
(c) угловая скорость Ω двигателя одинакова в начале и конце цикла откачки;
(d) угловая скорость Ω двигателя не превышает заданного предельного значения в течение цикла откачки; и
(e) энергия потребления двигателя, поделенная на объем откачиваемого флюида, рассчитанная с использованием вращающего момента двигателя и угловой скорости в течение цикла откачки, не превышает заданного предельного значения.
2. Способ по п.1, в котором угловую скорость Ω двигателя отображают в виде ряда Фурье, причем указанную переменную угловую скорость определяют из оптимального набора коэффициентов Фурье.
3. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя следующие операции:
(i) отображение угловой скорости Ω двигателя в виде ряда Фурье для положения полированного штока s, чтобы удовлетворять ограничению 1.(iii)(с):
1
N
1
N
0
где вектор p=[β, γ,…,γ, λ,…,λ] содержит коэффициенты Фурье, Ω представляет собой типичную рабочую постоянную скорость данной качалки упрощенного
0
типа, a s обозначает удвоенную длину хода полированного штока;
(ii) создание математической модели для расчета перемещений, сил и напряжений в насосной штанге и полированном штоке в течение цикла откачки, которые будут возникать при движении полированного штока, вызванном приложенной заданной переменной угловой скоростью Ω двигателя;
(iii) создание математической модели для расчета вращающего момента двигателя, который требуется для создания заданной переменной угловой скорости Ω двигателя, причем в указанной модели используют силу полированного штока, рассчитанную в модели 3.(ii), и силу тяжести и силы инерции, воздействующие на все компоненты качалки упрощенного типа, которые определяются ее геометрией и распределением масс;
(iv) создание математической формулы для расчета потребления энергии двигателем, на основании вращающего момента и угловой скорости двигателя;
(v) создание математической формулы для расчета выходного дебита V(Ω) скважины на основании отношения длины хода погружного насоса к периоду хода T(Ω); и
1
N
1
N
(vi) создание математического алгоритма для определения оптимального распределения мгновенной угловой скорости двигателя в течение каждого единичного цикла откачки, за счет нахождения оптимального набора p=[β, γ,…,γ, λ,…,λ] коэффициентов Фурье, так, что объем V(Ω[p]) откачки становится максимальным, при удовлетворении ограничений 1.(iii)(a)-(e); причем указанный алгоритм содержит следующие операции:
0
(a) выбор начального вектора р коэффициентов Фурье и векторов Δpi их приращений для каждого параметра i=1,…2N+1;
(b) использование анализа с прогнозированием, который включает в себя математические модели, описанные в (ii)-(v), для расчета дебита V[p], потребляемой энергии Р[р], вращающего момента M[p](s) двигателя и распределения σ[p](x, t) напряжений в насосной штанге в течение всего цикла, в ответ на угловую скорость Ω[p] двигателя, определенную из приведенного выше уравнения 'О' в следующих точках
0
0
р=р и р=р+Δpi (i=1,…2N+1)
(c) расчет частных производных функций V[p], M[p](s), σ[p](x, t) и Р[р] по отношению к параметрам pi (i=1,…2N+1), с использованием метода конечных разностей и инкрементных значений, вычисленных выше в 3.(vi)(b);
(d) использование расширения Тейлора первого порядка и частных производных, вычисленных выше в (с), чтобы получить линеаризованные функции V[p], M[p](s), ), σ[p](x, t) и Т[р] по отношению к небольшим изменениям δpi параметров pi;
(e) линеаризация проблемы оптимизации по отношению к δpi за счет использования указанных линейных функций из 3.(vi)(d), при ограничениях, приведенных в п.1.(iii)(a)-(e), а также в функции V[p] оптимизации;
(f) использование метода линейного программирования для нахождения δpi, которое является решением проблемы линейной оптимизации, определенной в 3.(vi)(e), а именно, которое позволяет максимально повысить дебит скважины, однако удовлетворяет линейным ограничениям относительно вращающего момента и скорости двигателя, напряжений в насосной штанге и потребляемой мощности;
0
0
(g) замена начального вектора р на р+δр и повтор операций 3.(vi)(b)-(f) до тех пор, пока δр не станет меньше выбранного предельного значения;
и
(h) преобразование функции Ω[p](s) в функцию времени или положения кривошипа.
4. Способ по п.1, в котором оптимальную переменную скорость первичного двигателя определяют так, что становится минимальным один из следующих индикаторов эффективности: потребление энергии первичным двигателем на объем откаченного флюида, максимальный вращающий момент двигателя или диапазон напряжений во всех сегментах насосной штанги, при поддержании этих индикаторов в заданных пределах, а откачиваемый насосом объем добычи достигает заданного значения.
5. Способ определения оптимальной скорости U полированного штока, соединенного при помощи насосной штанги с погружным насосом для откачки флюида из скважины, причем указанная оптимальная скорость изменяется в течение периода каждого одиночного цикла откачки так, что дебит скважины становится максимальным, при поддержании заданных предельных значений скорости полированного штока, напряжений в насосной штанге и энергии, необходимой для создания указанной скорости полированного штока, который включает в себя следующие операции:
(i) использование конечного числа параметров р для отображения скорости полированного штока U[p] в виде функции U[p](s) положения полированного штока s или функции U[p](t) времени t, для полного цикла откачки;
(ii) создание динамической модели скважинного оборудования (насосной штанги с погружным насосом) для расчета напряжений в указанной насосной штанге и дебита скважины в ответ на заданную скорость полированного штока U[p], причем указанный дебит V(U) скважины определяют как объем Vol(U), откачиваемый в течение периода T(U) одного цикла, то есть V(U)=Vol(Ω)/T(Ω); и
(iii) определение параметров р, при помощи математического алгоритма для решения проблем нелинейной оптимизации, при которых скорость U[p] полированного штока во время указанного цикла откачки будет максимально увеличивать дебит V(U) скважины, однако при удовлетворении следующих ограничений:
(a) минимальные и максимальные напряжения насосной штанги в течение указанного полного единичного цикла, полученные за счет налагаемой скорости U полированного штока, не превышают заданных предельных значений;
(b) скорость U полированного штока равна нулю в самом верхнем и самом нижнем положениях полированного штока;
(c) скорость U полированного штока не превышает заданного предельного значения в течение полного цикла откачки;
(d) энергия, необходимая для создания движения указанного полированного штока в течение периода одного цикла откачки, поделенная на объем откаченного флюида, не превышает заданное предельное значение.
0
0
0
0
6. Способ по п.5, в котором для удовлетворения ограничения 5.(iii)(b) скорость U полированного штока выражают в виде ряда Фурье положения s полированного штока, определяемых отдельно для хода вверх s∈(0, s/2) и хода вниз s∈(s/2, s) части движения (s представляет собой длину двойного хода полированного штока):
0
for s∈(0, s/2)
0
0
for s∈(s/2, s)
и в котором указанную оптимальную переменную скорость полированного штока в течение единственного цикла откачки определяют из оптимального набора коэффициентов Фурье .
7. Способ по п.5, в котором оптимальную переменную скорость полированного штока определяют так, что диапазон напряжений во всех сегментах насосной штанги будет минимальным, в то время как откачиваемый объем и энергия, необходимая для создания движения указанного полированного штока в течение периода одного цикла Т откачки, достигают заранее выбранных значений.
8. Способ по п.5, в котором оптимальную переменную скорость полированного штока определяют так, что отношение энергии, необходимой для создания движения указанного полированного штока в течение периода одного цикла откачки, к объему откачиваемого флюида будет минимальным, в то время как откачиваемый объем и диапазон напряжений во всех сегментах насосной штанги достигают заранее выбранных значений.
9. Способ повышения точности расчета оптимальной угловой скорости первичного двигателя по п.1 или оптимальной скорости полированного штока по п.5, в котором измерения, полученные в реальной системе откачки, используют для улучшения параметров системы в математической модели, использованной при оптимизации способа, который включает в себя следующие операции:
(i) измерение физических режимов указанной системы откачки во время работы, а именно, измерение нагрузки и положения указанного полированного штока, вращающего момента двигателя, потребления энергии, давления в лифтовой колонне и в обсадной колонне и дебита скважины;
(ii) сравнение результатов модели системы откачки и измеренных физических режимов для проверки и подстройки параметров модели системы откачки;
(iii) расчет новой оптимальной угловой скорости Ω двигателя или новой оптимальной скорости U полированного штока, на основании модели системы откачки с подстроенными системными параметрами.
10. Способ по п.5, в котором переменную оптимальную угловую скорость первичного двигателя Ω рассчитывают из оптимальной скорости U полированного штока с использованием геометрии качалки упрощенного типа.
11. Система регулирования скорости откачки в системе качалки упрощенного типа, которая включает в себя:
(i) первичный электродвигатель для управления движением качалки упрощенного типа;
(ii) контроллер привода с регулируемой скоростью (VFD) для динамического управления мгновенной угловой скоростью первичного двигателя в полном цикле откачки;
(iii) скважинные компоненты откачки, содержащие насосную штангу для передачи движения качалки упрощенного типа к погружному насосу;
(iv) средства измерения для контроля рабочих режимов;
(v) местный блок управления, позволяющий передавать мгновенную скорость первичного двигателя на VFD и получать мгновенную скорость и вращающий момент первичного двигателя от VFD; причем указанный блок содержит программу, которая содержит модель системы откачки и различные средства принятия решения, для анализа переданной информации, оценки характеристик блока откачки и скважинных компонентов и определения оптимальной скорости первичного двигателя по п.1 или по п.10, которые применяют для управления скоростью первичного двигателя с заданными временными промежутками в полном цикле откачки.
12. Система регулирования скорости откачки в системе качалки упрощенного типа, которая включает в себя:
(i) первичный электродвигатель для управления движением качалки упрощенного типа;
(ii) контроллер привода с регулируемой скоростью (VFD) для динамического управления мгновенной угловой скоростью первичного двигателя в полном цикле откачки;
(iii) скважинные компоненты откачки, содержащие насосную штангу для передачи движения качалки упрощенного типа к погружному насосу;
(iv) средства измерения для контроля рабочих режимов;
(v) местный блок управления, позволяющий передавать мгновенную скорость первичного двигателя на VFD и получать мгновенную скорость и вращающий момент первичного двигателя от VFD;
(vi) средства передачи сигнала, предназначенные для передачи информации в истинном масштабе времени от местного блока управления на удаленную вычислительную станцию;
(vii) причем указанная удаленная вычислительная станция снабжена программным обеспечением, которое содержит модель системы откачки и различные средства принятия решения, для анализа переданной информации, оценки характеристик блока откачки и скважинных компонентов и определения оптимальной скорости первичного двигателя по п.1 или по п.10, которые применяют для управления скоростью первичного двигателя с заданными временными промежутками в полном цикле откачки;
(viii) средства передачи оптимальной скорости первичного двигателя и новых рабочих параметров от удаленной вычислительной станции на местный блок управления, для управления скоростью первичного двигателя.
13. Система по п.11 или 12, в которой оптимальную скорость первичного двигателя прикладывают при заданных положениях полированного штока.
14. Система по п.11 или 12, в которой оптимальную скорость первичного двигателя прикладывают при заданных положениях кривошипа.
15. Система по п.11, (iv) или 12, (iv), в которой средства измерения используют для измерения нагрузки полированного штока, положения полированного штока, давления в лифтовой колонне и давления в обсадной колонне
16. Система по п.11 или 12, в которой VFD содержит динамический тормозной резистор или регенеративный модуль.
17. Способ по п.1 или 10, в котором первичным двигателем является электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания, причем переменную скорость системы откачки задают при помощи управления мгновенным передаточным отношением.
18. Способ по п.5, в котором скоростью полированного штока управляют при помощи системы откачки с гидравлическим управлением, причем задают новые рабочие параметры системы откачки за счет управления давлением и расходом в системе управления системой откачки, чтобы управлять скоростью полированного штока в соответствии с расчетным оптимальным перемещением.