Система и способ управления разработкой месторождения с использованием электрических погружных насосов в качестве виртуальных датчиков
SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING DEVELOPMENT OF DEPOSIT USING ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMPS AS VIRTUAL SENSORS

Область техники
Настоящее изобретение относится, в общем, к области систем сбора и обработки данных, а именно, к способу и системе для контроля состояния месторождения и состояния нефтепромыслового оборудования, развернутого на месторождении.
Предпосылки создания изобретения
Погружные электрические насосные системы часто устанавливают в скважинах для подъема нефтесодержащего флюида из подземных месторождений. Как правило, погружная насосная система содержит несколько различных компонентов, включая один или более электрических двигателей, подключенных к одному или более насосным узлам. Погружные электрические насосные системы на существующем уровне техники развертывают в множестве различных сред с различными условиями эксплуатации.
В прошлом оперативное и точное отслеживание изменений условий внутри месторождения было очень сложной задачей. После начала разработки операторы месторождений, в качестве индикатора состояния месторождения, следили в основном за объемом добычи нефтепродуктов из месторождения. Существующие подходы зачастую не позволяют выявлять незначительные изменения в состоянии месторождения. При этом невыявленные изменения в состоянии месторождения могут вести к снижению эффективности работы и к повреждению погружных электрических насосных систем.
Высокая стоимость ремонта и замены компонентов погружных электрических насосных систем обуславливает необходимость применения высоконадежных компонентов, способных выдерживать неблагоприятные условия внутри скважины. Информация об отказах компонентов за прошедшие периоды времени может использоваться для усовершенствования конструкции компонентов, а также для формирования рекомендаций по практике эксплуатации. Информация об интенсивности отказов дает изготовителям возможность формировать рекомендации по эксплуатационным нормативам и по практике применения внутрискважинных компонентов. Зачастую изготовители включают в состав погружных электрических насосных систем датчики, позволяющие сравнивать, исходя из информации об интенсивности отказов в прошлом, измеренные показатели качества работы и показатели экологичности с рядом заранее заданных величин. В случае выхода измеряемых величин из заданного диапазона может применяться сигнализация, указывающая на то, что для снижения риска повреждения погружной электрической насосной системы должны быть изменены рабочие условия. Такой подход в большинстве случаев эффективен для определения неисправностей в отдельных насосных системах, когда измеряемая величина выходит из заданного диапазона, однако необходимы более совершенные системы для оценки технической исправности погружных электрических насосных систем, распределенных по большой площади и развертываемых для различных применений. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, представленные в настоящем документе, имеют целью исправить указанные, а также другие недостатки, свойственные существующему уровню техники.
Сущность изобретения
[005] В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения предложенная система включает одну или более погружных электрических насосных систем, развернутых внутри месторождения, и компьютерную систему, которая принимает данные от одной или более погружных электрических насосных систем. При помощи компьютеризованного статистического моделирования система выдает прогноз о том, изменилось ли состояние отдельных погружных электрических насосных систем и месторождения. В этом смысле погружные электрические насосные системы выступают в роли «виртуальных датчиков», предоставляющих эксплуатационные данные в статистические модели, которые могут затем использоваться для прогнозирования состояния отдельных погружных электрических насосных систем и состояния месторождения.
[006] В одном из аспектов предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения включают способ прогнозирования изменений в погружной электрической насосной системе, развернутой внутри месторождения. Способ начинается с шага создания опорной библиотеки базовых данных. Базовые данные являются представлением погружных электрических насосных систем в гарантировано рабочем состоянии для множества различных условий внутри месторождения. Выполнение способа продолжается шагом, на котором разрабатывают модель состояния месторождения, которая основана, по меньшей мере частично, на упомянутых базовых данных. Затем процедура включает шаг, на котором разрабатывают модель аномалий погружной электрической насосной системы, основанную, по меньшей мере частично, на упомянутых базовых данных. Выполнение способа продолжается шагом, на котором принимают эксплуатационные данные от погружной электрической насосной системы, развернутой внутри скважины, и применяют эти эксплуатационные данные к модели состояния месторождения и модели аномалий погружной электрической насосной системы. Способ завершается формированием выходных данных, которые представляют вероятность того, что состояние месторождения изменилось.
[007] В еще одном из аспектов предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения включают компьютеризованный способ прогнозирования изменений в подземном месторождении. Способ включает шаги создания опорной библиотеки базовых данных, создания статистической модели состояния месторождения в компьютере, по меньшей мере частично на основе библиотеки базовых данных и получения промысловых данных от одной или более погружных электрических насосных систем, развернутых в подземном месторождении. Выполнение способа продолжается шагами применения промысловых данных к статистической модели состояния месторождения для определения результата в форме наиболее вероятного состояния месторождения, сравнения результата в форме наиболее вероятного состояния месторождения с библиотекой базовых данных и формирования выходных данных, которые выражают вероятность того, что состояние месторождения изменилось.
[008] В одном из аспектов предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения включают способ прогнозирования изменений в погружных электрических насосных системах, развернутых в подземном месторождении. Способ начинается шагом создания опорной библиотеки базовых данных, при этом базовые данные собирают при помощи функционирования одной или более погружных электрических насосных систем с известным состоянием в одной или более испытательных скважин в управляемых условиях. Выполнение способа продолжается шагами создания статистической модели аномалий погружной электрической насосной системы в компьютере, по меньшей мере частично на основе опорной библиотеки, получения промысловых данных от одной или более погружных электрических насосных систем, развернутых в подземном месторождении, и применения промысловых данных к статистической модели аномалий погружной электрической насосной системы. Способ завершается шагом формирования выходных данных, которые выражают вероятность того, что одна или более погружных электрических насосных систем функционируют в аномальном состоянии.
Краткое описание чертежей
[009] Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию погружной электрической насосной системы, сконструированной в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
[010] Фиг. 2 представляет собой функциональную блок-схему локального блока управления погружной электрической насосной системы по фиг. 1.
[011] Фиг. 3 представляет собой функциональную блок-схему последовательности погружных электрических насосных систем, соединенных сетью с главным центром обработки данных.
[012] Фиг. 4 представляет собой блок-схему последовательности операций для предпочтительного способа применения погружных электрических насосных систем в качестве виртуальных датчиков.
[013] Фиг. 5 представляет собой блок-схему последовательности операций для предпочтительного способа создания библиотеки базовых данных.
[014] Фиг. 6 представляет собой блок-схему последовательности операций для предпочтительного способа разработки модели состояния месторождения.
[015] Фиг. 7 представляет собой блок-схему последовательности операций для предпочтительного способа разработки модели аномалий погружной электрической насосной системы.
[016] Фиг. 8 представляет собой блок-схему последовательности операций для внедрения модели состояния месторождения и модели аномалий погружной электрической насосной системы в реальных условиях.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
[017] В общем, предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения имеют целью создание усовершенствованной системы и методологии для применения данных измерений из погружных электрических насосных систем с целью контроля технической исправности отдельных погружных электрических насосных систем, а также контроля изменений в месторождениях, где установлены эти погружные электрические насосные системы. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения являются усовершенствованием по сравнению с существующим уровнем техники по ряду причин, включая тот факт, что предложенные системы и способы позволяют одновременно контролировать и прогнозировать изменения в состоянии месторождения и условия в отдельных погружных электрических насосных системах. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения включают измерение параметров функционирования и состояния компонентов в отдельных погружных электрических насосных системах, накопление этих измерений для множества различных погружных электрических насосных систем, выполнение статистического анализа на основе накопленных измерений и получение одного или более наборов выходных данных на основе группового статистического анализа. В настоящем документе под «индексом исправности» понимают информацию о состоянии компонентов погружной электрической насосной системы, выраженную в некоторой форме, при этом состояние определяют путем оценки данных, формируемых датчиками внутри конкретной погружной электрической насосной системы.
[018] В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения на фиг. 1 показан вид, в вертикальном разрезе, погружной насосной системы 100, соединенной с подъемной колонной 102. Насосная система 100 и подъемная колонна 102 размещены в стволе 104 скважины, пробуренной с целью подъема флюида, например, воды или нефтепродуктов. Подъемная колонна 102 соединяет насосную систему 100 со стволом 106 скважины и расположенным далее по потоку наземным оборудованием (не показано на чертеже). Основное назначение насосной системы 100 - перекачка нефтепродуктов, однако нужно понимать, что настоящее изобретение может применяться для перемещения любых других текучих сред. Нужно также понимать, что изображение ствола 104 скважины является исключительно иллюстративным, и что предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения могут также применяться в стволах скважин отличающейся глубины и конфигурации.
[019] Насосная система 100, предпочтительно, включает некоторую комбинацию из насосного узла 108, силового узла 110, гидрозащиты 112 и массива 114 датчиков. Насосный узел 108, предпочтительно, сконфигурирован в виде многоступенчатого центробежного насоса, который приводится в движение силовым узлом 110. Силовой узел 110, предпочтительно, сконфигурирован в виде трехфазного электродвигателя, который вращает выходной вал в ответ на подачу электрического тока заданной частоты. В наиболее предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения силовой узел 110 приводится в движение при помощи частотно-регулируемого преобразователя 116, расположенного на поверхности. Электрическую энергию из частотно-регулируемого преобразователя 116 в силовой узел передают по кабелю электропитания.
[020] Гидрозащита 112 предохраняет силовой узел 110 от механических толчков, создаваемых насосным узлом 108 и обеспечивает циркуляцию двигательной смазки при работе узла. На чертежах все компоненты показаны в одном экземпляре, однако нужно понимать, что в соответствующих случаях может быть подключено большее количество компонентов. Например, во многих применениях предпочтительно применение тандемных комбинаций из двигателей, нескольких гидрозащит и нескольких насосных узлов. Нужно также понимать, что насосная система 100 может включать и другие компоненты, такие как кожухи и газоотделители, которые не являются принципиальными для настоящего описания.
[021] Насосная система 100 включает, предпочтительно, локальный блок 118 управления, подключенный к частотно-регулируемому преобразователю 116. Обратимся к фиг. 2, на которой представлена функциональная схема локального блока 118 управления. Локальный блок 118 управления, предпочтительно, включает запоминающее устройство 120, центральный процессорный блок 122, интерфейс 124 управляющих элементов и модуль 126 связи. Локальный блок 118 управления, опционально, включает графический дисплей 128 и пользовательское устройство 130 ввода. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения локальный блок 118 управления включает один или более компьютеров и соответствующие периферийные устройства, размещенные в защищенном от воздействия окружающей среды корпусе или помещении.
[022] Интерфейс 124 управляющих элементов сконфигурирован для связи с частотно-регулируемым преобразователем 116 и, непосредственно или через промежуточные элементы, с массивом 114 датчиков. Интерфейс 124 управляющих элементов принимает измерения из скважины 104 и от различных датчиков в погружной электрической насосной системе 100. Интерфейс 124 управляющих элементов выдает сигналы управления в частотно-управляемый преобразователь 116 и другие управляемые элементы в составе погружной электрической насосной системы 100.
[023] Центральный процессорный блок используют для исполнения компьютерных программ и для обработки данных. Компьютерные программы, необработанные и обработанные данные могут храниться в запоминающем устройстве 120. А именно, в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения центральный процессорный блок 122 сконфигурирован для определения индексов исправности и других метрик производительности насосной системы 100. Пользовательское устройство 130 ввода может включать клавиатуры или другие периферийные устройства и может применяться для ручного ввода информации в локальный блок 118 управления. Модуль 126 связи сконфигурирован для передачи и приема данных. Модуль 126 связи может быть сконфигурирован для беспроводной, проводной и/или спутниковой связи.
[024] В соответствии с иллюстрацией фиг. 3, множество погружных электрических насосных систем 100 могут быть установлены в одном месторождении 136. Модуль 126 связи обеспечивает подключение локального блока 118 управления и погружной электрической насосной системы 100 сети 132. Сеть 132 может включать многоузловую систему, в которых отдельные погружные электрические насосные системы 100 внутри скважины могут выступать в качестве ретранслирующих или терминальных узлов сети 132. При помощи проводного или беспроводного соединения каждая из погружных электрических насосных систем 100 способна осуществлять двунаправленную связь по сети с одним или более главных центров обработки данных. Нужно понимать, что предпочтительный вариант осуществления сети 132 охватывает широкий диапазон возможных конфигураций.
[025] Обратимся к фиг. 4, которая представляет собой блок-схему последовательности операций для предпочтительного способа 200 применения погружных электрических насосных систем 100 в качестве виртуальных датчиков. В настоящем документе выражение «виртуальный датчик» следует понимать как относящееся к использованию, при анализе и прогнозировании, данных, формируемых одной или более погружными электрическими насосными системами 100 для оценки меняющихся условий внутри погружной электрической насосной системы 100 или внутри месторождения, или залежи. Нужно понимать, что способ 200 основан на создании и применении аналитических моделей, которые, предпочтительно, автоматизированы в форме компьютерного программного обеспечения, размещенного и функционирующего в одной или более компьютерных системах 138, расположенных в главном центре 134 обработки данных, в месторождении 136 или одновременно в главном центре 134 обработки данных и месторождении 136. Программные модели, компьютерные системы 138 и погружные электрические насосные системы 100 вместе образуют сеть 140 виртуальных датчиков (см. фиг. 3), сконфигурированную для контроля состояния погружных электрических насосных систем 100 и месторождения 136.
[026] Способ 200, предпочтительно, включает четыре этапа: разработку опорной библиотеки базовых данных на этапе 202, разработку модели состояния месторождения на этапе 204, разработку модели аномалий погружной электрической насосной системы на этапе 206 и применение модели состояния месторождения и модели аномалий погружной электрической насосной системы в полевых условиях на этапе 208. Предпочтительные варианты осуществления шагов на каждом из рассмотренных этапов проиллюстрированы на фиг. 5-8.
[027] Обратимся к фиг. 5, на которой проиллюстрирован предпочтительный варианты осуществления этапа 202 для создания опорной библиотеки базовых или «истинных» данных. Опорную библиотеку базовых данных создают для использования в качестве опорного уровня, полученного при управляемых условиях. Данный этап начинается на шаге 210, на котором одна или более погружных электрических насосных систем 100 функционируют в некотором диапазоне заранее заданных условий внутри месторождения. В наиболее предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения упомянутый заранее заданный диапазон условий внутри резервуара включает, без ограничения перечисленным, давление скважинного флюида, вязкость флюида, газосодержание нефти, водосодержание нефти, долю твердых загрязняющих примесей, уровни радиации, измеренные в качестве переменных параметров управления.
[028] На шаге 212 соответствующие временные последовательности параметров, измеренные с высокой частотой, для погружных электрических насосных систем 100, проходящих испытание, измеряют и сохраняют для каждой конфигурации испытаний. Измеренные параметры включают, без ограничения перечисленным, давление флюида в статическом состоянии, давление флюида в текущем состоянии, трехфазный ток, трехфазное напряжение, вибрацию, частоту вращения и фазовый угол. Измеренные и сохраненные параметры называют «индексами исправности» погружной электрической насосной системы, которые могут быть представлены в виде функции переменных месторождения. «Индексы исправности», полученные в результате испытаний, которые были проведены для исправных погружных электрических насосных систем, позволяют сформировать библиотеку опорных данных для заданного диапазона условий внутри месторождения. Данные из опорной библиотеки могут служить основной для разработки модели состояния месторождения на этапе 204 и модели аномалий погружной электрической насосной системы на этапе 206.
[029] Рассмотрим фиг. 6, на которой показан предпочтительный варианты осуществления этапа 204 разработки модели состояния месторождения. На шаге 214 на основе индексов исправности, полученных на шаге 202, вычисляют множество различных статистических показателей. Эти вычисления могут включать показатели во временной области и в частотной области. В наиболее предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения анализ во временной области может включать вычисление средних значений, среднеквадратических отклонений, асимметрии, крутости, среднеквадратической величины, перцентили для коэффициента формы, а также совместные параметрические и непараметрические распределения. В наиболее предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения анализ в частотной области может включать применение преобразований Фурье, спектральной плотности мощности, первых четырех моментов спектральной плотности и вейвлетных коэффициентов. Нужно понимать, что для получения показателей в частотной области и временной области могут также выполняться любые другие статистические вычисления.
[030] На шаге 216 показатели, вычисленные на шаге 214, сопоставляют с соответствующими состояниями месторождения, полученными на этапе 202 формирования опорной библиотеки, или, иными словами, «отображают» на них. В наиболее предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения упомянутые показатели отображают на соответствующие состояния месторождения с использованием набора алгоритмов машинного обучения. Подходящие алгоритмы машинного обучения включают, без ограничения перечисленным, комбинацию из моделей «случайного леса», методов опорных векторов и классификаторов по методу логистической регрессии. Отображение показателей на соответствующие состояния месторождения позволяют получить модели состояния месторождения для всего диапазона условий внутри месторождения.
[031] Этап 204 разработки модели состояния месторождения, опционально, включает шаг выявления и классификации критических показателей. Критическими называют те показатели, которые наиболее сильно связаны с изменениями состояния месторождения 136. В наиболее предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения критические показатели выявляют с использованием графиков важности переменных, основанных на коэффициентах Джини. Графики важности переменных позволяют отлеживать критические показатели, содержащие наиболее ценную диагностическую информацию для каждого состояния.
[032] Способ 200 использования погружной электрической насосной системы в качества виртуальных датчиков продолжают выполнять на этапе 206, разрабатывая модель аномалий погружной электрической насосной системы. Обратимся к фиг. 7, на которой показаны предпочтительные шаги на стадии 206 разработки модели аномалий погружной электрической насосной системы. Данный этап начинается на шаге 218 получением индексов исправности, найденных на этапе 202. На шаге 220 многопараметровые смешанные распределения «обучают» с использованием индексов исправности, которые были получены для объединенных в пул данных, состоящих из наиболее вероятных или прогнозируемых состояний месторождения. В наиболее предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения упомянутые смешанные распределения могут быть получены при помощи смешанных алгоритмов на базе методов Гаусса, вычислены с использованием метода максимизации ожидания или с использованием непараметрических методов ядерной оценки плотности. Модели, полученные с использованием многопараметровых смешанных распределений, используют для определения, является ли какая-либо из погружных электрических насосных систем 100 неисправной, вышедшей из строя или иным образом аномальной.
[033] После формирования опорной библиотеки базовых данных, модели состояния месторождения и модели аномалий погружной электрической насосной системы, и интеграции их в компьютерные системы 138, сеть 140 виртуальных датчиков может быть приведена в действие. Этап 208 способа 200, на котором модели развертывают в полевых условиях, проиллюстрирован на фиг. 8. На шаге 222 компьютерные системы 138 из состава сети 140 виртуальных датчиков получают, непрерывно или периодически, от погружных электрических насосных систем 100 данные, являющиеся представлением условий в скважине 104 и внутри погружной электрической насосной системы 100.
[034] Затем, на шаге 224, эксплуатационные данные применяют в моделях состояния месторождения и модели аномалий погружной электрической насосной системы. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения данные применяют в моделях на периодической основе посредством серий испытаний. В наиболее предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения испытания начинают с применения смешанного распределения, полученного на шаге 220, для вычисления вероятности того, что вектор из данных датчиков является аномальным. В подобных предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения вывод об аномальном состоянии не будет сделан, пока вероятность того, что вектор из данных с датчиков является аномальным, не превысит заранее заданное пороговое значение. Во время следующего испытания эксплуатационные данные внутри вектора датчиков сравнивают с библиотекой известных состояний месторождения с использованием критериев подобия. В одном из наиболее предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения сравнение эксплуатационных данных с моделью состояния месторождения выполняют с использованием косинусной функции сходства или функции Парзена. При последнем испытании для определения наиболее вероятного состояния месторождения при помощи модели статистического ансамбля выполняют сравнительный анализ эксплуатационных данных. Нужно понимать, что на шаге 224 могут выполняться дополнительные испытания или может проводиться меньшее число испытаний.
[035] После завершения всех испытаний этап 208 развертывания моделей в полевых условиях продолжают шагом 226, на котором выполняют сравнение результатов испытаний с библиотекой базовых данных, с использованием таблицы истинности или логических правил для определения вероятности того, что: (1) состояние месторождения 136 изменилось; (2) погружная электрическая насосная система 100 стала неисправной или иным образом ее функционирование отклоняется от требуемого состояния; или (3) одновременно вышли из базового состояния как месторождение 136, так и погружная электрическая насосная система 100. Этап 208 развертывания моделей в полевых условиях завершается на шаге 228 выводом оператору прогноза о том, что в месторождении 136 или погружной электрической насосной системе 100 произошло изменение состояния. Этот прогноз может быть представлен оператору в любом подходящем формате, включает печатный отчет или отображаемые на компьютере графики и таблицы. Следует отметить, что прогноз о том, что произошла перемена состояния конкретной погружной электрической насосной системы 100, может предшествовать фактическому отказу погружной электрической насосной системы 100. Прогноз об изменении состояния отдельных погружных электрических насосных систем 100 и изменений в состоянии месторождения 136 может использоваться оператором для планирования профилактического технического обслуживания, изменения управляющих параметров погружных электрических насосных систем 100 и коррекции экономических прогнозов, базирующихся на состоянии месторождения 136.
[036] Итак, в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения предложена система 140 виртуальных датчиков, которая включает одну или более погружных электрических насосных систем 100, развернутых в месторождении 136, и компьютерную систему 138, которая принимает данные от одной или более погружных электрических насосных систем 100 и, при помощи компьютерного моделирования, выдает прогноз о том, изменилось ли состояние погружных электрических насосных систем 100 и месторождения 136. Способ формирования базовых моделей и использование данных датчиков из погружных электрических насосных систем 100 для прогнозирования фактических или будущих изменений состояния погружной электрической насосной системы 100 является значительным усовершенствованием по сравнению с методами, известными на существующем уровни техники, которые основаны лишь на аварийной сигнализации, которая срабатывает только после возникновения отказов. Применение вероятностных моделей, описанных в данном документе, дает также возможность прогнозировать изменения внутри месторождения 136.
[037] В приведенном выше описании были приведены множество различных характеристик и преимуществ различных вариантов осуществления настоящего изобретения, однако нужно понимать, что это описание, вместе с подробным описанием структуры и функций различных вариантов осуществления изобретения, являются исключительно иллюстративными, и соответственно, различные детали могут быть изменены. В особенности это касается структуры и взаимного расположения частей, описанных терминами, приведенными в формуле настоящего изобретения, которые следует трактовать в их широком и общеупотребительном значении. Специалисты в данной области техники должны понимать, что замысел настоящего изобретения, в пределах его сущности и объема, может быть применен и в других системах. К примеру, предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны в связи с погружными электрическими насосными системами, однако нужно понимать, что предложенные системы и способы, описанные в данном документе, могут быть в той же мере применимы для групп другого распределенного оборудования, находящегося в общей окружающей среде. Предложенные системы и способы, описанные в данном документе, могут применяться для контроля, оценки и оптимизации производительности парка транспортных средств, компрессоров природного газа, нефтеперерабатывающих установок и другого разнесенного в пространстве промышленного оборудования.