СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИНЫ ЭЛЕКТРОНАСОСОМ С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ
PROCEDURE FOR OPERATION OF WELL WITH ELECTRIC PUMP EQUIPPED WITH VARIABLE FREQUENCY DRIVE

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано при эксплуатации скважин, оборудованных электронасосами, в частности, для вывода скважин на стационарный режим погружными центробежными электронасосами с частотно-регулируемым приводом.
Из уровня техники известен способ эксплуатации скважин, заключающийся в периодической откачке жидкости насосом из скважины с последующим периодом накопления, при этом процессы накопления и откачки жидкости из продуктивного пласта осуществляются в условиях герметизации затрубного пространства (см. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. - М.: Недра, 1983, с.412-415).
Недостатками известного способа являются большие потери нефти по сравнению с режимом непрерывной эксплуатации, обусловленные, прежде всего, периодичностью эксплуатации скважины. Это связано с тем, что среднеинтегральная депрессия на пласт при периодической эксплуатации меньше депрессии при непрерывной эксплуатации, а приток жидкости из пласта искажен процессами накопления с остановками насоса, сопровождаемыми процессами слива жидкости в скважину через насос (см. патент РФ на изобретение №2193648 «Способ периодической эксплуатации малодебитных скважин глубинно-насосной установкой», дата подачи 2001.01.09, дата публикации 2002.11.27).
Кроме того, данный способ практически не пригоден для непрерывного вывода скважины на стационарный режим.
Известен способ эксплуатации скважинного насоса с частотно-регулируемым приводом, включающий периодическое повторение циклов, каждый из которых состоит из последовательно осуществляемых процессов запуска насоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения, подачи жидкости насосом в колонну подъемных труб при повышенной по сравнению с номинальным значением частоте и уменьшении подачи насоса путем снижения частоты питающего напряжения, причем в течение цикла контролируют текущее давление на выходе колонны подъемных труб, при этом в скважине, при достижении давлением на выходе колонны заданной величины подачу жидкости насосом уменьшают до нуля, после чего в каждом цикле насос отключают и осуществляют слив жидкости из колонны через насос. В процессе слива жидкости из колонны подъемных труб контролируют напряжение, создаваемое приводом, и последующий цикл начинают в момент уменьшения величины указанного напряжения до нуля (см. А.С. №1262026 «Способ эксплуатации скважинного насоса с частотно-регулируемым приводом», дата подачи 12.03.1985 г., дата публикации 07.10.1986 г.).
Недостатки данного способа связаны с ограничением притока жидкости из пласта в скважину в результате систематического слива жидкости из колонны подъемных труб, а увеличение частоты питающего напряжения после запуска насоса до заведомо завышенного уровня в сравнении с номинальным значением частоты препятствует выполнению вывода скважины на стационарный режим и дополнительно осложняет настройку режима эксплуатации скважины.
Известен способ эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, основанный на периодическом повторении циклов, включающий 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, при этом в фазе текущего цикла осуществляют модуляцию частоты напряжения питания электронасоса в области значений частоты, соответствующих изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновлении подачи.
Кроме того, в процессе притока модулируют частоту напряжения питания электронасоса с заданной периодичностью во времени и в заданном диапазоне отклонений от частоты при прекращении подачи насоса до максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу (см. патент РФ на изобретение №2119578 «Способ эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом», дата подачи 1997.06.19, опубликовано 1998.09.27).
Указанный способ позволяет предотвратить слив жидкости из колонны подъемных труб в скважину в процессе накоплений, выполняемых для согласования отбора жидкости из скважины насосом с притоком жидкости в скважину из пласта. Однако не предусматривает возможности компенсации неустойчивой подачи насоса при выполнении откачки, а также по прерыванию модуляции частоты и переводу насоса в стационарный режим. Кроме этого запуск насоса без дополнительных операций не позволяет избежать остановок насоса при срыве подачи на промежуточных частотах в процессе увеличения частоты питающего напряжения и, соответственно, реализовать требуемый технологический темп вывода скважины на режим.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, основанный на непрерывной работе насоса, включающий запуск насоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения с ускорениями при срыве подачи на промежуточных частотах с продолжением заданного темпа разгона от достигнутой частоты возобновления подачи до вывода насоса на заданную частоту стационарного режима и подачу жидкости насосом в стационарном режиме на заданной частоте, при этом для компенсации неустойчивой подачи и для поддержания баланса отбора жидкости из скважины с притоком жидкости из пласта периодически выполняют циклы с чередованием процесса откачки жидкости насосом и процесса накопления жидкости в скважине, причем откачку жидкости выполняют путем модуляции частоты в области значений, соответствующих параметрам поддержания подачи насоса, а после достижения заданной величины давления в колонне труб выполняют процесс накопления жидкости в скважине, для чего 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, при этом в фазе притока текущего цикла осуществляют модуляцию частоты напряжения питания электронасоса в области значений частоты, соответствующих изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновлении подачи, а после достижения в процессе притока предусмотренной величины давления на приеме насоса восстанавливают подачу насоса переводом насоса 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 стационарного режима переводят насос в стационарный режим (см. статью «Перевод скважин Приобского месторождения на адаптивную систему управления электроцентробежным насосом», журнал «Нефтяное хозяйство» №8, 2009 г., стр.68-70).
Характерной особенностью известного способа является предотвращение срыва подачи после запуска насоса ускорением разгона до возобновления подачи на повышенной частоте, с последующим продолжением разгона от достигнутой частоты возобновления подачи до вывода насоса на заданную частоту стационарного режима. При этом удается избежать остановок насоса, однако нарушается заданный технологический темп вывода скважины на режим, в результате чего создаются условия для увеличения выноса механических примесей с продукцией скважины и последующих осложнений эксплуатации скважины.
Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности процесса эксплуатации и вывода скважины на режим электронасосом с частотно-регулируемым приводом при непрерывной работе насоса и соблюдении заданного технологического темпа вывода скважины на режим, в том числе при срывах подачи в процессе вывода насоса до заданной частоты стационарного режима с целью уменьшения выноса механических примесей и предотвращения осложнений при эксплуатации скважины.
Указанный технический результат достигается тем, что способ эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, 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, соответствующем 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, согласно изобретения в случае срыва подачи жидкости насосом в процессе вывода его на заданную частоту стационарного режима в течение заданного времени в интервале значений параметров возобновления и прекращения подачи насоса осуществляют дополнительную модуляцию частоты восстановления подачи жидкости, которую выполняют до возобновления подачи насоса, при этом подачу проводят на частоте с заданным отклонением от достигнутой перед дополнительной модуляцией частотой срыва подачи, после чего продолжают вывод насоса на заданную частоту стационарного режима с заданным технологическим темпом вывода скважины на режим.
Кроме того, при частоте возобновления подачи жидкости, превышающей заданные отклонения от достигнутой перед дополнительной модуляцией текущей частоты, задают дополнительное замедление увеличения частоты, по меньшей мере, до очередного срыва подачи.
Дополнительная модуляция частоты в течение заданного времени в интервале значений параметров возобновления и прекращения подачи насоса на этапе вывода скважины на стационарный режим обеспечивает поддержание напора электронасоса, достаточного для выноса жидкости на поверхность, а также позволяет предотвратить его остановки без увеличения и интенсификации процесса отбора жидкости.
Обновление при модуляции частоты восстановления подачи в заданных ограничениях отклонений от предшествующей частоты срыва подачи компенсирует неустойчивую подачу насоса при осложнениях притока и делает возможным продолжение вывода насоса на заданную частоту стационарного режима в соответствии с заданным технологическим темпом вывода скважины на режим.
Превышение заданных отклонений частоты возобновления подачи после выполнения дополнительной модуляции компенсируют продолжением вывода электронасоса на частоту стационарного режима с дополнительным замедлением, по крайней мере, до очередного срыва подачи.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления способа эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где
Фиг.1 - схема скважины и погружной насосной установки с частотно-регулируемым приводом.
Установка содержит размещенные в колонне 1 эксплуатационных труб скважины электронасос 2, установленный на колонне 3 подъемных труб. Насос укомплектован приводным электродвигателем 4, токоподводящим электрокабелем 5 и датчиком давления 6. Установка снабжена преобразователем 7 частоты с управляющим устройством 8, датчиком 9 частоты питающего напряжения электронасоса и датчиком 10 мощности, потребляемой электронасосом.
н
н
c
c
Фиг.2 - график обобщенных характеристик Q(H) центробежного электронасоса и траектории управляемого режима при реализации способа с выделенными областями модуляции частоты питающего напряжения в безразмерных координатах на поле условной характеристики Q(H) скважины и фрагмент траектории режима по прототипу на этапе вывода насоса на частоту стационарного режима, где
c
c
Q(H) - условная характеристика серповидного вида скважины с осложненным притоком (см. Богданов А.А., Погружные центробежные электронасосы - М., Гостоптехиздат, 1959, с.72-77; Мищенко И.Т., Бравичева Т.Б., Ермалаев А.И. Выбор способа эксплуатации скважин нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами - М.: Нефть и газ, 2005. 448 с.);
н
н
n
макс
сm
n
1р
2р
3р
сm
макс
f
f
f
f
f
f
f
f
f
Q(H) - обобщенные характеристики центробежного электронасоса в диапазоне от пусковой частоты  до максимальной  с частотой , стационарного режима и промежуточными частотами (<<<<<);
н
н
н
R - рабочая область Q(H) характеристик насоса;
→ - траектория управляемого режима;
f
сm
M1 - область модуляции частоты в процессе вывода насоса на частоту ,
М2 - область модуляции частоты в процессе откачки;
М3 - область модуляции частоты в процессе накопления;
f
cm
-----> - траектория вывода насоса на частоту  по прототипу;
V - участок ускорения частоты до возобновления подачи по прототипу.
Заявляемое изобретение подтверждается примерами конкретного выполнения.
В качестве примера реализации изобретения ниже приведен вариант эксплуатации скважины после ее длительной остановки, например ремонт скважины, смена насоса и т.д.
f
n
Из этого состояния способ эксплуатации скважины осуществляют следующим образом. С помощью преобразователя частоты и управляющего устройства включают или разгоняют электронасос до пусковой частоты  (фиг.2), устанавливаемой, как правило, соответствующим технологическим регламентом и равной 35-40 Гц (см. Технологический регламент по запуску, выводу на режим и эксплуатации скважин, оборудованных УЭЦН. ОАО «Юганскнефтегаз». №16-ЮН-С01-16. Версия 1.4. г. Нефтеюганск, 2005). После этого изменяют частоту питающего напряжения с заданным технологическим темпом. Например, по регламенту вывода скважины на стационарный режим после гидравлического разрыва пласта оптимальный (нормальный) темп разгона задают соотношением изменения частоты, равным 0,1 Гц за 3600 сек (2 Гц/в сутки) (см. Технологический регламент по запуску, выводу на режим и эксплуатации скважин, оборудованных УЭЦН. ОАО «Юганскнефтегаз». №16-ЮН-С01-16. Версия 1.4. г.Нефтеюганск, 2005).
f
сm
До завершения процесса вывода насоса на заданную частоту  стационарного режима возможны срывы подачи жидкости, происходящие на промежуточных, текущих частотах. В этом случае в процессе вывода насоса на заданную частоту стационарного режима на текущей частоте срыва выполняют дополнительную модуляцию частоты с заданной периодичностью, не превышающую регламентированную задержку при срыве подачи, например, в течение двух минут в интервале значений параметров возобновления и прекращения подачи насоса.
f
сm
Дополнительную модуляцию выполняют до возобновления подачи насоса на частоте с наименьшим отклонением, в частности до 0,1-0,5 Гц от достигнутой перед модуляцией частоты срыва подачи (фиг.2, область M1). Для уменьшения выноса из скважины механических примесей продолжают вывод насоса от минимальной частоты поддержания подачи до заданной частоты  стационарного режима с заданным технологическим темпом вывода скважины на режим. Дополнительную модуляцию частоты восстановления подачи прерывают до завершения процесса вывода насоса на заданную частоту стационарного режима при условии завершения заданного для модуляции времени, после чего продолжают вывод насоса до заданной частоты стационарного режима. Если при этом частота возобновления подачи выше заданных отклонений от достигнутой перед модуляцией текущей частоты, то для соблюдения заданного технологического темпа вывода скважины на стационарный режим задают дополнительное замедление увеличения частоты, которое выполняют, по меньшей мере, до очередного срыва подачи.
Следует отметить, что задавая темп увеличения частоты по вышеуказанному регламенту, предполагают вывод насоса на заданную частоту стационарного режима в оптимальной области напорной характеристики насоса с наименьшим выносом механических примесей для предотвращения осложнений эксплуатации скважины, поэтому сокращать время вывода скважины на режим не желательно.
н
н
н
Для сравнения по известному способу, взятому за прототип, при срыве подачи на промежуточных частотах увеличивают частоту питающего напряжения с ускорениями (фиг.2, участок V траектории) и продолжают разгон от достигнутой частоты возобновления подачи. При этом только от выполнения одного такта ускорения время вывода насоса на частоту стационарного режима уменьшается на несколько часов, в частности с приведенными параметрами в данном примере это время составляет более четырех часов. В результате насос на заданной частоте стационарного режима выходит из рабочей области Q(H) характеристик (фиг.2, область R - очерчена штриховыми линиями) в правую область, вызывая тем самым повышенный вынос механических примесей.
f
сm
По заявляемому способу продолжительность дополнительной модуляции частоты не превышает нескольких минут, в частности, после выполнения модуляции вывод скважины на режим продолжают с минимальным отклонением частоты возобновления подачи от предшествующей частоты срыва подачи. Поэтому соблюдается технологический темп вывода скважины на стационарный режим, насос на заданную частоту стационарного режима выходит в оптимальной области, и таким образом, поддерживаются условия наименьшего выноса механических примесей вместе с продукцией. После завершения разгона до заданной частоты , стационарного режима, например, до номинальной осуществляют подачу жидкости насосом в колонну подъемных труб. При неустойчивой подаче жидкости насосом для поддержания баланса между отбором жидкости из скважины и притоком жидкости из пласта переходят к периодическому выполнению циклов, состоящих из чередования процесса откачки жидкости насосом и процесса накопления жидкости в скважине.
м
С этой целью увеличивают частоту питающего напряжения до возобновления подачи насоса и производят откачку жидкости из скважины путем модуляции частоты в интервале значений, соответствующих параметрам поддержания подачи насоса (фиг.2, область М2). После достижения заданной величины минимального давления Р в колонне труб на глубине приема насоса в текущем цикле уменьшают частоту питающего напряжения до прекращения подачи насоса, а затем проводят накопление жидкости в скважине, при этом для обеспечения притока жидкости из пласта поддерживают максимальную частоту, при которой насос не возобновляет подачу, модуляцию частоты напряжения питания электронасоса осуществляют в области значений частоты, соответствующих изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновлении подачи (область М3 на фиг.2). После достижения в процессе притока предусмотренной максимальной величины давления на приеме насоса восстанавливают подачу переводом насоса в откачку на частоту не ниже частоты возобновления подачи и цикл повторяют. Как только в текущем цикле частота возобновления подачи устанавливается на уровне заданной величины, например на уровне, не превышающем заданной частоты стационарного режима, насос переводят в стационарный режим.
При реализации заявляемого способа давление на приеме насоса контролируют как с помощью датчика 6, так и косвенным методом при определении частоты прекращения подачи по снижению мощности, потребляемой электронасосом до порогового значения прекращения подачи на соответствующей частоте, полученной, например, по стендовым характеристикам (см. Авторское свидетельство СССР №1178947 «Способ определения коэффициента продуктивности скважины», дата подачи 13.07.1983 г., дата публикации 15.09.1985 г.; Авторское свидетельство СССР №659731 «Способ определения коэффициента продуктивности насосных скважин». Дата подачи 04.10.1977 г., опубликовано 30.04.1979 г.).
м
доп
в
опт
Заданная минимальная величина давления на приеме насоса Р может соответствовать, например, допустимому давлению Р (допустимому динамическому уровню жидкости), а заданное максимальное (верхнее) ограничение давления Р - оптимальному давлению Р (оптимальному динамическому уровню жидкости) [12]:
м
доп
нд
нп
нас
∗
∗
∗
Р=Р=µ/µ Р (0,198-0,18В)
в
опт
нд
нп
нас
∗
∗
∗
Р=Р=µ/µ Р (0,325-0,316В)
где
нд
µ - вязкость дегазированной нефти, мПа·с;
нп
µ - вязкость нефти в пластовых условиях, мПа·с;
нас
Р - давление насыщения, МПа;
В - обводненность пластовой продукции.
Заявляемый способ направлен на повышение эффективности управляемой эксплуатации скважин электронасосами, в том числе на этапе вывода скважин на режим и позволяет реализовать поставленную задачу, в частности уменьшение выноса механических примесей при непрерывной работе электронасоса в процессе вывода скважины на режим и предотвращение осложнений эксплуатации скважины.