СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ РАСХОДОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЗАДАННОГО ДЕБИТА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
POWER CONSUMPTION MINIMISATION METHOD WHILE ENSURING GIVEN LIQUID RATE AND ASSOCIATED CONTROL UNIT

1. Область техники
Изобретение относится к области добычи жидких полезных ископаемых, в основном, в нефтедобывающей промышленности, и может быть использовано при глубинно-насосной эксплуатации, в частности, нефтяных скважин.
2. Уровень техники
Известен способ добычи нефти, в котором выбирают насос с производительностью, соответствующей максимальной для данной скважины скорости притока нефти, и осуществляют регулирование числа оборотов двигателя так, чтобы отток жидкости был равен ее максимальному притоку. В итоге имеет место непрерывный, равномерный процесс откачки жидкости. По данному способу мощность насосной установки однозначно определяются дебитом, соответственно, расход энергии фиксируется (патент РФ №2280151, МПК Е21В 43/12).
Недостатком способа является отсутствие возможности для экономии электроэнергии, расходуемой в процессе работы насосной установки.
Известны способы, реализующие циклический режим работы. К ним относится принятый в части способа за наиболее близкий аналог способ добычи скважинной жидкости, в котором размещают глубинно-насосное оборудование на рациональной глубине и осуществляют перекачку жидкости в систему нефтесбора насосом, с возможностью его работы в циклическом режиме штатной добычи жидкости, с выбором насоса откачки мощностью П1>>П2, где П1 - номинальная производительность насоса; П2 - ожидаемый дебит жидкости (патент РФ №2190087, МПК 7 Е21В 43/00).
Недостаток способа состоит в том, что он не обеспечивает возможность получения заданного дебита при минимальном расходе энергии. Способ предполагает оптимизацию по комплексу параметров только величины дебита. В перечень параметров, по которым ведется оптимизация в известном техническом решении, расход энергии на подъем жидкости не входит.
В части устройства за наиболее близкий аналог принято устройство комплектное ШГС5805-ИЭ (АРЕЖ. 656427.001 ТУ, Москва, 2004), включающее ключ 1, блок управления 3, причем первый вход ключа 1 соединен с силовой электросетью, второй вход - с выходом блока управления 3. Выход ключа 1 связан с шиной питания электропривода насоса и входом блока измерителя 2. Выход блока 2 соединен с входом блока управления 3.
Недостаток устройства состоит в том, что оно не обеспечивает автоматическое регулирование управляющих параметров, при которых заданный дебит реализуется с минимальными затратами электроэнергии.
3. Сущность изобретения
3.1. Задача
Техническая задача состоит в минимизации расходов электроэнергии при обеспечении заданного дебита жидкости.
Технический результат заключается возможности получения заданного дебита при минимальных затратах электроэнергии.
3.2. Перечень чертежей
На фиг.1 представлена временная диаграмма работы оборудования при циклическом режиме работы.
На фиг.2 приведена кривая восстановления давления, характеризующая процесс заполнения скважины после откачки жидкости и выключения насосного оборудования.
На фиг.3 представлена зависимость средней скорости притока жидкости от времени простоя насосного оборудования в циклическом режиме работы.
На фиг.4 представлена блок-схема устройства управления, где: 1 - ключ, 2 - блок измерителя, 3 - блок управления, 4 - первый модем, 5 - канал связи, 6 - второй модем, 7 - блок регулятора.
3.3. Отличительные признаки
Способ, в отличие от известного способа, включает следующие операции.
Насосное оборудование выбирают с максимально допустимой производительностью, после установки оборудования на рациональной глубине включают его и проводят контрольную откачку жидкости, в процессе контрольной откачки измеряют реальную производительность установленного оборудования и требуемое значение коэффициента эксплуатации как отношение заданного дебита к измеренной производительности, процесс откачки завершают по граничным параметрам оборудования, при выключенном оборудовании измеряют кривую восстановления давления, по которой и заданному дебиту определяют максимально возможное время простоя оборудования; эту величину вводят в программу работы оборудования, далее запускают оборудование в штатную работу в циклическом режиме, в процессе штатной работы в каждом цикле производят измерение текущей величины коэффициента эксплуатации, как отношения времени работы в цикле к длительности цикла, сопоставляют полученную величину с требуемым значением и поддерживают дебит на заданном уровне путем регулирования интервала простоя оборудования (интервала заполнения) в сторону уменьшения или увеличения в зависимости от уменьшения или увеличения текущего коэффициента эксплуатации, при этом размещают глубинно-насосное оборудование на рациональной глубине по скорости восстановления давления жидкости в скважине, равной или превышающей требуемый дебит, а завершение процесса откачки жидкости может осуществляться по снижению величины тока, который потребляет двигатель, до нижней границы допуска (сигналу недогрузки).
Устройство, в отличие от известного, содержит первый и второй модемы, канал связи и блок регулятора, причем порт ввода-вывода блока управления через первый модем, канал связи и второй модем и связаны с портом ввода-вывода блока регулятора.
Существо предложенного способа заключается в следующем.
Выбирают тип насосного оборудования с наиболее низким удельным потреблением энергии на единицу объема поднимаемой жидкости, а также минимизируют в допустимых пределах нагрузку на двигатель насосного оборудования. Тип насосного оборудования выбирают исходя из задания на дебит жидкости и с учетом того, что с повышением производительности оборудования удельный расход энергии на откачку кубометра жидкости снижается. Это положение иллюстрируется таблицей 1, в которой сведены справочные данные по производительности различных насосных установок (столбец 2), затратам электроэнергии (столбец 4) и вычисленному удельному расходу энергии на кубометр поднимаемого продукта (столбец 5).
Таблица 1
1
2
3
4
5
Тип установки
Производительность (кубометры)
Тип двигателя
Расход энергии кВт/час
Удельный расход энергии кВт/час на кубометр
в сутки
в час
УВНН5-44-2100/00-003-
44
1.83
ПЭДН32 117-1000-03
32 кВт/час
17.4 (100%)
УВНН5-59-2100/00-003-
59
2.45
ПЭДН40 117-1250-03
40 кВт/час
16.3 (93%)
УВНН5-79-2100/00-003-
79
3.29
ПЭДН56 117-1400-03
56 кВт/час
17 (97%)
УВНН5-125-2100/00-003-
125
5.2
ПЭДН80 117-2100-03
80 кВт/час
15.3 (87%)
Минимизацию расхода энергии осуществляют выбором оборудования, максимально превосходящего заданный дебит. По максимуму производительность ограничивают приемлемостью технико-экономических характеристик оборудования (поскольку с увеличением производительности установки увеличиваются ее размеры и стоимость).
Выбор ведется по паспортным данным установок (например, для откачки 40 кубометров жидкости в сутки выбирают установку с производительностью 125 кубометров в сутки, что позволяет снизить затраты энергии на 13%, таблица 1).
Паспортная производительность установки может отличаться от реальной из-за различия в плотности тестовой жидкости и жидкости в конкретной скважине.
Для определения реальной производительности проводят контрольную откачку жидкости. В процессе контрольной откачки измеряют реальную производительность насоса в конкретных условиях скважины. Измерение проводят одним из известных способов (например, измерением времени заполнения мерной емкости).
Процесс откачки завершают автоматическим выключением оборудования по его граничным параметрам, например по снижению величины тока двигателя до нижней границы допуска (недогрузке).
Нагрузку на двигатель при циклическом режиме добычи оценивают не только по объему поднимаемой жидкости, но учитывают и воздействие на насос столба жидкости в затрубном пространстве. В интервале времени заполнения (когда оборудование простаивает) в затрубном пространстве накапливается столб жидкости («подпор»), давление которого по закону сообщающихся сосудов способствует последующему подъему жидкости в трубе насоса. При этом уменьшается нагрузка на двигатель насоса и, соответственно, снижается потребление энергии, причем, чем выше давление столба жидкости, тем ниже нагрузка.
Минимизацию расхода энергии достигают обеспечением максимально допустимого давления столба жидкости. Такое давление реализуют назначением максимально допустимой величины интервала простоя насосного оборудования в циклическом режиме (Тпр, фиг.1).
Максимально допустимую величину времени простоя назначают с помощью кривой восстановления давления (фиг.2), характеризующей процесс заполнения скважины после откачки жидкости и выключения насосного оборудования. Ход кривой объясняется следующим образом. Когда жидкость из скважины откачена до минимально допустимого уровня (точка «О» на кривой фиг.2), то в начале интервала заполнения скорость притока максимальна. С течением времени давление столба жидкости уравновешивает пластовое давление, приток уменьшается и замедляется. Если насосное оборудование не включать, то в итоге приток вообще прекратится.
Характер кривой хорошо апроксимируется относительным выражением:
-T
Р=1-E,
где Р - давление столба жидкости, Т - время в часах (и минутах).
Крутизна кривой различна для различных скважин, но характер кривой сохраняется. Начальный участок кривой (ОА) соответствует максимальной скорости заполнения. Далее рост замедляется (участки АВ, ВС), а затем вообще прекращается. Точка «О» (время Т0) соответствует давлению в точке установки насосного оборудования.
Расчетный график зависимости средней скорости от времени простоя (фактически времени усреднения) представлен на фиг.3. Средняя скорость дана в относительных единицах - относительно максимальной скорости на начальном участке кривой.
Кривую восстановления давления измеряют после окончания процесса контрольной откачки и выключения оборудования. Измерение осуществляют, например, с помощью промышленных средств погружной телеметрии. Реальный пример полученных данных приведен в таблице 2. Реальная кривая восстановления давления представлена на фигуре 2.
Таблица 2
мин
60
120
180
240
300
360
420
480
540
Тпр час (i)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Pi тонн
44.2
70.7
92
107.5
120.3
130.8
139.7
147
151.7
Р - Р0 тонн
25.8
47.8
63.3
76.1
86.6
95.5
102.8
107.5
(Pi-P0)/T(i)
25.8
23.9
21.1
19.0
17.3
15.9
14.6
13.4
%
100
92
82
74
67
61
56
52
Максимально допустимой величине простоя соответствует такая точка на кривой фиг.2, в которой средняя скорость кривой, характеризующей дебит, уменьшается ниже допустимой величины (ниже пунктирной линии на фиг.3). Например, это точка «А» на фиг.2 (интервал простоя Т0-Т1). Если величину интервала уменьшить, то дебит не уменьшится, а максимальная высота столба уменьшится. Если же величину интервала увеличить, то высота столба увеличится, но дебит уменьшится, что недопустимо по условиям эксплуатации.
Время откачки (время работы оборудования) в процессе работы устанавливается автоматически в зависимости от производительности выбранного насосного оборудования. Поскольку за время простоя в затрубном пространстве накапливается значительный столб жидкости, насос работает с его номинальной производительностью. Время откачки столба зависит при этом от соотношения производительности насоса и дебита жидкости.
Чем выше это соотношение, тем выше относительная скорость откачки, и тем меньше становится требуемое время работы насоса относительно времени заполнения. Отношение за заданный календарный период (например, за сутки) характеризует коэффициент эксплуатации оборудования.
При известной и постоянной производительности насоса коэффициент эксплуатации характеризует величину дебита. Отношение заданного дебита к измеренной величине производительности насоса определяет требуемую величину коэффициента эксплуатации Кт.
Текущий контроль дебита осуществляют следующим образом. По установившейся практике дебит измеряют в течение достаточно длительных отрезков календарного времени (сутки, месяц и т.п.). Длительные интервалы берут для обеспечения точности, что отвечает коммерческим и технологическим целям контроля. Однако такой контроль не оперативен и не обеспечивает достаточно быстрой реакции при регулировании.
Согласно предлагаемому способу для достижения оперативности регулирования контроль дебита осуществляют с максимальной быстротой - за время каждого цикла (минимально допустимое время).
Контроль ведут путем измерения отношения времени работы Тр в очередном цикле к длительности этого цикла Тц (фиг.1). Это отношение характеризует текущее (в отличие от календарного) реальное значение коэффициента эксплуатации Кр в заданном цикле.
Получение заданного дебита реализуют с помощью процессов настройки и последующей штатной работы.
В процессе настройки определяют начальное время простоя оборудования. Если в составе оборудования имеются средства погружной телеметрии, то, зная требуемый дебит, начальное значение определяют по кривой восстановления давления (фиг.2, 3 или таблица 2). Например, это интервал Т0-T1.
При отсутствии в составе оборудования устройств погружной телеметрии величину начального интервала назначают так, чтобы величина Кр была меньше величины Кт (скорость притока выше или равна требуемой), затем интервал простоя Тпр постепенно увеличивают до тех пор, пока величина Кр не превзойдет величину Кт. При этом скорость притока начинает уменьшаться и соответствовать скорости в точке «А» на кривой фиг.2.
Полученную величину времени простоя вводят в программу работы оборудования и затем запускают оборудование в штатную работу в циклическом режиме.
В процессе штатной работы в каждом рабочем цикле (фиг.1) измеряют его параметры - время работы Тр и длительность цикла Тц. По результатам измерений вычисляют реальное текущее значение коэффициента эксплуатации Кр и сравнивают его с требуемым значением Кт.
При наличии существенных отклонений установку величины дебита на заданном уровне осуществляют путем управления интервалом заполнения, уменьшая его, если дебит меньше заданного, или увеличивая интервал, если дебит превысил заданную величину.
Минимизацию расходов энергии обеспечивают в итоге за счет:
- применения насосного оборудования с максимально допустимой производительностью с наиболее низким удельным расходом энергии на кубометр откачиваемой жидкости;
- обеспечения максимально допустимого давления столба жидкости, заполняющей затрубное пространство;
- повышения плотности жидкости в затрубном пространстве вследствие дегазации, что способствует увеличению давления столба жидкости и снижению нагрузки на двигатель.
Реальное снижение расходов энергии подтверждено на практике. Так, на месторождении одного из нефтегазодобывающих предприятий применение предлагаемого способа привело к снижению затрат энергии до 40%.
Достоинство способа - в возможности получать заданный дебит жидкости с существенным сокращением затрат энергии. Способ прост и удобен в эксплуатации.
Способ реализуется с помощью устройства, в состав которого входят: ключ 1, блок измерителя 2, блок управления 3, первый и второй модемы 4 и 6, канал связи 5 и блок регулятора 7. Первый вход ключа 1 соединен с силовой электросетью, второй вход - с выходом блока управления 3. Выход ключа 1 связан с шиной питания электропривода насоса и входом блока измерителя 2. Выход блока 2 соединен с входом блока управления 3. Порт ввода-вывода блока управления 3 через первый модем 4, канал связи 5 и второй модем 6 соединен с портом ввода-вывода блока регулятора 7.
Ключ 1 осуществляет коммутацию напряжения силовой сети и обеспечивает включение и выключение питания двигателя насосного оборудования по команде от блока управления 3.
Блок измерителя 2 осуществляет контроль состояния насосного оборудования (включено-выключено) путем измерения и аналого-цифрового преобразования величины тока, потребляемого двигателем, а также контроль давления на приеме насоса по данным, поступающим от погружного телеметрического оборудования, если им укомплектовано насосное оборудование. Данные от устройств погружной телеметрии поступают по линии электропитания двигателя насоса.
Блок управления 3 реализует циклический режим работы насосного оборудования, при этом управляет работой ключа 1, ведет информационный обмен с блоком регулятора 7 по каналу связи 5 через модемы 4 и 6. По результатам информационного обмена устанавливает параметры цикла работы скважинного оборудования и проводит коррекцию их значений.
Первый модем 4 осуществляет физическое и логическое сопряжение блока управления 3 с каналом связи 5.
Канал связи 5 обеспечивает двухсторонний обмен цифровыми сообщениями между блоками 3 и 7 через модемы 4 и 6.
Второй модем 6 осуществляет физическое и логическое сопряжение блока регулятора 7 с каналом связи 5.
Блок регулятора 7 осуществляет регулирование параметров цикла для поддержания заданного дебита при минимальных затратах электроэнергии. Регулирование ведет по результатам обработки данных, регулярно поступающих от блока управления 3.
Устройство работает следующим образом.
До начала рабочего процесса в блок регулятора 7 вводят данные о реальной производительности насосного оборудования и заданном дебите жидкости. По этим данным блок производит вычисление величины требуемого коэффициента эксплуатации Кт. Если в составе насосного оборудования отсутствуют средства погружной телеметрии, то в память блока регулятора вводят также начальное значение времени простоя. Величину начального интервала назначают так, чтобы величина Кр была меньше величины Кт (скорость притока выше или равна требуемой).
В начале рабочего процесса блок 7 запрашивает и получает информацию о состоянии насосного оборудования от блока 3. Далее включает оборудование (если оно было выключено) и по команде оператора запускает процесс контрольной откачки жидкости.
После завершения откачки (получения от блока 3 сигнала останова оборудования по недогрузке) блок в автоматическом режиме периодически запрашивает и получает данные о давлении на приеме насоса. Интервал между информационными обменами зависит от темпа поступления данных от погружного телеметрического оборудования и составляет величину, например, 10-15 минут.
В процессе получения данных осуществляет вычисление разностей между каждыми последующим и предыдущим отсчетами значений параметра, сопоставление разностей и измерение времени до текущего отсчета. По вычисленным разностям определяет точку, в которой разность уменьшилась ниже заранее заданной допустимой величины, и фиксирует время данного отсчета. Это время соответствует начальному значению интервала простоя.
Далее блок регулятора 7 передает по каналу связи 5 начальную величину времени простоя Тпр в блок управления 3, который использует ее в качестве регулируемого параметра цикла. Переданное время простоя используется блоком 3 до обновления (коррекции). Факт приема данных блок управления 3 подтверждает передачей квитанции.
После получения квитанции регулятор 7 подает в блок 3 команду на запуск оборудования в штатную работу в циклическом режиме и далее контролирует параметры цикла. В процессе контроля регулятор запрашивает и получает от блока 3 данные о состоянии оборудования (включено-выключено) и осуществляет измерение времени работы оборудования Тр и полного времени цикла Тц (фиг.1).
В конце каждого цикла регулятор 7 вычисляет реальную величину коэффициента эксплуатации Кр как отношение Кр=Тр/Тц и сравнивает ее с величиной Кт.
Если разность Кр-Кт ниже допустимой величины, то время простоя (Тпр, фиг.1) регулятор не изменяет. Если же разность выше допуска, то в зависимости от знака разности регулятор уменьшает или увеличивает время простоя и передает измененную величину блоку управления 3, который обновляет ее значение в памяти. Уменьшать время простоя регулятор будет при положительном знаке разности (уменьшении дебита). Увеличивать - при отрицательном знаке (дебит увеличился).
При отсутствии средств погружной телеметрии начальное значение времени простоя, которое было заранее введено в память регулятора, считывают из памяти регулятора. Далее блок регулятора 7 передает по каналу связи эту величину в блок управления 3, который использует ее в качестве регулируемого параметра цикла-времени простоя Тпр. Факт приема данных блок управления 3 подтверждает передачей квитанции. Далее начальное значение от цикла к циклу постепенно увеличивают до тех пор, пока величина Кр не превзойдет величину Кт. В этой ситуации скорость притока соответствует скорости в точке «А» на кривой фиг.2. Далее процесс управления соответствует процессу, описанному выше.
Устройство реализуется с помощью известных технических средств.
Блоки 1, 2 и 3 реализуются с помощью устройства комплектного ШГС 5805 ИЭ или его модификаций. Ключ 1 реализуется с помощью силовых реле, транзисторных ключей и тиристорных регуляторов (для обеспечения «плавного» пуска двигателя). Блок измерителя 2 реализуется с помощью токовых трансформаторов и обычных цифровых логических и преобразующих микросхем. Блок управления 3 реализуется с помощью стандартного микроконтроллера (например, ПИК-процессора или аналогичного), блок регулятора 7 реализуется, например, на основе стандартных одноплатных ЭВМ. Реализация канала связи 5 зависит от территориального размещения комплектного управляющего устройства и регулятора 7. Для организации канала могут быть использованы проводные или беспроводные линии связи с одним из стандартных интерфейсов и протоколов взаимодействия. Реализация первого и второго модемов 4 и 6 зависит от выбранного типа канала 5. Это могут быть интерфейсные узлы (например, RS-232 или 485), радиомодемы и т.п.