СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ГАЗОВЫХ ПРОБОК В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОГРУЖНОМ НАСОСЕ
METHOD AND UNIT TO AUTOMATICALLY DETECT AND DESTRUCT GAS LOCKS IN DOWNHOLE PUMP

Предпосылки создания изобретения
Родственные заявки
Притязания на приоритет настоящей заявки основаны на предварительной патентной заявке US 60/946190, поданной 26 июня 2007 г., и обыкновенной патентной заявке US 12/144092, поданной 23 июня 2008 г., в обоих случаях под названием "Устройство, способ и программный продукт для автоматического обнаружения и разрушения газовых пробок в электрическом погружном насосе".
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к повышению продуктивности скважин, пробуренных в толщах породы, более точно к устройству и способу автоматического обнаружения и разрушения газовых пробок в электрической погружной насосной установке без необходимости прекращения работы ЭПН.
Уровень техники
Хорошо известно, что при всасывании электрическим погружным насосом (ЭПН) достаточного количества газа может образовываться газовая пробка, в результате чего ЭПН не способен продолжать перекачивать флюид на поверхность, например, из-за крупных газовых пузырей в скважинном флюиде. Неспособность рассосать газовую пробку в ЭПН может привести к перегреву и преждевременному отказу. Обычной практикой применительно к ЭПН является установление низкого предельного значения тока двигателя, чтобы определять момент, когда в насосе образуется газовая пробка. При переходе через это предельное значение насос обычно останавливается, и попытку повторного запуска не предпринимают до тех пор, пока столб флюида в насосно-компрессорной колонне не рассеется через насос. Это время ожидания представляет собой производственные потери.
Также известно, что существует множество способов определения соответствующего низкого предельного значения тока и что неудовлетворительное предельное значение может стать причиной повреждения двигателя или мешающих выключений.
Сущность изобретения
С учетом вышеизложенного в вариантах осуществления настоящего изобретения предложено устройство, способ и машиночитаемый носитель с программным продуктом для использования с электрической погружной насосной установкой с целью обнаружения газовой пробки и ее разрушения без необходимости вмешательства оператора. Кроме того, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложен алгоритм оптимизации скорости работы электрической погружной насосной установки без необходимости вмешательства оператора.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрена возможность обнаружения газовой пробки путем контроля (мониторинга) одного из параметров двигателя электрического погружного насоса, такого как, например, крутящий момент двигателя или ток двигателя. Обнаружение газовой пробки может включать контроль текущего значения двигателя электрического погружного насоса, генерирование предельного значения на основании значений параметров двигателя электрического погружного насоса за прошлый период и сравнение текущего значения с предельным значением. В одном из предпочтительных вариантов осуществления обнаружение газовой пробки предусматривает контроль крутящего момента двигателя и генерирование предельного значения в интервале от 65% до 75% максимального значения крутящего момента двигателя, измеренного за предварительно заданный период времени от 2 до 5 минут.
После обнаружения газовой пробки в вариантах осуществления настоящего изобретения поддерживают определенную скорость работы насоса. За счет поддержания определенной скорости работы насоса скважинный флюид остается над насосом в статическом состоянии, а газовые пузыри во флюиде могут подниматься выше флюида, что способствует разделению газа и жидкости над насосом. По истечении периода ожидания предварительно заданной длительности скорость работы насоса снижают и тем самым позволяют скважинному флюиду проходить вниз через насос и вымывать уловленный газ. По истечении предварительно заданного периода промывки восстанавливают нормальную скорость работы насоса. В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрена возможность промывать насос и восстанавливать производительность системы без необходимости ее остановки. В одном из предпочтительных вариантов осуществления период ожидания составляет от 6 до 7 минут, период промывки составляет от 10 до 15 секунд, а скорость работы насоса во время периода промывки снижают до 20-25 Гц.
Кроме того, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложен алгоритм оптимизации скорости работы электрической погружной насосной установки с целью доведения до максимума ее производительности без необходимости вмешательства оператора. В соответствии с алгоритмом увеличивают скорость работы насоса на предварительно заданный шаг, например 0,1 Гц, до предварительно установленной максимальной скорости работы насоса, например 62 Гц, если текущее значение непрерывно превышает предельное значение в течение предварительно заданного периода стабилизации, например 15 минут. В соответствии с алгоритмом снижают скорость работы насоса на предварительно заданный шаг, например 0,1 Гц, если текущее значение постоянно находится на уровне ниже предельного значения в течение предварительно заданного периода инициализации, например 2 минуты.
Краткое описание чертежей
Некоторые из признаков и технических результатов настоящего изобретения были рассмотрены выше, а другие станут ясны из следующего далее описания со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых показано;
на фиг.1 - вид в перспективе установки ЭПН, сконструированной согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 - блок-схема, подробно иллюстрирующая алгоритм согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Хотя изобретение будет описано применительно к предпочтительным вариантам осуществления, подразумевается, что изобретение не ограничено этими вариантами осуществления. Напротив, подразумевается, что в пределы сущности и объема изобретения, охарактеризованного прилагаемой формулой изобретения, входят все альтернативы, усовершенствования и эквиваленты.
Подробное описание изобретения
Далее настоящее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых проиллюстрированы варианты осуществления изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение может быть воплощено во множестве различных форм и не должно считаться ограниченным проиллюстрированными вариантами осуществления, которые приведены далее с целью обеспечения полноты и законченности описания с тем, чтобы в полной мере представить объем изобретения для специалистов в данной области техники. Одинаковые элементы везде обозначены одинаковыми позициями.
На фиг.1 проиллюстрирован один из примеров осуществления системы 10 эксплуатации скважины, в которую входит устройство 12 контроля и управления данными. Система 10 эксплуатации скважины имеет источник 14 питания, представляющий собой источник питания переменного тока, такой как линия электропитания (электрически соединенная с электростанцией общего пользования), или генератор, который электрически соединен с контроллером 16 двигателя, обычно представляющим собой привод с регулируемой скоростью, и подает в него трехфазное питание. Контроллер 16 двигателя может представлять собой любую из хорошо известных разновидностей, таких как частотно-регулируемые приводы с широтно-импульсной модуляцией или другие известные контроллеры, которые способны изменять скорость работы системы 10 эксплуатации. Как источник 14 питания, так и контроллер 16 двигателя расположены на поверхностном уровне ствола скважины и трехфазным силовым кабелем 18 электрически соединены с асинхронным электрическим двигателем 20. Между контроллером 16 двигателя и асинхронным двигателем 20 может быть установлен необязательный трансформатор 21 для повышения или понижения напряжения в случае необходимости.
Согласно примеру осуществления, который проиллюстрирован на фиг.1, система 10 эксплуатации скважины также имеет скважинное оборудование для насосно-компрессорной (механизированной) добычи, в которое входит асинхронный двигатель 20 и электрический погружной насос 22 (ЭПН), такой как описан в патенте US 5845709. С насосом 22, который выталкивает поток газов и жидкости вверх по стволу скважины на поверхность для дальнейшей переработки, электромеханической связью соединен двигатель 20, который приводит в действие насос 22. Трехфазный кабель 18, двигатель 20, контроллер 16 двигателя и насос 22 образуют систему ЭПН.
Насос 22 может представлять собой, например, многоступенчатый центробежный насос, имеющий множество ступеней вращающихся крыльчаток, которые повышают уровень давления скважинных флюидов для перекачивания на поверхность. Верхний конец насоса 22 соединен с нижним концом стояка (не показан) для транспортировки скважинных флюидов до желаемого места. Обычно к нижнему концу насоса прикреплен протектор (не показан), с нижним концом которого соединен двигатель 20 для подачи питания в насос 22.
Система 10 эксплуатации скважины также содержит устройство 12 контроля и управления данными, обычно представляющее собой наземный блок, который посредством двусторонней линии 24 связи может поддерживать связь со скважинными датчиками 24а-24n. В одном из примеров осуществления датчики 24а-24n контролируют и измеряют различные параметры в скважине, такие как давление на выходе из насоса, давление на входе в насос, давление в НКТ на устье скважины, вибрация, температура флюида в стволе скважины, напряжение и(или) ток двигателя, температура масла в двигателе и т.п. Хотя это и не показано, устройство 12 контроля и управления данными также может содержать систему сбора, регистрации (записи) данных и управления данными, которая позволяет устройству 12 управлять скважинной системой исходя из результатов скважинных измерений, принимаемых от датчиков 24а-n по двусторонней линии 24 связи. Датчики 24а-24n расположены в скважине в пределах или вблизи асинхронного двигателя 20, ЭПН 22 или в любом другом месте внутри скважины. По желанию может использоваться любое число датчиков.
Как дополнительно показано на фиг.1, устройство 12 контроля и управления данными линией 24 связи соединено с датчиками 24а-24n и линией 17 связи соединено с контроллером 16 двигателя для обнаружения и разрушения газовых пробок без необходимости остановки системы. В наиболее предпочтительном варианте осуществления функциональные возможности обнаружения и разрушения газовой пробки устройства 12 реализуют исходя только из наземных данных, таких как ток, напряжение и(или) крутящий момент, принимаемых от контроллера 16 двигателя по двусторонней линии 17 связи. Тем не менее, в одном из альтернативных вариантов осуществления функциональные возможности также могут изменяться в зависимости от данных, принимаемых от одного или нескольких скважинных датчиков 24а-24n.
Устройство 12 контроля и управления данными поддерживает связь с системой 10 эксплуатации скважины посредством описанных линий связи по меньшей мере на периодической основе с использованием методов, таких как описаны, например, в патенте US 6587037 под названием "Method for multi-phase data communications and control over ESP power cable" и патенте US 6798338 под названием "RF communication with downhole equipment". Устройство 12 связано с контроллером 16 двигателя двусторонней линией 17 связи для приема результатов измерений, таких как, например, измерения силы тока в амперах, тока, напряжения и(или) частоты трехфазного электропитания, подаваемого в скважину. Такие управляющие сигналы регулируют работу двигателя и(или) насоса 22 с целью обеспечения оптимизации производительности системы 10 эксплуатации скважины, такой как, например, обнаружение и разрушение газовых пробок. Кроме того, эти управляющие сигналы могут передаваться какому-либо иному желаемому адресату для последующего анализа и(или) обработки.
Устройство 12 контроля и управления данными управляет контроллером 16 двигателя путем регулирования таких параметров, как включение-выключение, частота (F) и(или) напряжения на каждой из множества конкретных частот, что позволяет эффективно изменять скорость работы двигателя 20. Такое регулирование осуществляется посредством линии 17. Функции устройства 12 могут быть реализованы теми же аппаратными средствами, что и другие компоненты, входящие в устройство 12, или каждый компонент может быть реализован посредством отдельного элемента аппаратных средств. Например, функции обработки данных, сбора/регистрации данных и управления данными согласно настоящему изобретению могут быть обеспечены посредством отдельных компонентов, или все они могут быть объединены в одном компоненте.
В процессе эксплуатации некоторых скважин вместе с нефтью добывают газ. В принципе, газ имеет тенденцию попадать в насосную установку 22 вместе со скважинным флюидом, что может снижать объем добываемой нефти или даже приводить к образованию "газовой пробки". Газовая пробка является состоянием ЭПН, в котором газ препятствует нормальной работе крыльчаток и других компонентов насоса и не дает перекачивать жидкость.
Далее со ссылкой на фиг.2 будет описан один из примеров алгоритма обнаружения и разрушения газовой пробки. Хотя это и не показано на фиг.1, устройство 12 контроля и управления данными также содержит процессор и память, которая выполняет логические и вычислительные функции и функции принятия решений согласно изобретению и может быть реализована в любой форме, подразумеваемой специалистами в данной области техники. Память может представлять собой энергозависимую и энергонезависимую память, известные специалистам в данной области техники, включая в том числе, например, ОЗУ, ПЗУ и магнитные или оптические диски.
На шаге 201 устройство 12 контроля и управления данными посредством двусторонней линии 17 связи непрерывно контролирует выходной ток, напряжение и(или) крутящий момент контроллера 16 двигателя с целью обнаружения и разрушения газовых пробок в соответствии с настоящим изобретением. Вместе с тем, в качестве альтернативы, также могут контролироваться результаты измерений, поступающие от скважинных датчиков 24а-24n. На шаге 203 устройство 12 контроля и управления данными генерирует предельное значение тока и(или) крутящего момента двигателя на основании данных за прошлый период. Предельное значение может быть основано на значении за прошлый период, таком как среднее значение тока или крутящего момента двигателя за длительный период времени с использованием достаточно длительной постоянной времени, чтобы отфильтровывать любые короткопериодические вариации в таких результатах измерений. В качестве альтернативы, предельное значение может быть основано на другом значении за прошлый период, таком как максимальное значение для заданного окна данных. Когда газовая пробка все же образуется, ток или крутящий момент двигателя обычно снижается на 30-50%. Чтобы обнаружить снижение на 30% крутящего момента и(или) тока двигателя, может быть генерировано предельное значение, составляющее, например, 70% среднего значения за длительный период времени. В качестве альтернативы, может быть генерировано предельное значение, составляющее от 65% до 75% максимального значения для заданного окна данных за прошлый период, например за последние 3 минуты. После этого на шаге 205 непрерывно сравнивают текущее значение с предельным значением. В наиболее предпочтительном варианте осуществления вместо тока двигателя измеряют крутящий момент двигателя, поскольку крутящий момент более чувствителен к скважинным явлениям. Если по результатам сравнения на шаге 207 устройство 12 управления не обнаруживает газовую пробку, алгоритм возвращается к шагу 201 и процесс начинается снова.
Если устройство 12 контроля и управления данными обнаруживает газовую пробку, устройство 12 управления переходит к шагу 209. На этом шаге устройство 12 управления по линии 17 передает контроллеру 16 двигателя команду поддерживать одинаковую скорость работы в течение предварительно заданного периода ожидания. В наиболее предпочтительном варианте осуществления этот период ожидания имеет длительность от 6 до 7 минут, вместе с тем, исходя из конструктивных ограничений могут быть запрограммированы другие периоды ожидания, включая период ожидания от 3 до 15 минут. В одном из альтернативных вариантов осуществления период ожидания по меньшей мере частично ограничен предварительно заданной максимальной температурой насоса, которую скважинные датчики 24 а-n передают устройству 12 по линии 24.
Согласно примеру алгоритма, который проиллюстрирован на фиг.2, во время поддержания двигателем 20 этой скорости работы на шаге 209 создается отчасти статическое состояние, когда насос 22 обеспечивает вполне достаточный напор для поддержания столба флюида в расположенной выше насосно-компрессорной трубе, но недостаточный для нагнетания флюида на поверхность. В результате газовые пузыри во флюиде непосредственно над насосом начинают подниматься, а флюид оседает и уплотняется.
На шаге 211 устройство 12 контроля и управления данными завершает период ожидания и доводит рабочую частоту до более низкого значения, такого как, например, 20-25 Гц. Обычно устанавливают нормальную рабочую частоту на уровне 60 Гц. Эту сниженную рабочую частоту поддерживают в течение предварительно заданного времени, такого как, например, 10-15 секунд. На протяжении этого времени насос 22 уже не способен поддерживать столб флюида непосредственно над собой, в результате чего флюид начинает проходить вниз через насос 22 и вымывать уловленный газ. В конце этого шага 211 работы с низкой скоростью устройство 12 восстанавливает нормальную рабочую частоту насоса 22, а на шаге 213 возобновляется добыча.
В вариантах осуществления настоящего изобретения дополнительно предложен алгоритм оптимизации скорости работы электрической погружной насосной установки с целью доведения до максимума его производительности без необходимости вмешательства оператора. В соответствии с алгоритмом увеличивают скорость работы насоса на предварительно заданный шаг, например от 0,08 до 0,4 Гц, предпочтительно 0,1 Гц, до предварительно установленной максимальной скорости работы насоса, например 62 Гц, если текущее значение непрерывно превышает предельное значение в течение предварительно заданного периода стабилизации, например от 10 до 20 минут, предпочтительно 15 минут. В соответствии с алгоритмом снижают скорость работы насоса на предварительно заданный шаг, например от 0,08 до 0,4 Гц, предпочтительно 0,1 Гц, если текущее значение постоянно находится на уровне ниже предельного значения в течение предварительно заданного периода инициализации, например от 90 секунд до 3 минут, предпочтительно 2 минут. При отсутствии газовой пробки или газовых пузырей в течение приемлемого периода времени в соответствии с алгоритмом пошагово увеличивают скорость работы насоса с целью доведения до максимума его производительности. При наличии газовых пузырей, но не газовой пробки как таковой в соответствии с алгоритм не изменяют скорость работы насоса. Газовые пузыри, не вызывающие образование газовой пробки, способны привести к временному снижению тока или крутящего момента двигателя, что понятно специалистам в данной области техники. Если в соответствии с алгоритмом обнаруживают газовую пробку, когда текущее значение непрерывно находится на уровне ниже предельного значения в течение определенного периода времени, например 2 минут, в соответствии с алгоритмом снижают скорость работы насоса (и скорость добычи) на небольшой шаг, чтобы лучше адаптировать ее к уровню газа и попытаться предотвратить образование газовой пробки в дальнейшем, что понятно специалистам в данной области техники.
Настоящее изобретение имеет существенные преимущества. Оно позволяет надежно обнаруживать газовую пробку без вмешательства оператора исходя из наземных данных и(или) скважинных данных. Оно также позволяет разрушать газовую пробку после ее обнаружения без необходимости остановки системы. Устройство 12 контроля и управления данными может быть реализовано в различных формах в различных вариантах осуществления. Оно может входить в состав аппаратуры на месте расположения скважины, может быть включено в программное обеспечение программируемого контроллера ЭПН, привода с регулируемой скоростью или может быть реализовано в виде отдельного блока с собственным ЦП и памятью, связанного с такими компонентами. Устройство 12 управления также может быть реализовано даже в сети в качестве части программного кода, выполняемого сервером, который связан с системой 10 эксплуатации двунаправленной линией для приема наземных и(или) скважинных данных и передачи соответствующих управляющих сигналов.
В вариантах осуществления настоящего изобретения может быть предложен способ разрушения газовой пробки в электрической погружной насосной установке. Способ может включать шаги, на которых путем контроля текущего значения параметра двигателя электрической погружной насосной установки обнаруживают газовую пробку в электрической погружной насосной установке, генерируют предельное значение на основании значений параметров двигателя электрического погружного насоса за прошлый период и сравнивают текущее значение с предельным значением, чтобы тем самым обнаружить газовую пробку в электрической погружной насосной установке. Способ может дополнительно включать шаг, на котором разрушают обнаруженную газовую пробку путем поддержания определенной скорости работы насоса в течение периода ожидания первой предварительной заданной длительности, чтобы способствовать разделению газа и жидкости над насосом, снижают скорость работы насоса до предварительно заданного значения, определяющего параметр промывки на протяжении периода промывки второй предварительно заданной длительности, в результате чего находящийся над насосом флюид проходит вниз через насос и вымывает любой уловленный газ, и восстанавливают ранее поддерживавшуюся скорость работы насоса.
Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения предельное значение, генерированное на основании значений параметров двигателя электрического погружного насоса за прошлый период, может составлять от 65% до 75% максимума текущего значения, измеренного за предварительно заданный период от 2 до 5 минут, предпочтительно 3 минут. На шаге сравнения текущего значения с предельным значением может быть дополнительно увеличена скорость работы насоса на предварительно заданный шаг до предварительно установленной максимальной скорости работы насоса, если текущее значение постоянно превышает предельное значение в течение периода стабилизации третьей предварительно заданной длительности и снижает скорость работы насоса на предварительно заданный шаг, если текущее значение постоянно находится на уровне ниже предельного значения в течение периода инициализации четвертой предварительно заданной длительности.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предложен компьютерный программный продукт, хранящийся на материальном машиночитаемом носителе, непосредственно участвующий в работе компьютера и содержащий набор команд, при выполнении которых компьютер осуществляет различные операции описанного выше способа. Операции могут включать обнаружение газовой пробки в электрической погружной насосной установке, включая (i) контроль текущего значения параметра двигателя электрической погружной насосной установки, (ii) генерирование предельного значения на основании значений параметров двигателя электрического погружного насоса за прошлый период и (iii) сравнение текущего значения с предельным значением, чтобы тем самым обнаружить газовую пробку в электрической погружной насосной установке. Операции могут дополнительно включать разрушение обнаруженной газовой пробки, включая (i) поддержание определенной скорости работы насоса в течение периода ожидания первой предварительно заданной длительности, чтобы способствовать разделению газа и жидкости над насосом, (ii) снижение скорости работы насоса до предварительно заданного значения, определяющего параметр промывки на протяжении периода промывки второй предварительно заданной длительности, в результате чего находящийся над насосом флюид проходит вниз через насос и вымывает любой уловленный газ, и (iii) и восстановление ранее поддерживавшейся скорости работы насоса.
Важно отметить, что, хотя варианты осуществления настоящего изобретения описаны в контексте полнофункциональных системы и способа, воплощающих изобретение, специалисты в данной области техники учтут, что механизм действия настоящего изобретения и(или) его особенности могут быть распределены в виде команд машиночитаемого носителя в разнообразных формах для выполнения процессором, процессорами и т.п. и что настоящее изобретение в равной мере применимо независимо от конкретного типа носителя сигнала, используемого для реального распределения. Примеры машиночитаемых носителей включают без ограничения энергонезависимые носители жестко запрограммированного типа, такие как постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), ПЗУ на компакт-дисках (CD-ROM) и ПЗУ на цифровых видеодисках (DVD-ROM) или электрически стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства (ЭСППЗУ), носители перезаписываемого типа, такие как накопители на гибких дисках, накопители на жестких дисках, компакт-диски однократной/многократной записи (CD-R/RW), перезаписываемые цифровые диски (DVD-RAM), цифровые диски однократной/многократной записи (DVD-R/RW), многофункциональные цифровые диски однократной/многократной записи (DVD+R/RW), флэш-память и другие запоминающие устройства новых типов, а также передающие среды, такие как каналы цифровой и аналоговой связи. Например, такие носители могут содержать операционные команды и(или) команды, касающиеся системы и описанных выше шагов способа.
Кроме того, подразумевается, что изобретение не ограничено конкретными деталями конструкции, управления, точными материалами или проиллюстрированными и описанными вариантами осуществления, и для специалистов в данной области техники будут очевидны усовершенствования и эквиваленты. Например, хотя в настоящем изобретении основное внимание сосредоточено на измерениях крутящего момента и(или) тока двигателя, для обнаружения газовой пробки также могут использоваться результаты других измерений. На чертежах и в описании представлены наглядные варианты осуществления изобретения и, несмотря на использование конкретных терминов, они имеют лишь обобщающее и описательное, а не ограничивающее значение. Соответственно, изобретение должно считаться ограниченным только объемом прилагаемой формулы изобретения.