Анализ и синтез алгоритмов управления нефтедобывающей скважины на базе электрического центробежного насоса

Искужин Р.В. ЬЫгМп R.V.

аспирант Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

Нугаев И.Ф. Nugaev 1.Е.

доктор техничских наук, профессор Уфимского государственного авиационного технического университета, Россия, г. Уфа

УДК 681.5:519.6

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Статья посвящена одной из актуальных задач в области автоматизации процессов механизированной добычи нефти на базе УЭЦН - созданию алгоритмов управления работой нефтедобывающей скважины. Представлена структура системы управления, задачи управления и результаты компьютерного моделирования предложенных алгоритмов управления.

Ключевые слова: нефтедобывающая скважина, автоматизация, УЭЦН, алгоритм управления.

ANALYSIS AND SYNTHESIS OF ALGORITHMS OF MANAGEMENT OF THE OIL-EXTRACTING WELL ON THE BASIS OF THE ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP

The article is devoted to one of the urgent tasks in the field of automation of mechanized oil production on the basis of the ESCP - to the creation of control algorithms of oil producing well. The structure of the control system, control tasks and the results of computer simulation of the proposed algorithms of control are presented. Key words: oil well, automation, ESCP, control algorithm.

В настоящее время темпы повышения объемов добычи нефти, а также понятное желание нефтяных компаний снижать себестоимость добычи приводят к необходимости создания так называемых «интеллектуальных» скважин. «Интеллектуальной» скважиной обычно называют комплекс наземного и подземного оборудования, включающий в себя, как правило, станцию управления работой насосной установки с преобразователем частоты (ПЧ) и телеметрической системой (ТС). Контроллер станции управления должен на основе получаемой информации по специальному алгоритму управлять работой насосной установки с целью обеспечения заданного режима работы, например, поддержания дебита скважины.

На первом этапе исследований был определен перечень объектов НС, моделирование которых

является необходимым с точки зрения синтеза алгоритмов управления. В общем случае к данным объектам относятся: объект управления, исполнительные механизмы, измерительная система. Для выделения указанных объектов в рамках НС была проанализирована ее обобщенная структура, включающая в себя следующие основные подсистемы (рис. 1):

1. Скважинная система (СС) - система резервуаров, в которых располагается добываемая жидкость: а) зона дренирования скважины (ЗДС) - область продуктивного пласта, на которую оказывает влияние данная скважина; б) обсадная колонна (ОК) - колонна труб, связанная с ЗДС перфорационными отверстиями, обеспечивает предварительное накопление добываемой жидкости; в) насосно-компрессорные трубы (НКТ) - колонна труб, рас-

Electrical facilities and systems —

положенная в ОК, обеспечивает перемещение добываемой жидкости на поверхность.

2. Жидкость в скважинной системе (ЖСС) -многофазная смесь (нефть, вода, газ, песок и др.), распределена по резервуарам СС: а) жидкость в ЗДС; б) жидкость в ОК; в) жидкость в НКТ.

3. Установка электроцентробежного насоса (УЭЦН): а) центробежный насос (ЦН) - обеспечивает перекачивание добываемой жидкости из ОК в НКТ и далее на поверхность; б) погружной электродвигатель (ПЭД) - обеспечивает вращение вала ЦН.

4. Станция управления погружным электродвигателем (СУ ПЭД): 3-фазная сеть, преобразователь частоты, повышающий трансформатор, контроллер.

5. Телеметрическая система (ТС) - обеспечивает измерение, сбор, обработку и передачу информации о параметрах объектов скважинной системы, включает в себя: а) термоманометрическую систему (ТМС) погружной телеметрии; б) наземную измерительную систему.

Рис. 1. Структура нефтедобывающей скважины

На основе анализа структуры НС определена обобщенная структура САУ НС, включающая в себя (рис. 2): объект управления - жидкость в ОК, НКТ,

ЗДС; исполнительный механизм - ПЭД и ЦН; измерительная система (ИС); преобразователь частоты (ПЧ); система принятия решения - контроллер.

Исполнительный механизм

ПЭД

ИС

ЗДС

Рис. 2. Обобщенная структура САУ НС

Анализ указанных подсистем показывает, что в качестве собственно объекта управления в НС выступает система жидкостей, в качестве исполнительного механизма, непосредственно воздействующего на объект управления, выступает УЭЦН.

С точки зрения задачи синтеза алгоритмов управления эти подсистемы целесообразно объединить в единое понятие - объект управления. В результате искомая структура модели НС как объекта управления принимает вид, представленный на рис. 3.

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 9, 2013 = - 19

Модель НСХ = Р

и

3

Модель УЭЦН

Хусм — Ргс//

Модель Модель

ПЭД Л—N ЦН

Г"*

Р-Л

Модель системы жидкостей

Модель жидкости в НКТ

Модель жидкости вОК

С

Модель жидкости в ЗДС

=}

Рис. 3. Структура динамической модели НС как объекта управления

Вывод системы уравнений динамической модели НС представлен в предыдущих статьях [1, 2].

На втором этапе исследований были рассмотрены алгоритмы управления работой НС на основе П- и ПИ-регуляторов. Были выделены две задачи управления:

1) поддержание заданного дебита Qтр;

2) достижение максимального КПД п центробежного насоса при изменении параметров жидкости.

На рис. 4 представлены графики моделирования алгоритмов управления на основе П- и ПИ-регуляторов. ПИ-регулятор обеспечивает менее длительное время переходного процесса.

а) П-регулятор б) ПИ-регулятор

Рис. 4. Графики моделирования алгоритмов управления

В результате проведенных исследований предложены алгоритмы управления нефтедобывающей скважины на базе УЭЦН как объекта управления. Адекватность предложенных алгоритмов подтверждается результатами проведенных вычислительных экспериментов.

Список литературы: 1. Нугаев И.Ф. Комплекс математических мо-

делей для решения задач синтеза алгоритмов управления процессами в нефтедобывающих скважинах [Текст] / И.Ф. Нугаев, Р.В. Искужин // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2012. - № 7. - С. 36-44.

2. Нугаев И.Ф. Динамическая модель нефтедобывающей скважины на базе УЭЦН как объекта управления [Текст] / И.Ф. Нугаев, Р.В. Искужин // Нефтегазовое дело. - 2012. - № 5. - 31-46.