СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСНОГО АГРЕГАТА В ПРОЦЕССЕ ЗАКАЧКИ ЖИДКОСТИ В ПЛАСТ
METHOD OF OPERATING PUMP UNIT IN INJECTION OF FLUID INTO FORMATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам заводнения пластов и поддержания пластового давления, и может быть использовано при эксплуатации гидромашин, в частности электроцентробежных насосов системы поддержания пластового давления (ППД).
Современная система ППД является сложным инженерным сооружением, которое характеризуется значительной мощностью насосных агрегатов (НА), которые работают в различных режимах на трубопроводные сети с изменяющимися параметрами (отключение и подключение скважин различной приемистости в различных комбинациях, изменяющиеся приемистости скважин) с различной, в том числе и агрессивной, жидкостью, имеющей переменную плотность, таким образом, контроль текущего состояния НА необходим для обеспечения эффективности работы системы ППД в целом.
Известен способ эксплуатации автоматизированной кустовой насосной станции (КНС) (Исаакович Р.Я., Попадько В.Е. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа, М.: «Недра». - 1985. - 290-293 с.), заключающийся в осуществлении измерения и контроля параметров давления на насосной станции, управлении электроприводами насосной станции и защиты по аварийному параметру.
Недостатком является необходимость присутствия обслуживающего персонала на КНС для снятия рабочих параметров насосов, сложность, трудоемкость, большие погрешности измерений параметров НА из-за большого периода времени между замерами.
Также известен «Способ испытания насосных агрегатов и насосных установок» (А.с. СССР №1634824, F04B 51/00, опубл. 15.03.1991 г. Бюл. №10), заключающийся в том, что после междиагностического периода строят напорную и энергетические характеристики НА на основе измерения производительности, напора и потребляемой мощности, соответствующих каждому режиму испытания, многократно изменяют режимы испытания.
Недостатком известного способа является необходимость вывода насоса из рабочего режима через определенные междиагностические периоды независимо от его работоспособности, многократные изменения режимов работы насоса на время испытаний, невозможность определения сроков очередного испытания насоса, что может привести к неэффективной эксплуатации насоса или избыточности испытаний и, как следствие, к большим непроизводственным материальным затратам.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу эксплуатации насоса в процессе закачки жидкости в пласт является «Способ непрерывного измерения и анализа в реальном масштабе времени коэффициента полезного действия насосов в насосно-трубопроводном комплексе магистрального нефтепровода» (RU №2277186, F04D 15/00, опубл. 27.05.2006, Бюл. №15), заключающийся в том, что текущие значения давлений на входе и выходе каждого НА и активной электрической мощности их приводных электродвигателей подают по системе телемеханики на диспетчерский пункт системы нефтепровода. С помощью датчиков давления измеряется давление на входе каждого насоса. Счетчиками электрической мощности - значение потребляемой активной электрической мощности с указанием номера работающего НА, выходы с которых поданы через систему телемеханики на диспетчерский пульт, где по ним вычисляют по каждому НА мощность, действующую на валу насоса, давления, создаваемые каждым насосом, расходный коэффициент НА, эксплуатационный коэффициент НА, характеризующий отклонение действительной рабочей характеристики от номинальной, и объемный расход жидкости, создаваемый насосом. По среднему значению расхода анализируют полученные суточные данные для выявления непрерывного стационарного режима работы НА по расходу в течение не менее четырех часов при колебании расхода в пределах трех процентов от среднего значения и по ним вычисляют средние базовое и текущее значения коэффициента полезного действия (КПД) насоса и сравнивают текущие значения с базовыми. Полученные текущие значения поступают для хранения в ЭВМ, по которым ведется непрерывный анализ состояния комплекса, для чего строят графики значений расхода и КПД при текущем режиме работы НА по всем насосным станциям за контролируемый отрезок времени. Данные сравнивают с предыдущими значениями, находящимися в памяти ЭВМ, как по каждому НА, так и по смежным насосным станциям, и, если эти значения у какого-либо НА, работающего в номинальном режиме, меньше базовых значений, то принимается решение о переключении работающего НА на другой с дальнейшим его осмотром и ремонтом.
Недостатком данного способа является определение расхода расчетным путем и невозможность контроля достоверности показаний датчиков, что приводит к неустойчивости в определении технического состояния НА в условиях постоянно меняющихся режимов работы НА, невозможность анализа влияния различных факторов на техническое состояние НА. В случае недостоверных показаний датчиков ошибка в определении напора, расхода и КПД будет существенной, что может приводить к избыточности осмотров НА, его неэффективной эксплуатации и большим непроизводственным материальным затратам.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей эксплуатации НА за счет обеспечения постоянного контроля достоверности показаний приборов измерения давления, расхода, температуры, плотности, вязкости перекачиваемой жидкости в процессе эксплуатации насосного агрегата, потребляемой мощности и определения текущего КПД в том числе и при постоянно меняющихся режимах работы НА и, как результат, своевременная реакция на изменившиеся условия и эффективная эксплуатация насосного агрегата.
Поставленная техническая задача решается предлагаемым способом эксплуатации насосного агрегата, включающим контроль датчиками параметров: расход перекачиваемой жидкости, перепад давлений на входе и выходе насоса, потребляемая мощность насосного агрегата; определение коэффициента полезного действия насосного агрегата, исходя из контролируемых параметров, регулирование режима работы насосного агрегата в пределах допустимой рабочей зоны; проведение осмотра и ремонта насосного агрегата при снижении коэффициента полезного действия ниже заданного критического значения.
Новым является то, что датчиками дополнительно контролируют параметры: частоту вращения вала насоса, плотность, вязкость и температуру перекачиваемой через насосный агрегат жидкости, определяют напор, создаваемый насосным агрегатом, исходя из перепада давлений и плотности жидкости, расход насосного агрегата - с учетом температуры и вязкости жидкости, а коэффициент полезного действия - с учетом вязкости жидкости, при этом все усредненные в период заданного временного интервала параметры контролируют одновременно в режиме реального времени, при несогласованном с другими параметрами выходе значений одного из параметров в этот период за пределы определенных допустимых значений, рассчитанных с учетом снижения напора и коэффициента полезного действия насосного агрегата в процессе эксплуатации, для данного параметра производят осмотр и/или ремонт датчика, измеряющего данный параметр, а осмотр и ремонт насосного агрегата производят при согласованном выходе значений измеряемых параметров за пределы критических.
На Фиг.1 изображена напорная характеристика на примере насоса ЦНС 63-1400 (зависимость напора от расхода), полученная при первой диагностике насосного агрегата после установки его на КНС.
На Фиг.2 изображена энергетическая характеристика (зависимость потребляемой из сети мощности от расхода) на примере насоса ЦНС 63-1400, полученная при первой диагностике насосного агрегата после установки его на КНС.
На Фиг.3 изображена зависимость КПД от расхода на примере насоса ЦНС 63-1400, полученная при первой диагностике насосного агрегата после установки его на КНС.
На Фиг.4 изображены зависимости напора и расхода от потребляемой мощности на примере насоса ЦНС 63-1400, полученные при первой диагностике насосного агрегата после установки его на КНС.
На Фиг.5 изображен график изменения КПД во времени для общего случая насосов ЦНС.
На Фиг.6 изображены зависимости текущего, начального и критического значений КПД от расхода на примере насоса ЦНС 63-1400.
Способ эксплуатации насосного агрегата осуществляется следующим образом.
На пульт управления (ПУ) (например, стандартный компьютер, цифровая станция и т.п.) диспетчерского пункта заносятся допустимые отклонения текущих расхода, напора, потребляемой мощности и критические значения напора, расхода и КПД. Допустимые отклонения текущих значений определяют из конкретных условий эксплуатации НА, пульсации давления, неравномерности подачи жидкости на вход НА, скачков напряжения в сети и т.д. Критические значения параметров определяют из технической документации НА, требований ГОСТ, правил безопасности и т.д. с учетом экономической эффективности эксплуатации НА.
0
0
0
При первом пуске насоса или при его пуске в эксплуатацию после капитального ремонта проводят полную диагностику насосного агрегата, измеряют текущие расход, давление на входе и выходе насоса и текущую потребляемую насосным агрегатом мощность при различных расходах, текущую плотность, температуру и вязкость закачиваемой жидкости (в качестве текущих значений принимают усредненные за некоторый промежуток времени (например, 5-10 минут) мгновенные значения измеряемых параметров), полученные данные передают при помощи системы телемеханики на ПУ диспетчерского пункта, который обрабатывает полученные данные, строит напорную и энергетические характеристики насоса, аппроксимирует эти характеристики в начальные аналитические зависимости H=f(Q) (Фиг.1), N=f(Q) (Фиг.2), η=f(Q) (Фиг.3) при помощи полиномов третьей степени:
где i=0, 1, 2, … - моменты времени, при которых выполняют построения;
i
Q - текущий расход (значения расхода в рабочем интервале насоса в момент времени i);
i
i
H - значения напора в зависимости от расхода Q;
i
i
N - значения мощности в зависимости от расхода Q;
i
i
η - значения КПД насоса в зависимости от расхода Q;
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
a, a, a, a, b, b, b, b, c, c, c, c - коэффициенты аппроксимации, численные значения которых зависят от насосного агрегата и трубопроводной сети, они определяются экспериментально во время полной диагностики насоса.
При постоянной частоте вращения и увеличении (уменьшении) вязкости кривая H(Q) снижается (растет), поэтому в случае изменения вязкости необходимо учитывать, что:
v
где Q - расход при увеличении (уменьшении) вязкости;
чв
Q - расход при вязкости чистой воды;
чв
Н - напор при вязкости чистой воды;
v
H - напор при увеличении (уменьшении) вязкости, который находится как:
где k - коэффициент пропорциональности, k=f(Re) (Re - число Рейнольдса).
Дополнительно строят зависимости напора и расхода от потребляемой мощности: H=f(N) и Q=f(N), которые совмещают на одном графике (Фиг.4).
Получение начальных напорной и энергетических характеристик проводят при первом пуске насосного агрегата или при его пуске в работу после капитального ремонта. Начальные характеристики необходимы для определения критических значений параметров насосного агрегата, при достижении которых дальнейшая эксплуатация НА становится экономически не целесообразной.
Далее насос пускают в работу в соответствии с рабочим заданием на перекачку и измеряют текущие значения плотности, температуры, вязкости перекачиваемой жидкости, потребляемой мощности, давлений на входе и выходе НА. На основе измеряемых значений создают базу данных рабочих параметров НА. В дальнейшем при помощи базы данных можно анализировать влияние различных факторов и режимов работы НА на техническое состояние НА с целью минимизации влияния негативных факторов на рабочее состояние НА, оптимизации режимов работы НА.
Одной из особенностей эксплуатации насосных агрегатов в системе ППД является то, что часть датчиков контроля параметров насосного агрегата (датчики давления, врезные расходомеры, датчики температуры, плотности) находятся под непрерывным воздействием неблагоприятных для стабильной работы этих датчиков факторов: агрессивная коррозионно-активная перекачиваемая среда и наличие в ней твердых взвешенных частиц, скачки давления, залповые сбросы с очистных сооружений, меняющих плотность и вязкость перекачиваемой жидкости, работа НА в различных режимах на трубопроводные сети с изменяющимися параметрами (отключение и подключение скважин различной приемистости в различных комбинациях, изменяющиеся приемистости скважин). Комбинация этих факторов может приводить к неисправностям (засорениям) датчиков и недостоверным показаниям. При этом все контролируемые параметры насоса взаимосвязаны и недостоверность одного параметра может приводить к существенным ошибкам в определении общего состояния НА. Таким образом, из множества контролируемых параметров НА необходимо выбрать такой параметр, измерение которого имеет хорошую точность, в наименьшей степени подвержено влиянию неблагоприятных факторов, и при этом сам параметр имеет взаимосвязь с параметрами, подверженными воздействию таких факторов. В случае эксплуатации НА системы ППД в качестве контрольного параметра принимаем потребляемую из сети мощность, поскольку счетчики электрической энергии не подвержены воздействию неблагоприятных факторов, обладают хорошей точностью измерений, имеют значительный рабочий ресурс. При этом измеряемая потребляемая из сети мощность имеет взаимосвязь с измеряемым расходом и вычисляемым напором, являющимися основными параметрами при определении КПД НА. Кроме того, электродвигатели НА обладают стабильными характеристиками, большим рабочим ресурсом и высоким КПД, причем КПД во времени меняется незначительно, поэтому вкладом падения КПД электродвигателя в падение КПД НА за период работы НА до капитального ремонта можно пренебречь.
i
i
i
i
i
i.вх
i.вых
i
По системе телемеханики текущие значения потребляемой мощности (N), расхода (Q), плотности перекачиваемой жидкости (ρ), вязкости (ν), температуры (T), давления на входе (P) и выходе (P) насоса передаются в ПУ диспетчерского пункта, где производятся вычисления текущего значения напора (H).
Текущий напор, развиваемый насосом, вычисляют по измеряемым давлениям на входе и выходе насоса с учетом текущей плотности:
i
где H - текущий напор, развиваемый насосом, м;
i.вых
i.вх
P, P - показания приборов измерения давления жидкости соответственно на выходе и входе насоса, Па;
i
3
ρ - текущая плотность перекачиваемой жидкости, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
вых
вх
u, u - скорость жидкости на выходе и входе насоса, м/с;
вых
вх
(z-z) - разность геодезических высот выхода и входа насоса, м.
вых
вх
вых
вх
Для насосов системы ППД u≈u, z=z.
Вычисленный текущий напор и измеренный текущий расход соотносят с текущей потребляемой мощностью для текущей температуры, плотности и вязкости жидкости (Фиг.4). В случае изменения одного или нескольких из этих параметров проводится соответствующая аналитическая корректировка взаимосвязанных параметров, а с ПУ диспетчерского пункта проводится соответствующая корректировка режима работы НА для выполнения задания на закачку.
Здесь следует отметить, что после пуска НА в эксплуатацию напор, расход насоса постепенно снижаются. Скорость снижения зависит от многих факторов (режимов работы НА, перекачиваемой среды, своевременного обслуживания и т.д.), что в свою очередь приводит к снижению общего КПД НА. Общий вид варианта линейного снижения КПД представлен на Фиг.5. Снижение КПД может происходить и по более сложным законам.
i
i
i
i
Далее в процессе работы НА рассчитанное значение текущего напора и измеренное значение текущего расхода соотносят с измеряемой текущей потребляемой из сети мощностью (Фиг.4) для текущих температуры, плотности и вязкости перекачиваемой жидкости. Здесь под текущими значениями измеряемых параметров (давление, расход, мощность и т.д.) понимают усредненные за некоторый промежуток времени (например, 5-10 минут) мгновенные значения. Поскольку временной интервал наблюдения небольшой, снижением текущего напора (H) и текущего КПД (η) за этот промежуток времени в пределах допустимого изменения значений параметров можно пренебречь, т.е. dH/dt→0 и dη/dt→0. Если соотнесенные текущие величины расхода и напора соответствуют текущей потребляемой мощности при текущей температуре, вязкости и плотности жидкости в пределах допустимого диапазона возможного изменения параметров (например, 1-2%, определяется из условий эксплуатации НА) (пульсация давления, плотности, неравномерность расхода, колебания температуры, вязкости, скачки напряжения и т.д.), то, следовательно, датчики измерения параметров находятся в исправном состоянии (Фиг.4). В случае несоответствия соотнесенных значений напора и/или расхода текущей потребляемой мощности при текущих значениях температуры, вязкости, плотности (значения выпадают за рамки допустимого диапазона), или в случае быстрого изменения текущего напора (при этом показания датчиков давления на входе и выходе насоса контролируются раздельно и сравниваются с предыдущими показаниями этих датчиков для локализации причины быстрого изменения текущего напора) и/или расхода относительно значений предыдущих измерений (например, более 5% за наблюдаемый промежуток усреднения, пороговое значение определяется из условий эксплуатации) при неизменных температуре, вязкости, плотности перекачиваемой жидкости и потребляемой мощности, или при несогласованном изменении одного из параметров относительно изменения других взаимосвязанных с ним контролируемых параметров, проводят проверку измерительной системы.
i.п
i.н
p
После проверки соответствия расхода-напора текущей потребляемой мощности вычисляют текущее значение полезной мощности (N) и текущего значения КПД насоса (η). Также учитывают общее время работы (моточасы) насоса (t).
Текущую полезную мощность насоса (полную механическую энергию, получаемую потоком жидкости в единицу времени) вычисляют по формуле:
i.п
где N - полезная мощность, развиваемая насосом, кВт;
i
3
ρ - текущая плотность перекачиваемой жидкости, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
i
H - текущий напор, развиваемый насосом, полученный по формуле (2), м;
i
3
Q - текущий расход насоса, м/с;
1000 - переводной коэффициент.
Текущее значение КПД насоса определяют по формуле:
i
где η - текущее значение КПД насоса;
i.п
N - текущая полезная мощность, развиваемая насосом, кВт, полученная по формуле (7);
i
N - текущая мощность, потребляемая электродвигателем, кВт;
э
η - КПД электродвигателя.
i
i
0
крит
Все измеренные и рассчитанные параметры НА заносят в память компьютера и формируют базу данных рабочего состояния НА. Рассчитанные значения текущего КПД насоса (η) для текущего расхода (Q) при текущей плотности, температуре и вязкости перекачиваемой жидкости сравнивают со значениями начальной аналитической зависимости КПД насоса для текущего значения расхода (η=f(Q)) (Фиг.6). При достижении значения текущего вычисленного КПД заданного критического значения η=(Q) (Фиг.6) насос подвергают полной диагностике и принимают решение о выводе НА в капитальной ремонт. В процессе работы НА через некоторые промежутки времени Δt (например, 200-300 часов - определяют исходя из рабочих режимов насоса: коэффициента эксплуатации насоса, объемов перекачиваемой жидкости, необходимого напора, качества перекачиваемой жидкости, допустимого диапазона изменения параметров и т.д.) на основе базы данных, находящейся в памяти компьютера, формируют новые аналитические напорные и энергетические зависимости для изменившихся в процессе эксплуатации НА напора, расхода, КПД, корректируют зависимость напора-расхода от потребляемой мощности, в случае необходимости с ПУ диспетчерского пункта корректируют режим работы НА, и продолжают анализ состояния НА на основе новых зависимостей с учетом текущих плотности, температуры и вязкости перекачиваемой жидкости.
Рассмотрим способ эксплуатации насосного агрегата в процессе закачки жидкости в пласт на примере наблюдения за состоянием НА ЦНС 63-1400, установленного на КНС 109 НГДУ «Джалильнефть».
Начальная напорная характеристика этого НА (в начальный момент времени i=0) представлена на Фиг.1, энергетическая характеристика - на Фиг.2, КПД - на Фиг.3. Также были получены следующие начальные аналитические зависимости по формулам (1)-(3):
0
где H - начальная напорная характеристика;
Q - расход в рабочем интервале насоса;
0
N - начальная мощность, потребляемая из сети;
0
η - начальное КПД насоса.
крит
0
крит
0
Для текущего расхода критическое значение напора H≈0,9H (Фиг.1), критическое значение КПД η≈0,92η (Фиг.6). Зависимость напора-расхода от текущей потребляемой мощности, а также диапазон допустимых изменений рабочих параметров представлены на Фиг.4. Затем насос был пущен в эксплуатацию. В таблице представлен мониторинг рабочих параметров НА ЦНС 63-1400 в процессе эксплуатации.
Температура, плотность и вязкость перекачиваемой жидкости изменялись в переделах погрешностей измерения и при расчетах не учитывались.
В каждой строке представлен режим работы насоса за 240 часов. Напор, потребляемая мощность и КПД брались на конец периода времени. Как видно из таблицы, в строках 1-2 насос работал в пределах допустимых диапазонов изменения параметров. Во второй строке был увеличен расход насоса, и, соответственно, изменены допустимые диапазоны изменения параметров и критические значения для напора и КПД. При этом среднее значение падения КПД составило 0,01% сутки, для 3 строки были определены новые зависимости расхода-напора от потребляемой мощности и пересчитаны допустимые диапазоны изменения значений параметров для учета снижения напора и КПД. В четвертой строке через 130 часов после окончания предыдущего наблюдения напор насоса значительно снизился. Текущие значения напора и КПД приблизились к своим критическим значениям, что подразумевает принятие решения о выводе насоса в капитальный ремонт с учетом технико-экономического расчета. Однако при этом значения потребляемой мощности и расхода насоса, а также плотности, температуры и вязкости перекачиваемой жидкости остались в пределах допустимых диапазонов, соответствующих напору 1508 метров. Таким образом, произошло несогласованное с другими параметрами (потребляемая мощность, расход, плотность, вязкость, температура) изменение значения напора. Были проведены проверка и очистка засорившегося датчика давления на выходе и показания вернулись в заданный диапазон.
Таким образом, предложенный способ эксплуатации насосного агрегата в процессе закачки жидкости в пласт для рассмотренного насоса позволяет своевременно определять недостоверные показания датчиков, оперативно реагировать на изменившиеся условия эксплуатации насосного агрегата и сократить расходы на его полную диагностику.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа эксплуатации насосного агрегата в процессе закачки жидкости в пласт достигается путем расширения функциональных возможностей эксплуатации НА за счет обеспечения постоянного контроля достоверности показаний приборов измерения давления, расхода, температуры, плотности вязкости перекачиваемой жидкости в процессе эксплуатации насосного агрегата, потребляемой мощности и определения текущего КПД, в том числе и при постоянно меняющихся режимах работы НА, возможности проведения анализа влияния различных факторов на технические характеристики НА и минимизации воздействия неблагоприятных факторов на работу НА.
Использование данного предложения позволяет при незначительных дополнительных затратах с помощью существующей системы поддержания пластового давления уменьшить затраты на неэффективную закачку, увеличить эффективность эксплуатации насоса за счет своевременного определения недостоверных значений показаний датчиков и, как результат, сэкономить материальные затраты на поддержание пластового давления.