Принцип поддержания уровня жидкости в скважине

УДК 62-83

ПРИНЦИП ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

В СКВАЖИНЕ

Р.Т. АХМЕТГАРЯЕВ, Н.К. АНДРЕЕВ Казанский государственный энергетический университет

В статье рассматривается алгоритм работы и настройки параметров системы управления штанговым глубинным насосом для поддержания постоянного динамического уровня жидкости в скважине без использования датчиков. В установке используется асинхронный электропривод с частотным регулированием скорости на основе технологии прямого управления моментом. По результатам использования алгоритма на 11 скважинах достигнуто значительное увеличение дебита скважин и снижение удельного расхода электроэнергии.

Ключевые слова: добыча нефти, штанговый глубинный насос, асинхронный электропривод, частотное регулирование скорости, прямое управление моментом.

Введение

При участии одного из авторов статьи в компании ЗАО «ЭСТ Энергосервис» была разработана станция управления (СУ) штанговыми глубинными насосами «НКУ «СРН-1-ПЧ-К-ХХ». В системе управления используется преобразователь частоты фирмы АВВ, работающий в режиме прямого управления вращающим моментом (ПУМ) двигателя. Технология ПУМ учитывает особенности работы скважин в условиях наличия газа в скважинной жидкости и влияния соседних скважин. В этих условиях электроприводы функционируют при наличии резкопеременной нагрузки. Технология ПУМ позволяет быстро реагировать на изменение нагрузки и плавно регулировать скорость двигателя. Система управления снабжена специализированным программным обеспечением, учитывающим особенности режимов работы ШГН.

В опыте эксплуатации скважин сложились два режима работы: периодический режим включения-выключения - режим включения по мере наполнения скважины и режим непрерывной работы с поддержанием постоянного динамического уровня жидкости в скважине. Наличие частотного регулирования скорости позволяет перевести скважины из периодического фонда в фонд постоянной эксплуатации. Поддержание постоянного оптимального динамического уровня позволяет повысить дебит скважины.

В статье описывается методика настройки системы для регулирования динамического уровня жидкости в скважине штанговых глубинных насосов (ШГН).

Основная часть

Было установлено, что по мере откачивания уровня жидкости в скважине энергия на откачивание увеличивается. Однако при приближении уровня жидкости к уровню подвеса насоса энергия уменьшается, т. к. увеличивается содержание газа в жидкости. Таким образом, существует зависимость энергии от уровня жидкости в устье скважины. Следовательно, есть возможность регулировать скорость асинхронного двигателя в зависимости от уровня жидкости в скважине. Энергия зависит также от скорости откачивания: чем выше скорость, тем больше потребляется энергии. © Р. Т. Ахметгаряев, Н.К. Андреев Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

Итак, для регулирования скорости качания скважины необходима настройка на желаемый уровень, который сообщает технолог, в чьем ведении находится скважина. Обычно это 100-200 метров над уровнем подвеса глубинного насоса.

В настоящее время программное обеспечение позволяет проводить автоматическую настройку. При настройке первоначально вводятся следующие параметры:

диапазон регулирования:

максимальное допустимое число качаний, ход/мин, Nm

max '

• минимальное допустимое число качаний, ход/мин, Nmjn;

Для преобразования скорости двигателя, об/мин, в число качаний, ход/мин, используются следующие параметры, по которым определяется общий передаточный коэффициент (ОПК), Z:

• диаметр шкива двигателя, мм, d^^;

• диаметр шкива редуктора, мм, d^ ;

• передаточное число редуктора, о.е., zp;

^'шр

2 = Л **.

"шдв

Затем запускается режим автоматической настройки, при котором совершается 6 качаний на минимальной допустимой скорости и 6 качаний на скорости, близкой к максимальной скорости:

Мин. допустимая скорость = максимальная скорость • (100-15)/100.

Эмпирический «регуляризующий» коэффициент а = 15/100 вводится для того, чтобы учесть приближенный, оценочный, характер параметров, используемых для расчетов, и сохранить устойчивость расчетных процедур к погрешностям определения параметров.По ходу автоматической настройки определяются такие параметры, как:

• максимальная энергия при максимальной скорости, Ж (кВт-с);

• максимальная энергия при минимальной скорости; м> (кВт-с);

• коэффициент зависимости энергии от скорости к по формуле:

* =_^_.

—шах(1 а) —шт

С помощью этих данных, по формуле (3), можно получить расчетную энергию Е для текущей скорости при полном насосе:

Ерасч = ™ + к

Далее настраивается следующий параметр:

• допустимая незаполняемость насоса, у, (о.е).

Этот параметр необходим для расчета и сравнения текущей энергии с расчетной энергией для полного насоса с поправкой на процент допустимой незаполняемости насоса:

Ерасч

Здесь текущая энергия складывается из энергии при движении штока вниз и

вверх:

21

Етек = МРном )100,

0

где ^ М — сумма моментов за один цикл, в процентном соотношении, %. Значения моментов М считываются каждые 10 микросекунд; -^ом - номинальная мощность

двигателя; I — длина хода.

Алгоритм регулирования скорости качания (ход/мин) сводится к следующим шагам. Вводится счетчик количества полных ходов штока (вверх — вниз). Затем вычисляется разность текущего значения энергии и расчетного значения, смоделированного для текущей скорости. Если текущая энергия больше, чем расчетная с поправкой на коэффициент у, то значение пошагового счетчика изменится на -1, если меньше, то на +1. Для определения пределов регулирования вводится предельное значение счетчика («Предел счетчика»). Когда значение счетчика достигает значения, равного заданному в параметре «Предел счетчика», скорость качания увеличивается (при отрицательном значении счетчика), либо уменьшается (при положительном значении счетчика) на значение, указанное в параметре «Изменение скорости 1».

В процессе добычи возможна ситуация, когда вдруг из пласта идет выброс газа через насос. В этом случае потребление энергии электроприводом насоса резко уменьшается. Для учета содержания газа вводится также параметр «Коэффициент газосодержания» У2, необходимый для расчета энергии, при которой будет срабатывать защита по газу:

Ерасч С1 2 )><Етек.

В данном случае, при резком снижении текущей энергии, скорость качания изменится на значение, указанное в параметре «Изменение скорости 2».

Сводные данные показателей работы скважин в ЦДНГ-1,2 НГДУ «Бавлынефть» и в ЦДНГ-4 НГДУ «Джалильнефть», предоставленные главными технологами этих цехов, до и после внедрения СУ «НКУ «СРН-1-ПЧ-К-ХХ» приведены в таблице.

Таблица

Сводные данные показателей работы скважин в НГДУ «Бавлынефть» и в НГДУ «Джалильнефть» до и после внедрения СУ «НКУ «СРН-1-ПЧ-К-ХХ»

Наименование

параметров\ 779 302д 1208 1142 1231 34П 4761 4763Г 23097 23098

Номера скважин

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Средние значения

дебита жидкости до внедрения СУ, 1,36 0,54 1,1 1 1,06 2,64 2,34 2,02 2,2 1,1

м3/сут7

Средние значения

дебита жидкости после внедрения 1,77 1,48 1,76 2,08 1,30 2,70 2,83 2,62 3,5 2,4

СУ, м3/сут

Изменение дебита жидкости, м3/сут 0,41 0,94 0,67 1,08 0,24 0,05 0,49 0,6 1,5 1,3

Средние значения

дебита нефти до 0,86 0,17 0,92 0,84 0,77 1,04 1,45 1,29 1,8 0,9

внедрения СУ, т/сут

Средние значения

дебита нефти после 1,29 1,20 1,35 1,49 1,09 2,26 2,23 2 2,9 2

внедрения СУ, т/сут

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Изменение дебита нефти, т/сут 0,43 1,03 0,43 0,61 0,32 1,22 0,78 0,71 1,1 1,1

Средние значения обводненности до внедрения СУ, % 26,8 51,4 6,3 7,3 18 54,8 31,7 29 2 3

Средние значения обводненности после внедрения СУ, % 20,9 13 14,6 21,1 6,9 6,8 13,3 15,7 3,5 2

Изменение обводненности, % -22 -75 130 190 -62 -88 -58 -46 75 -33

Средние значения расхода электроэнергии до внедрения СУ, кВт-час/сут 50,3 75,1 37,2 45 31,5 48,2 38,1 32,2 152,59 50,8

Средние значения расхода электроэнергии после внедрения СУ, кВт-час/сут 51,1 69,1 31,4 41,6 34,1 44,7 45,1 37,7 157,5 48,4

Изменение расхода электроэнергии, кВт-час/сут 0,8 -6 -5,8 -3,4 2,6 -3,5 7 5 4,91 -2,4

Средние значения удельного потребления электроэнергии до внедрения СУ, кВт-час/сут 58,2 77,8 40,3 53,4 40,9 46,5 26,3 24,9 69,35 36,2

Средние значения удельного потребления электроэнергии после внедрения СУ, кВт-час/сут 39,5 57,7 23,3 28 31,4 19,8 20,2 18,9 45 20,167

Изменение удельного потребления электроэнергии, кВт-час/сут -18,6 -20,1 -17 -25,4 -9,5 -26,7 -6,1 -6 -24,35 -16,033

Обсуждение полученных результатов

В таблице приводятся сравнительные данные, до и после внедрения системы управления, по средним суточным значениям дебита жидкости, дебита нефти, средним значениям содержания воды в скважинной жидкости, средним суточным значениям расхода электроэнергии и удельному (в расчете на добычу одной тонны нефти) расходу электроэнергии, разности этих величин. © Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

Как видно из таблицы, получены положительные результаты по повышению добычи и качества нефти.

Дебит жидкости повысился на скважинах в диапазоне от 0,05 до 1,5 т/сутки. Дебит нефти повысился в диапазоне от 0,19 до 1,1 т/сутки.

Содержание воды в скважинной жидкости уменьшилось в восьми скважинах на 1-48%. В трех скважинах содержание воды, к сожалению, выросло на 1,5; 8,3 и 13,8 %. Хотя, скорее всего, это связано с внутрипластовыми процессами, а не с регулированием уровня жидкости. Тем не менее, содержание воды в скважинной нефти в среднем по 11 скважинам уменьшилось на 4,15 %.

Средние значения расхода электроэнергии на 6 скважинах уменьшились в диапазоне от 2,4 до 7%, а на других пяти скважинах выросли в диапазоне от 0,8 до 7 %. Казалось бы, что улучшения нет. Однако, рассмотрение удельного расхода электроэнергии показало, что за счет увеличения дебита нефти, во всех случаях удельный расход электроэнергии сократился в диапазоне от 6 до 26,7 %. Среднее значение сокращения удельного расхода электроэнергии по 11 исследованным скважинам составило 15,64%.

Выводы

Таким образом, использование алгоритма работы и настройки параметров системы управления штанговым глубинным насосом для поддержания постоянного динамического уровня жидкости в скважине без использования датчиков на 11 скважинах в районах нефтедобычи привело к улучшению технико-экономических показателей нефтедобычи и снижению удельного расхода электроэнергии.

Summary

In the article the algorithm of operation and control of parametrs of rod pump control system to keeping a constant dynamic fluid level without the use of sensors. The control system consists of asynchronous motor with frequency speed control based on the technology of direct torque control.The results of using the described algorithm show growth of the oil production with simultaneous reduction of the specific consumption of energy.

Keywords: extractionofoil, rodpump,asynchronousdrive, frequency speed control, direct torque control.

Литература

1. M. Aaltontn, P. Tiitinen, J. Laku. S. Heikkilla Direct Torque Control of AC motor drives. // ABB Review. 1995. №3. pp. 19-24.

2. Vas P. Sensorless Vector and Torque Control./ Oxford: Oxford University Press, 1998.

3. А.Е. Козярук, В.В. Рудаков. Прямое управление моментом в электроприводе переменного тока машин и механизмов горного производства: Учебное пособие / СПб: Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), 2008.

Поступила в редакцию 23 ноября 2012 г.

Ахметгаряев Рамиль Танзилович - главный инженер ЗАО «ЭСТ Энергосервис», г. Набережные Челны, аспирант КГЭУ. Тел: 8-917-2783636. E-mail: akhramil@yandex.ru.

Андреев Николай Кузьмич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-19, 8 (906) 3207341. E-mail: ngeikandreev@gmail.com.