Способ управления погружным электронасосом при периодической откачке жидкости из скважины
METHOD OF CONTROLLING SUBMERSIBLE ELECTRIC PUMP DURING PERIODIC PUMPING OF WELL LIQUID

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к автоматической периодической откачке жидкости в эксплуатационной скважине.
Известны способы автоматической периодической откачки жидкости в эксплуатационной скважине, основанные, например, на измерении столба жидкости в скважине над электронасосом манометрическим элементом, а передача информации осуществляется широтно-импульсной модуляцией высокочастотного тока измерительного генератора, установленного на поверхности путем изменения сопротивления, подключенного в цепь токоподвода.
Недостаток указанного способа заключается в том, что частоту генератора регулируют и устанавливают на каждой скважине по максимальному изменению тока в зависимости от длины кабеля и параметров сети, причем эта частота меняется в пределах от 6 до 15 кГц. Кроме того, точность измерения давления столба жидкости над электронасосом меняется от плотности, которая зависит от содержания газового фактора, а элементы телеметрической системы ненадежны и сложны по конструкции.
Другим известным способом является модуляция шума в затрубном пространстве эксплуатационной скважины при периодической откачке жидкости погружным электронасосом по насосно-компрессорным трубам [Текст]: / Савиных Ю.А., Семченко П.Т., Бастриков С.Н.; заявитель и патентообладатель Сибирский научно-исследовательский институт нефтяной промышленности. - №5049090; заявл. 24.06.92; опубл. 27.10.96, Бюл. №30 (П.ч.). - 8 с./
Также недостатками данных методов являются их высокая энергоемкость, электро- и пожароопасность, ненадежность и низкая эффективность применяемых технологий.
Наиболее близким способом к технической сущности является способ управления насосом по поглощенной частоте в спектре шума, генерируемым погружным электронасосом, за счет разности скоростей звука в жидкости и в газе. В этом способе предлагается устанавливать попарно акустические четвертьволновые резонаторы на верхнем и нижнем динамическом уровне в затрубном пространстве нефтяной скважины. Патент RU 2479715 Способ контроля динамического уровня жидкости в скважине для управления погружным электронасосом. Авторы: Савиных Ю.А., Музипов X.Н., Дианов И.В., Гербер К. А. /Прототип/.
Недостатком данного способа является необходимость периодического включения, на одну минуту через пятнадцать минут, для генерирования спектра упругих колебаний с целью проверки нахождения акустических датчиков в жидкой среде, что влечет к перерасходу электрической энергии при дополнительном пуске, а также возможность риска срыва работы погружного электронасоса.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности управления и надежности эксплуатации погружным электронасосом при периодической откачке жидкости по насосно-компрессорным трубам.
Технический результат достигается тем, что в предложенном способе используются два четвертьволновых акустических резонатора в качестве датчиков верхнего и нижнего динамического уровня в затрубном пространстве нефтяной скважины.
Сущность способа состоит в обеспечении обнаружения наличия газа над динамическим уровнем жидкости в затрубном пространстве по поглощенной частоте в спектре шума, генерируемым погружным электронасосом и акустическим излучением фильтрационного потока коллектора, за счет разности скоростей звука в жидкости и в газе.
1
Спектр шума генерируют погружным электронасосом, а модуляцию спектра шума осуществляют резонатором, расположенным в нижней точке динамического уровня, при этом резонатор располагают над электронасосом и настраивают на частоту f поглощения звуковых колебаний, генерируемых погружным электронасосом. Поглощенная частота звуковых колебаний, генерируемых погружным электронасосом формирует акустическую метку при нахождении резонатора в жидкости, а когда резонатор находится в воздухе, то акустическая метка становится в виде импульса появившейся частоты. Данный импульс при достижении нижнего динамического уровня формирует сигнал отключения погружного электронасоса.
2
Второй резонатор устанавливают в верхней точке динамического уровня и настраивают на частоту f поглощения звуковых колебаний, генерируемых акустическим излучением фильтрационного потока и перфорационными отверстиями, в виде волновых пауз из затрубного пространства насосно-компрессорных труб, формируют резонатором акустические метки в виде импульсов поглощенной и появившейся частот, определяют по ним динамический уровень жидкости в затрубном пространстве и при динамическом уровне жидкости выше расположения верхнего резонатора осуществляют периодическую откачку жидкости.
Свойство четвертьволнового резонатора - поглощать энергию заданной частоты можно использовать для формирования акустической метки, например, при нахождении резонатора в жидкости, в которой распространяются волны от источника шума, в спектре шума формируется акустическая метка в виде импульса поглощенной частоты, а когда резонатор находится в воздухе, то акустическая метка становится в виде импульса появившейся частоты. Данный импульс при достижении верхнего динамического уровня формирует сигнал включения погружного электронасоса.
1
2
Следовательно, если расположить два четвертьволновых резонатора на насосно-компрессорных трубах (НКТ) на заданном расстоянии друг от друга, условно обозначив один из них как датчик нижнего динамического уровня (НДУ), например, настроенного на частоту поглощения f = 600 Гц, а другой как датчик верхнего динамического уровня (ВДУ), например, настроенного на частоту поглощения f = 900 Гц, то акустические метки, формируемые резонаторами, можно использовать как сигнал для управления погружным электронасосом для автоматической периодической откачки жидкости в эксплуатационной скважине.
Для создания акустической метки для отключения погружного электронасоса источником звука в скважине является погружной электронасос.
Уровень звука погружного электронасоса в потоке транспортируемой жидкости в диапазоне 100-700 Гц составляет 120 дБ [4].
Для создания акустической метки для включения погружного электронасоса источником звука в скважине является акустическое излучение фильтрационного потока с перфорационными отверстиями.
Уровень звука потока транспортируемой жидкости в диапазоне 100-2000 Гц составляет 110 дБ [5].
Исходные данные для расчета геометрических размеров резонаторов и их эффективности:
- внутренний диаметр обсадной трубы - 168 мм;
- внешний диаметр НКТ - 73 мм;
- резонансная частота датчика НДУ - 600 Гц;
- резонансная частота датчика ВДУ - 900 Гц.
Расчетные данные:
- длина резонатора НДУ - 1,88 м;
- длина резонатора ВДУ - 1,25 м;
- уровень поглощения ΔL резонаторами - 31,8 дБ;
с = 300 м/с скорость звука в газе;
с = 1500 м/с скорость звука в жидкости.
Частота подавления шума датчика ВДУ в газовом пространстве составляет  Гц [6]. При погружении датчика ВДУ в жидкость будет происходить подавление частоты  Гц и будет принята полосовым фильтром в качестве инверсного импульса и преобразована в пусковой сигнал электронасоса.
Режим работы насоса поддерживается пусковой аппаратурой - магнитным пускателем до достижения уровня жидкости ниже верхнего динамического уровня (ВДУ).
Частота подавления шума НДУ в жидкости составляет  Гц. Полосовой фильтр настраивается на частоту = 600 Гц. При снижении уровня жидкости ниже динамического уровня НДУ резонатор будет подавлять частоту  Гц, а частота 600 Гц будет принята полосовым фильтром в качестве импульса и преобразована в сигнал останова электронасоса. При повышении уровня жидкости выше расположения датчика НДУ, но ниже датчика ВДУ запрет на запуск обеспечивает пусковая аппаратура электронасоса.
На фиг. 1 изображена схема реализации способа автоматической периодической откачки жидкости в эксплуатационной скважине; на фиг. 2 изображен резонатор, поглощающий звук перфорационных отверстий; на фиг. 3 изображен резонатор, поглощающий звук электронасоса; на фиг. 4 показаны спектрограммы, поясняющие операции, реализующие способ.
Схема реализации способа содержит:
1
2
2
2
1
1
поз. 1 - обсадная колонна; поз. 2 - поток жидкости, генерируемый упругие волны в затрубное пространство; поз. 3 - погружной электронасос (электронасос является генератором звуковой вибрации, генерируемым упругие волны в затрубное пространство, т.е. в кольцевую полость между обсадной колонной поз. 1 и НКТ поз. 4; поз. 4 - насосно-компрессорные трубы (НКТ); поз. 5 - акустический датчик нижнего динамического уровня (НДУ), выполнен в виде змеевика с открытым торцом поз. 18 (фиг. 2) и с отверстием поз. 21, предназначенным для выхода газа из полости резонатора при погружении его в жидкость (фиг. 2). НДУ настроен на частоту f = 600 Гц, поглощающий полосу частот, которую генерирует спектр шума погружной электронасос; поз. 6 - нижний динамический уровень; поз. 7 - затрубное пространство, заполненное жидкостью; поз. 8 - акустический датчик верхнего динамического уровня (ВДУ), (датчик ВДУ выполнен в виде змеевика (аналогичен НДУ - фиг. 3), датчик ВДУ настроен на частоту f = 900 Гц, поглощающую полосу частот шумов перфорационных отверстий; поз. 9 - граница верхнего динамического уровня, т.е. граница между жидкой и газовой средой; поз. 10 - газовая среда в затрубном пространстве над жидкостью; поз. 11 - приемник (например, приемник выполнен в виде пьезоакселерометра 1ПА-9); поз. 12 - усилитель; поз. 13 - полосовой фильтр РФ-900 (фильтр настроен на частоту f = 900 Гц и условно обозначен ПФ-900). На ПФ-900 поступает информация о динамическом уровне от датчика ВДУ поз. 8, настроенного на частоту поглощения f = 900 Гц); поз. 14 - полосовой фильтр ПФ-600 (фильтр настроен на частоту f = 600 Гц и условно обозначен ПФ-600. На ПФ-600 поступает информация о динамическом уровне от датчика НДУ поз. 5, настроенного на частоту поглощения f = 600 Гц); поз. 15 - логическая схема И; поз. 16 - ключ; поз. 17 - блок управления погружным электронасосом; поз. 18 - закрытый торец трубы-резонатора; поз. 19 - открытый торец трубы-резонатора; поз. 20 - внутренняя полость НКТ; поз. 21 - отверстие (предназначенное для выхода газа из полости резонатора при погружении его в жидкость).
Способ работает следующим образом.
1
1
Информация от датчика НДУ поз. 5 в виде акустической метки появившейся частоты f = 600 Гц (фиг. 4,в) в спектре шума принимается приемником поз. 10, усиливается усилителем поз. 11 и поступает на полосовой фильтр поз. 13, выходное напряжение которого (при отсутствии частоты f = 600 Гц в спектре шума) отрицательное - подается на первый вход логического элемента И поз. 14 и электронный ключ поз. 15. При отрицательном входном напряжении электронный ключ закрыт.
2
2
Информация от датчика НДУ в виде акустической метки поглощенной частоты f = 900 Гц (фиг. 4,б) в спектре шума принимается приемником поз.10, усиливается усилителем поз. 11 и поступает на полосовой фильтр поз. 12, выходное напряжение которого (при отсутствии частоты f = 900 Гц в спектре шума) - отрицательное напряжение - подается на второй вход логического элемента И поз. 15.
2
После включения погружного электронасоса поз. 3, уровень жидкости поз.8 в затрубном пространстве начинает опускаться. При снижении уровня жидкости поз.8 ниже датчика ВДУ у резонатора изменяется резонансная частота (нахождение резонатора в воздухе, в котором скорость звука с = 330 м/с, собственная частота согласно расчетной формуле изменяется и в спектре шума поглощается частота f = 900 Гц (Фиг. 4,в), которая через приемник поз. 10, усилитель поз. 11, полосовой фильтр поз. 12 положительным потенциалом поступит на логический элемент И поз. 15.
2
При снижении уровня жидкости поз. 9 ниже датчика НДУ изменится резонансная частота у резонатора и в спектре шума появится частота f = 600 Гц, которая через приемник поз. 10, усилитель поз. 11, полосовой фильтр поз. 12 положительным потенциалом поступит на логический элемент поз. 13 и электронный ключ поз. 14. На выходе логического элемента поз. 13 появится отрицательный потенциал, а на выходе электронного ключа поз. 14 появится положительный потенциал, который в блоке управления поз. 15 отключит погружной электронасос поз. 3 и переведет его в режим ожидания до достижения динамического уровня выше датчика ВДУ.
Использование данного способа позволяет автоматически управлять погружным электронасосом с помощью установки резонаторов НДУ и ВДУ между нижним и верхним динамическими уровнями скважинной жидкости, настроенными на разные частоты, а также можно в широких пределах контролировать динамический уровень в скважине и, как следствие, увеличить межремонтный период работы скважины и оборудования и, следовательно, увеличить дополнительную добычу нефти.
Источники информации
1. Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважине при бурении и эксплуатации. - М.: Недра, 1968. - 328 с.
2. Авторское свидетельство СССР N 11154454, МКИ Е21В 47/12, 1985 г. Прототип.
3. Борьба с шумом / Под ред. Е.Я. Юдина, М.: Стройздат, 1964, 707 с.
4. Справочник по технической акустике. Пер. с нем. / Под ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера, Л.: Судостроение, 1980 г., 440 с.
5. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981. 208 с.
6. Борьба с шумом на производстве. Справочник. Е.Я. Юдин, Л.А. Борисов, И.В. Горенштейн и др. /Под общ. ред. Е.Я. Юдина, М.: Машиностроение, 1985 г., 440 с.