СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ В СКВАЖИНЕ Российский патент 1994 года по МПК F04D15/00 F04D13/10 E21B43/00 

Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для регулирования режима работы скважины, оборудованной погружной центробежной насосной установкой.

Известны способы регулирования режима работы системы скважина - установка погружного центробежного электронасоса путем подбора соответствующей насосной установки расчетным путем, а также замены одной работающей установки на другую в процессе эксплуатации скважины. Дополнительное регулирование режима работы установки производится в период ее работы путем изменения давления на выкиде насоса.

Недостатки этого способа следующие: из-за наличия взаимосвязи между скважинами и особенно при наличии систем искусственного заводнения и возможной периодической остановки скважин по технологическим и аварийным причинам, приток жидкости в скважину из пласта не постоянен, а находится в динамике, поэтому подбор установок с заданной вероятностью в принципе осуществить нельзя точность в подборе установок дополнительно снижается из-за небольшой номенклатуры имеющихся на промыслах установок и небольшой достоверности исходных данных для расчета; регулирование режима работы установок с помощью задвижки на устье скважины не экономично и ведет часто к порывам насосных труб.

Известен способ управления работой насосной установки в скважине, включающий измерение и поддержание заданных значений давлений на приеме центробежного насоса и в нагнетательной линии и регулирование частоты вращения привода насоса.

Недостатки этого способа следующие: большие эксплуатационные затраты; большой простой скважин; малая эффективность из-за возможного изменения режима работы скважины и пласта.

Цель изобретения - поддержание в процессе эксплуатации заданного режима работы системы скважина - установка погружного центробежного электронасоса.

Это достигается тем, что по паспортным характеристикам установки, снятым на стенде, предварительно определяют энергетический коэффициент по зависимости М =M= - , где Р_о и N_o - соответственно период давления, развиваемый насосом, и потребляемая установкой активная мощность на режиме нулевой подачи, Р, N- соответственно перепад давления, развиваемый насосом, и потребляемая установкой активная мощность на текущем режиме, и строят зависимость величины энергетического коэффициента от текущей подачи, измеряют активную мощность и рабочий ток, фактический потребляемые установкой при работе в скважине, давление на устье скважины и на приеме насоса, определяют фактические значения развиваемого насосом перепада давления и энергетического коэффициента и по упомянутой зависимости - текущую подачу насоса, соответствующую фактической величине энергетического коэффициента. Затем регулированием скорости вращения привода насоса устанавливают подачу насоса на максимальном уровне, при этом заданное давление в нагнетательной линии поддерживают путем изменения местного сопротивления в нагнетательной линии на устье скважины.

На фиг. 1 представлена схема скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом; на фиг. 2 - энергетическая характеристика насоса; на фиг. 3 - алгоритм регулирования режима работы системы скважина - насосная установка.

Скважина с погружным центробежным электронасосом содержит пласт 1, эксплуатационную колонну 2, погружной электродвигатель 3 с глубинным манометром 4, насос 5, насосно-компрессорные трубы 6, силовой трансформатор 7, станцию 8 управления, силовой токоподводящий кабель 9, манометр 10 для измерения давления в межтрубном пространстве скважины, манометр 11 для измерения давления на устье перед штуцером, устьевой штуцер 12, манометр 13 на выкидной линии, выкидную линию 14 и обратный клапан 15.

Основными параметрами погружного центробежного электронасоса являются: производительность Q м³/сут и развиваемый напор Н в м вод.ст. Напор равен максимальной высоте, на которую может подняться жидкость (вода). Напор и подача- величины взаимосвязанные : чем выше развиваемый данным насосом напор, тем ниже его производительность. Типичная зависимость развиваемого напора от подачи показана на фиг. 2, кривые Н - Q и N - Q. Поскольку все типовые характеристики насоса сняты на воде с плоскостью 1000 кг/м³, то вместо напора в метрах будем в дальнейшем пользоваться давлением в МПа из расчета 1 МПа равен 100 м напора. Промышленность выпускает ряд насосов от 40 до 800 м³/сут и напором до 1800 м. Для привода насоса применяется асинхронный электродвигатель с гидрозащитой. Силовой токоподводящий кабель служит для подвода электроэнергии к погружному электродвигателю. Силовой трансформатор служит для поддержания на зажимах погружного электродвигателя напряжения при изменениях потерь напряжения в кабеле и других элементах питающей сети, а также для возможности питания электродвигателя с различными номинальными напряжениями при стандартных напряжениях промысловой сети. Станция управления служит для управления и защиты электродвигателя погружного насоса. Устьевая арматура, штуцер, обратный клапан и манометры служат для управления и контроля за потоком жидкости, поднимаемой насосом на поверхность. Источником жидкости является продуктивный пласт, сообщение с которым осуществляется через отверстия в обсадной колонне скважины.

Установка погружного центробежного электронасоса работает следующим образом.

Жидкость из пласта 1 притекает в эксплуатационную колонну 2. Погружной электродвигатель 3, снабженный глубинным манометром 4, вращает ось насоса 5. Далее жидкость по колонне насосно-компрессорных труб 6 подается на поверхность. Питание погружного электродвигателя осуществляется от силового трансформатора 7 через станцию 8 управления по силовому кабелю 9. Для измерения давления в межтрубном пространстве служит манометр 10, а для измерения давления на устье - манометр 11. Для регулирования подачи служит штуцер 12. Для контроля за выкидной линией служит манометр 13. Для предотвращения слива жидкости из выкидной линии 14 в межтрубное пространство скважины и для стравливания избыточного давления из межтрубного пространства служит обратный клапан 15. Для подачи жидкости на поверхность насос создает необходимый напор, величина которого зависит от типа насоса и параметров подаваемой жидкости. Основным параметром, характеризующим жидкость, является количество свободного газа в ней, которое зависит от давления на приеме насоса. В свою очередь, это давление определяется глубиной погружения насоса под динамический уровень. Излишнее погружение под динамический уровень ведет к неопределенным потерям в напоре и, следовательно, к дополнительным потерям электроэнергии. Недостаточное погружение насоса под динамический уровень ведет к уменьшению подачи насоса и даже к ее срыву. Существует оптимальная глубина погружения насоса под динамический уровень. Эта глубина обычно рассчитывается, потом проверяется по динамическому уровню или глубинному давлению, которое определяется в одном случае уровнемерами, а в другом - глубинными стационарными манометрами. Низкий уровень жидкости часто является причиной срыва подачи насоса, а это, в свою очередь, является причиной сгорания обмотки электродвигателя. В связи с этим автоматическое поддержание оптимального уровня жидкости в скважине является необходимым для поддержания заданного режима работы системы скважина - установка погружного центробежного электронасоса. Для извлечения из скважины заданного количества жидкости при оптимальных режимах работы насосной установки необходимо в процессе эксплуатации поддерживать определенный уровень жидкости в скважине. Выполнить эту задачу на современных насосных установках практически невозможно, так как нет технических средств для непрерывного измерения производительности насосной установки, которая должна находится в зависимости от меняющихся параметров скважины, которые, в свою очередь, зависят от системы заводнения, служащей для поддержания пластового давления, от свойств откачиваемой жидкости, от меняющегося числа работающих скважин и их параметров. По этой причине практически большинство насосных установок работает не в режиме, что ведет к низкому коэффициенту их использования и авариям. В данном способе для выхода из создавшегося положения предлагается в процессе работы установки регулировать ее производительность путем изменения числа оборотов приводного электродвигателя насоса. Это делается путем изменения частоты питания электродвигателя с помощью преобразователя частоты, который дополнительно устанавливается в станции 16 управления. Для измерения производительности установки в данном способе вводится в число паспортных характеристик насоса новая характеристика - энергетический коэффициент М, которая отражает изменение значения создаваемого насосом давления Р на единицу мощности N, действующей на валу насоса. Этот коэффициент равен результату деления давления, создаваемого насосом, на значение мощности, действующей на валу насоса на текущем режиме работы насоса, который вычитается из постоянного соотношения, равного результату отношения давления Р_о к мощности N_o при нулевой подаче насоса. Этот коэффициент равен
М =M= - . .

На фиг. 2 показана характеристика М - Q. Следовательно, если мы знаем значение мощности на валу насоса и создаваемое насосом давление, то мы можем определить дебит установки.

Характерной особенностью энергетической характеристики является то, что она для данного типа насоса, независимо от изменения его подачи, остается постоянной.

Для определения мощности на валу насоса N необходимо измерить мощность, потребляемую насосной установкой из сети, Р_с
Р_с = 1,73 V 1 cosϕ10^-3 Определить потери мощности в токоподводящем кабеле ΔР_к
ΔРк = 3˙1² Rl 10^-3. В зависимости от тока нагрузки находится КПД η_э электродвигателя и вычисляется мощность на валу насоса
N_н = (Р_с - ΔР_к) η_э, где Р_с - мощность, потребляемая установкой из сети;
ΔР_к - мощность потерь в кабеле;
η_э - номинальный КПД электродвигателя.

Далее определяем потерю давления в системе насос - трубы по формуле ΔР_нт = [0,92 Н_опт/(3,9+0,023 Q_опт)]ρ_нт 10^-2+ + 2. Затем находим давление, действующее от веса столба жидкости в трубах, P_нт
Р_нт = Н_н ρ_нт 10^-2 Тогда давление, развиваемое собственно насосом, равно Р
Р = Р_нт + Р_у + ΔР_нт - Р_пн. Теперь определяем значение энергетического коэффициента
М =M= - . . По найденному значению энергетического коэффициента и характеристике М - Q находим значение дебита на данный момент, как это показано на фиг. 2. Например М = 3, тогда Q = 122 м³/сут. Далее производим сопоставление давления на устье скважины с заданным. Если это давление окажется больше или меньше заданного, то, регулируя задвижку на устье скважины, добиваемся, чтобы оно было равно заданному. Далее сопоставляем давление на приеме насоса также с заданным. Если оно больше заданного, то с помощью преобразователя частоты увеличиваем число оборотов электродвигателя насоса и тем самым увеличиваем подачу. Через некоторое время, когда наступит установившийся режим работы, вновь производим регулирование давления на устье скважины и регулирование производительности насоса. И так до тех пор, пока при установившемся режиме производительность будет максимальной, а давление на приеме насоса и давление на устье скважины будут равны заданным значениям. На фиг. 3 представлен алгоритм регулирования режима работы системы скважина - установка погружного центробежного электронасоса. Это регулирование может производиться периодически обслуживающим персоналом непосредственно на скважине без дополнительных стационарных технических средств, кроме преобразователя частоты или же автоматически. При автоматическом регулировании на скважине необходимо иметь кроме преобразователя частоты еще дебитомер, работающий по методу, описанному в данной заявке, а также задвижку на устье скважины с дистанционным управлением. Кроме того, необходимо иметь стационарный манометр на приеме насоса и датчик устьевого давления. При использовании стационарного дебитомера он работает с функциональным блоком, который линеаризирует кривую зависимости энергетического коэффициента от производительности насоса.

Уравнение измерения дебита имеет вид
Q= Q_м[1-e^-(aM+b)lgM], где Q - текущее значение производительности насоса;
Q_м - максимальная производительность данного насоса;
а, b - постоянные коэффициенты, присущие только данному типу насосной установки, которые рассчитаны заранее. При необходимости иметь суммарное значение дебита уравнение дебита интегрируется
Q= Q_м[1-e^-(aM+b)lgM] . Как видно из алгоритма регулирования, задача способа состоит в том, чтобы обеспечить максимальную производительность насосной установки при максимальном ее КПД и заданных давлениях на приеме насоса и устье скважины. Если приток жидкости в скважину будет превышать производительность установки, то регулирование будет производиться по максимальной производительности.

Использование: добыча нефти. Сущность изобретения: способ управления работой насосной установки в скважине включает измерение и поддержание заданных значений давлений на приеме центробежного насоса и в нагнетательной линии и регулирование частоты вращения привода насоса. По паспортным характеристикам установки, снятым на стенде, предварительно определяют энергетический коэффициент по приведенной в описании зависимости. Затем строят зависимость величины энергетического коэффициента от текущей подачи, измеряют активную мощность и рабочий ток, фактически потребляемые установкой при работе в скважине, давление на устье скважины и на приеме насоса. Далее определяют фактические значения развиваемого насосом перепада давления и энергетического коэффициента и по упомянутой зависимости - текущую подачу насоса, соответствующую фактической величине энергетического коэффициента. Затем регулированием скорости вращения привода насоса устанавливают подачу насоса на максимальном уровне, при этом заданное давление в нагнетательной линии поддерживают путем изменения местного сопротивления в нагнетательной линии на устье скважины. 3 ил.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ В СКВАЖИНЕ, включающий измерение и поддержание заданных значений давлений на приеме центробежного насоса и в нагнетательной линии и регулирование частоты вращения привода насоса, отличающийся тем, что, с целью поддержания в процессе эксплуатации заданного режима работы системы скважина - погружной центробежный электронасос, по паспортным характеристикам установки, снятым на стенде, предварительно определяют энергетический коэффициент по зависимости
M= - ,
где P₀, N₀ - соответственно перепад давления, развиваемый насосом, и потребляемая установкой активная мощность на режиме нулевой подачи;
P, N - соответственно перепад давления, развиваемый насосом, и потребляемая установкой активная мощность на текущем режиме,
и строят зависимость величины энергетического коэффициента от текущей подачи, измеряют активную мощность и рабочий ток, фактически потребляемые установкой при работе в скважине, давление на устье скважины и на приеме насоса, определяют фактические значения развиваемого насосом перепада давления и энергетического коэффициента и по упомянутой зависимости - текущую подачу насоса, соответствующую фактической величине энергетического коэффициента, и регулированием скорости вращения привода насоса устанавливают подачу насоса на максимальном уровне, при этом заданное давление в нагнетательной линии поддерживают путем изменения местного сопротивления в нагнетательной линии на устье скважины.