СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИНЫ ЭЛЕКТРОНАСОСОМ С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ Российский патент 2008 года по МПК E21B43/00 F04B47/00 

Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для эксплуатации скважин, оборудованных электронасосами, в частности погружными электронасосами с вентильным приводом.

Известен способ эксплуатации малодебитной скважины насосом с частотно-регулируемым электроприводом (Авторское свидетельство СССР №1262026), основанный на регулировании скорости притока жидкости из пласта в скважину путем периодического повторения циклов, каждый из которых состоит из последовательно осуществляемых процессов запуска при увеличивающейся частоте питающего напряжения, подачи жидкости насосом в колонну подъемных труб при повышенной в сравнении с номинальным значением частоте и уменьшении до нуля подачи насоса путем снижения частоты питающего напряжения после достижения заданной величины давления в колонне труб с последующим отключением насоса и сливом жидкости из колонны подъемных труб через насос в скважину, после завершения которого цикл повторяют.

Особенность этого способа состоит в ограничении притока жидкости из пласта в скважину в результате систематического слива жидкости из колонны подъемных труб, а это не обеспечивает эффективного регулирования режима эксплуатации скважины.

Наиболее близким к предлагаемому является способ эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом (Патент РФ на изобретение №2119578), включающий периодическое повторение циклов, в которых осуществляют запуск насоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения и подачу жидкости насосом при заданной частоте, причем после достижения заданной величины давления в колонне труб в текущем цикле уменьшают частоту питающего напряжения до прекращения подачи насоса с последующим поддержанием для обеспечения притока жидкости из пласта максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу, а после достижения в процессе притока максимальной величины давления на приеме насоса цикл повторяют, восстанавливая подачу насоса переводом его на повышенную частоту, при этом в фазе притока текущего цикла осуществляют модуляцию частоты напряжения питания электронасоса в области значений частоты, соответствующих изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновлении подачи. В процессе притока модулируют частоту напряжения питания электронасоса с заданной периодичностью и во времени и в заданном диапазоне отклонений от частоты при прекращении подачи насоса до максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу.

Известное изобретение является способом динамической эксплуатации малодебитной скважины насосом с частотно-регулируемым приводом. Указанный способ состоит в целенаправленной реализации режимов работы УЭЦН, учитывающей изменение параметров системы "пласт - скважина - УЭЦН" на всем периоде эксплуатации установки. Однако данный способ недостаточно эффективен при эксплуатации скважин с изменяющейся продуктивностью и предназначен применительно к малодебитным скважинам.

В основу изобретения положена задача разработать способ динамической эксплуатации скважины электронасосом с вентильным электродвигателем и частотно-регулируемым приводом, позволяющий поддерживать максимальный приток жидкости к скважине за счет минимального изменения динамического уровня и повысить эффективность эксплуатации скважин с изменяющейся продуктивностью. Способ может быть использован при эксплуатации скважин с широким диапазоном дебитов.

Задача решается тем, что способ динамической эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, основанный на периодическом повторении циклов, включает запуск электронасоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения, подачу жидкости электронасосом при заданной частоте вращения, причем откачку жидкости производят электронасосом с частотно-регулируемым приводом с вентильным электродвигателем, фиксируют режим с неизменным током, соответствующий начальному динамическому уровню жидкости в скважине, в процессе работы электронасоса непрерывно контролируют изменение во времени тока вентильного электродвигателя, при каждом его изменении выше допустимой величины, соответствующей текущей частоте вращения, увеличивают частоту вращения вентильного электродвигателя на заданную величину, определяемую порогом чувствительности тока вентильного электродвигателя, до тех пор пока его ток не перестанет изменяться или не уменьшится ниже допустимой величины, соответствующей текущей частоте вращения, при этом в случае неизменности тока вентильного электродвигателя электронасос переводят в режим стабилизации при новом динамическом уровне, близком к начальному динамическому уровню, а при уменьшении тока вентильного электродвигателя во времени ниже допустимой величины уменьшают частоту его вращения на заданную величину, определяемую порогом чувствительности тока вентильного электродвигателя, после чего электронасос переводят в циклический режим работы при среднем динамическом уровне, близком к начальному.

Использование электронасоса с вентильным электродвигателем позволяет оптимизировать режим его работы, обеспечивающий максимальный приток, в отличие от прототипа, через зависимости:

N=f1(n, M),

M=f2(I), где N, n, M, I - соответственно мощность на валу, частота вращения вала электродвигателя, вращающий момент на валу и ток электродвигателя.

Отличительный существенный признак, касающийся фиксирования динамического уровня жидкости при работе насоса с неизменным током, необходим для того, чтобы обозначить начальный динамический уровень в скважине, относительно которого будут устанавливаться последующие динамические уровни при изменении продуктивности данной скважины при заданном алгоритме работы электронасоса.

Существенные признаки, касающиеся непрерывного контроля изменения тока вентильного электродвигателя во времени (производной тока), увеличения или уменьшения частоты вращения вентильного электродвигателя в зависимости от величины этой производной, позволяют повысить точность определения дебита скважины, т.к. изменение частоты вращения электродвигателя позволяет более точно установить режим работы электронасоса и тем самым получить одновременное изменение (увеличение) дебита скважины. Параметры, касающиеся порога чувствительности изменения тока электродвигателя и приращения частоты вращения при изменении тока электродвигателя, задаются заранее.

Так как технология динамической эксплуатации скважин с погружными электронасосами с вентильным электродвигателем предполагает поддержание в эксплуатационной колонне определенного (по отношению к глубине спуска электронасоса) уровня жидкости, то для скважины с изменяющейся продуктивностью поддержание определенного динамического уровня связано с увеличением или уменьшением частоты вращения вентильного электродвигателя.

В основу данного способа положен установленный в ходе экспериментов факт, что при увеличении мощности (тока), потребляемой вентильным электродвигателем при изначально стационарном режиме работы системы скважина-электронасос, для поддержания оптимального динамического уровня Нд^опт необходимо перейти на повышенный частотный режим работы, а в случае уменьшения мощности (тока), потребляемой электродвигателем при исходном стационарном частотном режиме, для поддержания оптимального динамического уровня необходимо перейти на пониженный частотный режим работы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг.1 которого представлена блок-схема частотно-регулируемого привода электронасоса, который в совокупности с электронасосом и с электродвигателем представляет собой установку, с помощью которой осуществляют способ эксплуатации скважины с изменяющейся продуктивностью.

На фиг.2 представлен алгоритм работы электронасоса с частотно-регулируемым приводом при изменении продуктивности скважины.

Схема включает управляющий вычислительный блок 1, содержащий блок 2 интерфейса оператора, блок 3 памяти для хранения параметров скважины и установки, например, параметры, касающиеся порога чувствительности изменения тока вентильного электродвигателя и приращения частоты вращения при изменении тока вентильного электродвигателя, блок 4 памяти для хранения архива работы электронасоса, аналого-цифровой преобразователь 5, блок 6 связи управляющего вычислительного блока 1, соединенные с блоком 7 процессора управляющего вычислительного блока 1, и блок 8 измерения времени работы.

Питание инвертором 11 электродвигателя 14 с погружным электронасосом 15 на выходе, размещенных в колонне эксплуатационных труб скважины, осуществляют через повышающий (высокочастотный) трансформатор 16, соединенный с преобразователем 9 частоты через блок 17 датчиков тока, который, в свою очередь, соединен с аналого-цифровым преобразователем 5 управляющего вычислительного блока 1.

Выпрямитель 10 и инвертор 11 образуют силовую часть преобразователя 9 частоты.

Блок 13 процессора преобразователя 9 частоты с блоком 12 связи преобразователя 9 частоты образуют управляющую часть преобразователя 9 частоты.

Способ динамической эксплуатации малодебитной скважины насосом с вентильным электродвигателем и частотно-регулируемым приводом осуществляют следующим образом. Оператор задает начальную частоту вращения вентильного электродвигателя 14. Управляющий вычислительный блок 1 производит запуск электронасоса через блок 6 связи управляющего вычислительного блока 1 (по интерфейсу RS-485), задает напряжение преобразователю 9 частоты, контролируя текущую (n текущая) частоту вращения вентильного электродвигателя 14, получаемую также через блок 12 связи от преобразователя 9 частоты. Управляющий вычислительный блок 1 плавно выводит электронасос на заданную частоту вращения. Частота вращения вентильного электродвигателя 14 определяется частотой напряжения на выходе преобразователя 9 частоты, на который подается сигнал с блока 17 датчиков тока, пропорциональный току I дв вентильного электродвигателя 14.

В процессе работы сигнал с блока 17 датчиков тока поступает в аналого-цифровой преобразователь 5 и далее текущее значение тока I дв вентильного электродвигателя поступает в блок 7 процессора управляющего вычислительного блока 1. Блок 7 процессора управляющего вычислительного блока 1 получает от преобразователя 9 частоты через его блок 6 связи текущую частоту вращения (n текущая) и, анализируя базу данных блока 3 данных с характеристиками установки (токовые и расходно-напорные характеристики), вычисляет требуемую оптимальную частоту вращения погружного электронасоса, учитывая динамику изменения параметров работы всей установки. Затем блок 7 процессора управляющего вычислительного блока 1 изменяет заданное значение напряжения так, чтобы текущая частота вращения (n текущая) стала равна требуемой, и так далее.

Управляющий вычислительный блок 1 осуществляет управление электронасосом посредством обработки входных данных (измеренных текущих параметров работы - изменение тока вентильного электродвигателя во времени на величину порога чувствительности его изменения (динамики изменения тока) при работе электронасоса в условиях изменяющейся продуктивности скважины и устанавливает соответствующие этим изменениям значения частоты вращения вентильного электродвигателя с учетом приращения частоты вращения при изменении тока электродвигателя), вычисления требуемого режима работы с использованием базы данных с параметрами скважины и установки и задания необходимого режима преобразователю 9 частоты. Таким образом, производится адаптация работы насоса к изменяющейся продуктивности скважины и одновременная корректировка определения дебита скважины.

Алгоритм работы электронасоса с частотно-регулируемым приводом при изменении продуктивности скважины может быть рассмотрен на следующем примере.

Предположим, что электронасос работал с неизменным током в точке равновесия (точке 1) с динамическим уровнем Нд1 (фиг.2). Продуктивность скважины соответствовала линии Кпр1. Далее продуктивность скважины начала увеличиваться и стала соответствовать линии Кпр2. Рабочая точка начинает перемещаться к новой точке равновесия (точка 1′), при этом растет подача электронасоса и, как следствие, ток вентильного электродвигателя. После того как ток увеличится на заданную величину, определяемую величиной порога чувствительности изменения тока вентильного электродвигателя, электронасос увеличит частоту вращения на заданную величину, определяемую приращением частоты вращения при изменении тока электродвигателя (точка 3), после чего (по прошествии, например 2 минут) вновь начинает следить за током. Т.к. ток продолжает изменяться, электронасос еще раз увеличит частоту вращения (точка 5) и вновь, спустя 2 минуты, начнет следить за изменением тока. Далее возможны два варианта:

- электронасос попадет в точку 6 (новая точка равновесия) и будет в ней работать в режиме с динамическим уровнем, близким к Нд1;

- при движении к точке 6 ток изменится на заданную величину, определяемую порогом чувствительности изменения тока вентильного электродвигателя, и электронасос снизит частоту вращения вентильного электродвигателя и электронасос попадет в точку 3 и далее будет работать по циклу 3→4→5→6→3→4→5→6 и т.д., т.е. будет находиться в динамическом равновесии. При этом колебания динамического уровня будут происходить в диапазоне от Нд1 до Нд2. Если считать, что изменение частоты происходит на 100-150 об/мин, то этому соответствует диапазон изменения динамического уровня 40-60 м.

Т.к. величина изменения тока и приращение частоты вращения вентильного электродвигателя малы, то можно говорить о непрерывном контроле тока и изменении частоты вращения электродвигателя в зависимости от величины производной тока.

Если бы при увеличении продуктивности скважины установка работала без изменения частоты (не было бы автоадаптации), то дебит был бы равен Q1′, при использовании автоадаптации может быть получено автоматическое увеличение дебита до значения Q6.

Таким образом, максимальный приток жидкости в скважине получен при минимальном изменении ее динамического уровня.

Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для эксплуатации скважин, оборудованных электронасосами, в частности погружными электронасосами с вентильным приводом. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности эксплуатации скважин с изменяющейся продуктивностью за счет минимального изменения динамического уровня. Для этого способ основан на периодическом повторении циклов и включает запуск электронасоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения и подачу жидкости электронасосом при заданной частоте вращения. Причем откачку жидкости производят электронасосом с частотно-регулируемым приводом и вентильным электродвигателем, фиксируют режим с неизменным током, соответствующий начальному динамическому уровню жидкости в скважине. В процессе работы электронасоса непрерывно контролируют изменение во времени тока вентильного электродвигателя. При каждом его изменении выше допустимой величины, соответствующей текущей частоте вращения, увеличивают частоту вращения вентильного электродвигателя на заданную величину, определяемую порогом чувствительности тока вентильного электродвигателя, до тех пор пока его ток не перестанет изменяться или не уменьшится ниже допустимой величины, соответствующей текущей частоте вращения. При этом в случае неизменности тока вентильного электродвигателя, электронасос переводят в режим стабилизации при новом динамическом уровне, близком к начальному динамическому уровню. При уменьшении тока вентильного электродвигателя во времени ниже допустимой величины уменьшают частоту его вращения на заданную величину, определяемую порогом чувствительности тока вентильного электродвигателя. После этого электронасос переводят в циклический режим работы при среднем динамическом уровне, близком к начальному. 2 ил.

Способ динамической эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, основанный на периодическом повторении циклов, включающий запуск электронасоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения, подачу жидкости электронасосом при заданной частоте вращения, характеризующийся тем, что откачку жидкости производят электронасосом с частотно-регулируемым приводом с вентильным электродвигателем, фиксируют режим с неизменным током, соответствующий начальному динамическому уровню жидкости в скважине, в процессе работы электронасоса непрерывно контролируют изменение во времени тока вентильного электродвигателя, при каждом его изменении выше допустимой величины, соответствующей текущей частоте вращения, увеличивают частоту вращения вентильного электродвигателя на заданную величину, определяемую порогом чувствительности тока вентильного электродвигателя, до тех пор, пока его ток не перестанет изменяться или не уменьшится ниже допустимой величины, соответствующей текущей частоте вращения, при этом, в случае неизменности тока вентильного электродвигателя, электронасос переводят в режим стабилизации при новом динамическом уровне, близком к начальному динамическому уровню, а при уменьшении тока вентильного электродвигателя во времени ниже допустимой величины уменьшают частоту его вращения на заданную величину, определяемую порогом чувствительности тока вентильного электродвигателя, после чего электронасос переводят в циклический режим работы при среднем динамическом уровне, близком к начальному.