УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕБИТА СКВАЖИНЫ Советский патент 1996 года по МПК E21B47/10 

Изобретение относится к области добычи нефти и может быть использовано для измерения и анализа дебита скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, и защиты ее от аномальных режимов.

Целью изобретения является повышение точности определения дебита скважины.

На фиг.1 представлена схема скважиной установки; на фиг.2 графики зависимости дебита от мощности и давления; на фиг.3 электрическая схема устройства.

Устройство содержит электродвигатель 1, насос 2, расположенные в эксплуатационной колонне 3. Колонна 3 расположена в пласте 4. Насос 2 имеет всасывающую сетку 5 и расположен в колонне насосно-компрессорных труб 6. Электродвигатель 1 связан силовым кабелем 7 с трансформатором 8 станции управления 9. Первый манометр 10 установлен с возможностью измерения давления в межтрубном пространстве, второй манометр 11 расположен на устье перед устьевым штуцером 12, третий манометр 13 установлен на выкидной линии 14, которая имеет обратный клапан 15. Одна из фаз силовой сети электродвигателя 1 соединена через трансформатор 16 напряжения и трансформатор 17 тока со входами статического преобразователя 18 мощности. Устройство имеет узел 19 компенсации мощности холостого хода, узел 20 компенсации потерь в силовом кабеле, элемент 21 умножения, узел 22 учета потерь давления, бок 23 питания и управления, блок 24 сложения потерь давления, датчик 25 устьевого давления, первый операционный усилитель 26, блок 27 компенсации, блок 28 установки масштаба, формирователь 29 нормируемых импульсов, счетчик 30 импульсов, блок 31 установки реле времени, реле 32 времени, формирователь 33 информативных сигналов, блок 34 связи с диспетчерским пунктом, элемент 35 извлечения корня, второй операционный усилитель 36. Первый выход статического преобразователя 16 мощности через узел 19 компенсации мощности холостого хода соединен с первым входом узла 20 компенсации потерь в силовом кабеле, второй вход которого подключен ко второму выходу преобразователя 18 мощности, выход соединен с первым входом первого операционного усилителя 26, второй вход которого подключен к выходу элемента 21 умножения, первый вход которого соединен с выходом блока 24 сложения потерь давления, первый вход которого подключен через узел 22 учета потерь давления с блоком 23 питания и управления, второй вход соединен с датчиком 25 устьевого давления, при этом второй вход элемента 21 умножения соединен с выходом первого операционного усилителя 26 и первым входом второго операционного усилителя 36, второй вход которого подключен к выходу элемента 35 извлечения корня, выход соединен со входом элемента 35 извлечения корня и входом блока 27 компенсации, выход которого через блок 28 установки масштаба подключен ко входу формирователя 29 нормируемых импульсов, первый выход которого соединен со счетчиком 30 импульсов, второй выход подключен через блок 31 установки реле времени ко входу реле 32 времени, выход которого соединен со входом формирователя 33 информативных сигналов, первый и второй выходы которого соответственно подсоединены ко входу блока 23 питания и управления и входу блока 34 связи с диспетчерским пунктом.

Статический преобразователь 18 мощности выполнен на нелинейных полупроводниковых элементах (вариаторах). Элемент 21 умножения и первый операционный усилитель 26 составляют блок умножения. Элемент 21 содержит квадратичные элементы (вариаторы). Элемент 35 извлечения корня и второй операционный усилитель 36 составляют блок извлечения квадратного корня. Элемент 35 включает в свой состав варистор и резисторы. Узел 19 компенсации мощности, узел 20 компенсации потерь, узел 22 учета потерь, блок 27 компенсации выполнены в виде регулируемых стабилизаторов напряжения.

Блок 23 питания и управления состоит из двух разнополярных источников питания и дополнительных обмоток, подключенных к узлам 22 и 27 (не показано).

Датчик 25 устьевого давления выполнен в виде мембраны с потенциометрическим преобразователем.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость из пласта 4 притекает в эксплуатационную колонну 3. Погружной электродвигатель 1 вращает ось насоса 2, жидкость в который поступает через всасывающую сетку 5 насоса. Далее жидкость по колонне насосно-компрессорных труб 6 подается на поверхность. Питание погружного электродвигателя 1 осуществляется от силового трансформатора 8 через станцию управления 9 по силовому кабелю 7. Для измерения давления в межтрубном пространстве служит первый манометр 10, а для измерения давления на устье второй манометр 11. Для регулирования подачи насоса 2 служит штуцер 12. Для контроля за давлением в выкидной линии служит третий манометр 13. Для предотвращения слива жидкости из выкидной линии 14 в межтрубное пространство скважины и для стравливания избыточного давления из межтрубного пространства скважины служит обратный клапан 15. Для подачи на поверхность жидкости насос 2 создает необходимый напор, величина которого зависит от типа насоса 2 и параметров подаваемой на поверхность жидкости. В процессе работы может произойти снижение подачи за счет неисправностей в самом устройстве, запарафинивания лифтовых труб, выкидной линии скважины, снижения притока к забою скважины и т.д. Поэтому необходим систематический контроль за подачей жидкости.

Для измерения дебита данным устройством необходимо ввести в число паспортных характеристик насоса 2 новую характеристику (фиг.2), которая отражает изменение значения потребляемой единицы мощности на создание единицы напора, которую обозначим через К, а соответствующую характеристику через К-Q, которая равна
K , где N мощность на валу насоса, кВт;
Р давление на выкиде насоса, кгс/см², и еще одну характеристику М-Q, где М равно корню квадратному из К.

Для определения мощности N на валу насоса 2 необходимо из общей потребляемой мощности Р_с вычесть мощность потерь в токоподводящем глубинном кабеле Δ Р_к и мощность холостого хода Р_хх погружного электродвигателя 1
N=P_c-P_xx- ΔP_к.

В свою очередь потери в кабеле 7 равны
Δ Р_к=3· I2н

Мощность холостого хода электродвигателя находится по характеристике или же экспериментальным путем. Для нахождения мощности холостого хода экспериментальным путем, поступают следующим образом. После монтажа устройства на устье скважины оно кратковременно включается в работу и замеряется потребляемая мощность, которая пропорциональна потерям.

Для настройки устройства необходимо знать дебит скважины на данный момент. Этот дебит может быть определен с помощью обычных измерительных средств, содержащих мерную емкость и газосепаратор (не показаны), или определен экспериментально-расчетным путем.

Для определения дебита экспериментально-расчетным путем необходимо по паспортным характеристикам насоса, т.е. мощности на валу насоса, производительности Q и давлению Р на выкиде насоса вычислить по всем диапазонам производительности коэффициент К по формуле:
K .

Затем строят зависимость К-Q (фиг.2), на скважине при работающей в номинальном режиме насосной установке, измеряют мощность N_н на валу насоса и устьевое давление Р_ун, закрывают устьевую задвижку, измеряют мощность N_н на валу насоса, давление Р_уо на устье скважины, определят коэффициент К_о в начальной точке характеристики К-Q определяют давление Р_во, развиваемое на выкиде насоса при закрытой устьевой задвижке по формуле:
P_во= , вычисляют давление, развиваемое насосом для поднятия жидкости до устья скважины Р_п
Р_р= Р_во-Р_уо, вычисляют давление, развиваемое насосом на его выкиде Р_вн при номинальном режиме его работы по формуле:
Р_вн= Р_п+Р_ун, определяют коэффициент К_н, соответствующий номинальному режиму работы установки по формуле:
K_н= и по зависимости К-Q определяют для найденного значения К_н дебит скважины, например, точки Е и В.

Устройство кратковременно включается, а оператор с помощью узла 19 устанавливает напряжение на его выходе, равное нулю. Этим достигается компенсация мощности холостого хода. Далее, после включения скважины в работу ручкой потенциометра (не показано) в узле 22 производится установка напряжения, пропорционального потерям давления в глубинном оборудовании скважины. Затем ручкой потенциометра в узле 20 компенсации, зная значение тока в цепи электродвигателя 1 насоса, подается уставка на компенсацию потерь мощности в силовом кабеле 7. Далее в узле 27 производится компенсация постоянной составляющей результата извлечения квадратного корня, пропорциональной общим потерям на подъем жидкости от выкида насоса до устья скважины. Блоком 28 установки масштаба по дебиту добиваемся, чтобы один импульс, идущий от формирователя 29 нормируемых импульсов, по мощности соответствовал 0,1 тонны поднимаемой жидкости. После этого счетчик 30 будет считать импульсы, пропорциональные дебиту скважины. Это справедливо, т.к. анализатор будет работать на прямолинейной характеристике М-Q.

Далее задаемся допустимым значением снижения дебита, после которого должен поступить сигнал на диспетчерский пункт или сигнал на отключение устройства (например 25%). Затем с помощью ручки потенциометра в блоке 31 уставки реле времени добиваемся, чтобы время выдержки реле 32 времени было больше, чем время между импульсами, идущими на счетчик 30, на 25% После такой настройки устройство готово для работы в длительном режиме. При снижении дебита ниже заданной величины устройство будет выдавать нормируемый импульс по системе телемеханики на диспетчерский пункт или отключать установку. При дистанционном измерении дебита по системе телемеханики вызывается соответствующая скважина и измеряется время между импульсами, идущими на счетчик 30. При этом время измерения дебита не превышает 100 с. Накопленное значение дебита на счетчике 30 периодически снимается обслуживающим персоналом.

Использование: добыча нефти. Сущность изобретения: устройство содержит электродвигатель 1 с насосом, фаза которого соединена через трансформаторы 16, 17 тока и напряжения с преобразователем 18 мощности. Устройство имеет узел 19 компенсации мощности холостого хода, узел 20 компенсации потерь в силовом кабеле, элемент 21 умножения, узел 22 учета потерь давления, блок 23 питания и управления, блок 24 сложения потерь давления, датчик 25 устьевого давления, усилители 26, 36, блок 27 компенсации, блок 28 установки масштаба, формирователи 29, 33 импульсов, счетчик 30 импульсов, блок 31 установки реле времени, реле 32 времени, элемент 35 извлечения корня. Мощность на валу насоса определяется преобразователем 18. Из этой величины вычитаются мощности холостого хода, потерь в кабеле. По паспортной характеристике насоса, отражающей изменение значения потребляемой единицы мощности на создание единицы напора, и формулам, приведенным в описании, определяют дебит скважины с учетом потерь на подъем жидкости. Алгоритм обработки реализован в блоках 19 - 26, 35, 36. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕБИТА СКВАЖИНЫ, содержащее силовой кабель с электродвигателем и погружным центробежным насосом, измерительные трансформаторы тока и напряжения, статический преобразователь мощности, блок питания и управления, датчик устьевого давления, причем входы статического преобразователя мощности подсоединены соответственно через трансформаторы тока и напряжения к одной из фаз сети электродвигателя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения дебита, оно снабжено узлом компенсации мощности холостого хода, узлом компенсации потерь в силовом кабеле, блоком деления, узлом учета потерь давления, блоком сложения потерь давления, элементом извлечения квадратного корня, блоком компенсации, элементом умножения, первым и вторым операционными усилителями, блоком установки масштаба, формирователем нормируемых импульсов, счетчиком импульсов, блоком установки реле времени, реле времени, формирователем информативных сигналов, блоком связи с диспетчерским пунктом, причем первый выход статического преобразователя мощности через узел компенсации мощности холостого хода соединен с первым входом узла компенсации потерь в силовом кабеле, второй вход которого подключен к второму выходу статического преобразователя мощности, выход соединен с первым входом первого операционного усилителя, второй вход которого подключен к выходу элемента умножения, первый вход которого соединен с выходом блока сложения потерь давления, первый вход которого подключен через узел учета потерь давления к блоку питания и управления, второй вход соединен с датчиком устьевого давления, при этом второй вход элемента умножения соединен с выходом первого операционного усилителя и первым входом второго операционного усилителя, второй вход которого подключен к выходу элемента извлечения корня, выход соединен с входом элемента извлечения корня и входом блока компенсации, выход которого через блок установки масштаба подключен к входу формирователя нормируемых импульсов, первый выход которого соединен со счетчиком импульсов, второй выход подключен через блок установки реле времени к входу реле времени, выход которого соединен с входом формирователя информативных сигналов, первый и второй выходы которого, соответственно, подсоединены к входу блока питания и управления и входу блока связи с диспетчерским пунктом.