CC BY
43
УДК 61.65.91
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-10407
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОДАЧИ ГЛУБИННОГО НАСОСА
А.Г. РЗАЕВ, д.т.н., проф., г.н.с.
Институт управления НАНА Азербайджана (Азербайджан, AZ1141, г Баку, ул. Б. Вахабзаде, д. 9). E-mail: [email protected]
С.Р. РАСУЛОВ, д.т.н., проф., завкафедрой промышленной безопасности и охраны труда
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (Азербайджанская республика, AZ 1010, г Баку, пр. Азадлыг, 34). E-mail: [email protected] С.Ф. БАБАЕВ, докторант
Институт управления НАНА Азербайджана (Азербайджан, AZ1141, г Баку, ул. Б. Вахабзаде, д. 9).
В статье рассматриваются три схемы автоматического регулирования подачи глубинного насоса. Разработан метод управления процессов подачи насоса, заключающийся в регулировании стабильности подачи глубинного насоса с поддержанием постоянного динамического уровня жидкости в эксплуатационной колонне. Уровень жидкости регулируется изменением частоты качания балансира станка-качалки. Дополнительно измеряется давление на выкидной линии скважины и устье насосно-компрессорной трубы. Предлагается устройство для реализации рекомендуемого метода автоматического управления процессом подачи насоса.
Ключевые слова: глубинный насос, регулирование, скважина дебит, динамический уровень, блок управления.
Введение
Как известно, существуют три схемы автоматического регулирования подачи глубинного насоса [1-3].
Первая схема предусматривает поддержание в скважине постоянного забойного давления и, как следствие, сохранение неизменного дебита.
Практически это осуществляется путем спуска в скважину дистанционного глубинного манометра, связанного посредством электрического кабеля с исполнительным механизмом привода станка-качалки. Регистрируемое манометром изменение забойного давления, обусловленное снижением производительности насоса, является сигналом для увеличения скорости откачки до тех пор, пока забойное давление и дебит не примут первоначальные значения. Насос заменяют после полного исчерпания запаса производительности установки, о чем свидетельствует снижение подачи при максимальных для данного станка параметрах откачки.
Вторая схема стабилизации подачи основана на поддержании в скважине постоянного положения динамического уровня.
По этой схеме начальная скорость откачки подбирается так, чтобы при нормальном дебите скважины динамограмма указывала на незначительное (около 5-7%) незаполнение цилиндра. При этом прием глубинного насоса должен находиться непосредственно у динамического уровня, соответствующего нормальному дебиту скважины.
При повышении уровня вследствие снижения производительности насоса «хвостик» незаполнения исчезает, что служит сигналом для увеличения скорости откачки.
При снижении динамического уровня из-за падения пластового давления или образования песчаной пробки на
забое объем незаполнения цилиндра увеличивается, а скорость откачки автоматически снижается. Наблюдаемое при этом снижение значения дебита указывает на необходимость увеличения глубины спуска насоса или ликвидации забойной пробки.
Согласно третьей схеме, сигналом для изменения скорости откачки является изменение количества жидкости, проходящей по выкидной линии скважины. При уменьшении скорости потока независимо от причин, ее вызвавших, скорость откачки автоматически увеличивается до восстановления нормального дебита. Наоборот, при увеличении скорости струй параметры откачки уменьшаются.
Третья схема по сравнению с другими схемами является более целесообразной, так как не требуется точного расположения насоса, и как следствие, облегчается борьба с песком. Отсутствуют элементы автоматики, размещенные на подземном оборудовании скважины, сложные токопро-воды, открытые электрические контакты. При этой схеме имеется вероятность повреждения элементов автоматики, что позволяет применять более точные приборы, обычно чувствительные к механическим повреждениям.
Исходя из вышеизложенного, необходима разработка метода автоматического регулирования подачи глубинного насоса и устройства для его осуществления по третьей схеме.
Существует метод [1] автоматического регулирования стабильности подачи глубинного насоса с поддержанием постоянного динамического уровня жидкости в эксплуатационной колонне. Метод включает измерение усилия на сальниковом штоке и динамического уровня в эксплуатационной колонне. Для этого начальную скорость откачки пластовой жидкости подбирают так, чтобы при заданном
4 • 2018
43
Рис
дебите скважины динамограмма указывала на незначительное (около 5-7%) незаполнение цилиндра - «хвостик» незаполнения. При этом прием глубинного насоса располагают непосредственно у динамического уровня, соответствующего заданному дебиту скважины. Колебания динамического уровня, регистрируемые датчиком, через блок управления передаются сервоприводу вариатора, изменяющего число качаний балансира станка-качалки. Стабильность процесса контролируют по показаниям датчика усилия и датчика уровня, которые одновременно должны соответствовать заранее заданному дебиту скважины. При повышении уровня вследствие снижения производительности насоса в динамограмме «хвостик» незаполнения исчезает, что служит сигналом для увеличения скорости откачки. При снижении динамического уровня из-за падения пластового давления или образования песчаной пробки на забое объем незаполнения цилиндра увеличивается, и скорость откачки автоматически снижается. Недостатком данного метода является то, что стабильность подачи насоса не всегда обеспечивает стабильность уровня в эксплуатационной колонне, так как при постоянном уровне возможно изменение депрессии пласта, связанное с изменением пластового и забойного давлений, что приводит к изменению коэффициента заполнения и подачи насоса [4-5]. Другим недостатком данного метода является то, что на величину подачи насоса в нем не учитывается влияние утечки в нагнетательном и всасывающем клапанах и между плунжером и втулками цилиндра, а также процент износа насоса во времени, что, безусловно, влияет на качество управления (точности и надежности).
Основными функциональными узлами системы (устройства), реализующими известный метод, являются блок управления, датчик динамического уровня (эхомер), датчик усилия, установленный на сальниковом штоке, и вариатор скоростей с сервоприводом. Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет получить требуемого качества (точность и надежность) процесса управления. Исходя из этого, рассматривается вопрос повышения качества (точности и надежности) управления.
Сущность предлагаемой статьи состоит в методе управления процессом подачи насоса, заключающемся в автоматическом регулировании при определенном дебите пластовой жидкости, стабильности подачи глубинного насоса с поддержанием постоянного динамического уровня жидкости в эксплуатационной колонне. Метод включает измерение усилия в сальниковом штоке и уровня жидкости в указанной выше колонне. Уровень жидкости регулируют изменением частоты качания балансира станка-качалки. Дополнительно измеряют давление на выкидной линии скважины и устье насосно-компрессорной трубы (НКТ), а подачу насоса определяют по следующему выражению:
1. Устройство автоматического управления подачей глубинного насоса: 1 - датчик усилия; 2 - преобразователь датчика усилия; 3 - датчик уровня; 4 - преобразователь уровня; 5, 7 - датчики давления; 6,8 - преобразователи давления; 9 - вариатор; 10 - блок управления; 11 - полированный шток; 12 - эксплуатационная колонна; 13 - выкидная линия скважин
О = ; Р = [МВРВ + (1-ИВ )рн ](1-а)-арф
где О - подача насоса (дебит пластовой жидкости), м3/ч; Г - площадь поперечного сечения обратного клапана, м2; а - коэффициент расхода, который учитывает неравномерное распределение скоростей пластовой жидкости (ПЖ) по сечению потока; Р1 - давление на устье НКТ перед обратным клапаном, Па; Р2 - давление на выкидной линии скважины, Па; р - плотность добываемой жидкости, кг/м3; рв, рн, рд - плотность воды, нефти и газа соответственно, кг/м3; - содержание воды в ПЖ, доли.
Метод реализован в устройстве для автоматического управления процессом подачи насоса (рис. 1).
Устройство содержит датчики усилия и динамического уровня, блок управления и вариатор скоростей с сервоприводом, а также датчики давления на выкидной линии скважин и устье НКТ. Все выходы датчиков через соответствующие преобразователи связаны с входом блока управления, а выход блока управления связан с входом вариатора скоростей.
Анализ данной схемы показал, что она отличается от известных существенными признаками, то есть измерением давления на выкидной линии и устье НКТ и формулой расчета подачи насоса (дебита нефти).
Анализ промысловых экспериментальных данных показал, что между перепадом давления в обратном клапане (АР = Р1 _ Р2) при движении плунжера насоса вверх, уровнем жидкости в эксплуатационной колонне и подачей глубинного насоса (дебитом пластовой жидкости) существует тесная взаимосвязь. А фактическая подача насоса определяется не числом качаний станка-качалки и ходом полированного штока, а давлением Р1, что создается на устье скважины. Поэтому для более точного и надежного определения дебита пластовой жидкости и, следовательно, управления
подачи насоса снимаются дополнительные параметры: давление пластовой жидкости на выкидной линии и устье НКТ. Предложенный расчет подачи насоса (дебита пластовой жидкости), который при использовании характеристики пласта и оборудования в процессе работы позволяет учесть основные негативные факторы, влияющие на достоверность и точность регистрируемых параметров и тем самым повысить качество управления.
Согласно разработанному алгоритму и параметрам, необходимым для его решения, в системе (устройстве) были дополнительно установлены датчики давления на выкидной линии скважины и устье НКТ.
Система (установка) работает следующим образом. В блок управления с заданной частотой подключаются преобразователи 2, 4, 6, 8 и замеряются значения датчиков усилий, установленных на сальниковом штоке 11 уровня жидкости, установленного на устье эксплуатационной колонны 12 и давлений, установленных на выкидной линии скважины 13 и на устье НКТ 7. В память ЭВМ блока управления 10 вводятся данные о фактическом дебите ПЖ, измеряемый ГЗУ (групповой замерной установкой), плотности воды (рв) и нефти (рн), содержание воды в пластовой жидкости Wв и определяется численное значение подачи насоса (дебита ПЖ). Полученное
расчетное значение сравнивают с заданным значением дебита, и при отклонении в сторону увеличения в блоке управления 10 вырабатывается соответствующий управляющий сигнал. Вариатор по этому сигналу уменьшает число качаний балансира и наоборот. В свою очередь, параллельно в блоке управления осуществляется сравнение фактических (измеренных) значений дебита ПЖ
Qф с его расчетным значением Qр: ^ = % -
Если значение AQ находится в допустимых пределах, то а = согэ1 Если значение AQ, находится за допустимым пределом, отражающим аномальные глубинные процессы, происходящие в насосном оборудовании (утечки, износ и т.д.) и пласте (пескопроявление, изменение вязкости и проницаемости коллектора и т.д.), то необходимо рассчитать новое значение коэффициента а. Следовательно, AQ является индикатором состояния насосного оборудования и пласта, а фактическая подача насоса определяется не числом качаний станка-качалки и ходом полированного штока, а давлением, которое он создает на выходе.
Предложенный метод позволяет оперативно и надежно контролировать процесс эксплуатации скважин и управлять им.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Круман Б.Б. Практика эксплуатации и исследования глубинных скважин. М.: Недра, 1964, 204 с. Ковшов В.Д., Сидоров М.Е., Светлакова С.В. Динамометрирование, моделирование и диагностика глубинной штанговой установки // Изв. вузов. Нефть и газ. 2011. № 3. С. 25-29.
Дианов В.Г. Автоматизация производственных процессов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1968, 328 с.
Ваммер Р.М. Преимущества медленной откачки // Нефтегазовые технологии. 2009. № 3. С. 22-26.
Рзаев А.Г., Расулов С.Р., Абдурахманова А.М. Исследование диагностики состояния глубинного насоса //
Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2016. № 10. С. 8-9.
AUTOMATIC CONTROL OF THE SUBSURFACE PUMP DELIVERY
RZAEV A.G., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Chief Researcher
Institute of control systems of NAS of Azerbaijan (9, B. Vahabzade, Baku, Azerbaijan Republic, AZ 1141). E-mail: [email protected] RASULOV S.R., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of Industrial Safety and Labour Protection
Azerbaijan State University of Oil and Industry (34, Azadlyg Ave., Baku, Azerbaijan Republic, AZ 1010). E-mail: [email protected] BABAYEV S.F., Doctoral Student
Institute of control systems of NAS of Azerbaijan (9, B. Vahabzade, Baku, Azerbaijan Republic, AZ 1141). ABSTRACT
In the article, three schemes of automatic control of the subsurface pump delivery are considered. A method has been developed for controlling the pump feeding processes, which consists in regulating the stability of the subsurface pump delivery while maintaining a constant dynamic level of liquid in the production column. The liquid level is controlled by changing the frequency of rocking the rocker's balance. The pressure on the flow line of the borehole and the mouth of the tubing is also measured. A device is proposed for implementing the recommended method of automatic control of the pump feeding process.
Keywords: the subsurface pump, regulation, borehole, well production, dynamic level, control unit. REFERENCES
1. Kruman B.B. Praktika ekspluatatsii i issledovaniya glubinnykh skvazhin [The practice of exploration and research of deep wells]. Moscow, Nedra Publ., 1964, 204 p.
2. Kovshov V.D., Sidorov M.Ye., Svetlakova S.V. Dynamometering, modeling and diagnostics of a deep rod installation. Izv. vuzov. Neft igaz, 2011, no. 3, pp. 25-29 (In Russian).
3. Dianov V.G. Avtomatizatsiya proizvodstvennykh protsessov neftepererabatyvayushchey i neftekhimicheskoy promyshlennosti [Automation of production processes in the oil refining and petrochemical industries]. Moscow, Khimiya Publ., 1968. 328 p.
4. Vammer R.M. The advantages of slow pumping. Neftegazovyye tekhnologii, 2009, no. 3, pp. 22-26 (In Russian).
5. Rzayev A.G., Rasulov S.R., Abdurakhmanova A.M. Investigation of state diagnostics of a subsurface pump. Avtomatizatsiya, telemekhanizatsiya isvyaz' v neftyanoy promyshlennosti, 2016, no. 10, pp. 8-9 (In Russian).
4 • 201!
45
