CC BY
8НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
УДК 621.655
А.Ю. Давыдов1, e-mail: [email protected]; А.А. Никифоров2, e-mail: [email protected]; М.С. Габдрахимов1, Р.Р. Исмагилов1, e-mail: [email protected]
1 Кафедра «Нефтепромысловые машины и оборудование», ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (УГНТУ) в г. Октябрьском (Октябрьский, Башкортостан, Россия)
2 Кафедра «Автоматизация технологических процессов и производств», ФГБОУ ВПО УГНТУ (Уфа, Башкортостан, Россия)
Подбор оптимальных режимов работы винтовых насосных установок с поверхностным приводом с помощью управляющих экспертных систем
В статье рассмотрено текущее состояние эксплуатации винтовых насосных установок с поверхностным приводом. Проведен анализ причин обрыва штанговых колонн, согласно которым для повышения надежности винтовых насосных установок с поверхностным приводом их следует эксплуатировать при частоте вращения привода, превышающей критическую частоту вращения с учетом того, что критическая частота вращения не одинакова для всех компоновок винтовых насосных установок и различных условий эксплуатации, а зависит от параметров режимов эксплуатации и от параметров самих установок. Рассмотрены математическая модель работы системы «винт -колонна штанг», зависимости неравномерности крутящего момента от длины колонны штанг, диаметра штанг, длины винта, диаметра винта, натяга винта, рабочего давления насоса и др. Также в статье обосновано предложение использовать разработанный аппаратный комплекс, оснащенный датчиками и системой управления на базе мощного свободно программируемого панельного контроллера, т.е. комплекс с применением экспертных систем. Управление производится за счет подключения всех датчиков и частотного преобразователя к программно-логическому контроллеру, установленному в шкафу управления. Подключение программно-логического контроллера к компьютеру производится через протокол Modbus TCP. На компьютере установлено программное обеспечение Scada для управления режимами работы винтовых насосных установок с поверхностным приводом. Таким образом, предложенный комплекс позволяет в автоматическом режиме контролировать и оперативно управлять режимами работы винтовой насосной установки с поверхностным приводом, повышая ее надежность и эффективность, отключая ее в аварийных ситуациях, а также вести контроль за параметрами добываемой жидкости.
Ключевые слова: винтовые насосные установки, экспертные системы, режимы работы.
A.Yu. Davydov1, e-mail: [email protected]; A.A. Nikiforov2, e-mail: [email protected]; M.S. Gabdrakhimov1, R.R. Ismagilov1,
e-mail: [email protected]
1 The Oilfield Machinery and Equipment Department, Ufa State Petroleum Technological University Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education in Oktyabrsky (Oktyabrsky, Bashkortostan, Russia)
2 The Automation of Processes and Production Department of Ufa State Petroleum Technological University Higher Professional Education State Educational Institution (Ufa, Bashkortostan, Russia)
The use of expert systems for management of screw pumps with surface drive order to select the optimal mode of operation and prevent
The article describes the current state of operation of the screw pump installations with surface drive. The analysis of the causes of breakage of the rod string, according to which, for increasing the reliability of screw pump installations with surface drive should be operated at a rotational speed of the drive exceeds a critical frequency of rotation, given the fact that the critical speed is not the same for all configurations of the screw pump applications and various operating conditions, and depends on the parameters of the operating modes and parameters of the installations themselves. We consider the mathematical model of the system «screw - rod string», according to the uneven torque of the length of the column bars, the diameter of the rods, screw length, screw diameter, tension screw, pressure pump etc. Also in the article, the proposal to use the developed hardware system, equipped with sensors and control system based on a powerful, freely programmable panel controller c the Linux operating system, i.e. the complex with the use of expert systems.
PUMPS. COMPRESSORS
Control is done by connecting all the sensors and frequency Converter to program logic controller installed in the control Cabinet. The connection logic controller software to your computer is via Modbus TCP. The computer has Scada software to control the modes of operation of the screw pump installations with surface drive. Thus, the proposed system allows in automatic mode to control and manage the operation modes of screw pumps with surface drive, increasing reliability and efficiency, disable it in emergency situations, as well as the monitoring of the parameters of the produced fluid.
Keywords: screw pump installation, expert systems, modes of operation.
Многие месторождения России находятся в поздней или завершающей стадии эксплуатации. В этих условиях скважин-ная жидкость имеет высокую вязкость, в ее составе присутствуют асфальтосмо-лопарафиновые отложения. Также вводятся в эксплуатацию месторождения с высоковязкой и неньютоновской нефтью, с низким пластовым давлением. В результате количество малодебитных скважин непрерывно растет. Наиболее перспективными для эксплуатации малодебитных скважин с высоковязкой нефтью являются винтовые насосные установки, получившие в
последние годы широкое распространение.
Однако ресурс винтовых насосных установок с погружным электродвигателем небольшой вследствие высокой скорости вращения винта, приводящей к быстрому износу оборудования. Поэтому перспективным является вращение винта при помощи колонны штанг от поверхностного привода. Винтовые насосные установки с поверхностным приводом обеспечивают низкую частоту вращения винта, что создает эффективные условия для работы пласта.
Вместе с тем характер профилей добывающих скважин в силу наличия участков повышенной интенсивности кривизны и наклона вносит существенные осложнения в механизированную эксплуатацию. Износ насосно-компрессорных труб и штанг в местах сильной кривизны колонны в значительной мере снижает межремонтный период работы скважин. Были проанализированы промысловые данные об эксплуатации винтовых насосных установок с поверхностным приводом в условиях «Лениногорскнефти», НГДУ «Татнефтебитум». Рассмотрено 12 скважин, тип насоса в этих скважинах
Ссылка для цитирования (for references):
Давыдов А.Ю., Никифоров А.А., Габдрахимов М.С., Исмагилов Р.Р. Подбор оптимальных режимов работы винтовых насосных установок с поверхностным приводом с помощью управляющих экспертных систем // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 10. С. 76-79.
Davydov A.Yu., Nikiforov A.A., Gabdrakhimov M.S., Ismagilov R.R. The use of expert systems for management of screw pumps with surface drive order to select the optimal mode of operation and prevent (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ.» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 10. P. 76-79.
ВНИМАНИЕ!
Открыта подписка на журналы «ТЕРРИТОРИЯ «НЕФТЕГАЗ» и «КОРРОЗИЯ «ТЕРРИТОРИИ «НЕФТЕГАЗ»! Журналы можно получать в России и в любой стране мира. Подписка оформляется с любого месяца!
ОФОРМИТЬ ПОДПИСКУ ВЫ МОЖЕТЕ:
в редакции - по адресу 142784, г. Москва, Киевское ш„ БП «Румянцеве», корп. Б, под. 5, эт. 5, оф. 505Б, издательство «Камелот Паблишинг», редакция журнала «Территория «НЕФТЕГАЗ», Тел./факс: +7 (495) 240-54-57, e-mail: [email protected] по каталогу Роспечати - подписной индекс 36129
СТОИМОСТЬ ПОДПИСКИ по России:
(в электронной или печатной версии на выбор)
1 номер любого журнала...... 1800 руб..........
б номеров ТНГ..................10800 руб.........
12 номеров ТНГ................ 21600 руб.........
15 номеров ТНГ+КТНГ......... 27000 руб.........
для стран СНГ:
(в печатной версии)
. 2200 руб. .13200 руб. .26400 руб. .33000 руб.
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
Рис. 1. Комплекс для управления работой винтовых насосных установок с поверхностным приводом: 1 - моментомер; 2 - колонна штанг; 3 - колонная головка; 4 - винтовой насос; 5 - электродвигатель; 6 - редуктор; 7 - сальниковый превентор; 8 - усилитель; 9 - программируемый контроллер; 10 - компьютер; 11 - датчик давления; 12 - частотный преобразователь с функцией подсчета оборотов; 13 - датчик оборотов
Fig. 1. The control unit for screw-type pump units with surface drives: 1 - torquemeter; 2 - stem; 3 - casing head; 4 - screw-type pump; 5 - electric motor; 6 - gearbox; 7 - stuffing-box blowout preventer; 8 - amplifier; 9 - programmable controller; 10 - computer; 11 - pressure sensor; 12 - frequency converter with a revolution calculation function; 13 - rpm sensor
Рис. 2. Экспертная система Fig. 2. Expert system
- 40Т-063 и 40Т-025, частота вращения привода составляла 123 и 197 об./мин., давление на выкиде - 2-16 атм., средняя глубина подвески насоса - 900 м. По результатам анализа сделаны следующие выводы.
Часто причиной выхода из строя винтовой насосной установки становится слом штанги в верхней части колонны штанг. Это объясняется тем, что верхний конец колонны штанг жестко закреплен в зажимах привода, поэтому жесткость верхних штанг больше и они менее устойчивы к усталостному разрушению. Рассмотрим этот процесс более подробно. При работе винтовой насосной установки с поверхностным приводом возникают колебания крутящего момента, передаваемого от редуктора ротору-винту из-за наличия падающей характеристики коэффициента трения в зависимости от скорости трущихся поверхностей ротора и резиновой обоймы статора. Возникающие крутильные колебания системы «винт - колонна штанг» вызывают преждевременный износ поверхностей винта и резиновой обоймы статора, усталостный износ штанг, приводящий к их обрыву, отворот насосно-компрессорных труб и оказывают отрицательное влияние на работу всей установки в целом [1]. Согласно результатам исследований, для повышения надежности винтовых насосных установок с поверхностным приводом их следует эксплуатировать при частоте вращения привода, превышающей критическую частоту вращения, с учетом того что критическая частота вращения не одинакова для всех компоновок винтовых насосных установок и различных условий эксплуатации, а зависит от параметров режимов эксплуатации и от параметров самих установок. Для управления работой винтовых насосных установок с поверхностным приводом был разработан комплекс, оснащенный датчиками и системой управления на базе мощного свободно программируемого панельного контроллера c операционной системой Linux. На винтовой насосной установке установлен электродвигатель мощностью 5 кВт (питание - 380 В, 50 Гц), который приводит в движение насос (рис. 1). Установка не снабжена коробкой передач для
PUMPS. COMPRESSORS
изменения оборотов. Для исключения этого недостатка был установлен частотный преобразователь (далее - ЧП). В функции ЧП входит изменение частоты сети для уменьшения числа оборотов. Также ЧП может контролировать частоту оборотов двигателя путем считывания ЭДС на одной из фаз. Для исключения заклинивания редуктора используется другая функция ЧП - контроль тока. Для контроля оборотов полированного штока используется датчик оборотов. Датчик основан на использовании прибора по контролю приближения металла. Контроллер засекает время между полуоборотами. Также для контроля крутильных колебаний установлен мо-ментомер с датчиком давления. На выкидной линии устанавливаются расходомер, а также датчики давления и температуры.
Управление осуществляется за счет подключения всех датчиков и ЧП к
программно-логическому контроллеру (ПЛК), установленному в шкафу управления. Подключение ПЛК к компьютеру производится через протокол Modbus TCP. На компьютере установлено программное обеспечение Scada для управления режимами работы винтовых насосных установок с поверхностным приводом.
Управление режимами работы производится через изменение параметров работы установки (частоты вращения двигателя, граничных значений выключения и т.д.).
Разработанный комплекс позволяет контролировать и оперативно управлять режимами работы винтовой насосной установки с поверхностным приводом, повышая ее надежность и эффективность, отключая ее в аварийных ситуациях, а также вести контроль за параметрами добываемой жидкости. Однако даже при такой обновленной
комплектации необходимо присутствие управляющего установкой оператора. Чтобы установка могла работать более эффективно и в автономном режиме, предлагается применять экспертную систему (рис. 2). Экспертная система способна использовать зависимости неравномерности крутящего момента от длины колонны штанг, диаметра штанг, длины винта, диаметра винта, натяга винта, рабочего давления насоса и др. для управления режимами работы винтовой насосной установки. Применение экспертной системы в аппаратном комплексе позволяет в автоматическом режиме контролировать и оперативно управлять режимами работы винтовой насосной установки с поверхностным приводом, повышая ее надежность и эффективность, отключая ее в аварийных ситуациях, а также вести контроль за параметрами добываемой жидкости.
References:
1. Davydov A.Yu., Zaripova L.M., Gabdrakhimov M.S., Ismagilov R.R. Dinamika raboty shtangovoj kolonny pri dobyche nefti ustanovkoj vintovogo nasosa s poverhnostnym privodom [Dynamics while operating the rod string in oil production with screw pump unit with surface drive]. Oborudovanie i tehnologii dlja neftegazovogo kompleksa = Equipment and technologies for the oil and gas industry, 2013, No. 3. P. 26-30.
2. Ryazantsev N.F., Karnaukhov M.L., Belov A.B. Ispytanijaskvazhin vprocesse burenija [Well testing while drilling]. Moscow, Nedra Publ., 1982. 310 pp.
3. Pavlov S.V., Khamitov R.Z., Christodoulou O.I. Integracija geoinformacionnyh sistem v korporativnye informacionnye sistemy krupnyh predprijatij i organizacij [GIS integration into corporate information systems of major enterprises and organizations]. Vestnik UGATU = Bulletin of Ufa State Aviation Technological University, 2007, Vol. 9, No. 2 (20). P. 50-57.
4. Shchurov V.I. Tehnologija i tehnika dobychi nefti [Oil production technology and technique]. Moscow, Nedra Publ., 1983. 510 pp.
5. Neftjanaja promyshlennost' Rossii, janvar'-ijun' 2011 g. Statistika [Oil industry of Russia, January-June 2011 Statistics]. Neftegazovaja vertikal' = Oil and gas vertical, 2011, No. 15-16. P. 121-128.
6. Davydov A.Yu., Zaripova L.M., Gabdrakhimov M.S. Dinamika raboty skvazhinnogo oborudovanija ustanovki vintovogo nasosa s poverhnostnym privodom [Dynamics of screw pump unit downhole equipment with surface drive]. Sovremennye tehnologii v neftegazovom dele - 2011: sbornik nauchnykh trudov [Modern technologies in oil and gas engineering - 2011: collection of scientific papers]. In 2 volumes. Ufa, Publishing House of the Ufa State Petroleum Technological University, 2011, Vol. 2. P. 27-30.
7. Davydov A.Yu., Gabdrakhimov M.S., Sultanov B.Z., Gabdrakhimov N.M. Razrabotka komponovok kolonny shtang s amortizatorom krutil'nyh kolebanij [Design of rod assemblies with torsional motion absorber]. Problemy razrabotki i jekspluatacii neftjanyh mestorozhdenij: Mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov [Challenges of oil fields development. Interacademic collection of scientific papers]. Ufa, Publishing House of the Ufa State Petroleum Technological University, 2004. P. 38.
8. Sultanov B.Z., Afanasyev A.V. Sistema zashhity shtangovojskvazhinnoj ustanovki ot raboty «vholostuju» [System of rod downhole unit protection from no-load operation]. Aktual'nye problemy Volgo-Ural'skoj neftegazonosnoj provincii: Tezisy dokl. mezhdunarodn. nauch.-prakt. konf [Contemporary problems of the Volga-Ural oil and gas province: Summary of the reports of the international research and practical conference]. Ufa State Petroleum Technological University, 2001. P. 55-56.
Литература:
1. Давыдов А.Ю., Зарипова Л.М., Габдрахимов М.С., Исмагилов Р.Р. Динамика работы штанговой колонны при добыче нефти установкой винтового насоса с поверхностным приводом // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2013. № 3. С. 26-30.
2. Рязанцев Н.Ф., Карнаухов М.Л., Белов А.Б. Испытания скважин в процессе бурения. М.: Недра, 1982. 310 с.
3. Павлов С.В., Хамитов Р.З., Христодуло О.И. Интеграция геоинформационных систем в корпоративные информационные системы крупных предприятий и организаций // Вестник УГАТУ. 2007. Т. 9. № 2 (20). С. 50-57.
4. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. М.: Недра, 1983. 510 с.
5. Нефтяная промышленность России, январь - июнь 2011 г. Статистика // Нефтегазовая вертикаль. 2011. № 15-16. С. 121-128.
6. Давыдов А.Ю., Зарипова Л.М., Габдрахимов М.С. Динамика работы скважинного оборудования установки винтового насоса с поверхностным приводом // Современные технологии в нефтегазовом деле - 2011: сб. науч. тр. В 2-х тт. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. Т. 2. С. 27-30.
7. Давыдов А.Ю., Габдрахимов М.С., Султанов Б.З., Габдрахимов Н.М. Разработка компоновок колонны штанг с амортизатором крутильных колебаний // Проблемы разработки и эксплуатации нефтяных месторождений: Межвузовский сборник научных трудов. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. С. 38.
8. Султанов Б.З., Афанасьев Н.В. Система защиты штанговой скважинной установки от работы «вхолостую» // Актуальные проблемы Волго-Уральской нефтегазоносной провинции: Тезисы докл. международн. науч.-практ. конф. Уфа: УГНТУ, 2001. С. 55-56.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 10 october 2015
79
