CC BY
34
УДК 622.276.53
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-586-591
РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА СКВАЖИНАХ, ОБОРУДОВАННЫХ УСТАНОВКАМИ ШТАНГОВЫХ
ГЛУБИННЫХ НАСОСОВ
Г.И. Бикбулатова, А.С. Галеев, Р.Н. Сулейманов, С.Л. Сабанов, Ю.А. Болтнева
В ходе выполнения работ было установлено, что, несмотря на большое количество предлагаемых научных и технических решений, задача создания надежного беспроводного электромагнитного канала с забоем скважины и устройства для его реализации является актуальной, особенно с точки зрения практической реализации. Особенностью предложенного технического решения является передача информации по гальваническому каналу связи при эксплуатации скважины, включающем возбуждение электрического тока в металлической колонне в скважине при помощи наземного генератора, подключенного одним контактом к наземной части металлической колонны, а другим контактом - к приемному электроду на поверхности скважины; коммутацию диэлектрической вставки, разделяющей металлическую колонну в скважине на верхнюю и нижнюю части, и получение информации с забоя скважины в зависимости от пульсаций, вызванных коммутацией диэлектрической вставки, фазы передачи информации синхронизируются с ходом колонны штанг вверх, давая возможность отслеживать при помощи обратной связи длительность цикла с постоянным напряжением на диэлектрическом разделителе.
Ключевые слова: установка штангового скважинного насоса, гальванический канал, передача сигнала, сопротивление, электрический разделитель, система мониторинга.
1. Введение. Наиболее массовым способом механизированной добычи нефти на «зрелых» месторождениях, характеризующихся малым дебитом большинства скважин и наличием вязких нефтей, является штанговый насосный способ. С помощью установок штанговых скважинных насосов (УШСН) эксплуатируется 2/3 общего действующего фонда скважин.
В процессе эксплуатации УШСН неизбежно происходят изменения технического состояния и основных параметров установки. Коррозия, абразивный и механический износ, различные отложения негативно влияют на производительность насосных установок, возрастающие по мере износа узлов насоса утечки снижают коэффициент подачи. На темпы происходящих изменений влияют свойства добываемой многофазной жидкости, режимы эксплуатации, конструктивные особенности и качество изготовления оборудования. Одновременное воздействие всех факторов значительно затрудняет выявление причин и закономерностей при анализе причин отказов элементов установок [1].
Известно, что эффективность эксплуатации штанговых скважинных насосных установок, широко используемых при разработке нефтяных месторождений с осложненным фондом скважин, во многом зависит от технического состояния привода и скважинного насоса, на которые оказывают влияние в т.ч. и параметры скважинной жидкости.
При эксплуатации скважин, оборудованных УШСН, контроль параметров добываемой продукции осуществляют, в основном, по проводному каналу связи в непосредственной близости от забоя посредством датчиков.
Параметры пластового флюида так же подвержены изменениям на протяжении всего времени эксплуатации скважины, поскольку в свою очередь зависят от различных меняющихся факторов, в т.ч закачки контурного заводнения систем поддержания пластового давления (ППД), величин обводненности, содержания газа, солей, парафина и т.д. [2].
2. Постановка задачи. Оценку некоторых параметров добываемой продукции осуществляют в непосредственной близости от пласта посредством датчиков, связанных с принимающей станцией кабелем. В зависимости от необходимой информации на приеме насоса можно разместить различные датчики, например, плотности, температуры, давления. Последний необходим для определения статического уровня столба жидкости в процессе добычи штанговым насосом, поскольку является основным показателем, определяющим требуемый темп откачки скважинной жидкости. Он реализуется либо режимом периодической откачки, либо регулированием числа ходов плунжера ШСН.
586
Передача измеренной информации от забоя к устью по проводному каналу связи осложняется сужением проходного сечения лифтового канала труб, обрывами кабеля, обусловленными движением штанг и отложениями парафина [2]. Патентные исследования, проведенные при реализации задач мониторинга технического состояния УШСН и параметров пластовой жидкости на забое скважины для регулирования технологического процесса добычи, показали, что тенденции развития направлены на переход к системам передачи информации по более дешевым и надежным каналам связи.
3. Техническое решение задачи. В процессе выполнения работ ПНИЭР была разработана система мониторинга УШСН с погружным модулем и передачей скважинной информации по гальваническому каналу связи. Система, включающая наземную станцию, гальванический канал связи и погружной модуль, анализирует техническое состояние привода и штангового насоса, контролирует основные скважинные параметры, передает информацию соответствующим службам предприятия. Каждый из этапов программно управляется контроллерами скважинной и наземной частей системы. Программное обеспечение (ПО), основывающееся на математической модели привода УШСН с преобразующим механизмом в виде рычага 1-го рода, позволяет вычислить связь между фазой движения колонны штанг и временем, установить взаимосвязь ватметрограмм и динамограмм. ПО системы «Мониторинг СМ-ШСНУ» предназначено для сбора, хранения, обработки и интерпретации данных замеров датчиков, оценки их уровней по предельным уставкам, устанавливается на персональный компьютер. Встроенные алгоритмы распознавания неисправностей технического состояния позволяют выдавать и рассылать подписчикам соответствующих служб диагнозы состояния, прогнозы безаварийной работы и рекомендации по срокам проведения ремонтных и профилактических мероприятий.
Общий вид системы мониторинга УШСН с погружным модулем и гальваническим каналом связи для передачи скважинной информации представлен на рис. 1.
Погружной модуль станции мониторинга передает скважинные замеры по гальваническому канала связи (ГКС), представленной колонной НКТ и штанг. Узел гальванической развязки изолирует линию связи от заземленного наземного оборудования станка-качалки. Далее информация со скважинных и наземных датчиков передается в наземный блок контроля и управления (наземная станция) по проводной линии или радиосвязи [4].
Рис. 1. Система мониторинга УШСН с гальваническим каналом связи
и погружным модулем
Погружной модуль располагается в непосредственной близости от приема скважинно-го насоса (рис. 1), может быть оснащен различными датчиками, в данном случае - для измерений давления и температуры и передатчиком измеренной информации по гальваническому каналу связи.
Оценка величины электрического сопротивления цепи, состоящей из колонны штанг, скважинного насоса и насосно-компрессорных труб, осуществляется в предположении, что цепь состоит из однородных, электрически изолированных штанг и насосно-компрессорных труб с постоянным сечением. Электрическое сопротивление определяется:
Я = Яш+ Янкт + Ян = Р-± + Р-^ + ЯН (1)
¿ш ¿НКТ
где р - удельное сопротивление вещества проводника; I - длина проводника; 5Ш - площадь сечения штанг; Янкт - площадь сечения НКТ; Кн - электрическое сопротивление, возникающее в скважинном насосе.
С учетом того, что расстояние между плунжером и цилиндром мало, а площадь взаимодействия велика, электрическое сопротивление, возникающее в насосе, можно принять равным нулю. Для скважины с глубиной спуска насоса 1500 м, удельным сопротивлением р = 0,14 Оммм2/м, площадями сечения штанг и НКТ равными 380 мм2 и 243 мм2 соответственно расчетное электрическое сопротивление цепи составило 1,41 Ом.
Расчет электрического сопротивления разомкнутой цепи осуществляли в предположении, что среда, заполняющая насосно-компрессорные трубы, однородна, колонна штанг в колонне насосно-компрессорных труб расположена концентрично. Для расчетов применили формулу определения сопротивления цилиндрического заземления электрода. Согласно [3] сопротивления цилиндрического заземления определяется как:
Яз= 0,367- (2)
где р - удельное сопротивление среды; I - длина цилиндрического заземления (штанг); йт -диаметр цилиндрического заземления (штанг).
При опытных испытаниях, проведенных на скважине с удельным сопротивлением среды 106 Омм, глубиной спуска насоса 1770 м, диаметром колонны штанг 22 мм, расчетное сопротивление среды, находящейся между штангами и НКТ, составило 200 Ом.
Общий вид погружного модуля представлен на рис. 2.
Рис. 2. Модуль погружной
Погружной модуль (ПМ) состоит из электрического разделителя с диэлектрической вставкой, электронного блока с батареями питания, датчиками измерений параметров скважин-ной жидкости, электронной платы с блоками процессорной обработки и передачи информации в наземную станцию управления по ГКС. Электронный блок осуществляет сеансы измерений параметров, запись во внутреннюю память результатов замеров и передачу их с установленной периодичностью на поверхность земли по ГКС.
Для обеспечения передачи информации от насоса к устью скважины погружной модуль оснащен электрическим разделителем верхней и нижней частей колонн, и электрическим ключом, передающим сигнал по ГКС.
Электрический разделитель погружного модуля содержит:
- корпусные элементы - ниппель и муфту, выполненных в виде переводников с присоединительными резьбовыми соединениями соответствующим НКТ;
- диэлектрический изоляционный слой между корпусными элементами;
- электронный блок, обеспечивающий измерение параметров и передачу информации по гальваническому каналу связи.
Наземный приемник информации содержит источник питания, подключенный одним контактом к наземной части колонны штанг, а другим - к НКТ, в которой концентрично установлена колонна металлических штанг со скребками-центраторами из диэлектрического материала.
Для обеспечения электрического разобщения полированного штока с колонных штанг от остальных частей наземного оборудования станка-качалки разработан узел гальванической развязки с изоляционными втулками, конструкция которого приведена на рис 3. В центральные отверстия верхней и нижней траверс 4 и 5 установлены втулки 2 из изоляционного материала. Резьбовой конец муфты полированного штока содержит пробку 1 с контактным кольцом 3, с помощью которых устанавливается электрический контакт проводной линии связи 7 с полированным штоком (колонной штанг). Второй провод линии связи, обеспечивающий контакт с колонной НКТ посредством контактного кольца 3, закреплен на устьевой головке.
7 - провод соединительный
С помощью электрического разделителя, имеющего в своей конструкции диэлектрическую вставку, колонна НКТ представляет собой электрически разомкнутый проводник. Погружной модуль, совместно с колонной НКТ, колонной штанг и узлом гальванической развязки передает скважинную информацию по гальваническому каналу связи с модуляцией полезного сигнала с помощью коммутирования электрического разделителя по заданному алгоритму.
4. Результаты экспериментов. Погружной модуль и другие элементы системы мониторинга были подвергнуты лабораторным и стендовым испытаниям, которые успешно выдержали.
Опытно-промышленные испытания станции мониторинга с гальваническим каналом связи проводились согласно утвержденным программе и методикам приемочных испытаний СМ-ШСНУ, в рамках которых были выполнены работы по монтажу системы и запуск программ, в т.ч. «Мониторинг СМ-ШСНУ».
При испытаниях была осуществлена передача данных, регистрация в программе клиента с указанием адреса электронного почтового ящика, параметра и вида рассылки. Проведена проверка просмотра показаний технического состояния УСТТТН по дате и времени, сохранение приходящих отчетов, просмотр полученных данных.
При проверке показателей погружного модуля установлены большие помехи импульсных блоков питания станции управления, забивающие сигнал от погружного модуля во время сеанса связи при передаче результатов замеров по гальваническому каналу в блок контроля и управления.
5. Обсуждение результатов. Приемочные испытания станции мониторинга с гальваническим каналом связи были прерваны и осуществлен подъем погружного модуля.
При анализе причин отсутствия устойчивого сигнала и связи погружного модуля с блоком контроля и управления было установлено наличие контакта эксплуатационной колонны с колоннами штанг и НКТ.
Для исключения контакта между штангами и эксплуатационной колонной, принято решение об оснащении колонн штанг центраторами, НКТ- резиновыми изолирующими элементами (рис.4).
6. Выводы и заключение. Погружной модуль и другие элементы системы мониторинга с гальваническим каналом связи были подвергнуты лабораторным и стендовым испытаниям, которые успешно выдержали. По первым результатам опытно-промышленных испытаний были внесены изменения. На сегодняшний день испытания продолжаются на месторождении с высоковязкими нефтями ПАО «Татнефть».
Список литературы
1. Polygin V.V., Lekomtsev A.V. The dynamics of wear of sucker rod pumps during well operation. The journal "Oil industry". Moscow, No. 9, 2011. P. 112-114.
2. Urazakov K.R., Bogomolny E.I., Seytpagambetov Zh.S., Gazarov A.G. Pump production of highly viscous oil from deviated and flooded wells / Ed. M.D. Valeeva. M.: Nedra-Business Center LLC, 2003. 303 p.
3. Galeev A.S., Arslanov R.I., Ermilov P.P., Kuzmin I.A. Monitoring the technical condition of the SHSNU during periodic operation. Electronic scientific journal oil and gas business. Publisher: Ufa State Oil Technical University (Ufa) No. 1. 2012. P. 24-29.
4. Stepnoy V.S. A non-generator method for transmitting downhole telemetry data / TUSUR Reports, 2010. No. 2 (22), V 2. P. 29-31.
Бикбулатова Голия Ильдусовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Галеев Ахметсалим Сабирович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Сулейманов Раис Насибович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Октябрьский, Филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Октябрьском,
Сабанов Сергей Леонидович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт,
Болтнева Юлия Анатольевна, старший преподаватель, boltneva1julia@mail. ru, Россия, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт
IMPLEMENTATION OF THE METHOD OF WIRELESS TRANSMISSION OF INFORMATION
IN WELLS EQUIPPED WITH ROOM PUMPS
G.I. Bikbulatova, A.S. Galeev, Rais N. Suleymanov, S.L. Sabanov, Yu.A. Boltneva
In the course of the work, it was found that, despite the large number of proposed scientific and technical solutions, the task of creating a reliable wireless electromagnetic channel with a bottom hole and a device for its implementation is relevant, especially from the point of view of practical implementation. A feature of the proposed technical solution is the transmission of information via a galvanic communication channel during well operation, including the excitation of an electric current in a metal column in a well using a ground generator connected with one contact to the surface of the metal column, and the other contact to a receiving electrode on the surface of the well; switching the dielectric insert dividing the metal string in the well into the upper and lower parts, and obtaining information from the wellbore depending on the pulsations caused by the switching of the dielectric insert, the phases of information transfer are synchronized with the stroke of the rod string upward, making it possible to track the cycle duration using feedback with constant voltage across the dielectric separator.
Key words: installation of a sucker rod pump, galvanic channel, signal transmission, resistance, electrical separator, monitoring system.
Bikbulatova Goliya Ildusovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Almetyevsk, Almetyevsk State Oil Institute,
Galeev Akhmetsalim Sabirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Almetyevsk, Almetyevsk State Oil Institute,
Suleimanov Rais Nasibovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Oktyabrsky, Branch of the Ufa State Oil Technical University in Ok-tyabrsky,
Sabanov Sergei Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Almetyevsk, Almetyevsk State Oil Institute,
Boltneva Yulia Anatolyevna, senior lecturer, [email protected], Russia, Almetyevsk, Almetyevsk State Oil Institute
