Повышение эффективности управления работой скважинной штанговой насосной установки

Актуальность работы.

В настоящее время большинство месторождений в Российской Федерации находятся в завершающей стадии разработки. Темпы роста нефтедобычи составляют всего около 2% в год. Прирост запасов нефти за счет вновь открытых месторождений уменьшается [15]. Продолжает ухудшаться структура запасов.

Снижение темпов добычи нефти обусловливает увеличение числа скважин, эксплуатируемых скважинными штанговыми насосными установками (СШНУ), доля которых на отдельных нефтепромыслах достигает 80% от общего фонда скважин. СШНУ хорошо приспособлены для работы в условиях малого дебита скважин (от 0,2 до 60 м3/сут). Ведущая роль в добыче «черного золота» принадлежит станкам-качалкам. Разработка нефтяных месторождений в значительной степени осложняется снижением проницаемости пород в призабойной зоне пласта (ПЗП), в том числе и при эксплуатации СШНУ. Приток нефти уменьшается, сокращаются дебиты скважин. Причинами этого являются заполнение порового пространства коллектора твердыми глинистыми частицами, частицами породы, тяжелыми смолистыми отложениями, отложениями солей, парафина. Кроме того, существенную лепту вносят загрязнения, привнесенные с поверхности во время проведения текущих и капитальных ремонтов скважин [2, 6, 30, 40, 96].

Для решения проблемы уменьшения притока нефти широко применяются различные способы воздействия — механические, химические, тепловые, комбинированные, различные модификации гидроразрыва пласта и др. В последние годы интенсивно развиваются методы волнового воздействия на пласт. Однако, применение приведенных методов невозможно в процессе эксплуатации скважины. Для проведения технологических операций повышения проницаемости пласта и призабойной зоны скважину останавливают, завозят технологическое оборудование, материалы, осуществляют серии дорогостоящих скважинных операций, затем скважину вновь запускают в эксплуатацию [55].

Следует также отметить, что в настоящее время большинство СШНУ оснащаются нерегулируемыми электроприводами на основе асинхронных электродвигателей (ЭД). Такие электроприводы обладают низкими энергетическими показателями и не могут обеспечить необходимый диапазон регулирования производительности насоса в непрерывном режиме работы установки, что существенно ограничивает условия оптимизации технологического процесса добычи скважинной жидкости.

В условиях снижения темпов добычи нефти и высокой стоимости работ по восстановлению проницаемости призабойной зоны особую актуальность приобретают проблемы повышения эффективности разработки месторождений в целом, увеличения объемов добычи нефти, повышения нефтеотдачи пластов, продления жизненного цикла разработки месторождений и достижения экономической эффективности.

Направлениями решения этих актуальных задач являются разработка новых режимов работы штанговых насосов, оперативное управление приводом СШНУ, организация воздействий на пласт знакопеременным движением жидкости. Кроме того, в связи с ростом механизированного фонда скважин возрастает значение автоматизации управления насосными установками. Условия эксплуатации СШНУ, которые характеризуются изменением производительности скважины, требуют применения регулируемого привода для изменения частоты качаний с целью установления оптимального режима отбора жидкости [46].

Управление процессом нефтедобычи должно быть основано на использовании современных средств автоматики, что позволит устранить непроизводительные затраты энергии и оптимизировать режимы отбора скважинной жидкости, обеспечить сбор, хранение и обработку информации.

В результате анализа работ авторов, занимающихся решением аналогичных проблем, и обзора российских и зарубежных патентных документов, установлено, что задача создания автоматической системы управления приводом скважинной штанговой насосной установки и задача управления работой насоса рассматривалась, однако, предложение о создании знакопеременного движения жидкости в пласте за счет управления клапанами на основе информации о состоянии скважинных параметров отличается новизной и является актуальным.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы СШНУ за счет разработки комбинированной системы управления штанговым насосом.

Объектом исследования является система СШНУ — скважина — пласт.

Предмет исследования — методы и алгоритмы управления СШНУ.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ причин снижения эффективности работы СШНУ и методов ее повышения;

2. Разработка метода диагностики состояния продуктивного пласта в процессе работы СШНУ;

3. Разработка и исследование математической модели системы: СШНУскважина — пласт, оснащенной штанговым насосом с управляемыми клапанами;

4. Разработка проблемно-ориентированной системы управления СШНУ и алгоритма управления на основе текущей диагностической информации;

5. Оценка эффективности разработанной системы управления СШНУ на основе математического и физического моделирования.

Методы исследований.

При решении поставленных в работе задач использовались методы системного анализа, математического моделирования кинематики и динамики механизмов, аналитические и численные методы прикладной механики, физического моделирования, теория управления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод диагностики состояния продуктивного пласта, основанный на обработке информации о системе скважинных параметров, позволяющий управлять угловой скоростью вала приводного двигателя СШНУ с целью стабилизации производительности установки на максимально высоком уровне.

2. Конструктивная схема СШНУ, оборудованной насосом с управляемыми клапанами, и особенности ее работы.

3. Математическая модель системы: СШНУ — скважина — пласт, позволяющая прогнозировать увеличение производительности СШНУ, на основе описания движения твердых частиц, находящихся в нестационарном потоке скважинной жидкости, создаваемом внедрением в конструкцию насоса управляемых всасывающего и нагнетательного клапанов.

4. Режимы и функциональная схема системы управления СШНУ, основанные на диагностике состояния объекта исследования: СШНУ — скважина — пласт и обеспечивающие повышение эффективности ее работы.

5. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие влияние предложенных режимов работы, реализуемых с помощью изменения конструкции СШНУ и разработанных алгоритмов управления, на повышение расхода жидкости через искусственный керн.

Научная новизна. Предложена проблемно-ориентированная система управления СШНУ, реализующая настройку установки на наиболее эффективный режим работы и очистку пласта в процессе эксплуатации скважины на основе текущей информации о состоянии скважинных параметров.

1. Разработан метод диагностики состояния продуктивного пласта для организации управления работой СШНУ.

2. Решена задача усовершенствования конструкции СШНУ, обеспечивающей знакопеременное движение жидкости в призабойной зоне продуктивного пласта.

3. Разработана математическая модель системы: СШНУ — скважинапласт, учитывающая особенности режима работы управляемых клапанов штангового насоса.

4. Разработаны алгоритм и система управления СШНУ, реализующая на основе текущей информации очистку призабойной зоны скважины от механических частиц и эффективный отбор скважинной жидкости во время эксплуатации установки.

Практическая ценность.

Установлено, что предложенный режим эксплуатации СШНУ, оснащенной насосом с управляемыми клапанами, обеспечивающим ассиметричное знакопеременное движение жидкости в поровом пространстве коллектора позволит увеличить производительность установки и коэффициент остаточной проницаемости пласта. В лабораторных условиях применение модели СШНУ с управляемыми клапанами позволило увеличить коэффициент остаточной проницаемости коллектора более чем на 22%.

В нефтепромысловой практике предложенная система может быть использована для создания высокоэффективной мехатронной системы управления СШНУ.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 46-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2009 г.) — 7-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.) — 47-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2010 г.) — 48-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2011 г.) — локальной научно-технической конференции «Мехатроника и эргатические системы» в рамках 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (с. Дивноморское, Геленжикский район, Краснодарский край, 2011 г.) — Международной конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 2011 г.) — XVI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград 2011) — заседаниях технических советов ООО «Волганефтемаш» (г. Волгоград, 2009, 2010, 2011 г. г.) — научных семинарах кафедры «Теоретическая механика» ВолгГТУ.

Публикации.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных трудах, в их число входят 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 114 наименований, приложения. Работа изложена на 133 страницах текста, содержит 46 рисунков, 4 таблицы.

Результаты исследования показали, что в целом применение обратного хода при извлечении загрязненной жидкости целесообразно и позволяет существенно увеличить объем ее извлечения.

Несмотря на время, затраченное на проведение обратного хода жидкости, в результате ее расход существенно превосходит расход при моделировании работы без обратного хода. Однако при увеличении количества прямых ходов в цикле работы установки в режиме с использованием обратного хода, может возникнуть неблагоприятная ситуация, связанная с уплотнением частиц и снижением расхода до минимальных значений.

Для более детального исследования применения управляемых клапанов при работе скважинных штанговых насосов были проведены дополнительные исследования, в которых жидкость с твердыми частицами фильтровалась через пористый материал, обладающий высокой проницаемостью. В качестве загрязненной жидкости использовался буровой раствор.

5.2. Экспериментальные исследования знакопеременного процесса фильтрации загрязненной жидкости.

При выполнении более детальных исследований влияния обратного хода на фильтрационные характеристики материала был использован искусственный керн, перемещение жидкости производилось под более высоким давлением, кроме того, в качестве фильтруемой жидкости использовался буровой раствор, который применяют при глушении скважин. При этом также моделировалась работа ШГН с управляемыми клапанами [60].

5.2.1. Описание лабораторной установки для исследования знакопеременного процесса фильтрации.

Описанный в [60] способ эксплуатации скважинного штангового насоса с управляемыми клапанами смоделирован на лабораторной установке (рисунок 39). Исследовалось влияние «обратного хода» жидкости на фильтрационные характеристики пористого материала.

Рисунок 39 — Схема лабораторной установки 1 — компрессор- 2 — емкость с чистой жидкостью- 3.1, 3.2, 3.3 — манометры- 4.1−4.8 — краны шаровые- 5 — кернодеражатель-6 — клапан предохранительный- 7 -ресивер- 8 — емкость с загрязненной жидкостью- 9 — насос центробежный.

1 2 3.1 И 4.2 5.

6 3.2 3.3 7.

Искусственный керн (цилиндр из угольного фильтра с толщиной стенки около 1,5−2 см) закладывался в корпус 5 (рисунок 40), с внешней и внутренней стороны герметизировался эпоксидной смолой для исключения перетоков и устанавливался в кернодержатель. Вид подготовленного к использованию искусственного керна приведен на фото (рисунок 41).

Рисунок 40 — Кернодержатель 1 — переводник- 2 — кольцо уплотнительное- 3 — патрубок- 4 — кольцо уплотнительное- 5 — корпус- 6 — керн.

Рисунок 41 — Искусственный керн.

5.2.2. Методика и результаты экспериментальных исследований знакопеременного процесса фильтрации.

В начале исследований производили замер проницаемости искусственного керна, пропуская через него чистую жидкость. Для измерения проницаемости нагнетали давление в емкость с чистой жидкостью 2 (рисунок 39) с помощью компрессора 1, после чего, открывая шаровые краны 4.1 и 4.7, фильтровали жидкость через искусственный керн, находящийся в кернодержателе 5. Расход жидкости определяли с помощью лабораторной мензурки и секундомера, величину давления наблюдали на манометре З.1., затем рассчитывали коэффициент проницаемости по уравнению Дарси. к = ^ пр APF' где Q — объемный дебит, F — площадь поперечного сечения фильтра, L — длина фильтра, АР — перепад давления, /л — вязкость жидкости.

Проницаемость изготовленных кернов составляла в среднем 0,15 мкм. Для проведения опытов использовали техническую воду и раствор бентонита (глинистый раствор), используемый в нефтяной промышленности для глушения скважин.

В первом опыте моделировалась работа насоса в режиме «без обратного хода». Из емкости с загрязненной жидкостью 8 центробежным насосом 9 под давлением 6 атм подавали глинистый раствор в кернодержатель 5, открывая шаровые краны 4.5, 4.6 и 4.2, краны 4.1 и 4.7 оставались закрытыми. Отбор жидкости осуществляли порциями по 100 мл. Фильтрат возвращали в емкость 8. Для поддержания постоянной плотности глинистого раствора периодически производили его взвешивание в колбе на электронных весах. При обнаружении отклонений в емкость 8 добавляли утяжелитель. Всего за 150 минут опыта через искусственный керн было извлечено 21 295 мл жидкости.

На графике (рисунок 42) кривой 1 проиллюстрирована динамика снижения количества отбираемой жидкости. По окончании опыта величина коэффициента проницаемости в среднем составила 0,010 мкм, что в 15 раз меньше чем в начале опыта.

Второй опыт до 42 минуты проводился также как первый. Когда расход жидкости через искусственный керн снизился до 80 мл/мин был произведен обратный ход чистой жидкостью из емкости 2 под давлением 4 атм, для чего краны 4.2, 4.6 перекрыли, остаточное давление из кернодержателя 5 сбросили через кран 4.7, после через открытый кран 4.1 чистая жидкость из емкости 2 в количестве 100 мл была перемещена на сброс. Далее краны 4.1, 4.7 перекрывались, через кран 4.2 сбрасывалось избыточное давление из кернодержателя и производились прямые ходы, причем обратные ходы стали следовать через каждые 4 прямых. В результате к 54 минуте опыта расход жидкости восстановился в среднем до 330 мл/мин.

На рисунке 42 кривой 2 показана динамика изменения количества отбираемой жидкости во втором опыте. Коэффициент проницаемости в конце опыта был равен в среднем 0,043 мкм .

В третьем опыте (кривая 3 на графике рисунок 42) моделировалась работа насоса с управляемыми клапанами с начала опыта, обратный ход следовал после каждых 4 прямых. Для проведения прямых ходов использовалась та же методика, что в опыте № 1. Обратный ход совершался также как в опыте № 2.

Всего за 1 50 минут эксперимента было извлечено 40 648 мл жидкости, при этом ее расход оставался постоянным до конца опыта. Коэффициент проницаемости по окончании опыта был равен 0,045 мкм .

В четвертом опыте обратный ход жидкости производился через каждые 8 прямых. Всего за 150 минут было извлечено 14 862 мл жидкости, при этом уже к 60 минуте расход жидкости через керн составил 80 мл/мин. После завершения опыта величина коэффициента проницаемости керна составила в среднем 0,009 мкм". На графике (рисунок 42) кривая, полученная по результатам описанного опыта, имеет номер 4.

В пятом опыте обратный ход жидкости производился через каждые 6 прямых. Всего за 150 минут было извлечено 20 914 мл. По окончании опыта величина коэффициента проницаемости керна составила 0,010 мкм2. Результирующая кривая на графике (рисунок 42) имеет номер 5.

На рисунке 43 приведены фото, иллюстрирующие состояние искусственного керна после проведения исследований.

Рисунок 42 — График изменения расхода жидкости 1 — без обратного хода жидкости- 2-е обратным ходом после засорения- 3 — обратный ход после каждых четырех прямых- 4 — обратный ход после каждых восьми прямых- 5 — обратный ход после каждых шести прямых, а — перед проведением эксперимента режим «без обратного хода» в — режим «4 прямых, 1 обратный».

Рисунок 43 — Состояние искусственного керна до и после проведения эксперимента в различных режимах.

Как видно из представленных фото (рисунок 43) при экспериментальном моделировании работы штангового скважинного насоса в режиме «без обратного хода» образец засорялся много больше, чем при моделировании работы с обратным ходом жидкости, где после каждых 4 прямых ходов следовал 1 обратный. На фото (рисунок 44) образец представлен после смыва с него налета глинистых частиц.

Рисунок 44 — Состояние искусственного керна после смыва налета.

Для выяснения степени закупоривания порового пространства искусственного керна глинистыми частицами было произведено его разрушение и фотографирование с применением микроскопа. Так на рисунке 45 показан образец после его извлечения из кернодержателя и после разрушения. На рисунке 46 приведены фото в тридцатикратном увеличении. Невооруженным глазом видно, что образец, через который проходила знакопеременная фильтрация, менее засорен, чем тот, через который жидкость фильтровалась в одном направлении, что подтверждают и результаты, приведенные на графике (рисунок 42).

Всего в опыте были использованы 20 однотипных искусственных кернов, разделенных на 4 группы. В каждую группу входили искусственные керны одинаковой проницаемости. Для определения эффективности воздействия на керн знакопеременным движением жидкости был рассчитан коэффициент остаточной проницаемости в соответствии с выражением (53), результаты приведены в таблице 3. у ллср | /.

53) к, пр чист где кпр чист — коэффициент проницаемости чистого образца, кпр мгр — коэффициент проницаемости загрязненного образца.

Заключение

.

Разработанный метод диагностики состояния продуктивного пласта, основанный на обработке информации о состоянии скважинных параметров, дает возможность выбирать режим работы СШНУ, позволяющий стабилизировать ее производительность на максимально высоком уровне.

Усовершенствованная СШНУ, содержащая штанговый насос с управляемыми клапанами, обладает новизной и позволяет сохранить проницаемость нефтяного коллектора на высоком уровне без остановки скважины на техническое обслуживание.

Разработанная математическая модель системы позволяет описывать системные связи между элементами объекта исследования: СШНУ — скважинапласт.

Предложенные в работе алгоритм и комбинированная система автоматического управления режимами работы СШНУ, оснащенной насосом с управляемыми клапанами, включающая в себя подсистемы управления угловой скоростью вращения вала асинхронного двигателя станка-качалки и управления клапанами скважинного штангового насоса, позволит существенно увеличить межремонтные периоды добывающих скважин, а также стабилизировать производительность привода СШНУ и обеспечить наиболее эффективный режим отбора скважинной жидкости, обусловленный энергетическим состоянием продуктивного пласта. Кроме того, предложенная система управления позволит осуществлять очистку призабойной зоны пласта в процессе эксплуатации скважины.

Проведенные экспериментальные исследования качественно подтвердили эффективность предложенных режимов работы привода СШНУ и адекватность математических моделей. Результаты, полученные во втором эксперименте, показали, что применение модели привода СШНУ с управляемыми клапанами позволило увеличить коэффициент остаточной проницаемости искусственного керна на 22,62%.