Применение «интеллектуальных» алгоритмов управления работой внутрискважинного и наземного оборудования для добычи нефти, а также систем постоянного мониторинга в составе различных внутрискважинных компоновок – одно из важных направлений технологического развития добывающей отрасли. Специалисты ООО «ИРЗ ТЭК» разработали и продолжают совершенствовать высокоточные системы погружной телеметрии, расходомеры безвертушечного типа, интеллектуальные станции управления УШГН с частотно регулируемыми приводами. Одна из ключевых новинок прошедшего года – внедрение бездатчиковой системы построения и анализа расчетных динамограмм для оптимизации эксплуатации скважин.

19.02.2017 Инженерная практика №10-11/2016

Феофилактов Сергей Владимирович Главный конструктор ООО «ИРЗ ТЭК»

Манохин Александр Евгеньевич Главный специалист ООО «ИРЗ ТЭК»

Черепанов Дмитрий Александрович Инженер-программист ООО «ИРЗ ТЭК» (АО «Ижевский радиозавод»)

ТМС С ВНУТРИСКВАЖИННЫМ РАСХОДОМЕРОМ «НЕТУРБИННОГО» ТИПА

Наша компания начала серийный выпуск систем погружной телеметрии в 1998 году, и на момент написания настоящей статьи в эксплуатации находились более 40 тыс. комплектов. С 2014 года в рамках развития данного направления ООО «ИРЗ ТЭК» разрабатывает собственные системы внутрискважинной расходометрии, и сегодня уже можно говорить о перспективных результатах этой работы.

Предлагаемая сегодня нашим предприятием модифицированная термоманометрическая система (ТМС)предназначена для регистрации и передачи внешним устройствам объемного расхода, давления и температуры жидкости на выкиде погружного насоса, а также давления и температуры жидкости на приеме погружного насоса (см. таблицу). В состав системы входит погружной блок (БП103ДР), наземный блок, расходомер (RМ 20) и устройство укладки кабеля (УК) (рис. 1).

В расходомере реализован метод измерения расхода, основанный на замере частоты вихрей после тела обтекания, в связи с чем подвижные части у модуля отсутствуют. Сигнал с расходомера передается по одножильному кабелю на погружной блок БП103ДМ и далее по нулевой точке – на наземный блок. Встроенный в расходомер измерительный модуль сертифицирован в качестве средства измерения по воде, межповерочный интервал – четыре года.

В описанной выше модификации систему ИРЗ ТМС можно, в частности, применять в составе компоновок для внутрискважинной перекачки (ВСП) жидкости (рис. 2). На рисунке показаны варианты компоновок для перекачки жидкости из нижнего пласта в верхний (рис. 2а) и из верхнего – в нижний (рис. 2б). Особенность компоновки «б» состоит в использовании погружного блока ТМС с проходным валом, через который от ПЭД на ЭЦН передается крутящий момент. Соответственно, погружной блок ТМС устанавливается в штатное место – ниже ПЭД, и нет необходимости прокладывать нулевую точку снаружи компоновки.

Применима ИРЗ ТМС с расходомером и для добывающих скважин, в частности, в случае одиночных скважин без наземных замерных устройств и скважин с компоновками для одновременно-раздельной добычи (рис. 3).

СТАНЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ УШГН

Другим направлением работы ООО «ИРЗ ТЭК» в 2004 году стала разработка станций управления частотно-регулируемыми приводами ШГН (СУ ЧРП УШГН) со станками-качалками (СК). Однако в связи с отсутствием спроса проект был заморожен на десять лет. В настоящее время проект возобновлен, и мы вывели на рынок новую СУ ЧРП УШГН с частотным преобразователем (ПЧ) и контроллером собственного производства (рис. 4).

Мы позиционируем свою станцию управления как «интеллектуальную» (ИСУ), поскольку в ее контроллере реализован ряд алгоритмов, которые принято относить к данному классу. В целом же с учетом конъюнктуры рынка мы, прежде всего, ставили перед собой задачу создать надежную СУ, которая бы просто настраивалась и оперировала алгоритмами, позволяющими автоматизировать процесс добычи станком-качалкой.

В нашем понимании основная задача ИСУ состоит в обеспечении максимального экономического эффекта от эксплуатации скважины за счет увеличения дебита жидкости, межремонтного периода работы (МРП) оборудования и энергоэффективности процесса добычи, а также уменьшения эксплуатационных затрат на мониторинг основных технологических параметров.

Основной особенностью ИСУ ИРЗ стала возможность построения в режиме реального времени расчетной динамограммы без использования динамографа и других датчиков, крепящихся на подвижные части станка-качалки. Динамограмма анализируется контроллером, записывается в архив и выводится на экран (рис. 5). Расчетная диаграмма позволяет определить все основные параметры работы насоса, а также диагностировать неисправности.

Расхождение данных, вычисленных на основе расчетной динамограммы, с данными, полученными при помощи устьевого датчика усилия, (погрешность) находится в пределах 10% (рис. 6). Таким образом обеспечивается непрерывный мониторинг глубинно-насосного оборудования, а также расчет коэффициента подачи насоса и дебита скважины.

Невысокий уровень погрешности, позволяет эффективно реализовать ряд алгоритмов управления на основе рассчитываемого коэффициента наполнения ШГН. Например, нам удалось реализовать алгоритм защиты по критериям перегрузки и зависания штанг (рис. 7).

Кроме того, при помощи обычного пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора по коэффициенту заполнения насоса можно реализовать алгоритм оптимизации работы УШГН, который позволит станции управления самостоятельно подбирать оптимальное число качаний и поддерживать его в автоматическом режиме за счет частотного регулирования работы привода СК.

На рис. 8 представлен пример такого ПИД-регулирования. До внедрения регулирования коэффициент заполнения составлял 51%, после чего ИСУ была настроена на поддержание уровня 60%. Как видно из рис. 8, при падении коэффициента контроллер понизил частоту рабочего тока с 55 до 46 Гц, в результате чего динамограмма выровнялась, и при сохранении дебита удельный расход электроэнергии снизился. Если бы потенциал скважины позволил, станция бы, наоборот, увеличила частоту вращения двигателя, что привело бы к повышению дебита.

БЕСПРОВОДНОЙ ДИНАМОГРАФ

Некоторые заказчики настаивают на комплектации системы управления динамографом. И, действительно, «реальный» динамограф дает некоторые преимущества по сравнению с виртуальным в части дополнительной диагностики. Поскольку же стандартные кабельные динамографы подвержены частым поломкам, в том числе при проведении операций капитального ремонта скважин (КРС), специалисты ООО «ИРЗ ТЭК» в качестве опции разработали беспроводной динамограф с батарейным питанием (рис. 9, 10).

Динамограф удобен в эксплуатации, поскольку возможность замены элемента питания в полевых условиях позволяет снять проблему подзарядки датчика при длительных измерениях. Кабель связи и разъемы отсутствуют, передача данных и управление датчиком производятся по помехозащищенному радиоканалу Bluetooth с гарантированной дальностью связи до 35 м. Прибор может быть установлен практически в любую траверсную подвеску.

Надежность динамографа обеспечивается высокопрочным стальным корпусом, стойким к механическим повреждениям, и отсутствием движущихся частей. Батарея рассчитана на работу при температуре ниже – 40°С. Кроме того, благодаря отсутствию разъемов и кабельных соединений устройство характеризуется высокой взрывобезопасностью.

Наконец, беспроводной динамограф еще и экономичен, поскольку нет необходимости закупать и устанавливать кабельные каналы, шкафы и клеммные коробки, а его обслуживание сводится к периодическому осмотру и замене батареи питания датчиков (1 раз в 2-3 года).

Таким образом, СУ ИРЗ-400 в настоящее время изготавливается в трех модификациях: 1) бездатчиковая СУ ЧРП; 2) СУ ЧРП с погружным датчиком ИРЗ ТМС; 3) СУ ЧРП с динамографом.

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Помимо описанного выше ПИД-регулятора, для поддержания заданного коэффициента заполнения насоса в бездатчиковой ИСУ ЧРП ИРЗ реализован еще ряд важных алгоритмов управления скважиной в автоматическом режиме.

Алгоритм оптимизации цикла качаний предполагает замедление двигателя при проходе верхней «мертвой» точки ШГН и его ускорение при проходе нижней «мертвой» точки. Результатом применения данного режима становится повышение коэффициента заполнения насоса при сохранении заданного числа качаний в минуту (рис. 11).

Алгоритм ухода от генераторного режима предполагает ускорение электродвигателя при снижении потребляемой мощности ниже заданного уровня. Результатом становится снижение энергопотребления за счет ухода от передачи электроэнергии на тормозные резисторы. При включении данного режима станция управления сохраняет заданное число качаний в минуту, изменяя частоту внутри каждого цикла (рис. 12).

Два других реализованных в ИСУ алгоритма обеспечивают оптимизацию эксплуатации скважины по таймеру работы и по расписанию работы скважины.

АЛГОРИТМЫ ЗАЩИТЫ

СУ ЧРП обладает следующими защитами от аварийных режимов в системе УШГН:

• диагностика и защита от срыва подачи по газу;
• диагностика и защита от обрыва ремней и обрыва штанг;
• максимальная/минимальная нагрузка на шток;
• защита от зависания штанг (эмульсия);
• перегруз/недогруз по току по любой из фаз;
• дисбаланс токов фаз;
• недопустимое давление на устье скважины;
• короткое замыкание;
• выход параметров телеметрической информации из рабочей зоны.

Кроме того, в станции реализован широкий спектр защит от аварийных режимов питающей сети по максимальному и минимальному напряжению, дисбалансу напряжений по фазам, а также по нарушению порядка чередования фаз.