Ивановский Владимир Николаевич Председатель редколлегии журнала «Инженерная практика», заведующий кафедрой машин и оборудования для нефтяной и газовой промышленности, профессор РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, д.т.н.

Как и многие другие программы, программа «Автотехнолог» предназначена для оптимального подбора оборудования разных типов: штанговые насосы, штанговые винтовые насосы, электроприводные насосы, в том числе центробежные, винтовые и диафрагменные. Начинается подбор с определения потенциала скважины — максимально возможного дебита и зависимости дебита от забойного давления и динамического уровня. Далее есть возможность адаптации критериев подбора установки к разным условиям эксплуатации скважин при помощи разного рода корреляций. Оборудование можно выбирать в диалоговом режиме или же воспользоваться автоматическим подбором с последующим определением наилучшего варианта.

ПОДБОР ПО ОБОРУДОВАНИЮ, ИМЕЮЩЕМУСЯ В НАЛИЧИИ

При работе в диалоговом режиме можно ограничить выбор только тем оборудованием, которое имеется у пользователя в наличии. В этом случае, конечно, нужно быть готовым к тому, что даже оптимально выбранное оборудование может работать за границами рабочей части характеристики.

Если подбор идет по имеющемуся оборудованию, мы получаем только ту рабочую точку, которая соответствует этому оборудованию. Если она нас устраивает, мы можем продолжить подбор. Если не устраивает, мы пытаемся что-то сделать либо с дебитом самой скважиной (то есть уйти в другую рабочую точку), либо с частотой вращения, чтобы получить возможность работы оборудования с другими параметрами в той же скважине.

ВЫБОР КРИТЕРИЕВ

В программе есть возможность использовать фильтры-критерии. В частности, можно установить ограничение по свободному газу, по максимальному углу отклонения от вертикали, темпу набора кривизны и т.д. Это позволяет определить, например, глубину спуска оборудования, понять насколько будет снижаться КПД ступеней в нижней части насосной установки, там, где есть свободный газ.

И здесь мы должны решить вопрос: что нам важнее, сократить потери в кабельной линии за счет уменьшения ее длины или сократить потери мощности в насосной установке за счет увеличения КПД ступеней? Определив в процессе подбора общие затраты энергии и частные составляющие этих затрат (потерь), можно найти наиболее эффективный вариант для данной скважины.

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Возможность подбора оборудования для периодической (или кратковременной) эксплуатации скважины также часто позволяет существенно сократить затраты энергии. При этом оператор может сам задать минимальное и максимальное значение динамического уровня, может запросить программу и выбрать подходящие насосы, для которых указываются пределы изменения параметров работы системы «скважина — насосная установка».

Можно определить, в какой части характеристики будет эксплуатироваться та или иная насосная установка: если мы ушли за правую границу рабочей зоны — появилась опасность всплытия рабочего колеса; ушли за левую границу рабочей зоны — перегрузили осевые опоры рабочих колес. В обоих случаях, конечно, оборудование будет быстрее выходить из строя.

Кроме того, программа позволяет определять время откачки, время накопления и соответствующие затраты мощности, затраты электроэнергии. Имеется возможность задать с помощью программы тот рабочий цикл, который вас интересует. Предположим, вы хотите, чтобы оборудование работало 5 минут, а потом сутки происходило накопление жидкости в скважине. Этому режиму будет соответствовать один типоразмер насосной установки. При выборе рабочего цикла «3 часа откачки + 3 часа накопления» программа порекомендует совершенно другую насосную установку.

Все эти системы могут быть выбраны для сравнения и определения, какой из вариантов будет наиболее экономичным не только с точки зрения затрат электроэнергии, но и с точки зрения добычи нефти.

Здесь же отмечу, что полная остановка откачки жидкости, особенно при выносе механических примесей, при отложении парафина, конечно, не рекомендуется. Лучше поддерживать то большую, то малую скорость потока, но эта скорость не должна быть равна нулю. При кратковременной эксплуатации скважины остановок бывает достаточно для того, чтобы забились примесями, например, обратные клапаны, сливные клапаны или шламовая труба. Лучше просто менять частоты вращения от минимально возможных, которые просто обеспечивают приток жидкости на устье скважины, до максимально возможных, которые обеспечивают наилучшее дренирование призабойной зоны пласта. В этом случае выпадение механических примесей и формирование АСПО будут минимальны. Это также даст эффект постоянного «раскачивания» призабойной зоны пласта, что позволяет увеличить приток жидкости в скважину.

ЧАСТОТНАЯ АДАПТАЦИЯ

Программа дает возможность определять оптимальные пути адаптации характеристик насоса к характеристике скважины либо за счет изменения частоты вращения вала насоса, либо с помощью штуцера. При этом во многих случаях потребляемая мощность будет снижаться, однако затраты мощности на добычу единицы продукции будут несколько возрастать. Такой вариант можно применять, если нет другого варианта регулирования.

Нужно сказать, что использование частотного преобразователя, особенно без сетевых фильтров, может приводить к снижению качества энергоснабжения. А это, в свою очередь, может существенно ухудшить показатели энергопотребления.

ВЫБОР МОЩНОСТИ ПЭД

Выбор ПЭД производится с учетом прогноза потребления мощности насосом при его работе на реальной жидкости (плотность, вязкость, газовый фактор, давление насыщения). Естественно, в этом отношении возможны ошибки, поскольку иногда характеристики жидкости меняются достаточно быстро, а в промысловых базах данных по скважинам они долго остаются одними и теми же. В динамических базах данных такая проблема отсутствует.

С учетом возможных неточностей рекомендуется подбирать ПЭД, мощность которых на 20% превышает номинальную мощность насосов. В некоторых случаях рекомендуется предусматривать более значительный запас мощности, например, для возможности освоения скважины после глушения. Этот же прием можно использовать и для того, чтобы обеспечить возможность увеличения частоты вращения с соответствующим запасом мощности двигателя.

При выборе двигателя и его мощности определяется рабочее значение тока, КПД и перегрев той жидкости, которая проходит мимо двигателя и насоса. Можно выбрать оптимальную кабельную линию в соответствии с представлением об изменении температуры по стволу. При этом можно подставлять полученное опытным путем значение допустимой рабочей температуры кабеля вместо номинального (паспортного).

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ СКВАЖИН

При выборе варианта оборудования надо опираться на несколько ключевых показателей. Во-первых, отношение Q_приема/Q_{оптимальное}. При значении 0,77 можно сделать вывод о том, что рабочая точка достаточно далеко смещена влево. Это говорит о больших нагрузках на осевую опору, больших потерях на трении, о перегреве всех элементов, начиная от двигателя и кончая насосом и их подшипниками. При величине, равной 1,28, следует ожидать всплытия рабочего колеса и работы оборудования во внештатном режиме, быстрого выхода его из строя. Следовательно, выбирать оборудование нужно таким образом, чтобы отношение Qприема/Qоптимальное стремилось к единице. Следующие показатели: мощность, потребляемая самими двигателями, мощность с учетом потерь, в том числе в кабельной линии той или другой конфигурации, мощность, необходимая для подъема единицы продукции (одной тонны нефти или кубометра жидкости). Именно по этому параметру мы можем определить, какой из вариантов в большей степени нас устроит с точки зрения энергоэффективности. Следовательно, нужно выбирать кабельные линии с максимально возможным диаметром медных жил, колонну НКТ — с максимально возможным внутренним диаметром и минимальной шероховатостью поверхности (внутреннее полимерное или эмалевое покрытие), погружные двигатели — с минимальными значениями рабочего тока и максимальными значениями КПД и cosφ.

Определение указанных выше величин уже дает возможность определить планируемые затраты энергии на подъем единицы продукции и сравнить их с фактическими или другими планируемыми затратами.

ПК «Автотехнолог» дает возможность определить те интервалы глубин по скважине, в которых не рекомендуется или вообще запрещено устанавливать определенные виды оборудования. Кроме того, в таблицах имеется информация по величинам давления, количеству свободного газа, по температуре, по изменению этой температуры, по отклонению от вертикали, по темпу набора кривизны. Информация может быть выведена не только в табличной, но и в графической форме, с тем, чтобы найти те интервалы, те точки, которые будут определять надежность или эффективность того или другого оборудования. По инклинометрии можно определить самые опасные участки скважины, где спускоподъемные операции проводить не нужно, либо проводить их с самыми большими мерами предосторожности.

Информация, генерируемая в процессе подбора, сохраняется в базе данных как самой программы, так и предприятия. При этом пока в ПК «Автотехнолог» можно внести только стоимость электроэнергии, но при необходимости можно расширить возможности программы, предусмотрев ввод стоимости оборудования, стоимости ПРС и ресурса оборудования.

В этом случае дизайн установок будет связан уже не только с энергетикой, но и со стоимостными показателями. И тогда появится возможность сопоставлять затраты электроэнергии с капитальными затратами, затратами на подземные ремонты и т.д. по разным видам оборудования.

ПОДБОР ШТАНГОВЫХ УСТАНОВОК

В программе заложены большие возможности по подбору штанговых насосных установок. В частности, можно рассчитывать хвостовик для выноса воды с забоя скважины, чтобы уменьшить противодавление на пласт. Особенно это важно для скважин с низкими коэффициентами продуктивности. Можно рассчитывать колонны штанг по разным методикам — вручную, по минимальному весу, по равнопрочности с использованием разных диаметров и разных марок (групп прочности) стали. Есть возможность рассчитать применение сепараторов газа и механических примесей. Имеется возможность выбора режимов работы по числу качаний, по длине хода полированного штока, определения нагрузки по каждой из ступеней колонны штанг, в том числе и тяжелого низа, который обеспечивает уменьшение продольного изгиба штанговой колонны и, соответственно, увеличивает время ее наработки на отказ. При этом определяется несколько вариантов с разными (если есть возможность выбора) станками-качалками или с одним и тем же приводом, но с разными режимами работ.

Например, могут быть разные длины ходов, разные числа ходов, что приводит к тому, что может измениться максимальная и минимальная нагрузка, момент на кривошипе, уравновешенность того или иного привода или конструкция самой штанговой колонны. Рекомендации, которые выдает программа, обеспечивают возможность достаточно хорошего уравновешивания привода, что позволяет уменьшить мощность приводного двигателя или затраты электроэнергии при его работе.

ПОДБОР ШВН

При подборе штанговых винтовых насосных установок работа начинается точно так же, как и для всех остальных видов оборудования: с выбора рабочей точки скважины на индикаторной кривой. Затем следует определение всех остальных составляющих оборудования, начиная от типоразмера насоса, колонны штанг, привода и двигателя. При выборе колонны штанг определяются места и количество тех центраторов, которые обеспечивают нормальную работу такой системы. В конце концов мы получаем несколько вариантов, включающих в себя все основные рабочие параметры.

Далее мы можем делать выбор по мощности, которая нам нужна для работы, и выбрать тот вариант, который обеспечит максимальную энергоэффективность эксплуатации этого вида оборудования.