система автоматического регулирования дебита газовой скважины, вскрывшей пласт с подошвенной водой

Формула изобретения

Система автоматического регулирования дебита газовой скважины, вскрывшей пласт с подошвенной водой, содержащая датчик дебита скважины, установленный на линии выхода газа из лифтовой трубы газовой скважины, автоматический регулятор дебита скважины, регулирующий штуцер, установленный на линии выхода газа из лифтовой трубы газовой скважины, при этом к первому входу автоматического регулятора дебита скважины подключен датчик дебита скважины, а выход автоматического регулятора дебита скважины подключен к регулирующему штуцеру, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит во внешнем контуре регулирования датчик уровня вершины конуса подошвенной воды, автоматический регулятор уровня и задатчик уровня, при этом к первому входу автоматического регулятора уровня подключен датчик уровня, ко второму - задатчик уровня, а выход автоматического регулятора уровня подключен ко второму - задающему входу автоматического регулятора дебита скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике автоматического управления и регулирования и может быть использовано в газодобывающей промышленности при добыче и подземном хранении газа.

Известна (Тараненко Б.Ф., Герман В.Т. Автоматическое управление газопромысловыми объектами. М.: Недра, 1976. стр.45) система автоматического регулирования дебита скважины. Она является наиболее близкой по технической сущности и по решаемой задаче. Эта система автоматического регулирования принята в качестве прототипа.

Известная система автоматического регулирования дебита газовой скважины построена по каскадному принципу. Она содержит два контура регулирования: внутренний и внешний. Внутренний контур регулирования является ведомым и представляет собой собственно систему автоматического регулирования дебита газовой скважины (CAP дебита газовой скважины), внешний контур регулирования (ведущий) - представляет собой систему автоматического регулирования давления газа в коллекторе сборного пункта (CAP давления газа в коллекторе), в который подается газ от скважин.

Внутренний контур регулирования (CAP дебита газовой скважины) содержит датчик дебита скважины, автоматический регулятор дебита скважины и регулирующий штуцер. Датчик дебита скважины и регулирующий штуцер установлены на линии выхода газа из скважины. Выход датчика дебита скважины подключен к первому входу автоматического регулятора дебита скважины, а выход автоматического регулятора дебита скважины подключен к регулирующему штуцеру.

Внешний контур регулирования (CAP давления газа в коллекторе) содержит: датчик давления газа, автоматический регулятор давления, ручной задатчик давления газа, n блоков умножения сигнала на постоянный коэффициент (по числу CAP дебита газовой скважины), n блоков ограничения сигнала. Датчик давления газа входом подключен к коллектору сборного пункта, а выходом - к первому входу регулятора давления газа, ко второму (задающему) входу которого подключен ручной задатчик давления газа. Выход регулятора давления газа подключен ко входам n блоков умножения сигнала на постоянный коэффициент, выход каждого из которых подключен ко входу "своего" блока ограничения сигнала, а выход последнего подключен ко второму (задающему) входу "своего" автоматического регулятора дебита скважины.

Известная система автоматического регулирования дебита газовых скважин работает следующим образом.

При отклонении давления газа в коллекторе сборного пункта от заданного значения, устанавливаемого ручным задатчиком, автоматический регулятор давления по ПИ-закону изменяет задание (через блоки умножения сигнала на постоянный коэффициент и блоки ограничения сигнала) одновременно всем автоматическим регуляторам дебита скважин. Автоматические регуляторы дебита скважин, сравнивая текущий дебит с заданным значением, воздействуют в нужном направлении на "свои" регулирующие штуцеры до тех пор, пока текущий дебит скважины не станет равным заданному значению. При помощи блоков умножения сигнала на постоянный коэффициент настраивается требуемое соотношение между дебитами различных скважин, а при помощи блоков ограничения сигнала обеспечиваются ограничения (по максимуму и минимуму), налагаемые на дебит каждой скважины. Настройка требуемого соотношения и ограничений на дебит каждой скважины осуществляется геологической службой газодобывающего предприятия на основании результатов периодически проводимых исследований скважин, предыдущего опыта эксплуатации и проекта разработки месторождения, содержащего указания по допустимым дебитам скважин. Однако определение максимально допустимого (безводного) дебита (или максимально допустимой депрессии) скважины, вскрывшей пласт с подошвенной водой, как показывает практика, и многочисленные публикации осуществляется с большой погрешностью. В связи с трудностью учета неоднородности пласта и его проницаемости на практике это приводит к тому, что при расчетных дебитах конус подошвенной воды прорывается в скважину, вызывая обводнение призабойной зоны скважины и связанные с этим различные серьезные проблемы, на решение которых требуются значительные затраты (Алиев З.С., Андреев С.А., Власенко А.П., Коротаев Ю.П. Технологический режим работы газовых скважин. М.: Недра, 1978, стр.120). "Образование конусов подошвенной воды и прорыв краевой воды в скважины могут привести к существенному снижению проницаемости призабойной зоны и даже к практическому прекращению поступления газа в скважину". "Существует некоторый оптимальный режим (Вяхирев Р.И., Коротаев Ю.П. Теория и опыт разработки месторождений природных газов. М.: ОАО "Издательство "Недра", 1999. стр.221) и определенная степень вскрытия пласта, позволяющие обеспечить так называемый предельный безводный дебит скважины."

Известная система автоматического регулирования дебита газовой скважины, будучи настроена на определенные с большой погрешностью максимальные дебиты, не может обеспечить предельный безводный дебит скважины. В этом ее недостаток.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы создать техническое решение, обеспечивающее автоматическое поддержание предельного безводного дебита скважины, вскрывшей пласт с подошвенной водой, в условиях неоднородности пласта и неопределенности его проницаемости.

Для достижения названного технического результата известная система автоматического регулирования дебита газовой скважины, содержащая: во внутреннем контуре регулирования (в CAP дебита газовой скважины): датчик дебита скважины, установленный на линии выхода газа из лифтовой трубы газовой скважины; автоматический регулятор дебита газовой скважины; регулирующий штуцер, установленный на линии выхода газа из лифтовой трубы газовой скважины, при этом к первому входу автоматического регулятора дебита скважины подключен датчик дебита скважины, а выход автоматического регулятора дебита скважины подключен к регулирующему штуцеру; дополнительно содержит (во внешнем контуре регулирования) датчик уровня вершины конуса подошвенной воды (примечание: далее ради краткости вместо словосочетания "уровень вершины конуса подошвенной воды" будем писать просто "уровень"), автоматический регулятор уровня и задатчик уровня; при этом к первому входу автоматического регулятора уровня подключен датчик уровня, ко второму - задатчик уровня, а выход автоматического регулятора уровня подключен ко второму (задающему) входу автоматического регулятора дебита скважины.

Система автоматического регулирования дебита газовой скважины, вскрывшей пласт с подошвенной водой, показана на чертеже.

Она содержит: датчик дебита скважины 1, установленный на линии выхода газа 2 из лифтовой трубы 3 газовой скважины 4; автоматический регулятор дебита скважины 5; регулирующий штуцер 6, установленный на линии выхода газа из лифтовой трубы газовой скважины, при этом к первому входу автоматического регулятора дебита скважины подключен датчик дебита скважины, а выход автоматического регулятора дебита скважины подключен к регулирующему штуцеру; датчик уровня 7; автоматический регулятор уровня 8; задатчик уровня 9; при этом к первому входу автоматического регулятора уровня подключен датчик уровня, а ко второму - задатчик уровня, а выход автоматического регулятора уровня подключен ко второму (задающему) входу автоматического регулятора дебита скважины. На чертеже также показаны пласт 10, забой 11, водяной конус 12, подошвенная вода 13, нижнее перфорационное отверстие 14.

Система автоматического регулирования дебита газовой скважины, вскрывшей пласт с подошвенной водой, работает следующим образом.

Газ из пласта 10 поступает на забой 11 скважины 4 и далее по лифтовой трубе 3 под действием пластового давления перемещается на устье скважины 4 и через регулирующий штуцер 6 - в линию 2 выхода газа из скважины (в шлейф газовой скважины). При движении газа из пласта 10 в скважину 4 возникает депрессия на пласт (разность давлений между пластовым и забойным давлениями), величина которой при прочих равных условиях тем больше, чем больше дебит скважины.

При повышенных дебитах под действием депрессии на пласт поверхность газоводяного контакта, образованная подошвенной водой и газом, деформируется, образуя водяной конус 12 с вершиной, лежащей на оси скважины. Высота подъема вершины конуса подошвенной воды 13 зависит от депрессии на пласт и, следовательно, от дебита скважины. Чем больше дебит скважины, тем больше уровень h_k вершины этого конуса.

При уменьшении дебита скважины уровень h _k понижается. При отсутствии отбора газа из пласта, т.е. при нулевом дебите скважины h_k=h ₀, где h₀ - уровень подошвенной воды 13 до начала отбора газа из пласта.

Из этого следует, что величину уровня h_k вершины конуса подошвенной воды можно целенаправленно изменять (регулировать) путем изменения дебита скважины.

Датчик уровня 7 измеряет уровень h _k вершины конуса 12 подошвенной воды 13 и передает сигнал, пропорциональный уровню, на первый вход автоматического регулятора 9. Последний сравнивает текущее значение уровня h _k с заданным значением h_з, устанавливаемым при помощи задатчика 9, и, в зависимости от знака и величины разности этих сигналов (ошибки регулирования (t)=h_k(t)-h_з (t)) по ПИ-закону изменяет величину выходного сигнала подаваемого на задающий вход автоматического регулятора 5 дебита скважины. Параметры настройки ПИ-регулятора 8 k _p и T_up (соответственно коэффициент усиления и время интегрирования) выбирают из условия обеспечения требуемого качества процесса регулирования уровня h _k(t). Благодаря наличию интегральной составляющей в законе регулирования автоматического регулятора 8 последний изменяет задание автоматическому регулятору 5 до тех пор, пока ошибка регулирования (t)=h_k(t)-h_з (t)) не станет равной нулю, т.е. пока уровень h _k вершины конуса подошвенной воды не станет равным заданному значению h_з. Автоматический регулятор 5 дебита скважины сравнивает текущий дебит (измеряемый датчиком 1) с заданным дебитом и по ПИ-закону воздействует на регулирующий штуцер 6 до тех пор, пока текущий дебит скважины не станет равным заданному значению. Заданное значение h_з устанавливают предельно допустимым. Оно зависит от конструкции забоя скважины. Если, например, забой скважины имеет перфорированную обсадную колонну, как показано на чертеже, то заданное значение уровня h_з будет определяться положением нижнего перфорационного отверстия 14 (h_з должно быть таким, чтобы вершина конуса подошвенной воды при предельном дебите скважины не перекрывала это отверстие и вскрытая часть пласта не обводнялась).

Каскадная схема построения системы автоматического регулирования повышает качество регулирования уровня (по сравнению с возможной одноконтурной системой регулирования) за счет того, что при изменении дебита скважины, вызванного, например, изменением давления газа в шлейфе, будет компенсировано более быстродействующим автоматическим регулятором 5 расхода газа (внутренним контуром регулирования) путем перемещения регулирующего штуцера 6, и это возмущение (изменение давления в шлейфе) не в полной мере дойдет до конуса подошвенной воды.

Если в процессе эксплуатации скважины произойдут изменения проницаемости пласта или других его параметров или параметров газа и воды, вызывающих изменение уровня конуса подошвенной воды, то автоматическая система регулирования изменит дебит скважины так, чтобы уровень конуса подошвенной воды оставался неизменным и соответствовал предельному безводному дебиту.

Таким образом, предлагаемая система автоматического регулирования дебита газовой скважины, вскрывшей пласт с подошвенной водой, поддерживая заданный предельно допустимый уровень конуса подошвенной воды путем изменения дебита скважины, обеспечивает предельный безводный дебит последней в условиях неоднородности пласта и неопределенности его проницаемости.