способ эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, основанный на периодическом повторении циклов, включающих запуск насоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения и подачу жидкости насосом при заданной частоте, причем после достижения заданной величины давления в колонне труб в текущем цикле уменьшают частоту питающего напряжения до прекращения подачи насоса, с последующим поддержанием для обеспечения притока жидкости из пласта максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу, а после достижения в процессе притока предусмотренной величины давления на приеме насоса цикл повторяют, восстанавливая подачу насоса переводом его на повышенную частоту, отличающийся тем, что в фазе притока текущего цикла осуществляют модуляцию частоты напряжения питания электронасоса в области значений частоты, соответствующих изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновлении подачи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе притока модулируют частоту напряжения питания электронасоса с заданной периодичностью во времени и в заданном диапазоне отклонений от частоты при прекращении подачи насоса до максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области добычи нефти и может быть использовано для эксплуатации малодебитных скважин, оборудованных электронасосами, в частности, погружными центробежными электронасосами.

Известен способ эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, основанный на регулировании скорости притока жидкости из пласта в скважину путем периодического повторения циклов, каждый из которых состоит из последовательно осуществляемых процессов запуска при увеличивающейся частоте питающего напряжения, подачи жидкости насосом в колонну подъемных труб при повышенной в сравнении с номинальным значением частоте и уменьшении до нуля подачи насоса путем снижения частоты питающего напряжения после достижения заданной величины давления в колонне труб, с последующим отключением насоса и сливом жидкости из колонны подъемных труб через насос в скважину, после завершения которого цикл повторяют [1].

Характерной особенностью данного способа является ограничение притока жидкости из пласта в скважину в результате систематического слива жидкости из колонны подъемных труб, а это не обеспечивает эффективного регулирования режима эксплуатации скважины.

Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к заявляемому изобретению является способ эксплуатации малодебитной скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, включающий периодическое повторение циклов, в которых осуществляют запуск насоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения, подачу жидкости насосом при повышенной по сравнению с номинальным значением частоте и после достижения заданной величины давления в колонне труб, уменьшают до нуля подачу насоса путем снижения частоты питающего напряжения с последующем поддержанием, для обеспечения притока жидкости из пласта, максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу, а после достижения в процессе притока предусмотренной величины давления на приеме насоса цикл повторяют, возобновляя подачу насоса переводом его на повышенную частоту питающего напряжения [2].

Недостатком известного способа является неэффективность предусмотренных действий по предотвращению слива жидкости из колонны подъемных труб в скважину для обеспечения притока жидкости из пласта, проявляющаяся неустойчивостью процесса поддержания максимальной частоты напряжения питания электронасоса, при которой насос не возобновляет подачу, в связи с падением напора после прекращения его подачи в циклах управления при изменениях притока, под влиянием нестабильного газосодержания в продукции скважины и других факторов, осложняющих эксплуатацию скважины насосом.

Задача, на которую направлено заявляемое изобретение, обусловлена особенностью эксплуатации малодебитной скважины, производительность которой мала и выходит из области возможностей согласования с электронасосом. Для повышения эффективности эксплуатацию таких скважин осуществляют электронасосами с частотно-регулируемым приводом, позволяющим регулировать параметры насоса путем изменения скорости вращения вала в соответствии с задаваемой частотой питающего напряжения [3]. Традиционным при этом является метод регулирования притока путем подбора постоянной частоты напряжения погружного электродвигателя, соответствующей условию согласования производительности насоса и притока жидкости в скважину для заданного давления на приеме насоса. В условиях проявления свободного газа на приеме насоса достигнуть таким путем установившегося режима эксплуатации скважины не удается, поэтому осуществляется вынужденный перевод скважины в периодическую эксплуатацию - АПВ. Опыт многих компаний убедительно свидетельствует о нежелательности АПВ, так как из-за влияния свободного газа при периодическом снижении давления на приеме насоса происходят отказы даже высокотемпературного электронасосного оборудования [4].

Для интенсивного вызова притока в скважину после подземного ремонта, при доосвоении малодебитных скважин и регулирования процесса их эксплуатации, используют известный способ [1] выполнения периодических откачек жидкости до заданной глубины, с учетом ограничений на процесс слива жидкости из подъемных труб. Однако эта технология не всегда эффективна, так как процесс необходимого накопления жидкости в скважине за счет притока пластовой продукции происходит в скважине при отключенном состоянии насоса от источника напряжения питания. Жидкость, находящаяся в колонне подъемных труб под избыточным давлением сливается в скважину и этот процесс не удается предотвратить известными способами, в том числе, например, с помощью глубинных обратных клапанов, устанавливаемых на выкиде насоса [5]. При этом запуск насоса до завершения слива бывает затруднен и может привести к аварии насосного агрегата, а определяемое указанным выше сливом жидкости вынужденное увеличение продолжительности отключения насоса не эффективно из-за падения притока пластовой продукции. Известный способ [2] позволяет усовершенствовать эксплуатацию скважины благодаря предотвращению слива жидкости путем поддержания в фазе притока каждого цикла управления максимальной частоты, на которой насос не возобновляет подачу, однако ожидаемый эффект уверенно достигается лишь в определенных условиях скважины, когда напор, развиваемый насосом при работе с установленной частотой на продукции скважины при срыве и возобновлении подачи существенно не отличаются. Следует отметить, что в результате нарушения энергетического обмена в насосе под влиянием газа откачиваемой продукции, обычно срыв подачи насоса сопровождается значительным падением развиваемого насосом напора [6]. При этом жидкость, находящаяся в колонне подъемных труб под избыточным давлением, начинает сливаться в полость насоса, вызывая торможение насоса, а при превышении тормозным моментом максимального /опрокидывающего/ - может произойти опрокидывание приводного двигателя, его останов и изменение направления вращения [8], в таких условиях заданный по известному способу режим предотвращения слива жидкости из колонны подъемных труб через насос в скважину становится неустойчивым и не обеспечивает необходимого накопления жидкости в скважину за счет притока из пласта, решение этой задачи достигается в предлагаемом изобретении.

По своей сущности предлагаемый способ эксплуатации скважины электронасосом с частотно-регулируемым приводом, основан на периодическом повторении циклов, включающих запуск насоса при увеличивающейся частоте питающего напряжения и подачу жидкости насосом при заданной частоте, причем после достижения заданной величины давления в колонне труб, в текущем цикле уменьшают частоту питающего напряжения до прекращения подачи насоса, с последующем поддержанием, для обеспечения притока жидкости из пласта, максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу, а после достижения в процессе притока предусмотренной величины давления на приеме насоса цикл повторяют, восстанавливая подачу насоса переводом его на повышенную частоту, отличающийся тем, что при неустойчивости процесса поддержания заданного режима работы насоса без подачи в фазе притока текущего цикла, осуществляют модуляцию частоты напряжения питания электронасоса в области значений частоты, соответствующих изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновления подачи. В процессе притока модулируют частоту напряжения питания электронасоса с заданной периодичностью во времени и в заданном диапазоне отклоненной от частоты при прекращении подачи насоса до максимальной частоты, при которой насос не возобновляет подачу.

На фиг.1 представлена схема установки насоса частотно-регулируемым приводом, с помощью которой осуществляется способ эксплуатации скважины. Установка содержит размещенные в колонне 1 эксплуатационных труб скважины насос 2, подвешенный на колонне 3 подъемных труб, в комплекте с приводным электродвигателем 4, токоподводящим электрокабелем 5 и датчиком давления 6. На поверхности установка снабжена преобразователем 7 частоты с управляющим устройством 8, датчиком 9 частоты питающего напряжения электронасоса и датчиком 10 мощности, потребляемой электронасосом.

На фиг.2 представлена блок-схема алгоритма осуществления способа.

На фиг. 3 в безразмерных координатах на поле условной характеристики Q_с(H_с) скважины [7] представлены обобщенные характеристики Q_н(H_с) центробежного насоса при изменении скорости вращения его вала регулированием частоты напряжения питания от пусковой частоты f₀ до заданной частоты f_д, повышенной в сравнении с номинальной частотой f_н с выделенными областями срыва подачи [6] и траекториями изменения режима при реализации способа, где

граница левой области срыва /ЛОТ/ подачи насоса при работе на газожидкостных смесях в диапазоне малых и средних подач;

граница правой области срыва /ПОС/ подачи насоса при работе на газожидкостных смесях в диапазоне средних и больших подач [6];

режим откачки жидкости насосом на заданной частоте Q(f_д);

---- - процесс регулирования частоты для прекращения подачи насоса;

переходный процесс срыва подачи насоса [6];

процесс регулирования частоты для прекращения слива жидкости из подъемных труб через насос в эксплуатационную колонну,

___ - переходный процесс возобновления подачи насоса на частоте прекращения слива жидкости из подъемных труб в эксплуатационную колонну;

f₁-f₈ - характеристики насоса на промежуточных частотах в цикле эксплуатации скважины (f₀<f<f<f<f<f <f<f<f<f).

Способ осуществляют по алгоритму, представленному на фиг. 2 следующим образом.

С помощью преобразователя 7 частоты и управляющего устройства 8 включают /указание 1 на фиг. 2/ приводной электродвигатель 4 по электрокабелю 5 на напряжение пусковой частоты f₀ /фиг. 2,3/ до 10-20 Гц [5, 9] после этого в течение нескольких секунд запускают электронасос 2 при увеличивающейся частоте питающего напряжения со скоростью df/dt до 10 Гц/сек. [5, 10] /указание 2, условие 3 на фиг. 2, траектория 1-2 на фиг. 3/ до заданной частоты f_д, повышенной в сравнении с номинальным значением f_н и достаточной для выхода насоса 2 из левой области срыва [1, 2, 6] при обеспечении устойчивой подачи. На заданной повышенной, например, постоянной частоте f_д осуществляют подачу жидкости насосом 2 в колонну 3 подъемных труб и производят откачку жидкости из скважины /указание 4, с проверкой условий 3, 5 на фиг. 2, траектория 2-3-4 на фиг. 3/ до создания заданного минимального давления P_м в колонне 1 эксплуатационных труб скважины, на глубине приема насоса. Давление на приеме насоса контролируют с помощью датчика 6 и заданная его минимальная величина P_м, может соответствовать, например, допускаемому давлению P_д, а заданное максимальное ограничение P₆ - оптимальному давлению P_опт на приеме насоса [11];

P_м= P_д= _нд/_нпP_нас(0,198-0,18B);

P_б= P_опт= _нд/_нпP_нас(0,325-0,316B),

где

_нд - вязкость дегазированной нефти, мПас.;

_нп - вязкость нефти в пластиковых условиях, мПас.;

P_нас - давление насыщения, МПа;

B - обводненность пластовой продукции.

После достижения в процессе откачки указанной величины давления P_м на приеме насоса, уменьшают до нуля подачу насоса путем снижения частоты питающего напряжения /указание 6, условие 7 на фиг. 2, траектория 4, f_д.-5, f₁, на фиг. 3/ со скоростью df/dt - до 1 - 5 Гц/с [3,10]. Регистрируют прекращение подачи Q_н насоса, например, с помощью датчика 9 частоты и датчика 10 мощности в момент, когда мощность, потребляемая электронасосом на заданной частоте f_с, становится равной потребляемой мощности насоса в режиме нулевой подачи для этой же частоты, определенной по стендовым характеристикам [12] /условие 7 на фиг. 2/.

Далее скважину переводят на приток. Для этого, до нарастания потребляемой мощности, оставляют насос в работе на частоте f_с, например f₁ питающего напряжения, при которой произошел и зарегистрирован срыв подачи насоса /указание 8, условие 9, на фиг. 2/. Указанный режим работы насоса после срыва подачи носит неустойчивый характер и может перейти, сопровождаясь нарастанием потребляемой насосом мощности, в один из следующих режимов: первый - возобновление подачи насоса вследствие подъема давления в процессе продолжающегося притока жидкости из пласта в скважину, такой переход возможен при незначительном снижении напора насоса в срыве подачи /траектория 5, f₁-6-7-8-9-10, f₂ на фиг. 3/, другой возможный режим - торможение насоса начинающимся сливом жидкости из колонны подъемных труб проявляется /траектория 11, f₃, -12, f₄, -13-14, f₅, -15-16, f₅, -17 f₆, - на фиг. 3/, если срыв подачи насоса сопровождается снижением напора насоса с последующим процессом слива жидкости из колонны подъемных труб через насос в эксплуатационную колонну скважины. Снижение напора насоса определяется многими факторами, в том числе газосодержанием перекачиваемой насосом продукции и может достигать более 30% от напора, развиваемого насосом перед срывом подачи [6].

Дальнейшее регулирование работой насоса для обеспечения притока с учетом особенностей приведенных выше процессов, в результате которых возможны изменения режима работы электронасоса на частоте питающего напряжения, при которой прекращена подача насоса, осуществляют следующим образом. Для обеспечения притока, при нарастании потребляемой насосом мощности /траектория 6-7-8-9, f₁ фиг. 3/, снижают частоту питающего напряжения, контролируя процесс изменения мощности /указание 10, проверка условия 11, фиг. 2/. Если потребляемая насосом мощность уменьшается, то снижение частоты продолжают до прекращения подачи насоса /траектория 9, f₁, -10, f₂, фиг. 3/, устанавливаемого, например, в момент, когда мощность, потребляемая электронасосом на заданной частоте становится равной потребляемой мощности насоса в режиме нулевой подачи для этой же частоты, определенной по стендовым характеристикам [12] /указание 10, условия 11, 12 на фиг. 2/. После прекращения подачи насоса регистрируют измененную частоту f_с, например f₂, срыва подачи насоса и пока давление на приеме насоса не достигло максимального значения P_б, предусмотренного для перехода скважины на режим откачки, оставляют насос в работе на достигнутой частоте питающего напряжения до очередного увеличения потребляемой мощности /указание 13, условие 14, переход к указанию 8, с проверкой условия 9, фиг. 2/.

Таким образом, повторяют объем и последовательность действий /указания 8, 9, 10, 11, 12, 13, с проверкой условия 14, фиг. 2, траектории 5, f₁, 6-7-8-9-10, f₂, - и т.д., фиг. 3/ по периодическому предотвращению возобновляемой подачи насоса и в среднем, поддерживают максимальную частоту, при которой насос не возобновляет подачу, до тех пор, когда очередной срыв подачи насоса в текущем цикле эксплуатации скважины в результате, например, изменения плотности газожидкостной смеси на приеме насоса произойдет со снижением напора насоса /траектория 11, f₃, - 12, f₄, -13, f₄, фиг. 3/. В этом случае, после регистрации нарастания мощности в процессе работы насоса на частоте срыва подачи, например f₄ /указание 8, условие 9, на фиг. 2/, выполнение последующего снижения частоты не приводит к уменьшению потребляемой насосом мощности и восстановлению работы насоса без подачи /указание 10 условия 12, переход по условию 11 к указанию 15 на фиг. 2/, свидетельствуя о падении напора насоса в срыве подачи и начале процесса слива жидкости из колонны подъемных труб через насос в эксплуатационную колонну скважины. Поэтому, для прекращения начинающегося слива жидкости, повышают развиваемый насосом напор путем увеличения частоты питающего напряжения со скоростью df/dt до 10 Гц/с до восстановления режима работы насоса с нулевой подачей и напором, достаточным для предотвращения дальнейшего слива жидкости на колонны подъемных труб через насос в скважину /траектория 13, f₄, -14, f₅, фиг. 3/. Переход насоса на этот режим устанавливают, например, в момент, когда мощность, потребляемая электронасосом на достигнутой частоте f_у, например f₅, становится равной потребляемой мощности насоса в режиме нулевой подачи для этой же частоты, определенной по стендовым характеристикам [12] /указание 15, условие 16, на фиг. 2, траектория 11, f₃, -12, f₄, -13-14, f₅, на фиг. 3/. После восстановления режима работы насоса с нулевой подачей и напором, достаточным для предотвращения дальнейшего слива жидкости из колонны подъемных труб через насос в скважину /траектория 13, f₄, -14, f₅, фиг. 3/, регистрируют /указание 17, фиг. 2/ частоту f_у прекращения слива жидкости из колонны подъемных труб через насос в скважину при нулевой подаче насоса и, если давление на приеме насоса не достигло максимального значения P_б, предусмотренного для перехода скважины на режим откачки, оставляют насос в работе на достигнутой частоте f_у, например f₅ питающего напряжения до увеличения потребляемой мощности в результате возобновления подачи насоса, при последующем увеличении в процессе притока давления на приеме насоса /указание 17, условие 14, переход к указанию 8, с проверкой условия 9, фиг. 2, траектория 14, f₅, -15, f₅, фиг. 3/. При нарастании потребляемой насосом мощности /траектория 14, f₅, -15-16, f₅, фиг. 3/, уменьшают частоту /траектория 16, f₅, -17, f₆, фиг. 3/, контролируя процесс изменения мощности /указание 10, проверка условия 11, фиг. 2/. Так как нарастание потребляемой насосом мощности в этом случае связано с процессом возобновления подачи насоса, то снижение частоты выполняют /траектория 16, f₅, -17, f₆, фиг. 3/, до прекращения подачи насоса, устанавливаемого, например, в момент, когда мощность, потребляемая электронасосом на достигнутой частоте, например, становится равной потребляемой мощности насоса в режиме нулевой подачи для этой же частоты, определенной по стендовым характеристикам [12] /указание 10, условия 11, 12 на фиг. 2/. После очередного прекращения подачи насоса, регистрируют новую частоту f_с срыва подачи, например, f₆ и если давление на приеме насоса не достигло максимального значения, предусмотренного для перехода скважины на режим откачки, оставляют насос в работе на достигнутой частоте питающего напряжения до нарастания потребляемой мощности /указание 13, условие 14, переход к указанию 8, с проверкой условия 9, фиг. 2/.

Таким образом, согласно алгоритму для обеспечения притока в текущем цикле, выполняют в необходимой последовательности снижение или увеличение частоты питающего электронасос напряжения, то есть модулируют частоту напряжения питания электронасоса в области значений, соответствующих изменяющимся в процессе притока параметрам насоса при прекращении и возобновлении подачи. Модулируют частоту напряжения питания электронасоса с периодичностью, определяемой процессом увеличения частоты с заданной скоростью df/dt до максимальной частоты f_у, при которой насос, не возобновляя подачу, развивает напор - достаточный для предотвращения слива жидкости из колонны подъемных труб в эксплуатационную колонну скважины, продолжительностью работы насоса на достигнутой частоте f_у без возобновления подачи, последующим при возобновлении подачи насоса процессом снижения частоты с заданной скоростью df/dt до прекращения подачи насоса и заданной продолжительностью работы насоса на частоте f_с прекращения подачи, например, до увеличения потребляемой насосом мощности в результате изменения скорости вращения вала насоса в процессе торможения сливом жидкости из колонны подъемных труб через насос в скважину. После достижения в процессе притока предусмотренной, например, максимальной величины P на приеме насоса, цикл повторяют /условие 14, переход к указанию 2, фиг. 2, траектория 18, f₇, -19, f₈, -20-21-3, на фиг. 3/, осуществляя запуск с частоты, достигнутой при завершении фазы притока предыдущего цикла.

Достоинством заявляемого изобретения является обеспечение широких возможностей регулирования параметров режима эксплуатации малодебитной скважины, в том числе в условиях, осложненных значительным падением напора, развиваемого насосом при срыве подачи вследствие нарушения энергетического обмена в рабочих органах под влиянием газа в откачиваемой продукции.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1. А. с. СССР N 1262026, кл. E 21 B 43/00// F 04 D 15/00, 1985 г. - с 1992 г. - патент России.

2. Патент России N 2057907 от 10 апреля 1996 г. по заявке N 93019999/03, приоритет от 14.04.1993 г., М., кл. E 21 B 43/00 /прототип/.

3. Ханжин В.Г. Некоторые факторы влияния способа освоения малодебитных скважин на эсплуатацию УЭНЦ. /Межвуз.тем. сборник: Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири. Тюмень: ТюмИИ, 1992 г., с. 27-31.

4. Дроздов А. Н. Исследование работы установок погружных центробежных насосов фирмы "РЭДА", /Нефтепромысловое оборудование. 1994, с. 47-50.

5. Применение нефтедобывающих систем в осложненных условиях. /Р.Г. Вихман, В. Н. Филиппов /Обзорная информация, Насосостроение. Серия ХМ-4, - М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1989, с. 16-18, 21-23.

6. Муравьев И.М., Мищенко И.Т., Эксплуатация погружных центробежных электронасосов на вязких жидкостях и газожидкостных смесях, - М., Недра, 1969, с. 86, 96, с. 138-169.

7. Богданов А. А., Погружные центробежные электронасосы. - М., Гостоптехиздат, 1957, с. 72-77.

8. Костенко М.П., Пиотровский Л.М., Электрические машины, часть II, М., Л., Энергия, 1965, с. 430-435, 437-446.

9. Семченко П.Т., Гордон И.А., Частотное управление погружными насосами куста скважин в автоматизированной системе добычи. Нефтяное хозяйство, 1987, N 5, с. 36-39.

10. Разработка технологии оптимизации режимов работы скважин, оборудованных погружными электронасосами с использованием частотно-управляемого электропривода /отсчет ТюмИИ/ Богачев Б.А., Ханжин В.Г. N гр. 01860070902, Тюмень, 1989, с. 69-74.

11. Мищенко И.Т. Расчеты в добыче нефти. М., Недра, 1989, с. 182-183.

12. А. с. СССР N 1178947, кл. F 04 D 13/10, 1983 г., с 1992 г. - патент России.