RU2140523C1

RU2140523C1 - Method of automatic control of operating conditions of well equipped with submersible electrical centrifugal pump

Info

Publication number: RU2140523C1
Application number: RU97110564A
Authority: RU
Inventors: В.О. Кричке; В.В. Кричке
Original assignee: Самарская государственная архитектурно-строительная академия
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 1999-10-27

Abstract

FIELD: oil production; applicable in optimization of well operation to increase overhaul period of pumping equipment. SUBSTANCE: pumping unit operation in well is regulated by varying its pumping capacity with the help of variation of rotation speed of driving electric motor due to changing the frequency of power supplying mains. In this case, maintained within preset ranges are pressure at pump intake and at wellhead with maximum possible pumping capacity and temperature inside body of submersible electric motor. EFFECT: maintained in process of operation of maximum productivity of pumping unit at optimal conditions of operation of well-pumping unit system. 4 dwg

Description

Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для оптимального регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом,
Известны способы регулирования режима работы скважины оборудованной погружным центробежным электронасосом, путем подбора насосной установки расчетным путем, а также замены одной насосной установки на другую в процессе эксплуатации скважины. Дополнительное регулирование режима работы установки производится в период ее работы, изменением давления на выкиде насоса с помощью задвижки на устье скважины,
Недостатком этого способа является трудность в подборе установки нужной производительности, так как по различным причинам производительность скважины не постоянна, а регулирование режима ее работы только с помощью задвижки на устье скважины экономически не выгодно.The invention relates to oil production and can be used to optimally control the operating mode of a well equipped with a submersible centrifugal electric pump,
Known methods for regulating the operating mode of a well equipped with a submersible centrifugal electric pump by selecting a pumping unit by calculation, as well as replacing one pumping unit with another during the operation of the well. Additional regulation of the operating mode of the installation is carried out during its operation by changing the pressure on the pump outflow using a valve at the wellhead,
The disadvantage of this method is the difficulty in selecting the installation of the desired performance, since for various reasons the productivity of the well is not constant, and regulating the mode of its operation only with the help of a valve at the wellhead is not economically advantageous.

Известен способ регулирования режима работы насосной установки в скважине путем поддержания заданных значений давлений на приеме центробежного насоса и в нагнетательной линии и регулирования частоты вращения привода насоса. A known method of regulating the operating mode of the pumping unit in the well by maintaining the specified pressure values at the reception of the centrifugal pump and in the discharge line and regulating the speed of the pump drive.

Недостатками этого способа являются отсутствие контроля за состоянием насосной установки в скважине, что приводит к перегреву обмотки погружного электродвигателя и ее сгоранию. The disadvantages of this method are the lack of control over the state of the pumping unit in the well, which leads to overheating of the winding of the submersible motor and its combustion.

Известен способ автоматического регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, включающий измерение на приеме насоса и на выкидной линии на устье скважины, регулирование числа оборотов погружного привода электродвигателя насоса путем изменения частоты питающей сети и регулирования давления на устье скважины с помощью регулируемого штуцера, поддерживая давление на приеме насоса и на устье скважины в заданных пределах при максимально возможной производительности насосной установки /см. патент РФ N 2016252, кл. E 21 B 43/00, 15.07.94/. A known method for automatically controlling the operating mode of a well equipped with a submersible centrifugal electric pump, including measuring at the pump inlet and at the flow line at the wellhead, adjusting the number of revolutions of the submersible drive of the pump motor by changing the frequency of the supply network and regulating the pressure at the wellhead using an adjustable fitting, supporting pressure at the pump inlet and at the wellhead within specified limits at the maximum possible pumping unit productivity / cm. RF patent N 2016252, cl. E 21 B 43/00, July 15, 94 /.

Недостатком этого способа является отсутствие контроля за температурным режимом внутри электродвигателя, что приводит к перегреву его обмотки и выходу ее из строя, так как скорость потока жидкости, омывающей корпус электродвигателя с необходимой точностью, при известной производительности насоса, не определяется из-за отсутствия данных по площади проходного сечения между обсадной колонной и корпусом погружного электродвигателя. Кроме того, температурный режим электродвигателя зависит от свойства оплывающей его корпус жидкости, которая в процессе эксплуатации меняется. The disadvantage of this method is the lack of temperature control inside the motor, which leads to overheating of its winding and its failure, since the flow rate of the liquid washing the motor housing with the necessary accuracy, with a known pump performance, is not determined due to the lack of data on the cross-sectional area between the casing and the submersible motor housing. In addition, the temperature regime of the electric motor depends on the properties of the fluid surrounding it, which changes during operation.

Цель изобретения - поддержание в процессе эксплуатации максимальной производительности насосной установки при оптимальном режиме работы системы скважина - насосная установка. The purpose of the invention is the maintenance during operation of the maximum productivity of the pumping unit at the optimum operating mode of the well-pumping system.

Это достигается тем, что в способе автоматического регулирования режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, включающем измерение на приеме насоса и на выкидной линии на устье скважины, регулирование числа оборотов погружного привода электродвигателя насоса путем изменения частоты питающей сети и регулирования давления на устье скважины с помощью регулируемого штуцера, поддерживая давление на приеме насоса и на устье скважины в заданных пределах при максимально возможной производительности насосной установки, дополнительно задают и измеряют температуру внутри корпуса погружного приводного электродвигателя насоса и регулирование давления на устье скважины и числа оборотов погружного приводного злектродвигателя насоса осуществляют, дополнительно поддерживая температуру внутри корпуса погружного приводного электродвигателя насоса в заданных пределах. This is achieved by the fact that in a method for automatically controlling the operating mode of a well equipped with a submersible centrifugal electric pump, including measuring at the pump inlet and flow line at the wellhead, adjusting the number of revolutions of the submersible drive of the pump motor by changing the frequency of the supply network and regulating the pressure at the wellhead with using an adjustable nozzle, maintaining the pressure at the pump intake and at the wellhead within specified limits at the maximum possible pumping capacity of the installation, additionally set and measure the temperature inside the casing of the submersible drive motor of the pump and the pressure at the wellhead and the number of revolutions of the submersible drive of the electric motor pump is carried out, further maintaining the temperature inside the body of the submersible drive motor of the pump within the specified limits.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 дана схема скважины, оборудованной центробежным электронасосом /а/, и схема глубинного канала связи /б/; на фиг. 2 даны графики превышения температуры обмотки статора погружного электродвигателя от номинального в зависимости от скорости и свойств потока жидкости, омачивающей его корпус; на фиг.3 дана зависимость температуры внутри корпуса электродвигателя после его ремонта при откачке технологической жидкости; на фиг. 4 дан алгоритм автоматического регулирования режима работы скважины; оборудованной погружным центробежным электронасосом.The invention is illustrated in the drawing, where:
in FIG. 1 shows a diagram of a well equipped with a centrifugal electric pump / a /, and a diagram of a deep communication channel / b /; in FIG. Figure 2 shows graphs of the temperature rise of the stator winding of a submersible motor from the nominal depending on the speed and properties of the fluid flow soaking its body; figure 3 shows the temperature dependence inside the motor housing after repair when pumping the process fluid; in FIG. 4, an algorithm for automatic regulation of a well operating mode is given; equipped with a submersible centrifugal electric pump.

Скважина с погружным центробежным электронасосом /фиг.1,а/ содержит пласт 1, эксплуатационную колонну 2, погружной приводной электродвигатель 3 насоса с глубинным манометром-термометром 4 и протектором 5, насос, 6, насосно-компрессорные трубы 7, силовой трансформатор 8, находящийся в станции управления, силовой токоподводящий кабель 9, манометры 10,11,12, регулируемый штуцер 13, выкидную линию 14 с обратным клапаном 15 на устье скважины, частотный преобразователь 16, станцию управления 17. The well with a submersible centrifugal electric pump / FIG. 1, a / contains reservoir 1, production casing 2, a submersible drive motor 3 of the pump with a depth gauge-thermometer 4 and tread 5, pump 6, tubing 7, power transformer 8, located in the control station, power supply cable 9, manometers 10,11,12, adjustable nozzle 13, flow line 14 with check valve 15 at the wellhead, frequency converter 16, control station 17.

Основными параметрами погружного центробежного электронаcoca являются производительность Q м ³/сут и развиваемый напор H в м вод. ст., а также наличие на приеме насоса давления не ниже заданного значения. Для привода насоса применяется асинхронный электродвигатель с гидрозащитой, в котором предусматривается охлаждение за счет скорости откачиваемой жидкости. Силовой токоподводящий кабель служит для подвода электроэнергии к погружному электродвигателю. Силовой трансформатор служит для получения заданного напряжения для питания погружного электродвигателя. Станция управления 17 служит для управления и защиты погружного электродвигателя. Устьевая арматура, штуцер 13, обратный клапан 15 и манометры 10-12 служат для управления и контроля за потоком жидкости, подаваемой насосом на поверхность. Источником жидкости является продуктивный пласт, сообщение с которым осуществляется через отверстия в обсадной колонне скважины.The main parameters of the submersible centrifugal electron coca are the capacity Q m ³ / day and the developed pressure H in m water. Art., as well as the presence at the pump intake pressure not lower than the specified value. To drive the pump, an asynchronous motor with hydraulic protection is used, which provides for cooling due to the speed of the pumped liquid. The power current-supply cable serves to supply electricity to the submersible motor. A power transformer is used to obtain a given voltage for supplying a submersible electric motor. The control station 17 serves to control and protect the submersible motor. Wellhead fittings, nozzle 13, non-return valve 15 and pressure gauges 10-12 are used to control and monitor the flow of fluid supplied by the pump to the surface. The source of fluid is a reservoir, the communication with which is through holes in the casing of the well.

Установка погружного центробежного электронасоса работает следующим образом. Installation of a submersible centrifugal pump works as follows.

Жидкость из пласта 1 притекает в эксплуатационную колонну 2. Погружной электродвигатель 3, снабженный глубинным манометром-термометром 4 и протектором 5, вращает ось насоса 6. Далее жидкость по насосно-компрессорным трубам 7 подается на поверхность. Питание погружного электродвигателя осуществляется от силового трансформатора 8 по кабелю 9. Для измерения давления в межтрубном пространстве служит манометр 10, а для измерения давления на устье - манометр 11. Для контроля за выкидной линией 14 служит манометр 12, для регулирования подачи служит штуцер 13. Для предотвращения слива жидкости из выкидной линии 14 в межтрубное пространство скважины и для стравливания избыточного давления из межтрубного пространства служит обратный клапан 15. Для подачи жидкости на поверхность насос создает необходимый напор, величина которого зависит от типа насоса и параметров откачиваемой жидкости. Основными параметрами, характеризующими жидкость, является количество свободного газа в ней, которое зависит от давления на приеме насоса. В свою очередь, это давление определяется глубиной погружения насоса под динамический уровень. Излишнее погружение под динамический уровень ведет к неоправданным потерям в напоре, и, следовательно, к дополнительным потерям электроэнергии. Недостаточное погружение насоса под динамический уровень ведет к уменьшению подачи насоса или к ее срыву, что в итоге приводит к повышению температуры внутри корпуса погружного электродвигателя до критической величины, при которой его обмотка сгорает. Существует оптимальная глубина погружения насоса под динамический уровень, которая рассчитывается. Однако в процессе эксплуатации поддерживать определенный динамический уровень очень сложно, так как меняются параметры скважины, которые зависят от системы заводнения, числа работающих скважин и свойств откачиваемой жидкости. Поэтому большинство насосных установок работает не в режиме, что ведет к низкому коэффициенту их использования к авариям. В данном случае предлагается режим работы установки регулировать путем изменения ее производительности с помощью преобразователя частоты 16, находящегося в станции управления 17. На фиг.2 дана зависимость превышения температуры внутри корпуса приводного электродвигателя от скорости и свойств откачиваемой жидкости. Из этой зависимости следует, что при снижении скорости потока омывающей электродвигатель жидкости резко возрастает его температура, что в конечном итоге приводит к его выходу из строя. Для серийно выпускаемых погружных электродвигателей диапазон минимальных скоростей потока жидкости лежит в пределах 0,06-0,12 м/с. Кроме того, повышение температуры обмотки электродвигателя может быть при откачке жидкости повышенной плотности, например, после подземного ремонта скважины. На фиг.3 даны зависимости изменения температуры внутри корпуса погружного электродвигателя при различном давлении на приеме насоса, после подземного ремонта скважины из которых следует, что температура внутри погружного электродвигателя при этом может достигать критической величины. В настоящее время средний межремонтный период работы погружной установки составляет порядка 250 суток. Причинами выхода из строя насосных установок, оборудованных погружными центробежными электронасосами, являются: в 14% случаев насосы, в 54% электродвигатели, в 5,5% гидрозащита и в 26,5% случаев токоподводящий кабель. Выход из строя электродвигателей в 76% случаев происходит в результате сгорания его обмотки, в 6% случаев от снижения изоляции обмотки статора, в 10% от снижения изоляции в лобовой части обмотки и токоподвода и в 8% случаев по прочим причинам. Из приведенных данных следует, что основной причиной выхода из строя погружного электродвигателя является сгорание его обмотки, которая влечет за собой наиболее дорогостоящий капитальный ремонт или порой полный выход из строя всего электродвигателя. Поэтому предлагается регулирование режима работы скважины, оборудованной погружным центробежным электронасосом, производить путем регулирования производительности насоса и давления на устье скважины и на приеме насоса с учетом температурного режима работы погружного электродвигателя, который отражает весь комплекс взаимосвязанных величин, характеризующих оптимальный режим работы скважины в целом. Для реализации этой задачи на скважине необходимо иметь преобразователь частоты для питающей сети погружного электродвигателя, дистанционный стационарный глубинный манометр- термометр на приеме насоса, датчик для измерения устьевого давления, дистанционно-управляемый штуцер на устье скважины и микропроцессорный контроллер для автоматического управления всем процессом регулирования. Для получения значений давления на приеме насоса и температуры внутри погружного электродвигателя используется глубинный канал связи, в котором в качестве линии связи используется питающий электродвигатель силовой кабель. Схема организации такого канала показана на фиг.1,б. Канал работает следующим образом. Напряжение переменного тока с поверхностного приемного устройства ПУ через среднюю точку силового трансформатора ТР подается по глубинному кабелю ГК к средней точке погружного электродвигателя, а с нее через конденсатор КС в глубинное устройство ГУ, в котором находятся датчик давления ДД и датчик температуры ДТ. Вторичным проводом при этом служит броня силового кабеля. Далее, сигналы от датчиков давления и температуры, модулированные высокой частотой, по этому же каналу связи поступают в поверхностное устройство ПУ, которое выделяет из него информативные сигналы по давлению на приеме насоса P_ПН и по температуре внутри корпуса электродвигателя Т_Д и подает их в микропроцессорный контроллер МК, в который одновременно поступает сигнал и от устьевого датчика давления ДДУ.The fluid from the reservoir 1 flows into the production casing 2. The submersible motor 3, equipped with an in-depth manometer-thermometer 4 and protector 5, rotates the axis of the pump 6. Next, the fluid is pumped through the tubing 7 to the surface. The submersible motor is powered from the power transformer 8 via cable 9. A pressure gauge 10 is used to measure the pressure in the annulus and a pressure gauge 11 is used to measure the pressure at the mouth. A pressure gauge 12 is used to control the discharge line 14, and a nozzle 13 is used to control the flow. to prevent the discharge of fluid from the flow line 14 into the annular space of the well and to relieve excess pressure from the annular space, a check valve 15 is used. To supply liquid to the surface, the pump creates the need pressure head, the value of which depends on the type of pump and the parameters of the pumped liquid. The main parameters characterizing the liquid is the amount of free gas in it, which depends on the pressure at the pump inlet. In turn, this pressure is determined by the immersion depth of the pump at a dynamic level. Excessive immersion under the dynamic level leads to unjustified losses in pressure, and, consequently, to additional losses of electricity. Insufficient immersion of the pump at a dynamic level leads to a decrease in the pump flow or to its disruption, which ultimately leads to an increase in the temperature inside the submersible motor housing to a critical value at which its winding burns out. There is an optimal depth of immersion of the pump under the dynamic level, which is calculated. However, during the operation it is very difficult to maintain a certain dynamic level, as well parameters vary, which depend on the waterflood system, the number of working wells and the properties of the pumped liquid. Therefore, most pumping units are not in operation, which leads to a low coefficient of their use in accidents. In this case, it is proposed to regulate the operation mode of the installation by changing its productivity using a frequency converter 16 located in the control station 17. Figure 2 shows the dependence of the temperature rise inside the drive motor housing on the speed and properties of the pumped liquid. From this dependence it follows that with a decrease in the flow rate of the fluid washing the motor, its temperature sharply increases, which ultimately leads to its failure. For mass-produced submersible electric motors, the range of minimum fluid flow rates lies in the range 0.06-0.12 m / s. In addition, an increase in the temperature of the motor winding can occur when pumping a liquid of high density, for example, after underground well repair. Figure 3 shows the dependences of the temperature change inside the submersible motor housing at different pressures at the pump intake, after an underground well repair, from which it follows that the temperature inside the submersible motor can reach a critical value. Currently, the average overhaul period of a submersible installation is about 250 days. The reasons for the failure of pumping units equipped with submersible centrifugal electric pumps are: in 14% of cases, pumps, in 54% of electric motors, in 5.5% of hydraulic protection and in 26.5% of cases, a power cable. The failure of electric motors in 76% of cases occurs as a result of the combustion of its winding, in 6% of cases from a decrease in the insulation of the stator winding, in 10% from a decrease in insulation in the front of the winding and current lead, and in 8% of cases for other reasons. From the above data it follows that the main reason for the failure of the submersible motor is the burning of its winding, which entails the most expensive overhaul or sometimes complete failure of the entire motor. Therefore, it is proposed to regulate the mode of operation of a well equipped with a submersible centrifugal electric pump by adjusting the pump performance and pressure at the wellhead and at the pump intake, taking into account the temperature regime of the submersible motor, which reflects the whole complex of interrelated values characterizing the optimal mode of operation of the well as a whole. To accomplish this task, a well needs a frequency converter for the submersible motor supply network, a remote stationary in-depth manometer-thermometer at the pump intake, a sensor for measuring wellhead pressure, a remote-controlled choke at the wellhead, and a microprocessor controller to automatically control the entire regulation process. To obtain the pressure at the pump inlet and the temperature inside the submersible motor, a deep communication channel is used, in which the power cable is used as the communication line. The organization diagram of such a channel is shown in figure 1, b. The channel works as follows. The AC voltage from the surface receiving device PU through the midpoint of the power transformer TR is supplied through the deep cable GK to the midpoint of the submersible motor, and from it through the capacitor KS to the deep device GU, which contains the pressure sensor DD and the temperature sensor DT. The secondary wire in this case is the armor of the power cable. Further, the signals from the pressure and temperature sensors, modulated by a high frequency, are transmitted through the same communication channel to the surface control unit, which extracts informative signals from it according to the pressure at the pump P reception _PN and the temperature inside the motor housing T _D and sends them to the microprocessor MK controller, which simultaneously receives a signal from the wellhead pressure transmitter ДДУ.

На фиг. 4 дан алгоритм, поясняющий процесс регулирования, который заключается в следующем. In FIG. 4 is an algorithm explaining the regulatory process, which is as follows.

Вначале, расчетным методом, с учетом предыдущих данных по эксплуатации скважины, определяются номинальные режимы работы насосной установки по давлению на приеме насоса P_ПН.2 по устьевому давлению P_Y.2, по производительности Q₂ и по температуре внутри корпуса погружного электродвигателя T_Д.2. По полученным данным выбирается соответствующая насосная установка, которая в частности, должна соответствовать максимально возможной рассчетной производительности. В начальный период работы насосной установки, когда давление на приеме насоса P_ПН высокое, а температура внутри корпуса электродвигателя T_Д и давление на устье P_y в норме, микропроцессорный контроллер МК выдает сигнал на преобразователь частоты ПЧ для ее увеличения на одно заранее определенное значение. По получению реакции в виде изменения давления на устье скважины P_y, микропроцессорный контроллер МК выдает команду на устьевой регулируемый штуцер РШ для его частичного открытия с целью регулирования устьевого давления. После наступления установившегося режима работы скважины микропроцессорный контроллер вновь проверяет соответствие режима работы установки заданному. Если при этом давление на приеме насоса P_ПН и температура внутри электродвигателя T_Д находятся в заданных пределах, то микропроцессорный контроллер МК вновь подает команду на увеличение частоты питающей сети, а следовательно, и производительности насоса с последующей проверкой расчетных параметров насосной установки. И так до тех пор, пока не будет достигнута максимальная производительность при заданных режимах работы насосной установки, или же пока температура в двигателе или давление по приеме насоса не достигнут расчетных значений, даже если производительность не достигла максимального значения. При изменении установившихся параметров процесс регулирования повторяется вновь. Таким образом обеспечивается поддержание оптимального режима работы насосной установки, при котором вероятность выхода из строя электродвигателя привода насоса становится минимальной.Initially, using the calculation method, taking into account previous data on well operation, the nominal operating modes of the pump unit are determined by the pressure at the pump _inlet P _PN.2 by wellhead pressure P _Y.2 , by productivity Q ₂ and by the temperature inside the submersible motor housing T _{D. 2} . According to the data obtained, the appropriate pumping unit is selected, which, in particular, should correspond to the maximum possible design capacity. In the initial period of operation of the pump installation, when the pressure at the pump inlet P _{П П is} high, and the temperature inside the motor housing T _Д and the pressure at the mouth P _y are normal, the microprocessor controller MK gives a signal to the frequency converter to increase it by one predetermined value. Upon receipt of the reaction in the form of a change in pressure at the wellhead P _y , the microprocessor controller MK issues a command to the wellhead adjustable fitting RS for its partial opening in order to control wellhead pressure. After the onset of the steady state operation of the well, the microprocessor controller again checks the compliance of the operating mode of the installation with the specified one. If at the same time the pressure at the pump inlet P _ПН and the temperature inside the electric motor T _Д are within the specified limits, then the microprocessor controller MK again sends a command to increase the frequency of the supply network, and hence the pump performance, followed by checking the design parameters of the pump unit. And so on until the maximum performance is reached at the given operating modes of the pump unit, or until the temperature in the engine or pressure at the pump intake reaches the calculated values, even if the productivity has not reached the maximum value. When changing the established parameters, the regulation process is repeated again. This ensures that the optimal operating mode of the pump installation is maintained, in which the probability of failure of the pump drive motor becomes minimal.

Claims

A method for automatically adjusting the operating mode of a well equipped with a submersible centrifugal electric pump, including measuring pressure at the pump inlet and flow line at the wellhead, adjusting the number of revolutions of the submersible drive of the pump motor by changing the frequency of the supply network and regulating the pressure at the wellhead using an adjustable fitting, supporting pressure at the pump intake and at the wellhead within specified limits at the maximum possible pumping unit productivity, excellent The fact that the temperature inside the casing of the submersible drive motor of the pump is set and measured, and the pressure at the wellhead and the number of revolutions of the submersible drive motor of the pump is controlled by additionally maintaining the temperature inside the housing of the submersible drive motor of the pump within specified limits.