ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ СТАНЦИЙ УПРАВЛЕНИЯ УЭЦН

В последние годы в области добычи нефти все больше внимания уделяется перспективному направлению применения в работе оборудования и алгоритмов управления, способных уменьшить, а в будущем исключить, участие человека в производственных процессах и значительно повысить эффективность последних. В текущих условиях разработки месторождений на поздних стадиях, связанных с увеличения доли трудноизвлекаемых запасов и ростом влияния осложняющих факторов эксплуатации актуальность данного направления трудно переоценить.

В настоящее время в России порядка 80 - 85% нефти добывается установками электроцентробежных насосов. Столь массовое применение УЭЦН в добыче нефти определяется гибкостью напорно-расходных характеристик ЭЦН, широким диапазоном производительности – 10 - 5000 м³/сут., простотой управления, и высокой, в сравнении с другими способами эксплуатации, наработкой «на отказ», доходящей до 5000 суток. В связи с увеличением ассортимента насосного оборудования, разработкой новых средств автоматизации, систем погружной телеметрии, станций с частотно-регулируемым управлением и других средств интеллектуализации скважин, появляется возможность повышения степени автономности работы оборудования в части ухода от аварийных ситуаций (срыв подачи, перегруз, снижение давления на приеме насоса ниже допустимого предела, превышение допустимого значения температуры электродвигателя и т. д.), циклической эксплуатации, во многом благодаря внедрению так называемых «интеллектуальных режимов» работы станций управления УЭЦН – особых алгоритмов, позволяющих в условиях проявления воздействия осложняющих факторов (высокое содержание газа, наличие механических примесей в добываемой продукции, образование эмульсии и т.д.) снизить вероятность аварийного останова оборудования посредством изменения рабочих параметров.

Одна из основных областей применения «интеллектуальных режимов» работы станций управления УЭЦН – скважины, где осложняющим фактором эксплуатации является высокое содержание газа в добываемой продукции, а также эксплуатация скважин с низким пластовым давлением (низким динамическим уровнем). Работа УЭЦН в таких скважинах сопровождается многочисленными остановками по срыву подачи (срабатывание защиты от срыва подачи) и, зачастую, к работе насоса в пограничном режиме, когда на прием насоса поступает газожидкостная смесь с большим содержанием газовой фазы, что ухудшает отвод тепла, выделяющегося при работе насоса и ведет к перегреву оборудования, снижению ресурса и в итоге к его преждевременному отказу. Обычные способы защиты УЭЦН от работы в аварийных режимах (защита от срыва подачи по току или загрузке ПЭД, защита ТМС по максимальной температуре ПЭД) в силу определенных эксплуатационных обстоятельств и конструктивных особенностей оборудования, не всегда срабатывают корректно, а функционирование УЭЦН в условиях перекачивания газожидкостной смеси большим содержанием газовой фазы (по сути пены), либо полного прекращения поступления жидкости в насос из-за образования в проточных каналах рабочих органов «газовой пробки», сопровождается перегревом компонентов установки, что приводит к отказам в следствие плавления изоляции жил кабеля, потери эластичности резинотехнических изделий в составе установки, термического разрушения опорных шайб рабочих колес, отложения солей и т. д. Решением проблемы ухода от аварийных ситуаций является использование "интеллектуальных режимов" работы станций управления, значительно снижающих вероятность работы УЭЦН в аварийных режимах.

В статье описан один из «интеллектуальных режимов» работы станции управления УЭЦН – режим поддержания на заданном уровне определённого технологического параметра. В качестве такого параметра могут выступать: ток двигателя, давление на приеме ЭЦН (СУ производства ООО «НПО «ЭТАЛОН» и ООО «ИРЗ ТЭК»), выходная частота, ток двигателя, давление на приёме, аналоговые входы, (СУ производства ООО «ПК «БОРЕЦ»), выходная частота, ток двигателя, загрузка двигателя, давление на приёме, давление на выкиде, расход жидкости, температура ПЭД, аналоговые входы (СУ производства ЗАО «ЭЛЕКТОН»).

Ниже рассмотрена работа режима поддержания на заданном уровне определённого технологического параметра на примере поддержания давления на приеме насоса.

Данный режим может быть реализован только при наличии исправно работающей системы телеметрии.

Для СУ производства ООО «ПК «БОРЕЦ» режим поддержания давления на приеме насоса реализован следующим образом: в уставках контроллера СУ задается значение давления на приеме насоса, которое необходимо поддерживать, минимальное и максимальное значения частоты вращения ПЭД. Для принятия решения о начале регулирования накапливаются результаты 10 измерений, которые усредняются. Усредненный результат закладывается в буфер результатов измерений ТМС. Буфер имеет емкость 5 усредненных результатов. После того, как в буфер положен новый результат, методом скользящего среднего выбирается средний результат, который сравнивается с уставкой давления. По знаку результата выбирается направление регулирования. Вычисляется относительная ошибка, насколько изменить уставку частоты вращения и время до следующего изменения оборотов. Новая уставка вступит в силу после истечения вычисленного времени, если ПЭД вращается и нет отказа ТМС. Изменения не произойдут, если новая частота вращения больше максимальной или меньше минимальной частоты, заданных в уставках контроллера, или если установлены биты нехватки тока или напряжения.

Для СУ производства ООО «НПО «ЭТАЛОН», ЗАО «ЭЛЕКТОН», ООО «ИРЗ ТЭК» режим поддержания давления на приеме реализован в виде ПИД-регулирования. Принцип действия системы основан на сравнении текущего значения поддерживаемого параметра с заданным значением. На основе разности этих значений (ошибки) системой вырабатывается сигнал управления, изменяющий выходную частоту СУ таким образом, чтобы уменьшить разницу и, в конечном счете, свести ее к нулю.

Сигнал управления выходной частотой определяется величиной отклонения поддерживаемого параметра от заданного значения и совокупностью трех коэффициентов – пропорциональной, интегральной и дифференциальной.

Настройки данного режима СУ позволяют задать:

• тип регулятора, осуществляющего поддержание выбранного параметра. Возможно задать один из трех типов регулятора: П-регулятор (пропорциональный), ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный) и ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный);
• направление изменения выходной частоты при отклонении параметра от заданного значения: прямое или обратное. При прямой зависимости увеличение параметра по сравнению с заданным значением приведет к увеличению частоты, уменьшение – к уменьшению. При обратной зависимости – увеличение параметра по сравнению с заданным значением приведет к уменьшению частоты, уменьшение – к увеличению. При поддержании давления на приеме насоса необходимо устанавливать прямую зависимость;
• величину пропорциональной составляющей регулирования сигнала управления. Чем больше эта величина, тем больше изменение частоты на выходе СУ при отклонении поддерживаемого параметра от установленного значения и, следовательно, выше скорость изменения текущего значения параметра. Слишком большая величина пропорциональной составляющей может привести к перерегулированию и возникновению колебаний текущего параметра около заданного значения;
• величину интегральной составляющей регулирования сигнала. Эта величина способствует сведению к нулю усредненного значения отклонения текущего параметра от заданного, и определяет скорость (время) реакции системы на изменение поддерживаемого параметра. Чем выше значение интегральной составляющей, тем быстрее стремится к нулю отклонение поддерживаемого параметра от заданного значения, и тем менее чувствительной становится система к отклонению поддерживаемого параметра от заданного значения. Слишком большая величина интегральной составляющей также может привести к перерегулированию (выбросу) и возникновению колебаний текущего параметра около заданного значения;
• величину дифференциальной составляющей регулирования сигнала управления. Эта величина влияет на изменение выходной частоты в зависимости от скорости изменения поддерживаемого параметра. Чем быстрее изменяется параметр, тем больше должны быть значения пропорциональной и интегральной составляющей, тем выше вероятность возникновения перерегулирования в системе. Дифференциальная составляющая позволяет добиться устойчивого затухания (демпфирования) колебаний поддерживаемого параметра. Слишком малое значение дифференциальной составляющей приводит к выбросу при скачкообразном изменении поддерживаемого параметра, слишком большое – к увеличению времени реакции системы;
• дискретность, с которой регулятор производит сравнение текущего значения поддерживаемого параметра с заданным значением и корректирует выходную частоту СУ. Если информация о поддерживаемом параметре поступает в регулятор дискретно с некоторым периодом, то уставку, определяющую дискретность, следует задавать не меньше этого периода.

Реакция системы регулирования на увеличение какой-либо составляющей может быть качественно определена по таблице 1:

Таблица 1.

Реакция системы регулирования на увеличение коэффициентов ПИД

Подбор величин, составляющих сигнала регулирования, нужно проводить в каждом конкретном случае индивидуально.

Для поддержания заданного давления на приеме насоса можно использовать следующий алгоритм:

1. Определить период поступления данных о давлении в контроллер станции управления (например, для системы «ЭЛЕКТОН-ТМС» это можно сделать по индикатору «Измерение» на наземном блоке системы - периодичность загорания индикатора соответствует периоду выдачи данных о давлении) и задать период регулирования не меньше этого значения.

2. Установить тип регулятора - ПИД, зависимость регулирования - прямую, интегральную и дифференциальную составляющие равными нулю, а пропорциональную составляющую такой, чтобы перерегулирование составило 10... 15 % при скачкообразном изменении уставки. Например, текущее давление составляет 70 атмосфер, станция включается в режиме поддержания давления равным 60 атмосфер. Если перерегулирование составило 10... 15 %, то есть давление снизилось до 51...54 атмосфер, а затем стало увеличиваться, то пропорциональная составляющая выбрана верно и можно приступить к подбору интегральной составляющей. Если величина перерегулирования больше 10... 15 %, то пропорциональную составляющую нужно соответственно уменьшить. Если перерегулирования длительное время не происходит и скорость приближения текущего значения давления к заданному значению недостаточна, то следует увеличивать пропорциональную составляющую.

3. Интегральную составляющую увеличить до значения, обеспечивающего необходимую скорость реакции системы.

4. Дифференциальную составляющую увеличить до значения, обеспечивающего минимальное перерегулирование.

Примерный процесс изменения давления при работе регулятора с правильно подобранными коэффициентами изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Примерный процесс изменения давления при работе регулятора с правильно подобранными коэффициентами

Поддержание заданного давления на приеме насоса (динамического уровня), позволяет обеспечить бесперебойную работу и наибольшую производительность установки за счет снижения вероятности аварийных остановов оборудования, и связанных с ними потерь добычи. Учитывая, что в условиях удаленных месторождений, объемы потерь значительно возрастают в результате увеличения времени прибытия специалистов сервисной организации, занимающихся промысловым обслуживанием УЭЦН, для устранения аварийного останова и перезапуска установки, значимость и актуальность применения интеллектуальных режимов работы станции управления УЭЦН многократно возрастает.

Не следует забывать, что все осложняющие факторы, встречающиеся при эксплуатации УЭЦН, взаимосвязаны между собой. К примеру, работа УЭЦН при низком динамическом уровне или высоком содержании газа, когда на прием насоса поступает газожидкостная смесь с большим содержанием газовой фазы, приводит к нагреву узлов УЭЦН, повышенная температура ускоряет процесс солеотложения на поверхностях рабочих органов насосов, уменьшение сечения проходных каналов направляющих аппаратов и рабочих колес из-за солеотложения ведет к снижению подачи УЭЦН, что дополнительно ухудшает процесс отведения тепла от компонентов установки, и, в конечном итоге, может привести к отказу установки по причине снижения сопротивления изоляции электрической части УЭЦН из-за перегрева. Отказы УЭЦН приводят к снижению межремонтного периода (МРП), производятся внеплановая остановка скважин и замена погружной части установки. В результате чего происходит разбалансирование системы разработки, выборочная выработка запасов нефти и, как следствие, безвозвратная потеря части извлекаемых запасов и увеличение доли трудноизвлекаемых запасов. Управление процессом разработки мелких залежей и месторождений может быть практически потеряно.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что при разработке месторождений на поздних стадиях в условиях осложнений эксплуатации, высокой доле трудноизвлекаемых запасов, направление интеллектуализации добычи нефти является одним из приоритетных направлений развития отрасли.

Список литературы:

1. Ивановский В.Н. Интеллектуальные скважины // Инженерная практика – 2010 – №1. – С. 16-18
2. Кудряшов С., Левин Ю., Маркелов Д. Эксплуатация УЭЦН в осложненных условиях интенсифицированных скважин // Бурение и Нефть. – 2004. – №10 – С. 22-23.
3. Кулаев Э.Г., Елисеев Д.Б., Ветохин Е.Г. Результаты применения станций управления УЭЦН с интеллектуальной системой в ОАО "Самотлорнефтегаз" // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2013. – №6. – С. 19-25
4. Станция управления c частотным регулированием ИРЗ-500 (СУ ЧР). Руководство по эксплуатации. – Ижевск 2023
5. Станции управления с частотным регулированием серии «Борец-15». Руководство по эксплуатации. ЦРКФ.656437.019 РЭ. – 2020
6. Станция управления ЭЛЕКТОН-05 Руководство по эксплуатации ЦТКД 065 РЭ. – Радужный 2015
7. Субарев Д.Н. Проблемы оперативного управления погружными установками системы "УЭЦН - скважина" в условиях малопродуктивных пластов // Вестник Кибернетики. – 2011. – №10 – С. 41-46.
8. Устройства комплектные «Станция управления СУ ЧР+ВД (СУ АВ)» Руководство по эксплуатации. – Добрянка 2013