Гидродинамика переходных процессов в скважине, обустроенной электроцентробежным насосом

Abstract

Актуальность исследования связана с проблемой роста эффективности алгоритмов контроля и управления динамическими режимами работы скважин, обустроенных электроцентробежными насосами с регулируемой подачей. Полученный результат обобщает и развивает ранее опубликованное решение по конструкции динамической модели скважины посредством перехода от линеаризованных корреляций к квадратичным связям между состояниями в ключевых точках подъёмника, адекватно отражающих наблюдаемые формы поведения в переходных и равновесных режимах эксплуатации на полных пуско-остановочных диапазонах регулирования. Цель: обновлённое описание комплексной квадратичной барометрической модели скважины типа «пласт-подъёмник-электронасос-устье», ориентированной на задачи автоматизированного контроля и регулирования в режиме реального времени. Объекты: скважина с частотно-регулируемым электроцентробежным насосом. Методы: материального баланса, гидроупругой фильтрации, гидростатики, квадратичной кинетики потерь на трение, численного моделирования дифференциальных уравнений, конечномерное описание комплексной гидродинамики скважины с учетом потенциальных и кинетических потерь напора в подъёмнике. Результаты и выводы: 1. Обновленное математическое описание гидродинамики скважины с электроцентробежным насосом создаёт основу: а) более надёжного решения обратных задач параметрического сопровождения модели по данным промыслового контроля, б) уточнённого оценивания регулировочного потенциала, прогнозируя динамику возможного выхода системы за границы функциональной устойчивости, в) технологий численно-аналитического конструирования оптимальных решений при выборе пара метров обустройств и законов оперативного регулирования, г) синтеза динамических наблюдателей расширенного вектора состояний, работающих синхронно с динамикой контроля устьевых и глубинных давлений. 2. Результаты вычислительного анализа демонстрируют сложную, несовпадающую по графике картину поведения притока и подачи насоса при смене частоты и давления на устье, воспроизводя наблюдаемый эффект разнотемповости переходных процессов при пусках и остановах и объясняя возможную нестабильность подачи при резком снижении частоты. Оценки расхождения решений для квадратичной модели и линеаризованного прототипа свидетельствуют о росте ошибок линеаризованного анализа при сильных отклонениях режимов работы от расчётно-равновесных состояний. 3. Доставляемые обновлённой моделью уточнения на динамически возмущённых режимах эксплуатации важны для повышения надёжности работы систем оперативного регулирования и параметрического оценивания по данным контроля режимных состояний.

The relevance. The problem of increase in efficiency of algorithms for monitoring and controlling the dynamic operation modes of wells equipped with an electric submersible pump with adjustable supply. The result summarizes and develops the previously published solution on the design of a dynamic well model, through the transition from linearized correlations to quadratic relationships between states at key points of a lift. These points properly reflect the observed forms of behavior in transient and equilibrium operating modes at full start-stop control ranges. The main aim. Updated description of a comprehensive quadratic barometric model of the «reservoir-lift-electric pump-well head» type well, focused on the tasks of automatic control and regulation in real time. Objects. Wells with frequency-regulated submersible pump. Methods. Material balance, percolation, hydrostatics, quadratic kinetics of friction losses, numerical modeling of differential equations, finitedimensional description of the complex hydrodynamics of the well, taking into account the potential and kinetic head losses in the lift. Results: (1) Updated mathematical description of the hydrodynamics of the well with an electric submersible pump creates the basis for: a) more reliable solution of inverse problems of parametric model support according to the data of field control, b) refined assessment of the adjustment potential, predicting the dynamics of a possible system output beyond the boundaries of functional stability, c) technologies of numerical and analytical design of optimal solutions when selecting the parameters of arrangement and laws of operational regulation, d) synthesis of dynamic observers of an extended state vector synchronously operating with the dynamics of controlling well-head and deep pressure. (2) The results of the computational analysis demonstrate a complex behavior that does not match the graph of the inflow and pump supply, when changing the frequency and wellhead pressure. This explains the observed effect of the multi-tempoity of transient processes during starts and stops and possible instability of the supply with a sharp decrease in frequency. (3) Estimates of discrepancy between the solutions for a quadratic model and a linearized prototype indicate an increase in errors of linearized analysis with strong deviations of operating modes from the equilibrium-calculated states. The refinements in dynamically disturbed operating modes delivered by the updated model are important for improving the reliability of operational control systems and parametric estimation for data control mode states.