Обзор и критический анализ современного состояния и путей совершенствования систем электропитания и автоматического управления установок электроцентробежных насосов в прерывистых режимах эксплуатации нефтяных скважин

Abstract

Актуальность. В настоящее время активно проводится перевод нефтяных скважин с низким и средним дебитом на циклическую или кратковременную эксплуатацию скважин для уменьшения излишней производительности насоса, которая образовалась вследствие сокращения дебита скважины, вызванного снижением пластового давления при продолжительной эксплуатации месторождения. Необходимость такого перехода требует обоснования использования более сложной конфигурации источников регулируемого электропитания и систем автоматического управления электрическими приводами установок электроцентробежных насосов в автоматизированных системах управления технологических процессов. Локальные системы автоматического управления нижнего уровня при механизированном электроприводном способе подъема на поверхность из скважины нефтесодержащей жидкости, а именно установки регулируемых электрических приводов переменного тока, состоят из наземных устройств и специального погружного оборудования. Наземные устройства - это станции управления с преобразователями переменного напряжения или преобразователями частоты переменного тока, со встроенным блоком наземной телеметрии, внешний синус-фильтр, повышающий трансформатор. Специальное погружное оборудование включает асинхронный электродвигатель, силовой кабель, телеметрический блок, датчики технологических параметров, центробежный насос. Питание такой установки осуществляется от внешней электрической трехфазной сети 6 кВ через понижающую трансформаторную подстанцию 6/0,4 кВ. В режиме непрерывной эксплуатации установок откачки нефти из скважин электроприводы и другое оборудование работают в квазистатических режимах. Динамический режим циклической эксплуатации скважин сопровождается большими бросками пускового тока и электромагнитного момента погружного асинхронного двигателя. Нерегулируемый электропривод, а также разомкнутый регулируемый электропривод не способны обеспечить плавный разгон на номинальную производительность насосного оборудования для откачки нефти из скважины в осложненных условиях и ее плавное регулирование в процессе снижения дебита скважины из-за снижения притока нефти к забою. Поэтому основным способом плавного уменьшения излишней производительности погружного центробежного насоса является режим периодического его включения для откачки нефтяной смеси из скважины, и отключения - для ее накопления и восстановления пластового давления. Внедрение циклической технологии показывает, что невозможно повсеместно использовать разомкнутую систему регулируемого электропривода, где приемлемые показатели качества переходных процессов, сопоставимых с показателями качества замкнутых систем регулирования, объективно недостижимы. Из-за того что величина давления на приеме скважины, создаваемая центробежным насосом и необходимая для подъема скважинной жидкости на поверхность, зависит от квадрата частоты вращения ступеней насоса, рабочий диапазон регулирования его производительности (Qmin...Qmax), м3/сут достигается при изменении напряжения статорной обмотки погружного асинхронного двигателя (80...100) % от (Uном) при питании от тиристорного регулятора переменного напряжения. Если величина напряжения статорных обмоток погружного асинхронного двигателя меньше, чем 80 % от Uном, скважинная жидкость не поднимается на поверхность и не выходит через устьевую арматуру. Поэтому при питании от преобразователя частоты с частотным законом управления Uном/fном=const напряжение питания и частота переменного тока погружного двигателя должны изменяться в том же диапазоне. Платой за использование циклической эксплуатации является снижение надежности погружного электромеханического оборудования. Актуальным является переход на специальные конструкции погружных электрических двигателей, совершенствование систем электропитания и синтез замкнутых по основным переменным состояния систем автоматического управления электроприводом погружного насоса. Цель: обзор и критический анализ современного состояния и путей совершенствования систем электропитания и автоматического управления установок электроцентробежных насосов в прерывистых режимах эксплуатации нефтяных скважин. Объект: системы электропитания и автоматического управления установок электроцентробежных насосов в прерывистых режимах эксплуатации нефтяных скважин, системы телеметрии, энергоэффективные погружные двигатели и конструкции центробежных насосов. Методы: методы теории автоматического управления для разработки концепции эксплуатации малодебитного фонда скважин, анализа и синтеза разомкнутых и замкнутых систем управления установками электроцентробежных насосов. Результаты. Представлена научная проблема разработки и внедрения моделей и методов идентификации технологических процессов, комплексов и интегрированных систем управления добычи нефти электроприводным способом при учете влияния длинного погружного кабеля, малом дебите скважин и осложненных условиях эксплуатации. Предложены научно обоснованные технические решения в виде структуры силового канала электромеханической системы с частотно-регулируемым асинхронным двигателем, длинным погружным кабелем и косвенным методом измерения переменных состояния по данным наземных измерений при изменениях нагрузки и характеристик измерительных каналов

Relevance. At present efforts are being made to convert low- and medium-flow oil wells to cyclical or short-term operation in order to reduce the excess pumping capacity that resulted from the reduction of well flow that is caused by reduced reservoir pressure during longlasting exploitation of the deposit. The need for such a conversion requires justification for the use of more complex configurations of regulated power supply sources and automatic control systems of centrifugal pump units electric drives in automated process control systems. The local low-level automatic control systems for a mechanized electric drive method for lifting oil-containing liquid from the well to the surface, namely the installation of variable-speed AC electric drives consist of ground-based devices and special submersible equipment. The ground-based devices are control stations with AC voltage and frequency converters with built-in telemetry units, external sine filter, stepup transformer. The special submersible equipment includes asynchronous induction electric motor, power cable, submersible telemetry unit, process sensors, centrifugal pump. The power supply of such a unit is provided from the external electric three-phase network of 6 kV through a reducing transformer substation of 6/0,4 kV. In the continuous mode of operation of oil pumping plants the electric pumps and other equipment, operate in quasi-static modes. Unregulated electric drive, as well as the open-loop controlled electric drive does not allow for smooth acceleration to the nominal performance of pumping equipment for pumping oil out of well in difficult conditions and its smooth regulation when reducing the well flow because of reducing oil flow to the slaughter. Therefore, the main way of smoothly reducing the excess performance of the submersible centrifugal pump is the periodic activation mode, which includes pumping the oil mixture out of the well and stop - for its accumulation and recovery of formation pressure. The introduction of cyclical technology shows that it is impossible to use the open-loop system of regulated electric drive everywhere, where acceptable quality indicators of transition comparable with the quality of closed-loop control systems are objectively unattainable. Due to the fact that the amount of pressure at the well intake created by a centrifugal pump, necessary to lift the well fluid to the surface, depends on the square of the rotation speed of the pump working stages, the operating pump productivity range Qmin...Qmax (m3/day) is obtained by varying the motor stator winding voltage (80...100) % from the nominal voltage value by using AC voltage controller with a phase control mode. If the stator voltage value is less than 80 % of Unom then the well fluid is not lifted to the surface and does not flow out of wellhead equipment. Therefore, when a frequency converter with Unom/ fnom=const is used, the supply voltage and frequency of the motor should be varied in the same range. The price for using cyclic operation is a decrease in the reliability of submersible pumps. It is necessary to use special designs of submersible electric motors, improve power supply systems and synthesize closed-loop control systems of automatic control of electric drive of submersible pump. The purpose of the study is the review and critical analysis of the current state and ways to improve regulated power supplies and automatic control systems for electric centrifugal pumping units in intermittent operation of oil wells. Object: systems of power supply and automatic control of centrifugal pump units in intermittent operation of oil well, telemetry systems, energy-efficient submersible motors and centrifugal pump designs. Methods: methods of the theory of the automatic control system for developing the concept of operation of low flow of wells, analysis and synthesis of open and closed loop control systems of electric submersible centrifugal pumping units. Results. The paper introduces the scientific problem of development, implementation, models and methods of identification of technological processes, complexes and integrated control systems of oil extraction by electric drive method, taking into account the influence of a long submerged cable, low flow of wells and difficult operating conditions. The author proposed scientifically based technical solutions in the form of a structure of a power channel of an electromechanical system with a frequency-regulated induction motor, long submersible cable and indirect method of measuring state variable from ground-based measurements at load changes and measurement channel characteristics