О совершенствовании моделей АСУ ТП нижнего уровня УЭЦН в условиях перевода нефтяных скважин в прерывистые режимы эксплуатации

Abstract

Актуальность. В настоящее время большая часть объема добычи нефти в России приходится на установки центробежных электронасосов, при этом с каждым годом возрастает доля установок, работающих в режиме прерывистой эксплуатации с циклами накопления и откачки жидкости. При этом последние исследования надежности их компонентов показывают, что наработка на отказ погружного оборудования снижается до 2,5 раз по сравнению с оборудованием, находящимся в режимах непрерывной эксплуатации. Снижение надежности связано с динамикой переходных процессов в автоматизированных системах управления нижнего уровня, которая на сегодняшний день при выработке управленческих решений по оптимизации работы скважины не учитывается, а вся подсистема нижнего уровня, как правило, представляется линейными или нелинейными статическими звеньями. Такой подход не позволяет управлять динамикой процессов внутри самой подсистемы в условиях перевода скважин к прерывистым режимам эксплуатации. Это обуславливает актуальность разработки динамических моделей подсистемы электропривода погружных насосов с целью оптимизации переходных процессов по критерию наработки на отказ элементов погружного оборудования. Цель. Совершенствование моделей систем нижнего уровня автоматизированного управления погружным электродвигателем установки центробежных электронасосов добычи нефти в условиях перевода скважины в режим прерывистой эксплуатации с целью повышения управляемости. Методы. Методы системного анализа и структурно-параметрического синтеза систем автоматизированного управления технологическими процессами, методы проектирования систем векторного управления электроприводов, методы идентификации переменных состояния на основе наблюдателей с использованием явных математических моделей, методы параметрической идентификации настраиваемых моделей нестационарных динамических систем. Результаты. Предложен подход к построению оперативного уровня управления установками центробежных электронасосов, включающий внедрение замкнутых бездатчиковых систем электропривода с применением наблюдателей состояния на основе явных настраиваемых математических моделей нестационарной динамической системы «длинный кабель - погружная регулируемая электрическая машина» и методов их динамической идентификации, создающий предпосылки для дальнейшей постановки и решения задач оптимизации динамических процессов внутри подсистемы нижнего уровня в условиях перевода скважины в прерывистые режимы эксплуатации. Предложен переход к динамическим моделям автоматизированных систем управления нижнего уровня на основе редуцированных математических моделей электротехнической подсистемы установок центробежных электронасосов из соображений повышения управляемости и учета физических ограничений доступных средств измерений

Relevance. Currently, the majority of oil production in Russia is carried out using centrifugal electric pumps, and the share of installations operating in periodic modes with cycles of accumulation and pumping of liquid is increasing every year. At the same time, the latest studies of the reliability of their components show that the mean time between failures of submersible equipment is reduced to 2.5 times compared to equipment in continuous operation modes. The decrease in reliability is associated with the dynamics of transient processes in automated lower-level control systems, which is currently not taken into account when developing management decisions to optimize well operation, and the entire lower-level subsystem, as a rule, is represented by linear or nonlinear static links. This approach does not allow controlling the dynamics of processes within the subsystem itself in the conditions of wells being transferred to intermittent operating modes. This determines the relevance of developing dynamic models of the submersible pump electric drive subsystem in order to optimize transient processes according to the criterion of the time between failures of submersible equipment elements. Aim. Improving models of lower-level automated control systems for a submersible electric motor of a centrifugal electric pump installation for oil production under conditions of switching a well to periodic operation mode in order to improve controllability. Methods. Methods of system analysis and structural-parametric synthesis of automated control systems of technological processes, methods of designing vector control systems for electric drives, methods of identifying state variables based on observers using explicit mathematical models, methods of parametric identification of customizable models of non-stationary dynamic systems. Results. The authors have proposed the approach to constructing an operational control level for centrifugal electric pump installations, including the introduction of closed sensorless electric drive systems using state observers based on explicit adjustable mathematical models of the non-stationary dynamic system "long cable - submersible adjustable electric machine" and methods of their dynamic identification, creating prerequisites for further formulation and solution of problems of optimizing dynamic processes within the lower-level subsystem under conditions of transferring the well to intermittent operating modes. A transition to dynamic models of automated lower-level control systems based on reduced mathematical models of the electrical subsystem of centrifugal electric pump installations is proposed for increasing controllability and taking into account the physical limitations of available measuring instruments