научная статья по теме АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ УСТАНОВКОЙ СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА Геофизика

Текст научной статьи на тему «АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ УСТАНОВКОЙ СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА»

НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 622.276.53.054.22 © В.Б. Садов, А.Л. Шестаков, 2015

Автоматическое управление установкой скважинного штангового насоса

В.Б. Садов, к.т.н., А.Л. Шестаков, д.т.н. (Южно-Уральский гос. университет)

Адрес для связи: sv_2005@inbox.ru

Ключевые слова: установка скважинных штанговых насосов (УСШН), автоматическое управление добычей нефти, критерий управления, прогнозирующее управление.

Automatic control of sucker rod pump

V.B. Sadov, A.L. Shestakov (South Ural State University, RF, Chelyabinsk)

E-mail: sv_2005@inbox.ru

Key words: sucker rod pump, automatic control of oil extracting, criterion of control, predictive control.

The article presents an approach to the formation of criterion of automatic control of sucker rod pump based on economic parameters of oil extracting. Use of predictive control for the decision of a problem of search of an ex-tremum of the generated criterion is shown. Results of simulation of the generated algorithm are given, conclusions on efficiency of the resulted approach are made.

B установках скважинных штанговых насосов (УСШН) используются разные типы приводов: классический станок-качалка; цепной; гидравлический и др. После ввода УСШН в эксплуатацию возникает вопрос о принципах регулирования подачи скважинного штангового насоса (СШН), связанного с тем, что характеристики добываемой жидкости, дебит, параметры привода и множество других факторов изменяются во времени. Кроме того, зависимость подачи насоса от средней скорости движения полированного штока, определяемого числом двойных ходов в минуту и ходом полированного штока, является нелинейной из-за механических характеристик привода, глубинного оборудования, извлекаемой жидкости, а также степени наполнения СШН и др. Усложняют регулирование также ограничения, накладываемые на законы движения штанг и их параметры. Основной целью разработки системы автоматического управления процессом добычи нефти является снижение затрат на добычу 1 т нефти при высоких нефтеотдаче и сроков эксплуатации скважины.

Существует класс серийно выпускаемых станций управления и контроллеров (в основном зарубежных фирм), в которых используются различные алгоритмы автоматического управления УСШН. Подробный обзор результататов испытаний представлен в работе [1]. В качестве примера можно привести контроллер SAM Well Manager Variable Speed Drive фирмы Lufkin Automation, общий принцип управления которым рассмотрен в работах [2, 3]. В качестве критерия используется величина «хвоста» на плунжерной динамограмме при недостаточном притоке жидкости в скважину. Практически это означает, что система поддерживается в режиме на границе, где число ходов максимально для четкой идентификации появления дефекта - недостаточного притока

жидкости в скважине, определяемого по плунжерной динамограмме. Ряд отечественных фирм, в частности АЦБПО ЭПУ ОАО «Татнефть», на примере станции управления «Скад» в свои изделия устанавливает контроллеры данной фирмы. В документации на станцию управления eProduction Solutions, Inc. [4] особое внимание обращается на то, что при недостаточном притоке жидкости в скважину при движении полированного штока вниз наблюдается удар плунжера о жидкость, что снижает ресурс работы насоса и колонны штанг.

Известны также станции управления приводами фирмы Danfoss по бездатчиковой технологии механизированной добычи нефти SALT (Sensor less Artificial Lift Technology) [5], где используются данные о нагрузке при применении частотно-регулируемого привода. В ходе регулирования подачи насоса на каждом участке движения анализируется нагрузка и при необходимости снижается или увеличивается скорость движения. В результате скорости движения штока вверх и вниз могут значительно различаться. В качестве насосов могут применяться как СШН, так и винтовые, а также электроцентробежные насосы. При этом используется взаимосвязь производительности установки, потребляемой мощности привода, характеристик откачиваемой жидкости, электродвигателя и элементов привода. Алгоритм, формируемый в контроллерах компании Lufkin Automation и подобных им, не всегда дает положительный эффект с точки зрения главного критерия эффективности добычи нефти - минимизации расходов на добычу 1 т нефти.

Решение задачи управления УСШН

Рассмотрим показатели добычи нефти более подробно. С точки зрения управления приводом СШН процесс и результаты добычи нефти зависят от следующих параметров:

1) текущей производительности установки по добыче нефти q;

2) давления на устье ру и в затрубном пространстверзатр;

3) числа двойных ходов механизма в минуту п;

4) закона движения полированного штока Ц"(£);

5) усилий на полированном штоке Р (мгновенных, максимальных и минимальных, средних по фазам движения);

6) уровня жидкости в скважине Н1.

Можно также анализировать данные по усилиям на полированном штоке в период его движения (динамо-грамму). Величина хода полированного штока устанавливается исходя из характеристик насоса и технологических показателей добычи и, как правило, не меняется.

В качестве управляющих воздействий можно использовать параметры 2, 3, 4. Основная характеристика, отражающая результат добычи нефти - текущая производительность установки - является либо расчетной, либо получаемой на основе информации с датчиков, находящихся вне контура управления приводом насоса. Моделирование процесса добычи нефти показало, что зависимость производительности установки по добыче нефти от числа двойных ходов представляет собой монотонную функцию, возможно, без выраженного максимума в области реального диапазона изменения числа ходов [6], т.е. прямое регулирование по производительности тоже затруднительно. Установившееся значение подачи насоса и уровень жидкости связаны между собой.

Поскольку система скважина - пласт является нестационарной, изменение подачи насоса может не отражать положение уровня жидкости в скважине. Такая система представляется как самоорганизующаяся, при этом установка заданной подачи насоса приводит к постепенной стабилизации уровня жидкости в скважине. В основе самоорганизующихся систем лежит принцип подчинения, согласно которому исходная сложная система может быть изображена в виде сложной иерархической системы, состоящей из совокупности динамических подчиненных друг другу подсистем.

Исходя из подхода синергетического управления [7] предлагаемую авторами систему управления можно представить в виде двух подсистем: наверху находится система стабилизации уровня жидкости в скважине; внизу - достаточно быстрая система регулирования производительности установки. В качестве параметра порядка можно принять закон движения полированного штока, причем в этом случае медленная система подстраивается под быструю, т.е. изменение, например, числа двойных ходов приводит к медленной стабилизации уровня жидкости в скважине. Для регулирования системы можно менять только число двойных ходов, при этом необходимо контролировать давления для поддержания их в определенных пределах и уровень жидкости в скважине.

Дальнейшей задачей является синтез закона изменения числа двойных ходов при управлении. Для регулирования целесообразно использовать комплексный критерий, определяемый по формуле

где q - текущая производительность установки; k1(n + ап2) = М - расходы на электроэнергию в единицу времени; к2п = D - расходы на обслуживание глубинного оборудования и привода штангового насоса в пересчете на единицу времени; а - постоянные, которые могут варьироваться в зависимости от цен на нефть, электроэнергию, стоимости обслуживания глубинного оборудования и насосной установки.

Оптимальный режим управления достигается при максимуме критерия G. При определении оптимального числа двойных ходов п необходимо учитывать ограничения птт < п < птах, так как некоторое значение п может выходить за технологические и эксплуатационные рамки конкретной насосной установки и скважины. Например, существуют максимальные технологические (например, при наличии недостаточного притока жидкости в скважину) и эксплуатационные скорости движения узлов установки для добычи нефти, минимально необходимые скорости, определяемые вязкостью откачиваемой жидкости и характеристиками насоса и др.

Критерий (1) задает только конечную цель регулирования при реализации автоматического управления добычей, но не определяет закона регулирования, т.е. закона изменения числа двойных ходов. Рассматриваемая система (в данном случае насосная установка) представляет собой динамический объект с одним входом, описываемый дифференциальными уравнениями в частных производных с линейными и нелинейными коэффициентами. Коэффициенты являются нестационарными с медленным изменением во времени. Поэтому для управления желательно использовать адаптивные методы. Рассмотрим синтез закона изменения числа ходов привода СШН с использованием прогнозирующего управления [8-10].

Зависимость производительности установки от числа двойных ходов, исходя из физических особенностей системы, можно описать линейным уравнением

q(k + 1) = q(k) + А(к) ■ [п^ + 1) - п(Щ,

(2)

где k - момент времени; А - коэффициент пропорциональности.

Критерий (1) имеет одну точку максимума в рабочем диапазоне числа двойных ходов, характеристика его монотонна, поэтому можно записать критерий

G1 = - k1(n + ап2) - ^п]2,

(3)

минимум которого в той же точке, что и максимум критерия (1).

Для определения числа двойных ходов в минуту используем прогнозирующее управление разомкнутого типа. В данном случае прогнозирующие управления на всем горизонте прогноза зависят только от текущего состояния системы, т.е. не используется обратная связь. Прогнозирующие управления определяются по следующему правилу: на каждом шаге k минимизируем критерий со скользящим горизонтом управления

G = q - k1(n + ап2) - ^п

(1)

+ т\И) =

хп(к + г) - k1

Ь а£(

2 ^^ + г) - (^ + х + г)п(к + г)]2,

(4)

где т - горизонт прогноза по последовательности программных управлений п(ЦМ),..., п(к- + р-1|£), зависящих только от состояния системы в момент к. В качестве управления в момент k берем п(к) = п(к\к), получае

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»