автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Повышение эффективности управления работой скважинной штанговой насосной установки

На правах рукописи ^

... __

У

ЛИХОБАБИН ДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СКВАЖИННОЙ ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации»

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАП ¿013

0050590'°

Волгоград - 2013

005059578

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» Волгоградского

государственного технического университета

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Брискин Евгений Самуилович.

Официальные оппоненты: Пындак Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор Волгоградский государственный аграрный университет, кафедра «Сопротивление материалов и детали машин», профессор;

Харькин Олег Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Автоматизация производственных процессов», доцент.

Ведущая организация ООО «ВолгоградНИПИморнефть»

Защита состоится 22 мая 2013 года в »У— часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр-т им. В.И. Ленина, 28, ауд.^'-Зу7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «&» апреля 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Водопьянов Валентин Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время большинство месторождений в Российской Федерации находятся в завершающей стадии разработки. Снижение темпов добычи нефти обусловливает увеличение числа скважин, эксплуатируемых механизированным способом, в том числе скважинными штанговыми насосными установками (СПІНУ) с приводом в виде станков-качалок (CK). В процессе эксплуатации эффективность работы СПІНУ снижается вследствие ухудшения проницаемости пород за счет заполнения порового пространства твердыми глинистыми частицами, частицами породы, отложениями солей и др.

Обзор литературы и патентных документов показывает, что в этих условиях для повышения эффективности работы СПІНУ широко применяются различные способы воздействия на продуктивный пласт - механические, химические, тепловые, комбинированные. Однако применение таких методов невозможно в процессе эксплуатации скважины СПІНУ, кроме того, их стоимость достаточно высока. Известны иные методы, способствующие повышению эффективности работы установки, основанные на изменении режимов работы и применении усовершенствованных конструкций насосов. Их реализация направлена на поддержание производительности СШНУ, вместе с тем, не в полной мере используются возможности информационно-измерительных систем, оценивающих состояние продуктивного пласта. Поэтому совершенствование конструкции СШНУ и разработка систем управления, ориентированных на повышение эффективности работы установки являются актуальными.

Степень изученности проблемы. Исследованиям причин снижения проницаемости призабойной зоны скважин, эксплуатации наземного и подземного оборудования СШНУ посвящено большое количество трудов. Научные исследования в этой области изложены в работах М. Маскета, Ф.С. Абдулина, А.Н. Акулышина, И.А. Чарного, A.A. Коршака, A.M. Шаммазова и др. A.M. Задачи о разработке новых методов и алгоритмов управления СШНУ решались Зюзевым, Э.М. Фархадзаде и др., однако реализации эффективных систем управления мешало отсутствие специализированных измерительных устройств. В настоящее время известен целый ряд производителей контроллеров и станций управления СШНУ, на основе которых могут быть построены высокоэффективные системы управления.

Объектом исследования является система СШНУ - скважина - пласт.

Предмет исследования - методы и алгоритмы управления СШНУ.

Целью диссертационного исследования является повышение эффективности работы СШНУ за счет разработки комбинированной системы управления штанговым насосом.

Задачи исследования. Для достижения цели решаются следующие задачи:

1. Анализ причин снижения эффективности работы СШНУ и методов ее повышения;

2. Разработка метода диагностики состояния продуктивного пласта в процессе работы СШНУ;

3. Разработка и исследование математической модели системы: СПІНУ -скважина - пласт, оснащенной штанговым насосом с управляемыми клапанами;

4. Разработка проблемно-ориентированной системы управления СПІНУ и алгоритма управления на основе текущей диагностической информации;

5. Оценка эффективности разработанной системы управления СШНУ на основе математического и физического моделирования.

Научная новизна. Предложена проблемно-ориентированная система управления СШНУ, реализующая настройку установки на наиболее эффективный режим работы и очистку пласта в процессе эксплуатации скважины на основе текущей информации о состоянии скважинных параметров.

1. Разработан метод диагностики состояния продуктивного пласта, для организации управления работой СШНУ.

2. Решена задача усовершенствования конструкции СШНУ, обеспечивающей знакопеременное движение жидкости в призабойной зоне продуктивного пласта.

3. Разработана математическая модель системы: СШНУ - скважина -пласт, учитывающая особенности режима работы управляемых клапанов штангового насоса.

4. Разработаны алгоритм и система управления СШНУ, реализующая на основе текущей информации очистку призабойной зоны скважины от механических частиц и эффективный отбор скважинной жидкости во время эксплуатации установки.

Практическая значимость! Установлено, что предложенный режим эксплуатации СШНУ, оснащенной насосом с управляемыми клапанами, обеспечивающим ассиметричное знакопеременное движение жидкости в поровом пространстве коллектора позволит увеличить производительность установки и коэффициент остаточной проницаемости пласта. В лабораторных условиях применение модели СШНУ с управляемыми клапанами позволило увеличить коэффициент остаточной проницаемости коллектора более чем на 22%.

В нефтепромысловой пракгаке предложенная система может быть использована для создания высокоэффективной мехатронной системы управления СШНУ.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались методы системного анализа, математического моделирования кинематики и динамики механизмов, аналитические и численные методы прикладной механики, физического моделирования, теория управления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод диагностики состояния продуктивного пласта, основанный на обработке информации о системе скважинных параметров, позволяющий управлять угловой скоростью вала приводного двигателя СШНУ с целью стабилизации производительности установки на максимально высоком уровне.

2. Конструктивная схема СШНУ, оборудованной насосом с управляемыми клапанами, и особенности ее работы.

3. Математическая модель системы: СШНУ - скважина - пласт, позволяющая прогнозировать увеличение производительности СШНУ, на основе описания движения твердых частиц, находящихся в нестационарном потоке скважинной жидкости, создаваемом внедрением в конструкцию насоса управляемых

всасывающего и нагнетательного клапанов.

4. Режимы и функциональная схема системы управления СШНУ, основанные на диагностике состояния объекта исследования: СШНУ — скважина - пласт и обеспечивающие повышение эффективности ее работы.

5. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие влияние предложенных режимов работы, реализуемых с помощью изменения конструкции СШНУ и разработанных алгоритмов управления, на повышение расхода жидкости через искусственный керн.

Достоверность результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена применением классических положений системного анализа, механики, моделированием изучаемых процессов и подтверждена лабораторными испытаниями.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 46-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2009 г.); 7-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); 47-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2010 г.); 48-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2011 г.); локальной научно-технической конференции «Мехатроника и эргатические системы» в рамках 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (с. Дивноморское, Геленжикский район, Краснодарский край, 2011 г.); Международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 2011 г.); XVI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград 2011); заседаниях технических советов ООО «Волганефтемаш» (г. Волгоград, 2009, 2010, 2011 г.г.); научных семинарах кафедры «Теоретическая механика» ВолгГТУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных трудах, в их число входят 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и литературы, содержащего 114 наименований, приложения. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 4 таблицы, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов.

Первая глава. В первой главе рассмотрены и проанализированы основные причины снижения эффективности работы СШНУ вследствие уменьшения проницаемости призабойной зоны добывающих скважин и методы ее восстановления, а также рассмотрены современные способы механизированной эксплуатации нефтедобывающих скважин, проведен анализ патентов.

По данным исследователей (М. Маскет, Ф.С. Абдулин, А.Н. Акулышин, И.А. Чарный и др.), снижение проницаемости призабойной зоны скважин может происходить в связи с отложением асфальто-смолистых веществ и парафина, формированием на поверхности пор и трещин адсорбционных оболочек, имеющих аномальную вязкость, засорением порового пространства механическими частицами. Вследствие этих причин, по мере разработки залежи приток пластового флюида в скважину постепенно уменьшается.

Для снижения фильтрационных сопротивлений необходимо осуществлять мероприятия по воздействию на призабойную зону пласта (ТОП) для повышения проницаемости, улучшения сообщаемости коллектора со стволом скважины и увеличения системы трещин или каналов для обеспечения притока и снижения энергетических потерь в этой ограниченной области пласта. Из работ A.A. Коршака, A.M. Шаммазова и др. следует, что все методы воздействия на ПЗП делятся на три основные группы: химические, физические, механические.

Типичным химическим методом воздействия является кислотная обработка. К физическим методам воздействия на призабойную зону относятся тепловые обработки и вибровоздействия. Механические методы воздействия - обратная промывка, гидроимпульсная обработка, обработка струйными насосами, гидравлический разрыв пласта и др. Приведенные методы позволяют очистить ПЗП от твердых частиц и приобщить к процессу фильтрации новые удаленные части пласта. Однако, применение приведенных методов невозможно в процессе эксплуатации скважины. При этом, стоимость обработки ПЗП одним из перечисленных методов исчисляется сотнями тысяч рублей.

Наибольшее распространение при эксплуатации нефтедобывающих скважин получили СІПНУ, оснащенные механическим приводом в виде станка-качалки

Рисунок 1. Скважинная штанговая установка с насосом

1 - всасывающий клапан; 2 - нагнетательный клапан; 3 - штанговый насос; 4 - плунжер; 5 -устьевой сальник; 6 - балансир; 7 - кривошип; 8 - шатун; 9 - электродвигатель; 10 - колонна насосных штанг, 11 - клиноременная передача, 12 — устьевой шток, 13 — колонна НКТ

Эксплуатации наземного и подземного оборудования СПІНУ посвящены работы Ф.С. Абдулина, А.Н. Адонина, К.С. Аливердизаде. В.Н. Ивановского, Д.И. Дарищева, A.A. Сабирова и др. В настоящее время большинство таких установок оснащены нерегулируемым электроприводом на основе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Производительность установки регулируется посредством изменения частоты качаний или

балансирного типа (рисунок 1).

б

длины хода устьевого штока (перемещение шатуна, замена шкивов). Более эффективный режим работы СШНУ обеспечивается за счет применения частотно-регулируемых приводов.

Скважинный глубинный насос (ШГН) - насос одностороннего действия, который состоит из цилиндра и плунжера, соединенного с колонной штанг. Нагнетательный клапан установлен на плунжере, а всасывающий - в нижней части цилиндра. Плунжер совершает возвратно-поступательное движение (рисунок 1). Разработке усовершенствованных насосов посвящены работы A.C. Вирновского, B.C. Адонина, И.А. Лейбензона, В.М. Касьянова, И.Т. Мищенко, K.P. Уразакова и др.

A.M. Зюзевым, Э.М. Фархадзаде и др. решались задачи о разработке новых методов и алгоритмов управления приводом СШНУ, однако реализации эффективных систем управления мешало отсутствие специализированных измерительных устройств для организации обратных связей. В настоящее время известен целый ряд разработчиков и производителей контроллеров и станций управления СШНУ (американские Lufkin Automation, R&M Energy Systems, International Automation Resources, SPOC Automation, отечественные НПФ «Экое» (Уфа), НПФ «Интек» (Уфа), ЗАО «Линт» (Казань), ООО «Аякс» (Ульяновск) и др.), которые позволяют с высокой точностью контролировать и регистрировать различные скважинные параметры, такие как забойное давление, динамический уровень, усилие в точке подвеса колонны штанг и др. На базе современной аппаратуры могут быть построены высокоэффективные системы автоматического управления СШНУ, реализующие различные технические задачи. Поэтому является актуальным и обладающим новизной совершенствование СШНУ, в том числе внедрением в конструкцию управляемых клапанов и определение эффективных режимов их работы на основе обработки текущей информации о состоянии диагностируемых скважинных параметров.

Вторая глава. Во второй главе предлагается метод диагностики состояния продуктивного пласта на основе изучения воздействия на него СШНУ, анализа режимов работы установки во взаимосвязи с уравнениями движения жидкости и исследования скважинных параметров.

В основе конструкции станка-качалки лежит четырехзвенный шарнирный кривошипно-коромысловый механизм, (рисунок 2). Задаваясь законом вращения ведущего звена как дважды дифференцируемой функции времени: <p-<p(t), можно получить выражения для остальных углов, как функций угла <р.

Рисунок 2. Кинематическая схема привода

D

м.

На «хвостовой» части коромысла механизма (звено МП) закреплена направляющая в виде дуги окружности с центром в оси вращения коромысла. На эту направляющую ложится гибкая подвеска (трос), соединенная с

г

х

колонной штанг Д приводящих в

движение плунжер ШГН. Координата (относительно некоторого центрального

положения), скорость и ускорение точки повеса определяются формулами:

• • •• ••

2о =гз(Гз~я), =г3у3, го =г3у3, (1)

где 2г> - координата точки Д г3 - длина звена ОМ.

Пренебрегая деформацией штанг, инерционными силами, можно считать, что скорость и ускорение точки подвеса штанг равны соответственно скорости и ускорению движения плунжера. Максимальное значение координаты 2Втах соответствует нижнему положению насоса плунжера, минимальное - 2ВтЫ -верхнему положению. Разница г0тах-г0тШ определяет величину хода плунжера и позволяет определить объем жидкости, извлекаемой за один цикл работы.

В качестве примера в работе рассматривается привод СШНУ с параметрами: длина кривошипа ОК (7, рисунок 1)1, = 0,7 м; длина шатуна КЬ (8, рисунок 1) 12 = 3,2 м; длина звена 0/1 - 13 = 2,5 м; г3 = 3,0 м; координаты точки О, в выбранной системе координат х01 = 2,45 м; у0, = 3,16 м; кривошип - совершает

вращательное движение с постоянной угловой скоростью:

• ••

<р = оа, со = <р=5 об/мин = 0,524 рад/с; <р= 0

Рассматривается приток жидкости к скважине, имеющей несовершенство по характеру вскрытия. Интерференция скважин не учитывается. Жидкость считается несжимаемой, вязкость - не зависящей от давления, а проницаемость -не зависящей от давления и одинаковой в любой точке. Предполагается также, что скорость движения жидкости под воздействием СШНУ невелика и связь между расходом и напором является линейной, то есть выполняется закон Дарси. В пределах контура питания продуктивный пласт считается однородным и изотропным, в числе прочего, мощность пласта считается постоянной.

Для обеспечения наибольшей эффективности эксплуатации скважины в работе решается задача о согласовании средней угловой скорости вращения ведущего кривошипа ((Ж рисунок 2) станка-качалки со скоростью фильтрации.

На рисунке 3 представлена типичная компоновка скважины, оборудованной ШГН. Здесь А - высота столба жидкости в обсадной трубе 10 над уровнем, где установлен штанговый насос, £ - изменение уровня жидкости в обсадной трубе при движении плунжера насоса.

Штанговый насос предполагается установленным вблизи забоя скважины. Из уравнения неразрывности потока, при условии, что жидкость заполняет весь объем подплунжерного пространства 2, не отрываясь от поверхности плунжера 4 при движении его вверх, и в соответствии с уравнением Бернулли составляются дифференциальные уравнения движения жидкости при ходе плунжера вверх и вниз. Это позволяет получить зависимость угловой скорости со вала двигателя станка-качалки от скважинных параметров - уровня жидкости £ или давления на забое скважины Рза5:

где р - плотность жидкости, Ратм - давление над столбом жидкости в обсадной

9

10 5

> ♦ ш

И

ТС

I

трубе 10 (атмосферное давление), 8т - площадь поперечного сечения проходного отверстия 8, 8т - площадь поперечного сечения плунжера.

Рисунок 3. Компоновка скважины со штанговым насосом 1 - колонна насосно-компрессорных труб; 2 -подплунжерное пространство; 3 - всасывающий клапан; 4

- плунжер насоса; 5 - колона насосных штанг; 6 -нагнетательный клапан; 7 - перфорационные отверстия; 8

- проходное отверстие всасывающего клапана; 9 - пласт; 10 - колонна обсадных труб

Из этих же уравнений следует закон изменения угловой скорости вала двигателя станка-качалки, зависящей от времени и такого скважинного параметра как проницаемость коллектора.

На графике (рисунок 4) показано изменение угловой скорости ведущего кривошипа станка-качалки от времени при различных значениях проницаемости. Из графика следует, что для каждой скважины при заданном значении проницаемости, существует собственная минимальная эксплуатационная угловая скорость вращения вала приводного двигателя станка-качалки.

Рисунок 4. Изменение угловой скорости вращения вала двигателя СК со при различных значениях проницаемости

Анализ характера движения жидкости через всасывающий клапан скважинного штангового насоса показывает, что между скоростью движения плунжера и уровнем жидкости в затрубном пространстве (или забойным давлением) существует связь. На этой основе может быть реализована система управления СШНУ для обеспечения стабилизации производительности на максимально высоком уровне. Такая проблемно-ориентированная система управления позволит избежать срыва подачи штангового насоса и неполного наполнения плунжера, а при изменении проницаемости коллектора с течением времени система сможет выбрать такую эксплуатационную угловую скорость вращения вала двигателя СК, при которой отбор пластовой жидкости будет наиболее эффективен.

Современные микропроцессорные контроллеры обеспечивают возможность непрерывного контроля системы скважинных параметров, в том числе давлений на забое и на устье скважины. Следовательно, систему автоматического управления СШНУ можно строить на основе этих диагностируемых параметров.

Третья глава. В третьей главе приводится математическая модель системы: СШНУ - скважина - пласт, оснащенной насосом с управляемыми клапанами, решаются дифференциальные уравнения движения частицы в потоке жидкости при воздействии СШНУ, предлагается феноменологическая модель знакопеременной фильтрации, описывается вероятностный подход к исследованию процесса кальмотации (засорения порового пространства твердыми частицами) в зависимости от режимов работы установки.

В основе выбора режимов работы СШНУ лежат известные закономерности движения скважинной жидкости, в которой находятся твердые частицы. Пусть в пористой среде вместе с жидкостью движется некоторая частица, диаметр которой соизмерим с диаметром пор. Не исключено, что в некоторой точке она остановится. Это возможно по трем причинам. Во-первых, на пути ее движения может встретиться канал, диаметр которого меньше диаметра частицы (рисунок 5 а), во-вторых, когда частицу догоняет другая они, мешая друг другу, могут застрять в том месте, где их суммарный диаметр больше «раскрытости» канала (рисунок 5 б), и, в-третьих, в момент прохождения по более широкому каналу, частица может принять «не удобное» положение (рисунок 5 в).

а б в

Рисунок 5. Механизм закупоривания каналов

В дальнейшем, в месте остановки частицы по тем же самым причинам происходит остановка других частиц, и не только тех, размер которых приблизительно равен первой остановившейся частице, но и тех, средний размер которых гораздо меньше.

Если материал частиц очень прочный, то разрушить создавшуюся закупорку сложно даже при очень высоких градиентах скоростей жидкости. Если же на какое-то время изменить направление движения жидкости, то в последующем во всех трех случаях есть вероятность того, что частицы освободятся и продвинутся несколько дальше прежнего места застревания.

Обратный ход жидкости достигается за счет внедрения в конструкцию СШНУ насоса с управляемыми клапанами. Такая установка работает следующим образом. После нескольких циклов работы в обычном режиме (рисунок 6 а), при нахождении плунжера насоса 4 в верхнем положении, принудительно закрывается нагнетательный клапан 2, всасывающий клапан 1 при этом остается в открытом положении. При движении плунжера насоса 4 вниз, нагнетательный клапан 2 удерживается в закрытом, а всасывающий 1 - в открытом положении (рисунок 6 б).

Рисунок 6. Схема работы насоса | | 1 - всасывающий клапан; 2 - нагнетательный клапан;

ГП. 3- цилиндр насоса; 4 - плунжер; 5 - насосная штанга

Так, в подплунжерном пространстве создается избыточное давление. Поток жидкости через проходное отверстие всасывающего клапана 1 вытесняется через перфорационные отверстия эксплуатационной колонны (7 рисунок 3), запуская процесс инфильтрации в пласт, посредством чего частицы, находящиеся в призабойной зоне пласта, увлекаемые потоком жидкости, перемещаются в направлении от забоя скважины.

Для реализации работы системы в режиме «с обратным ходом» в компоновку оборудования (рисунок 3) выше уровня насоса необходимо устройство, разобщающее пространство внутри насосно-компрессорных труб и «затрубное» пространство.

Канал, по которому движется поток жидкости вместе с частицей в общем случае имеет переменное сечение, но, учитывая что фильтрация под воздействием СШНУ происходит по большому количеству каналов, можно считать скорость движения жидкости не зависящей от сечения канала и изменяющейся только в зависимости от расстояния до скважины.

Так как скорость движения частиц невелика, инерционными эффектами, возникающими в криволинейной системе отсчета, связанной с осью канала, можно пренебречь. Таким условиям соответствует одномерное движение в условно цилиндрическом канале, подчиняющееся основному уравнению динамики точки:

включить «пакер»

<ЗЫ _ т— = /?, <Л

причем

К

2г.

(С/ - V),

(2)

где т - масса частицы, V - скорость частицы, Я - действующая на нее сила, 5Ч -площадь поперечного сечения частицы, гч - ее радиус, и - скорость потока жидкости, ц - динамическая вязкость жидкости, Р - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа Рейнольдса.

Для конкретной скважины решение уравнения (2) во взаимосвязи с уравнениями (1) для частицы, находящейся в начальный момент времени на расстоянии 10 м от оси скважины, представлено на рисунке 7. Уравнение (2) решается с условием, что после каждых четырех прямых следует обратный ход жидкости. Вид графика на выноске получен увеличением масштаба.

Вид приведенного графика позволяет сделать вывод о том, что при включении обратных ходов жидкости изменяется направление движения частиц, находящихся в потоке. Таким образом, для частиц возникает возможность освобождения каналов, переориентации в пространстве и продвижения к забою скважины при следующем прямом ходе.

к устью скважины

В основу феноменологической математической модели, объясняющей закономерности движения жидкости с механическими примесями в пористой среде нефтяного пласта при воздействии СШНУ, положено допущение о зависимости коэффициента проницаемости коллектора кпр от двух параметров:

К=КР(У,с), (3)

где с - концентрация механических примесей в жидкости, а V - объем извлеченной жидкости.

Раскладывая функцию (3) в ряд Тейлора и, ограничиваясь в разложении линейными членами, получаем:

КР = кпръ~аУ, где а = а0 + £тДс,

где кпро - начальная проницаемость коллектора, Ас - изменение концентрации механических примесей в скважинной жидкости при выполнении обратных ходов, а - неизвестный коэффициент, характеризующий скорость изменения концентрации механических примесей.

Схематичный график зависимости кщ, от количества извлеченной из скважины жидкости и от концентрации примесей (с2 >со >С/) приведен на рисунке 8 а, из которого следует, что чем больше концентрация примесей в скважинной жидкости, тем больше тангенс угла наклона а соответствующей прямой к горизонтали и меньше количество V добытой жидкости в обычном режиме эксплуатации СШНУ. На графике (рисунок 8 б) схематично представлено изменение кпр при выполнении обратного хода жидкости. Прямая 1 показывает изменение проницаемости кпр при некоторой концентрации с0, которая в процессе фильтрации не изменяется, так как движение жидкости проходит в одном

направлении. Прямая 2 соответствует значению коэффициента проницаемости кпркр, при достижении которого эксплуатация скважины неэффективна.

Б

1 [ ^

1 2

. I N

, . ! : II

Уз

Рисунок 8. Изменение проницаемости коллектора в зависимости от концентрации механических примесей в жидкости

В рассматриваемой модели величина кпр Кр принимается равной нулю. Проекции на ось абсцисс точек пересечения прямых 1 и 3 с прямой 2 соответствуют максимально возможному количеству извлеченной жидкости (У/ и У2.). Если в некоторой точке О производится обратный ход жидкости, то предполагая, что застрявшие частицы освободят поровые каналы, считаем, что проницаемость коллектора вернулась на прежний уровень (точка Е). Тогда, учитывая что в связи с проведением обратного хода концентрация механических примесей с увеличилась, на следующем прямом ходе жидкости, прямая, характеризующая изменение к„р (прямая 3) будет иметь больший тангенс угла наклона к горизонтальной прямой, чем соответствующая прямая 1', которая имела бы место, будь концентрация неизменной. Так как прямая 3 пересекла линию критической проницаемости 2 дальше от начала отсчета, чем прямая 1, то скважинной жидкости добыто больше, чем в случае фильтрации без обратного хода, то есть У2 >У1. С другой стороны, при выполнении обратного хода в скважину вернулось количество жидкости Ъ, но если концентрация изменилась незначительно, то У2 - V/ > Ъ.

Для того, чтобы система эффективно работала необходимо, чтобы значение проницаемости на данном участке не было меньше некоторого заданного значения проницаемости к', причем кпр, > к\ В этой связи, число / фаз обратного хода за весь интервал работы должно удовлетворять неравенству:

к'а1т]' . N

-*ггде77=^'

где Я определяется из уравнения аК = а0 + Л(Ы - п) Ы. В приведенных выражениях вводится коэффициент эффективности режима эксплуатации г;*, N - число прямых ходов, п - число обратных ходов жидкости, А - неизвестный коэффициент, характеризующий изменение угла ак.

Исходя из предложенной феноменологической модели, задавшись к\ при достижении которого будут включаться обратные ходы жидкости, величиной щ, и, вычислив число г фаз обратного хода жидкости за весь интервал, можно рассчитать изменение добычи скважиной жидкости:

Г = «о.+ к'а20

V' аК Ак^Ко-к'У

Неизвестный коэффициент X, выражающий скорость изменения концентрации примесей в скважинной жидкости, находится из эксперимента.

В соответствии с предложенным расчетом добычи скважинной жидкости при эксплуатации штангового насоса с управляемыми клапанами для реальной скважины, задавшись значениями проницаемостей к , кпр Конеч, и коэффициентом эффективности режима эксплуатации г] и имея возможность измерять такой скважинный параметр как скин-фактор (безразмерное число, выражающее степень повреждения пласта), можно рассчитать во сколько раз возрастет добыча:

V _ Ко~к' , _к'т]'У/(2якк„р0 -ща(1пгк + 51,))

^ ^прО ~ хоиеч К^МК^

где ЇК - безразмерная величина — отношение радиуса контура питания к радиусу скважины г с, 5] - скин-фактор, измеренный после некоторого интервала работы без обратного хода, - скин-фактор измеренный после работы СШНУ і циклов с обратным ходом, Ці ц2, - соответствующие и Б2 продуктивности.

Четвертая глава. В четвертой главе предлагается комбинированная проблемно-ориентированная система автоматического управления (САУ) режимами работы СШНУ, оснащенной штанговым насосом с управляемыми клапанами, приводятся структурная схема системы управления, схема подключения, блок-схема алгоритма работы (рисунок 9) и ее описание.

Предлагаемая САУ состоит их двух подсистем: подсистема управления угловой скоростью вращения вала электропривода СК и подсистема управления клапанами штангового насоса. Система управления запускается одновременно с запуском установки. Оператором задаются значение забойного давления, номинальное и максимальное значения угловой скорости вращения вала асинхронного двигателя СК, время работы СШНУ при установленной скорости вращения, число циклов работы СШНУ в режиме «очистка», начальное значение частоты следования прямых и обратных ходов жидкости, допустимое соотношение числа прямых и обратных ходов жидкости (блок 1).

После запуска включается подсистема управления угловой скоростью (режим «управление скоростью») (блок 2), система управления считывает показания датчика забойного давления, спускаемого в скважину (блок 5). Если текущее значение забойного давления оказывается больше установленного оператором (блок 6), система увеличивает угловую скорость вращения вала приводного двигателя станка-качалки, но не выше заданной максимальной (блоки 12, 13), производительность СШНУ соответственно возрастает. По прошествии заданного оператором промежутка времени система вновь считывает показание датчика забойного давления и сравнивает его с заданным. Если текущее забойное давление по-прежнему превышает установленное, система вновь увеличивает угловую скорость вращения вала приводного двигателя станка-качалки на заданную величину. Если же значение забойного давления, полученное от

датчика, окажется меньше заданного, система уменьшит угловую скорость на ту же величину, но не ниже заданной номинальной (блоки 7,8). В том случае, если значение забойного давления в скважине меньше заданного оператором, а угловая скорость вращения вала приводного двигателя СК снижена до заданной номинальной (выполнены условия блоков 6, 8), включается в работу подсистема управления клапанами скважинного штангового насоса (блоки 9-11 и 14-22) для реализации режима работы насосной установки с обратным движением жидкости.

Рисунок 9. Блок-схема алгоритма работы системы управления

Исходя из заданных оператором начального значения частоты следования прямых и обратных ходов жидкости, допустимого соотношения числа прямых и обратных ходов жидкости системой (блок 9) определяется после скольких прямых ходов должен последовать обратный ход жидкости. После запуска в работу этой подсистемы отсчитывается число циклов работы СШНУ в режиме «очистка» (блок 20). По прошествии заданного числа циклов (если выполнено условие блока 14), система вновь сравнивает значение забойного давления с заданным. Если текущее забойное давление станет больше заданного, вновь запускается подсистема управления угловой скоростью вращения вала электропривода СК (блоки 7, 8,12,13),

в противном случае система увеличивает частоту следования обратных ходов жидкости в пласт посредством изменения режима работы управляемых клапанов (блоки 9-11,14-22).

В случае если забойное давление будет продолжать снижаться, а дальнейшее увеличение частоты следования обратных ходов жидкости окажется нецелесообразным, САУ сигнализирует о необходимости ремонтных работ.

Пятая глава. В пятой главе анализируются результаты экспериментальных исследований режимов работы лабораторной модели системы управления.

Теоретически исследованный способ эксплуатации СІПНУ смоделирован на двух установках. В первом эксперименте исследовалось движение твердых частиц в нестационарном потоке жидкости в цилиндрическом канале с препятствием.

Рисунок 10. Схема лабораторной установки 1 — стеклянная трубка; 2 - сетка; 3- емкость с загрязненной ■ "і ~ жидкостью; 4 - емкость с чистой жидкостью; 5,6

дроссели;? -емкость

Моделировалась работа СІПНУ в обычном режиме (без обратного хода жидкости) и в режиме с управляемыми клапанами (когда после 4-х и после 9-ти прямых следовал обратный ход жидкости). Также был смоделирован случай, когда после работы установки без обратного хода и засорения включались циклы знакопеременного движения жидкости (кривая 2 рисунок 11).

Рисунок 11. График изменения расхода жидкости 1 - без обратного хода; 2-е обратным ходом после засорения; 3 - обратный ход после каждых 4-х прямых; 4 - обратный ход после каждых 9-ти прямых

Результаты, представленные на рисунке 11, показали, что в целом применение обратного хода при извлечении загрязненной жидкости целесообразно и позволяет существенно увеличить объем ее извлечения. Более

детальные исследования влияния режимов работы СПІНУ на фильтрационные характеристики выполнены в ходе второго эксперимента, где в качестве пористой среды был использован искусственный керн, фильтрация производилась под высоким давлением, в качестве фильтруемой жидкости использовался буровой раствор. Схема установки представлена на рисунке 12.

Рисунок 12. Схема лабораторной установки 1 - компрессор; 2 - емкость с чистой жидкостью; 3.1, 3.2,3.3 - манометры; 4.1-4.8 - краны шаровые; 5 - кернодеражатель;6 - клапан предохранительный; 7 - ресивер; 8 - емкость с загрязненной жидкостью; 9 - насос центробежный

20 30 40 50 во 70 80 90 100 110 120 130 140 150 время 1, мин

Рисунок 13. График изменения расхода жидкости 1 - режим 0/кг, 2 - режим с обратным ходом после засорения; 3 - режим 1/5] 4 - режим 1/9; 5 - режим 1/7

При проведении экспериментов моделировалась работа СПІНУ без обратного хода и с обратным ходом жидкости после каждых 4, 6 и 8 прямых ходов. Также смоделирован случай, когда циклы со знакопеременным движением включались после ' засорения пористого материала. Для определения эффективности режимов работы рассчитывался коэффициент остаточной

проницаемости (4), результаты приведены в таблице 1.

пр чист

где кпр чист и кпрзагр - проницаемости чистого и загрязненного образцов.

В таблице 1 и на графике (рисунок 13), п - число обратных ходов жидкости, к- общее число ходов жидкости в цикле.

Таблица 1.

№ группы образцов Проницаемость чистого образца, мкм2 Проницаемость образца после проведения эксперимента п/к, коэффициент остаточной проницаемости К. %

0/к К 1/5 К 1/7 К 1/9 К

1. 0,145 0,011 7,59 0,045 31,03 0,009 6,21 0,009 6,21

2. 0,150 0,010 6,67 0,043 28,67 0,011 7,33 0,010 6,67

3. 0,147 0,008 5,44 0,043 29,25 0,010 6,80 0,009 6,12

4. 0,160 0,012 7,50 0,046 28,75 0,011 6,87 0,011 6,87

Среднее 0,150 0,010 6,80 0,045 29,42 0,010 6,80 0,009 6,46

Результаты, полученные во втором эксперименте, также подтвердили целесообразность применения обратного хода при извлечении загрязненной жидкости. Из представленных данных (таблица 1) следует, что применение модели СШНУ с управляемыми клапанами позволило увеличить коэффициент остаточной проницаемости искусственного керна на 22,62%. Ошибки эксперимента оценивались с помощью известных методов и составляли 5-7%.

ОБЩИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ

1. Разработанный метод диагностики состояния продуктивного пласта, основанный на обработке информации о состоянии скважинных параметров, дает возможность выбирать режим работы СШНУ, позволяющий стабилизировать ее производительность на максимально высоком уровне.

2. Усовершенствованная СШНУ, содержащая штанговый насос с управляемыми клапанами, обладает новизной и позволяет сохранить проницаемость нефтяного коллектора на высоком уровне без остановки скважины на техническое обслуживание.

3. Разработанная математическая модель системы позволяет описывать системные связи между элементами объекта исследования: СШНУ — скважина - пласт.

4. Разработанные алгоритм и система управления СШНУ, оснащенной насосом с управляемыми клапанами, одновременно реализует настройку установки на наиболее эффективный режим работы и очистку призабойной зоны пласта в процессе эксплуатации скважины.

5. Проведенные экспериментальные исследования качественно подтвердили эффективность предложенной системы управления СШНУ . и адекватность математических моделей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1. Брискин, Е.С. О регулировании дебита скважин за счет управления

клапанами штангового насоса / Е.С. Брискин, A.B. Малолетов, Д.О. Лихобабин // Справочник. Инженерный журнал. - 2011. - № до. - С. 52-56.

2. Брискин, Е.С. Экспериментальные исследования знакопеременного процесса фильтрации / Е.С. Брискин, Д.О. Лихобабин // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - Вып. 11, № 12 (77). 2011. - С. 5-8.

3. Брискин, Е.С. Об управлении режимом работы скважинной штанговой насосной установки / Е.С. Брискин, A.B. Малолетов, Д.О. Лихобабин // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2012. - № 1. - С. 40-42.

В других изданиях:

4. Брискин, Е.С. Об управлении клапанами в скважинных штанговых насосах для добычи нефти / Е.С. Брискин, A.B. Малолетов, Д.О. Лихобабин // Матер. 7-й науч.-техн. конф. «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ-2010), проводимой в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010), 12-14 окт. 2010 г. / Гос. науч. центр РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор» [и др.]. - СПб., 2010. - С. 87-90.

5. Лихобабин, Д.О. Экспериментальные исследования процесса движения твердых частиц в нестационарном потоке жидкости / Д.О. Лихобабин // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии»:межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. -Волгоград, 2011.-Вып. 4,№ 1 (74). 2011. - С. 72-76.

6. Брискин, Е.С. Об управлении режимом работы скважинной штанговой насосной установки / Е.С. Брискин, A.B. Малолетов, Д.О. Лихобабин // Четвертая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления МКПУ-2011 (с. Дивноморское, Геленджик, 3-8 окт. 2011 г.): матер. / Ин-т машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит, систем им. проф. A.B. Каляева ЮФУ [и др.]. -М.; Таганрог, 2011. - Т.2. - С. 182-184.

7. Леонард, A.B. Об управлении режимом работы скважинной штанговой насосной установки / A.B. Леонард, Д.О. Лихобабин, Е.С. Брискин // XVI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 8-11 ноября 2011 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2012. - С 70 - 72

Патенты:

8. П.м. 101107 Российская Федерация, МПК F 04 В 47/00. Скважинный штанговый насос / Е.С. Брискин, С.В. Антоненко, Д.О. Лихобабин; заявитель и патентообладатель Д.О. Лихобабин. - № 2010123154/06; заявл. 07.06.10; опубл. 10.01.11.Бюл.№ 1.

9. Пат. 2397453 Российская федерация, МПК G 01 F 23/00. Способ измерения объема жидкости в закрытом резервуаре / А.Б. Голованчиков, В.В. Шишлянников, Д.О. Лихобабин, H.A. Меренцов, A.A. Чарочкин, A.B. Кузнецов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Волгоградский государственный технический университет. - № 2009128835/28; заявл. 27.07.09; опубл. 20.08.10. Бюл. № 23.

Подписано в печать 19.04.2013 г. Заказ № 284. Тираж 100 экз. Печ. л. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201360645

ЛИХОБАБИН ДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СКВАЖИННОЙ ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации»

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Е.С. Брискин

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения................................................................... 4

Введение.......................................................................................... 5

Глава 1. Анализ эффективности работы скважинной штанговой насосной установки и обзор методов, направленных не ее повышение.......................... 10

1.1. Основные причины снижения проницаемости призабойной зоны скважин

и методы ее восстановления................................................................. 10

1.2. Современные способы механизированной эксплуатации скважин............. 13

1.3. Проблемы управления электроприводами скважинных штанговых насосных установок........................................................................ 23

1.4. Обзор и анализ современного технического состояния скважинных штанговых насосов. Анализ патентных документов.................................... 27

1.5. Постановка задач для исследований................................................... 39

Глава 2. Диагностика состояния призабойной зоны добывающей скважины в процессе работы скважинной штанговой насосной установки........................ 41

2.1. Уравнения движения жидкости в пористой среде................................... 41

2.2. Кинематика привода скважинной штанговой насосной установки............. 44

2.3. Определение эффективной эксплуатационной скорости вращения вала

двигателя сганка-качалки на основе диагностируемых параметров................. 47

Глава 3. Математическая модель системы: скважинная штанговая насосная установка - скважина - пласт, оснащенной штанговым насосом с управляемыми клапанами..................................................................... 55

3.1. Дифференциальные уравнения движения частицы в потоке жидкости........ 55

3.2. Определение объемного расхода скважинной жидкости при работе скважинной штанговой насосной установки с обратным ходом..................... 61

3.3. Феноменологическая модель фильтрации при знакопеременном движении жидкости с механическими примесями.................................................... 63

3.4. Метод расчета добычи скважинной жидкости при эксплуатации штангового насоса с управляемыми клапанами.......................................... 68

3.5. Вероятностный подход к исследованию процесса кольматации................ 71

3.5.1. Механизм закупоривания. Оценка вероятности закупоривания каналов... 71

3.5.2. Оценка загрязнения скважины....................................................... 76

3.5.3. Снижение продуктивности скважины. Определение скин-фактора.......... 79

3.5.4. Методика определения значений вероятностей прохождения поровых каналов и освобождения частиц............................................................. 80

3.5.5. Методика оценки эффективного числа обратных ходов жидкости........... 82

Глава 4. Система автоматического управления режимами работы частотно-регулируемого привода скважинной штанговой насосной установки, оснащенной насосом с управляемыми клапанами....................................... 85

4.1. Структурная схема системы управления.............................................. 85

4.2. Подсистема автоматического управления скоростью вращения вала электропривода скважинной штанговой насосной установки........................ 88

4.3. Блок-схема алгоритма работы системы управления режимами работы

скважинной штанговой насосной установки.............................................. 93

Глава 5. Экспериментальные исследования работы модели системы управления скважинной штанговой насосной установкой, оснащенной насосом

с управляемыми клапанами................................................................... 98

5.1. Экспериментальные исследования процесса движения твердых частиц в нестационарном потоке жидкости.......................................................... 98

5.1.1. Описание лабораторной установки для исследования процесса движения твердых частиц в нестационарном потоке жидкости................................... 101

5.1.2. Методика проведения и результаты эксперимента.............................. 102

5.2. Экспериментальные исследования знакопеременной фильтрации загрязненной жидкости........................................................................ 106

5.2.1. Описание лабораторной установки для исследования знакопеременного процесса фильтрации.......................................................................... 106

5.2.2. Методика и результаты экспериментальных исследований

знакопеременного процесса фильтрации.................................................. 107

5.2.3 Проверка адекватности феноменологической модели фильтрации при

знакопеременном движении жидкости с механическими примесями............... 115

Заключение....................................................................................... 119

Список использованных источников....................................................... 120

Обозначения и сокращения

СК - станок-качалка балансирного типа;

СШНУ - скважинная штанговая насосная установка;

НКТ - насосно-компрессорные трубы;

ШГН - штанговый глубинный насос;

ЭД - электродвигатель;

ПЗП - призабойная зона пласта;

ЭЦН - электроцентробежный насос;

ТПН - тиристорный преобразователь напряжения;

ЭВН - электроприводной винтовой насос

САУ - система автоматического управления

АД — асинхронный двигатель

ПЧ - преобразователь частоты

КПД - коэффициент полезного действия

Введение

Актуальность работы.

В настоящее время большинство месторождений в Российской Федерации находятся в завершающей стадии разработки. Темпы роста нефтедобычи составляют всего около 2% в год. Прирост запасов нефти за счет вновь открытых месторождений уменьшается [15]. Продолжает ухудшаться структура запасов.

Снижение темпов добычи нефти обусловливает увеличение числа скважин, эксплуатируемых скважинными штанговыми насосными установками (СШНУ), доля которых на отдельных нефтепромыслах достигает 80% от общего фонда скважин. СШНУ хорошо приспособлены для работы в условиях малого дебита скважин (от 0,2 до 60 м3/сут). Ведущая роль в добыче «черного золота» принадлежит станкам-качалкам. Разработка нефтяных месторождений в значительной степени осложняется снижением проницаемости пород в призабойной зоне пласта (ПЗП), в том числе и при эксплуатации СШНУ. Приток нефти уменьшается, сокращаются дебиты скважин. Причинами этого являются заполнение порового пространства коллектора твердыми глинистыми частицами, частицами породы, тяжелыми смолистыми отложениями, отложениями солей, парафина. Кроме того, существенную лепту вносят загрязнения, привнесенные с поверхности во время проведения текущих и капитальных ремонтов скважин [2, 6, 30, 40, 96].

Для решения проблемы уменьшения притока нефти широко применяются различные способы воздействия - механические, химические, тепловые, комбинированные, различные модификации гидроразрыва пласта и др. В последние годы интенсивно развиваются методы волнового воздействия на пласт. Однако, применение приведенных методов невозможно в процессе эксплуатации скважины. Для проведения технологических операций повышения проницаемости пласта и призабойной зоны скважину останавливают, завозят технологическое оборудование, материалы, осуществляют серии дорогостоящих скважинных операций, затем скважину вновь запускают в эксплуатацию [55].

Следует также отметить, что в настоящее время большинство СШНУ

оснащаются нерегулируемыми электроприводами на основе асинхронных электродвигателей (ЭД). Такие электроприводы обладают низкими энергетическими показателями и не могут обеспечить необходимый диапазон регулирования производительности насоса в непрерывном режиме работы установки, что существенно ограничивает условия оптимизации технологического процесса добычи скважинной жидкости.

В условиях снижения темпов добычи нефти и высокой стоимости работ по восстановлению проницаемости призабойной зоны особую актуальность приобретают проблемы повышения эффективности разработки месторождений в целом, увеличения объемов добычи нефти, повышения нефтеотдачи пластов, продления жизненного цикла разработки месторождений и достижения экономической эффективности.

Направлениями решения этих актуальных задач являются разработка новых режимов работы штанговых насосов, оперативное управление приводом СШНУ, организация воздействий на пласт знакопеременным движением жидкости. Кроме того, в связи с ростом механизированного фонда скважин возрастает значение автоматизации управления насосными установками. Условия эксплуатации СШНУ, которые характеризуются изменением производительности скважины, требуют применения регулируемого привода для изменения частоты качаний с целью установления оптимального режима отбора жидкости [46].

Управление процессом нефтедобычи должно быть основано на использовании современных средств автоматики, что позволит устранить непроизводительные затраты энергии и оптимизировать режимы отбора скважинной жидкости, обеспечить сбор, хранение и обработку информации.

В результате анализа работ авторов, занимающихся решением аналогичных проблем, и обзора российских и зарубежных патентных документов, установлено, что задача создания автоматической системы управления приводом скважинной штанговой насосной установки и задача управления работой насоса рассматривалась, однако, предложение о создании знакопеременного движения жидкости в пласте за счет управления клапанами на основе информации о

состоянии скважинных параметров отличается новизной и является актуальным.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы СШНУ за счет разработки комбинированной системы управления штанговым насосом.

Объектом исследования является система СШНУ - скважина - пласт.

Предмет исследования - методы и алгоритмы управления СШНУ.

Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ причин снижения эффективности работы СШНУ и методов ее повышения;

2. Разработка метода диагностики состояния продуктивного пласта в процессе работы СШНУ;

3. Разработка и исследование математической модели системы: СШНУ -скважина - пласт, оснащенной штанговым насосом с управляемыми клапанами;

4. Разработка проблемно-ориентированной системы управления СШНУ и алгоритма управления на основе текущей диагностической информации;

5. Оценка эффективности разработанной системы управления СШНУ на основе математического и физического моделирования.

Методы исследований.

При решении поставленных в работе задач использовались методы системного анализа, математического моделирования кинематики и динамики механизмов, аналитические и численные методы прикладной механики, физического моделирования, теория управления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод диагностики состояния продуктивного пласта, основанный на обработке информации о системе скважинных параметров, позволяющий управлять угловой скоростью вала приводного двигателя СШНУ с целью стабилизации производительности установки на максимально высоком уровне.

2. Конструктивная схема СШНУ, оборудованной насосом с управляемыми

клапанами, и особенности ее работы.

3. Математическая модель системы: СШНУ - скважина - пласт, позволяющая прогнозировать увеличение производительности СШНУ, на основе описания движения твердых частиц, находящихся в нестационарном потоке скважинной жидкости, создаваемом внедрением в конструкцию насоса управляемых всасывающего и нагнетательного клапанов.

4. Режимы и функциональная схема системы управления СШНУ, основанные на диагностике состояния объекта исследования: СШНУ - скважина - пласт и обеспечивающие повышение эффективности ее работы.

5. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие влияние предложенных режимов работы, реализуемых с помощью изменения конструкции СШНУ и разработанных алгоритмов управления, на повышение расхода жидкости через искусственный керн.

Научная новизна. Предложена проблемно-ориентированная система управления СШНУ, реализующая настройку установки на наиболее эффективный режим работы и очистку пласта в процессе эксплуатации скважины на основе текущей информации о состоянии скважинных параметров.

1. Разработан метод диагностики состояния продуктивного пласта для организации управления работой СШНУ.

2. Решена задача усовершенствования конструкции СШНУ, обеспечивающей знакопеременное движение жидкости в призабойной зоне продуктивного пласта.

3. Разработана математическая модель системы: СШНУ - скважина -пласт, учитывающая особенности режима работы управляемых клапанов штангового насоса.

4. Разработаны алгоритм и система управления СШНУ, реализующая на основе текущей информации очистку призабойной зоны скважины от механических частиц и эффективный отбор скважинной жидкости во время эксплуатации установки.

Практическая ценность.

Установлено, что предложенный режим эксплуатации СШНУ, оснащенной

насосом с управляемыми клапанами, обеспечивающим ассиметричное знакопеременное движение жидкости в поровом пространстве коллектора позволит увеличить производительность установки и коэффициент остаточной проницаемости пласта. В лабораторных условиях применение модели СШНУ с управляемыми клапанами позволило увеличить коэффициент остаточной проницаемости коллектора более чем на 22%.

В нефтепромысловой практике предложенная система может быть использована для создания высокоэффективной мехатронной системы управления СШНУ.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 46-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2009 г.); 7-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); 47-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2010 г.); 48-й научной конференции ВолгГТУ (г. Волгоград, 2011 г.); локальной научно-технической конференции «Мехатроника и эргатические системы» в рамках 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (с. Дивноморское, Геленжикский район, Краснодарский край, 2011 г.); Международной конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 2011 г.); XVI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград 2011); заседаниях технических советов ООО «Волганефтемаш» (г. Волгоград, 2009, 2010, 2011 г.г.); научных семинарах кафедры «Теоретическая механика» ВолгГТУ.

Публикации.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных трудах, в их число входят 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 114 наименований, приложения. Работа изложена на 133 страницах текста, содержит 46 рисунков, 4 таблицы.

ГЛАВА 1. Анализ эффективности работы скважинной штанговой насосной установки и обзор методов, направленных на ее повышение

1.1. Основные причины снижения проницаемости призабойной зоны скважин и методы ее восстановления

Процесс нефтедобычи включает в себя три этапа. Первый - организация продвижения нефти по пласту к скважинам за счет создаваемой разности давлений в пласте и на забоях скважин. Второй этап - подъем нефти от забоев скважин до их устьев на поверхности. Третий - сбор продукции скважин и ее подготовка для транспортировки потребителям [3, 41]. Продуктивный пласт -естественное локальное скопление нефти, а скважина - связующее звено между продуктивным пластом и поверхностью, через которое осуществляется подъем нефти с помощью скважинного оборудования. Разработка месторождения включает в себя комплекс мероприятий, направленных на обеспечение притока нефти из залежи к забою скважин.

Всякая нефтяная залежь обладает потенциальной энергией, которая в процессе разработки переходит в кинетическую и расходуется на вытеснение нефти и газа из пласта [20]. Основным фактором, определяющим текущее энергетическое состояние залежи, является пластовое давление.

Приток жидкости к скважинам (фильтрация) происходит в результате установления на забое скважины давления меньшего, чем в продуктивном пласте. При этом пластовая энергия расходуется на преодоление разного рода сил сопротивления, гравитационных, капиллярных сил при перемещении нефти за счет неравенства между пластовым Рплс,ст и забойным Рза6 давлениями (депрессии). Продуктивный пласт и скважина - последовательно соединенная гидравлическая система, при этом скважина - единственный канал, через который можно определить текущие характеристики пласта и оказать воздействие на него различными мероприятиями [20].

Перспективы развития нефтедобывающей отрасли во многом зависят от

создания и эффективного прим