加拿大油田用自動(dòng)化和監(jiān)控技術(shù)提高螺桿泵性能。文中介紹了一種控制螺桿泵井的新方法，即楔形流量計(jì)流動(dòng)技術(shù)和微機(jī)控制相結(jié)合的方法可以滿足使用要求。
泵降損與性能提升
在獲取所需采液的同時(shí)延長(zhǎng)泵壽命需要解決泵供液不足和定子損壞問(wèn)題。在加拿大油田井上，技術(shù)專家和操作工人用自動(dòng)化技術(shù)與專用的的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(裝有一臺(tái)反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)主機(jī))相結(jié)的辦法解決了井控問(wèn)題。
螺桿泵應(yīng)用已得到世界油氣工業(yè)的認(rèn)可，但關(guān)泵時(shí)可能出現(xiàn)定子磨損，通常需操作工人通常手動(dòng)調(diào)整泵速以保持泵上方有足夠存液。隨著流體測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，操作者已經(jīng)可在不損壞泵的條件下從井筒采出全部所需液量。采用自動(dòng)化技術(shù)和監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化，找到并升級(jí)更多的控制算法。使用螺桿泵控制器理論可以達(dá)到2個(gè)主要目的。一是減少過(guò)早的泵故障。如最常見(jiàn)的關(guān)泵引起定子損壞。此時(shí)可視為無(wú)液量進(jìn)入泵。因定子無(wú)潤(rùn)滑導(dǎo)致極高溫度，最終泵內(nèi)橡膠老化碎裂，泵口堵塞。
二是實(shí)現(xiàn)井的自動(dòng)優(yōu)化。手動(dòng)選擇的液面只是取樣時(shí)泵內(nèi)液量的顯示，地面和抽油桿的噪音也可使其浮動(dòng);異常井況和非標(biāo)準(zhǔn)配置也對(duì)其有影響。反復(fù)記錄調(diào)整極耗時(shí)，也不能足以說(shuō)明流入量的變化原因。井的優(yōu)化不僅能解決上述問(wèn)題，還會(huì)增加原油產(chǎn)量。在保持液面與泵液面相同或接近時(shí)，能達(dá)到最低的井底壓力，保證最大的流入量。如果泵超載，該系統(tǒng)可從停機(jī)狀態(tài)快速回復(fù)。
控制理論的發(fā)展和算法
螺桿泵控制器基于產(chǎn)量控制算法在不關(guān)泵時(shí)優(yōu)化井產(chǎn)量。當(dāng)液量足夠多，產(chǎn)量和泵速呈線性關(guān)系。螺桿泵控制器按所選的不同檔位提高泵速，分別測(cè)量產(chǎn)量，確定速度與產(chǎn)量的關(guān)系。
螺桿泵控制器在設(shè)定的初速度周期運(yùn)行。假定150轉(zhuǎn)/分(rev/min)，在這個(gè)設(shè)定周期內(nèi)，井產(chǎn)量將漸趨穩(wěn)定。我們將時(shí)間設(shè)定為3分鐘。之后控制器進(jìn)入取樣周期，并測(cè)量井產(chǎn)量和確定流量，取樣時(shí)間設(shè)為3分鐘。一段時(shí)期的流量即為該時(shí)段內(nèi)的日產(chǎn)液桶數(shù)。使泵從硬設(shè)定的最低速度加速到預(yù)設(shè)最高速度，然后返回穩(wěn)定周期。
此后，如果實(shí)現(xiàn)最低產(chǎn)量增加要求，即達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，算法則用于確定流量。我們將最低增產(chǎn)定為5%，當(dāng)大于此數(shù)值，泵速則與之前產(chǎn)量同比增長(zhǎng)，但仍介于最小和最大值和硬設(shè)定的最低變速范圍內(nèi)。該過(guò)程重復(fù)，直到滿足不了最低增量需求，達(dá)到了最大允許泵速。這時(shí)，泵速降至最大和最小速度遞減窗口之間的取值，即試驗(yàn)的預(yù)定值。
井速下降使各指標(biāo)重回設(shè)定和取樣周期。如果產(chǎn)量未達(dá)到最低要求，在采用進(jìn)一步措施前，可現(xiàn)嘗試連續(xù)加速試驗(yàn)。在連續(xù)加速3次后，如果仍未達(dá)到最低產(chǎn)量，泵加速到硬設(shè)定的最低速度，再次回到設(shè)定和取樣周期;反之，泵繼續(xù)加速，產(chǎn)量得到驗(yàn)證。但如果最低產(chǎn)量條件未達(dá)到，泵將再次斜線下降，該程序繼續(xù)。
螺桿泵控制器的第二個(gè)控制算法如下：
光桿扭矩值可從電動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)器模擬輸出或從液壓泵對(duì)液壓馬達(dá)的液壓讀數(shù)獲得，用于保護(hù)抽油桿和泵設(shè)備的。編程選項(xiàng)中設(shè)置了2個(gè)用于扭矩的違規(guī)，即超常的關(guān)井和慢運(yùn)行。將現(xiàn)在的扭矩和規(guī)定的限定值相比較，以判別是否停泵或無(wú)液量——這會(huì)引起定子和橡膠之間的摩擦，增加扭矩。扭矩是每秒進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，一旦違規(guī)，螺桿泵控制器將根據(jù)額定扭矩限定值對(duì)其減速或連續(xù)減速，直至達(dá)到最低的運(yùn)行速度。在這種情況下，螺桿泵控制器無(wú)論是在關(guān)泵時(shí)，還是在違規(guī)的最低運(yùn)行速度的下均可工作。嚴(yán)重的扭矩違規(guī)用于在高扭矩狀態(tài)下轉(zhuǎn)為關(guān)井和最低運(yùn)行速度。現(xiàn)存扭矩要和額定限定值相比較。這是一個(gè)瞬時(shí)功能，通過(guò)功能的選擇使其達(dá)到最低運(yùn)行速度或關(guān)井。
實(shí)時(shí)流量可從楔形流量計(jì)或其它流量測(cè)量裝置獲得。編程選項(xiàng)中同樣有2個(gè)用于流量的違規(guī)設(shè)置。限定的最低產(chǎn)量是允許的最低額定液量，通過(guò)將其與取樣周期產(chǎn)量比較確定無(wú)液量和干泵情況。這一特征有助于發(fā)現(xiàn)(分辨率)產(chǎn)量報(bào)告中的問(wèn)題。在違規(guī)情況發(fā)生時(shí)，螺桿泵控制器按額定值降低馬達(dá)速度。因此，螺桿泵控制器在停泵和最低運(yùn)行速度條件下均可工作。
規(guī)定了限定的最低泵效，就是使泵能夠運(yùn)行的最低泵效。對(duì)比取樣周期的產(chǎn)量以確定最低泵效。在違規(guī)泵效發(fā)生時(shí)，螺桿泵控制器根據(jù)額定值降低馬達(dá)速度，確保在停泵和最低運(yùn)行速度條件下均可工作。
在一個(gè)或多個(gè)設(shè)定點(diǎn)限制違規(guī)時(shí)第二種控制算法會(huì)降低泵速。如果被監(jiān)控變量始終處于報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最小速度時(shí)PCP控制器將停泵以防止損壞。
隨著最初產(chǎn)量控制算法被證明，流量計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件也被大家認(rèn)可。盡管其準(zhǔn)確性不很明顯，但其可重復(fù)性是至關(guān)重要的。多種形式的流量計(jì)已在試制。但無(wú)論如何，在測(cè)量井口流量時(shí)，楔形流量計(jì)是最可靠的。和這種流量計(jì)生產(chǎn)者接觸后了解到，該裝置進(jìn)行了很多改進(jìn)，是廣大用戶的最好選擇。
在井上，自動(dòng)化技術(shù)和一個(gè)集成有專用監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集(SCADA)主機(jī)相結(jié)合，實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)問(wèn)題診斷和應(yīng)井況處理的快速反應(yīng)。SCADA主機(jī)可使作業(yè)人員在礦場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)做出決定。如果對(duì)井優(yōu)化，也根據(jù)允許的最大的泵速和現(xiàn)在速度之間的差別迅速處理。自動(dòng)化技術(shù)避免了因礦場(chǎng)條件改變而引起的泵損壞。這表明，由于延長(zhǎng)了檢泵期，在增產(chǎn)和增加泵的使用壽命方面取得了重大的成果，節(jié)約油田作業(yè)成本和時(shí)間。
監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)用戶意見(jiàn)可進(jìn)行新算法的開發(fā)，以便處理開采高含砂井的問(wèn)題。利用地面輔助設(shè)備，該技術(shù)可出色完成出砂井清洗的無(wú)人作業(yè)。
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