Введение к работе
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 (СШНУ) с приводом в виде станков-качалок (СК). В процессе эксплуатации эффективность работы СШНУ 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 СШНУ широко применяются различные способы воздействия на продуктивный пласт – механические, химические, тепловые, комбинированные. Однако применение таких методов невозможно в процессе эксплуатации скважины СШНУ, 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, А.А. Коршака, А.М. Шаммазова и др. А.М. 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: 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.
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 практике 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.
