加拿大油田用自動化和監(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，即楔形流量計流動技術(shù)和微機控制相結(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延長泵壽命需要解決泵供液不足和定子損壞問題。在加拿大油田井上，技術(shù)專家和操作工人用自動化技術(shù)與專用的的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(裝有一臺反饋實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)主機)相結(jié)的辦法解決了井控問題。
螺桿泵應(yīng)用已得到世界油氣工業(yè)的認可，但關(guān)泵時可能出現(xiàn)定子磨損，通常需操作工人通常手動調(diào)整泵速以保持泵上方有足夠存液。隨著流體測量技術(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。采用自動化技術(shù)和監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)可監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，找到并升級更多的控制算法。使用螺桿泵控制器理論可以達到2個主要目的。一是減少過早的泵故障。如最常見的關(guān)泵引起定子損壞。此時可視為無液量進入泵。因定子無潤滑導(dǎo)致極高溫度，最終泵內(nèi)橡膠老化碎裂，泵口堵塞。
二是實現(xiàn)井的自動優(yōu)化。手動選擇的液面只是取樣時泵內(nèi)液量的顯示，地面和抽油桿的噪音也可使其浮動;異常井況和非標(biāo)準(zhǔn)配置也對其有影響。反復(fù)記錄調(diào)整極耗時，也不能足以說明流入量的變化原因。井的優(yōu)化不僅能解決上述問題，還會增加原油產(chǎn)量。在保持液面與泵液面相同或接近時，能達到最低的井底壓力，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)定的初速度周期運行。假定150轉(zhuǎn)/分(rev/min)，在這個設(shè)定周期內(nèi)，井產(chǎn)量將漸趨穩(wěn)定。我們將時間設(shè)定為3分鐘。之后控制器進入取樣周期，并測量井產(chǎn)量和確定流量，取樣時間設(shè)為3分鐘。一段時期的流量即為該時段內(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，如果實現(xiàn)最低產(chǎn)量增加要求，即達到預(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，但仍介于最小和最大值和硬設(shè)定的最低變速范圍內(nèi)。該過程重復(fù)，直到滿足不了最低增量需求，達到了最大允許泵速。這時，泵速降至最大和最小速度遞減窗口之間的取值，即試驗的預(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)量未達到最低要求，在采用進一步措施前，可現(xiàn)嘗試連續(xù)加速試驗。在連續(xù)加速3次后，如果仍未達到最低產(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)量得到驗證。但如果最低產(chǎn)量條件未達到，泵將再次斜線下降，該程序繼續(xù)。
螺桿泵控制器的第二個控制算法如下：
光桿扭矩值可從電動變速驅(qū)動器模擬輸出或從液壓泵對液壓馬達的液壓讀數(shù)獲得，用于保護抽油桿和泵設(shè)備的。編程選項中設(shè)置了2個用于扭矩的違規(guī)，即超常的關(guān)井和慢運行。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液量——這會引起定子和橡膠之間的摩擦，增加扭矩。扭矩是每秒進行監(jiān)測的，一旦違規(guī)，螺桿泵控制器將根據(jù)額定扭矩限定值對其減速或連續(xù)減速，直至達到最低的運行速度。在這種情況下，螺桿泵控制器無論是在關(guān)泵時，還是在違規(guī)的最低運行速度的下均可工作。嚴重的扭矩違規(guī)用于在高扭矩狀態(tài)下轉(zhuǎn)為關(guān)井和最低運行速度。現(xiàn)存扭矩要和額定限定值相比較。這是一個瞬時功能，通過功能的選擇使其達到最低運行速度或關(guān)井。
實時流量可從楔形流量計或其它流量測量裝置獲得。編程選項中同樣有2個用于流量的違規(guī)設(shè)置。限定的最低產(chǎn)量是允許的最低額定液量，通過將其與取樣周期產(chǎn)量比較確定無液量和干泵情況。這一特征有助于發(fā)現(xiàn)(分辨率)產(chǎn)量報告中的問題。在違規(guī)情況發(fā)生時，螺桿泵控制器按額定值降低馬達速度。因此，螺桿泵控制器在停泵和最低運行速度條件下均可工作。
規(guī)定了限定的最低泵效，就是使泵能夠運行的最低泵效。對比取樣周期的產(chǎn)量以確定最低泵效。在違規(guī)泵效發(fā)生時，螺桿泵控制器根據(jù)額定值降低馬達速度，確保在停泵和最低運行速度條件下均可工作。
在一個或多個設(shè)定點限制違規(guī)時第二種控制算法會降低泵速。如果被監(jiān)控變量始終處于報警狀態(tài)，當(dāng)達到設(shè)定的最小速度時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，流量計是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件也被大家認可。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。多種形式的流量計已在試制。但無論如何，在測量井口流量時，楔形流量計是最可靠的。和這種流量計生產(chǎn)者接觸后了解到，該裝置進行了很多改進，是廣大用戶的最好選擇。
在井上，自動化技術(shù)和一個集成有專用監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集(SCADA)主機相結(jié)合，實時反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對問題診斷和應(yīng)井況處理的快速反應(yīng)。SCADA主機可使作業(yè)人員在礦場條件發(fā)生變化時做出決定。如果對井優(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。自動化技術(shù)避免了因礦場條件改變而引起的泵損壞。這表明，由于延長了檢泵期，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)成本和時間。
監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)用戶意見可進行新算法的開發(fā)，以便處理開采高含砂井的問題。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人作業(yè)。
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