Сегодня большая доля нефти добывается с помощью установок электроцентробежных насосов. Во всем мире для их стабильной работы и управления в реальном времени используют телеметрические системы, которые измеряют все параметры процессов добычи (давление, температура, вибрации, работу оборудования). Это дорогостоящие комплексы и при повреждении хотя бы одного датчика измерения потребуются время на ремонт и большие финансовые затраты. Поэтому важно свести к минимуму использование измерительных приборов. Ученые Пермского Политеха разработали систему бездатчикового управления и наблюдения за параметрами работы насосов. Ранее в мире такая технология не применялась, она повышает надежность и энергоэффективность добычи нефтепродуктов.
Статья опубликована в журнале «IEEE Sensors», 2024 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Добыча нефти погружными насосными установками наиболее распространенная технология. С их помощью добывается порядка 80% всей нефти в России. Электроцентробежный насос — это ключевой элемент установки, который поднимает жидкость из скважины на поверхность.
Сейчас единственный способ контролировать все важные показатели во время добычи — использовать системы телеметрии. Это целый технологический комплекс, который удаленно измеряет и собирает информацию для предоставления специалисту. Но многочисленные измерительные приборы в подземной агрессивной среде легко вывести из строя. Для их ремонта нужно поднимать все оборудование на поверхность и спускать обратно, что очень затратно и требует остановки всего процесса добычи. Во время сервисных работ скважина не эксплуатируется, что влечет финансовые потери.
Ученые ПНИПУ предлагают уникальный способ управления работой насоса под землей с использованием лишь двух датчиков измерения — тока и напряжения. Для этого разработали две системы: для наблюдения за дебитом нефти и для косвенной оценки параметров на основе цифровой модели электроцентробежного насоса. Их объединение — это основа бездатчикового управления всем технологическим процессом.
Сама установка состоит из большого количества различных элементов – станции управления, трансформатора, кабельной линии, погружного электродвигателя и насосных труб. Напряжение от трансформатора по кабельной линии подается на обмотку двигателя, который раскручивается, активируя электроцентробежный насос. Он в свою очередь начинает перекачивать нефть из скважины.
Политехники построили на компьютере комплексную модель, которая включает в себя моделирование всего этого процесса. На ее основе разработали систему косвенного управления, используя сигма-точечный фильтр Калмана. Данный фильтр с помощью дифференциальных уравнений оценивает все интересующие параметры работы — токи, потокосцепление, сопротивление кабельной линии, нагрузочный момент и скорость вращения вала погружного электродвигателя.
— С датчиков тока и напряжения значения поступают на вход программы, которая отфильтровывает их, благодаря чему мы получаем более качественный сигнал. Так мы наблюдаем все необходимые нам параметры. Сигма-точечный фильтр Калмана интегрирован в систему управления, что позволяет нам бездатчиково управлять погружным электродвигателем. Сейчас мы полностью разработали программную часть системы управления, далее планируем проверять ее на реальных данных, — рассказывает инженер кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» Пермского Политеха Ростислав Юдин.
Целевой показатель для установки электроцентробежного насоса — это дебит нефти. Для его контроля политехники разработали систему наблюдения на основе модели машинного обучения. Она предсказывает текущий дебит по скорости вращения вала двигателя, нагрузочному моменту вала и плотности нефти. Система наблюдения в совокупности с косвенной оценкой параметров осуществляют бездатчиковое управление всей насосной установкой.
Разработка ученых ПНИПУ дает возможность контролировать добычу нефти без дополнительных устройств измерения параметров. Ранее в мире такой подход на практике не применялся. Он повышает надежность оборудования электроцентробежного насоса, снижает себестоимость нефти и повышает конкурентоспособность нефтедобывающих российских компаний на рынке мировых энергоресурсов.