RU2525094C1

RU2525094C1 - Device for evaluation of centrifugal electric pump conditions under operating conditions

Info

Publication number: RU2525094C1
Application number: RU2013115609/03A
Authority: RU
Inventors: Виль Узбекович Ямалиев; Тагир Рамилевич Салахов; Станислав Сергеевич Шубин
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-08-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed device comprises display-based visualisation unit, computer system, mechanical extraction device and downhole motor. Additionally, this device incorporates the units of downhole telemetry system connected with downhole motor. Outputs of this system are connected with the surface telemetry system connected via controller with the first visualisation unit, 1^st, 2^nd, 3^rd, 4^th and 5^th processing units. Note also that outputs of [processing units are connected via computer with 2^nd visualisation unit.

EFFECT: higher accuracy of evaluation owing to application of classifiers.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области контроля и измерения технологических параметров работы погружного электродвигателя и насосного агрегата при эксплуатации установок электроцентробежных насосов (УЭЦН). Устройство может быть использовано при идентификации технического состояния УЭЦН с целью повышения его наработки на отказ, а также при разработке автоматизированных систем управления нефтедобычей.The invention relates to the field of monitoring and measuring the technological parameters of the submersible motor and pump unit during operation of electric centrifugal pump installations (ESP). The device can be used to identify the technical condition of the ESP with the aim of increasing its MTBF, as well as in developing automated oil production control systems.

На данный момент известен ряд устройств и изобретений, реализующих анализ технического состояния нефтегазопромыслового и бурового оборудования с применением методов статистического либо нейросетевого анализа.At the moment, a number of devices and inventions are known that implement the analysis of the technical condition of oil and gas production and drilling equipment using statistical or neural network analysis methods.

Одним из них является устройство для управления режимом работы штанговой насосной установки (RU, пат №2232292, F04B 47/00, оп. 2004 г.), основанного на обработке данных, поступающих с датчика уровня жидкости и блока динамометрирования в блоке вычислителя, реализующего математический аппарат устройства, а именно метод статистического анализа. Данное устройство решает задачу оптимизации работы штанговых насосных установок, но данный подход и соответственно оборудование невозможно применить к более сложным для анализа установкам электроцентробежных насосов.One of them is a device for controlling the operating mode of a sucker rod pump unit (RU, Pat No. 2232292, F04B 47/00, op. 2004), based on the processing of data from a liquid level sensor and a dynamometer in a calculator unit that implements mathematical device apparatus, namely, the method of statistical analysis. This device solves the problem of optimizing the operation of sucker-rod pumping units, but this approach and, accordingly, equipment cannot be applied to electric-centrifugal pump installations that are more complex for analysis.

Наиболее близкими по выполняемым функциям к заявленному устройству являются система и способ контроля и регулирования дебита скважины (РФ, заявка №2009142438/03, E21B 43/12, оп. 2008 г.), содержащая систему для обеспечения увеличения дебита скважины, имеющую множество продуктивных зон, отдельное устройство для регулирования дебита для каждой продуктивной зоны и устройство для механизированной добычи, в которую входят: компьютерная система, включающая в себя процессор, машиночитаемый носитель для хранения компьютерных программ и данных с возможностью доступа к ним компьютера для выполнения содержащихся в компьютерной программе команд и дисплей для отображения информации, передаваемой процессором. При этом компьютерная система реализует возможности для мониторинга на протяжении определенного периода времени фактического дебита флюида из каждой продуктивной зоны в соответствии с первой настройкой каждого устройства для регулирования дебита и потока через устройство для механизированной добычи, помимо этого, применяет анализ цепи методом узловых потенциалов к множеству входных данных, включающих данные скважинных датчиков, данные наземных датчиков и текущее положение по меньшей мере одного устройства для регулирования дебита, чтобы исходя из тенденции к снижению фактического дебита задать новую настройку по меньшей мере одного устройства для регулирования дебита с целью увеличения дебита скважины, и осуществляет продолжение осуществления мониторинга увеличенного дебита, соответствующего новой настройке. В компьютерной системе дополнительно реализована функция для расчета вероятности по меньшей мере одного из событий, включающих состояние поперечного потока, износ обсадных труб скважины и износ скважинного устройства, и задает новую настройку на основании по меньшей мере одного такого расчета.Closest to the functions performed, the claimed device is a system and method for controlling and regulating a well production rate (RF, application No. 2009142438/03, E21B 43/12, op. 2008), comprising a system for providing an increase in a well production rate having a plurality of productive zones , a separate device for controlling the flow rate for each productive zone and a device for mechanized production, which includes: a computer system including a processor, a computer-readable medium for storing computer programs and data with th access to the computer to execute him contained in the computer program instructions, and a display for displaying information transmitted by the processor. At the same time, the computer system implements the ability to monitor over a certain period of time the actual flow rate of fluid from each productive zone in accordance with the first setting of each device to control the flow rate and flow through the device for mechanized production, in addition, applies circuit analysis by the method of nodal potentials to the set of input data including downhole sensor data, ground sensor data and the current position of at least one flow control device so that, based on the tendency to decrease the actual flow rate, to set a new setting for at least one device for regulating flow rate in order to increase the flow rate of the well, and continues to monitor increased flow rate corresponding to the new setting. The computer system additionally implements a function for calculating the probability of at least one of the events, including the state of the transverse flow, wear of the casing of the well and wear of the downhole device, and sets a new setting based on at least one such calculation.

Однако данное устройство не обладает достаточной точностью оценки технического состояния объекта, поскольку в нем формируются лишь результаты математического анализа временных рядов замеров технологических параметров функционирования объекта, в результате чего осуществляется визуализация только одного наиболее вероятного состояния объекта диагностирования. При этом вероятности присутствия других состояний объекта остаются неизвестными.However, this device does not have sufficient accuracy to assess the technical condition of the object, since only the results of a mathematical analysis of time series of measurements of technological parameters of the object’s functioning are formed in it, as a result of which only one of the most probable conditions of the diagnostic object is visualized. In this case, the probabilities of the presence of other states of the object remain unknown.

Предлагаемое устройство решает задачу повышения точности определения технического состояния УЭЦН за счет использования классификаторов, отражающих одновременно вероятности присутствия пяти классов технического состояния УЭЦН.The proposed device solves the problem of improving the accuracy of determining the technical condition of the ESP by using classifiers that simultaneously reflect the likelihood of the presence of five classes of technical condition of the ESP.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для оценки технического состояния установок электроцентробежных насосов в процессе эксплуатации, содержащее дисплей - блок визуализации, компьютерную систему - ЭВМ, устройство для механизированной добычи, в состав которого входит погружной электродвигатель, согласно изобретению дополнительно включает в свой состав блоки погружной телеметрической системы, соединенной с погружным электродвигателем, выходы которой соединены с наземной телеметрической системой, последовательно соединенной через контроллер с первым блоком визуализации, а также с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым блоками обработки, причем выходы блоков обработки через электронно-вычислительную машину соединены со вторым блоком визуализации.The problem is solved due to the fact that the device for assessing the technical condition of the installation of electric centrifugal pumps during operation, containing a display - a visualization unit, a computer system - a computer, a device for mechanized production, which includes a submersible electric motor, according to the invention additionally includes blocks of a submersible telemetric system connected to a submersible electric motor, the outputs of which are connected to a ground telemetric system, in series connected through the controller to the first visualization unit, as well as to the first, second, third, fourth and fifth processing units, and the outputs of the processing units through an electronic computer are connected to the second visualization unit.

На фиг.1 изображена схема устройства для оценки технического состояния УЭЦН в процессе эксплуатации, на фиг.2 - диагностирование состояния УЭЦН (скв.1456) в период нормальной эксплуатации, на фиг.3 - диагностирование состояния УЭЦН (скв.1456) через 236 суток.Figure 1 shows a diagram of a device for assessing the technical condition of the ESP during operation, figure 2 - diagnosing the state of the ESP (well 1456) during normal operation, figure 3 - diagnosing the state of the ESP (well 1456) after 236 days .

Устройство содержит ТМСП 1, ТМСН 2, контроллер 3, блок визуализации один 4, блок обработки один 5, блок обработки два 6, блок обработки три 7, блок обработки четыре 8, блок обработки пять 9, ЭВМ 10, блок визуализации два 11, блок управления 12.The device contains a TMPS 1, TMSN 2, a controller 3, a visualization unit one 4, a processing unit one 5, a processing unit two 6, a processing unit three 7, a processing unit four 8, a processing unit five 9, a computer 10, a visualization unit two 11, a unit management 12.

В качестве ТМСП 1 используются имеющиеся комплекты телеметрической системы (производства ЗАО «Электон», ООО «ПК «Борец» и т.д.), ТМСН 2 применяют совместимые с ТМСП 1. Контроллер 3, используемый в системе, должен иметь встроенное постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), интерфейсные разъемы, соответствующие протоколу передачи данных RS-232, либо USB для возможности подключения персонального компьютера с целью настройки граничных значений и передачи данных (используется контроллер производства ЗАО «Электон»). Контроллер станции сохраняет свою работоспособность при снижении линейного напряжения трехфазной сети до 230 В. Блок визуализации один 4 - жидкокристаллический знакосинтезирующий индикатор. С первого по пятый блоки обработки соответственно 5-9 -программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), ЭВМ 10 -персональный компьютер. Блок визуализации два 11 - монитор персонального компьютера. Блок управления 12 - устройство сопряжения, включающее контроллер и буферный регистр данных.As TMSP 1, the available sets of the telemetry system are used (manufactured by Elektron CJSC, PK Borets LLC, etc.), TMSN 2 is used compatible with TMSP 1. The controller 3 used in the system must have built-in read-only memory (ROM), interface connectors corresponding to the RS-232 or USB data transfer protocol for the ability to connect a personal computer in order to configure boundary values and transfer data (using the controller manufactured by ZAO Electon). The station controller maintains its operability by reducing the linear voltage of a three-phase network to 230 V. The visualization unit is one 4 - liquid crystal sign-synthesizing indicator. From the first to the fifth processing units, respectively, 5–9 programmable logic integrated circuits (FPGAs), and computers 10, a personal computer. The visualization block two 11 is a personal computer monitor. The control unit 12 is a pairing device, including a controller and a buffer data register.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигналы с ТМСП 1, каждый по своему каналу связи поступают на контроллер 3, который обеспечивает согласование диапазона выходных сигналов датчиков с диапазоном входных сигналов блоков обработки и управления. Первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки обработки, каждый посредством своей двуслойной нейронной сети, вычисляют вероятность наличия определенных классов технических состояний УЭЦН, соответственно: «Нормальная работа», «Дисбаланс токов», «Недогруз», «Перегруз», «Сопротивление изоляции». Сформированные управляющие сигналы в цифровом виде поступают на ЭВМ 10, где происходит приведение к общему диапазону 0…1. Работа ПЛИС (5-9) начинается с определения входных параметров - Kj. В предлагаемом устройстве используются одиннадцать входных параметров: K₁ - напряжение по фазе A, U_A, K₃ - напряжение по фазе B, Ub, K₃ - напряжение по фазе C, Uc, К₄ - ток по фазе A, 1_A, K₃- ток по фазе B, 1_B, K₆- ток по фазе C, 1c, К₇ - сопротивление изоляции R, Kg - температура ПЭД T_пэд, K₉ - давление масла ПЭД P_ПЭД. K₁₀ - дебит жидкости, K₁₁ - масштабно-временная развертка и значения полной энергии вейвлет-преобразованных одномерных сигналов U_A(t), U_B(t), U_C(t), I_A(t), I_B(1), Ic(t).The proposed device operates as follows. The signals from TMSP 1, each through its own communication channel, are supplied to the controller 3, which ensures the matching of the range of output signals of the sensors with the range of input signals of the processing and control units. The first, second, third, fourth and fifth processing units, each using its own two-layer neural network, calculate the probability of the presence of certain classes of technical states of the ESP, respectively: “Normal operation”, “Current imbalance”, “Underload”, “Overload”, “Resistance isolation. " The generated control signals are transmitted in digital form to the computer 10, where they are reduced to a common range of 0 ... 1. FPGA operation (5-9) begins with the definition of input parameters - Kj. The proposed device uses eleven input parameters: K ₁ - voltage in phase A, U _A , K ₃ - voltage in phase B, Ub, K ₃ - voltage in phase C, Uc, K ₄ - current in phase A, 1 _A , K ₃ - current in phase B, 1 _B , K ₆ - current in phase C, 1c, K ₇ - insulation resistance R, Kg - temperature of the PEM T _pad , K ₉ - oil pressure PED P _PED . K ₁₀ - fluid flow rate, K ₁₁ - time-scale sweep and total energy values of wavelet-converted one-dimensional signals U _A (t), U _B (t), U _C (t), I _A (t), I _B (1 ), Ic (t).

В процессе обучения сети абсолютные значения входных показателей преобразуются в соответствии со способом нормирования сигналаIn the process of training the network, the absolute values of the input indicators are converted in accordance with the method of normalizing the signal

$\tilde{x} = \frac{x - M i n}{M a x - M i n} .$

\tilde{x} = \frac{x - M i n}{M a x - M i n} .

После такого преобразования истинные значения показателей утрачиваются и укладываются в диапазон [0…1].After such a conversion, the true values of the indicators are lost and fit into the range [0 ... 1].

Показатели, соответствующие определенному классу технических состояний, например «Нормальное состояние», подаются на вход нейронной сети, при этом выход сети заведомо известен. Т.о. происходит обучение ПЛИС 5, классу технического состояния «Нормальное состояние».Indicators corresponding to a certain class of technical conditions, for example, “Normal state”, are fed to the input of a neural network, while the output of the network is known. T.O. learning FPGA 5, the technical condition class "Normal state".

Каждая обученная таким образом ПЛИС обрабатывает входящий сигнал и выдает один выход, ненулевое значение которого соответствует степени уверенности сети в присутствии соответствующей неисправности. Каждая ПЛИС выдает заключение о вероятности наличия того класса технического состояния, на который она обучена. Таким образом, второй блок визуализации отражает гистограмму вероятностей присутствия каждого класса технического состояния, соответствующих входному набору показателей эксплуатации.Each FPGA trained in this way processes the incoming signal and produces one output, the non-zero value of which corresponds to the degree of network confidence in the presence of a corresponding fault. Each FPGA issues a conclusion on the likelihood of having that class of technical condition for which it is trained. Thus, the second visualization block reflects a histogram of the probabilities of the presence of each class of technical condition corresponding to the input set of performance indicators.

В качестве примера приведен процесс идентификации технического состояния скважины 1456, по данным эксплуатации которой были проведены лабораторные испытания предлагаемой системы. На первом этапе на вход системы подавались перечисленные выше входные параметры, соответствующие периоду сразу после выхода скважины на режим. При этом система идентифицирует «нормальную работу» объекта исследования (фиг.2). На втором этапе на вход системы были поданы входные параметры со значениями после эксплуатации установки через 236 суток. При этом стоит обратить внимание на то, что система определяет класс технического состояния «перегруз ПЭД» (фиг.3). В обоих случаях можно говорить о достоверном диагностировании состояния УЭЦН. Во-первых, период выхода на режим сопровождается стабильным притоком флюида из призабойной зоны и стабильной работой пласта в целом. Это обуславливает нормальную работу насосного оборудования, что было идентифицировано системой на первом этапе обучения. На втором этапе перегруз ПЭД обусловлен интенсивным выносом проппанта после проведенного гидроразрыва пласта, который проводился перед вводом скважины в эксплуатацию.As an example, the process of identifying the technical condition of well 1456 is given, according to the operation data of which laboratory tests of the proposed system were carried out. At the first stage, the input parameters listed above corresponding to the period immediately after the well entered the mode were supplied to the system input. In this case, the system identifies the "normal operation" of the object of study (figure 2). At the second stage, input parameters with values after operation of the unit after 236 days were applied to the input of the system. In this case, it is worth paying attention to the fact that the system determines the class of technical condition "overload of the SEM" (figure 3). In both cases, we can talk about reliable diagnosis of the state of ESP. Firstly, the period of entering the regime is accompanied by a stable influx of fluid from the bottomhole zone and the stable operation of the formation as a whole. This leads to the normal operation of the pumping equipment, which was identified by the system in the first stage of training. At the second stage, the overload of the PEM is due to the intensive removal of proppant after hydraulic fracturing, which was carried out before putting the well into operation.

Таким образом, в зависимости от текущего технического состояния, определяемого посредством устройства для оценки состояния УЭЦН, устанавливают режимы работы глубинного насосного оборудования.Thus, depending on the current technical condition, determined by means of a device for assessing the state of the ESP, the operating modes of the downhole pumping equipment are set.

Предложенное устройство может найти применение и в других областях нефтедобычи, связанных с распознаванием образов, их классификацией, при оптимизации и т.п., где входные данные можно представить в цифровом виде.The proposed device can find application in other areas of oil production related to pattern recognition, their classification, optimization, etc., where the input data can be represented in digital form.

Claims

A device for assessing the technical condition of electric centrifugal pump installations during operation, comprising a display — a visualization unit, a computer system — a computer, a device for mechanized production, including a submersible electric motor, characterized in that a submersible telemetry system unit connected to the submersible electric motor is additionally included in the device the outputs of which are connected to a terrestrial telemetry system connected in series through the controller to the first visualization unit tion, as well as with the first, second, third, fourth and fifth processing units, the outputs of the processing units via an electronic computer connected to the second visualization unit.