Ясно, что единственный способ узнать, что нужное количество данного химического вещества закачивается в скважину, — это установить фактическую скорость дозирования, с которой работает насос. Проблема заключается в том, что, как правило, насосы, используемые для введения химикатов, не имеют абсолютной настройки, позволяющей пользователю набирать конкретную дозировку, скажем, в галлонах в день. Это связано с тем, что сами насосы не знают, сколько жидкости они перекачивают из-за нескольких факторов:

• Изменения забойного давления влияют на работу насоса

• Изменения вязкости жидкости при изменении температуры могут привести к изменению дозировки

• Насосы обычно не имеют встроенной измерительной технологии для измерения фактического расхода

• При питании от солнечных батарей переменное напряжение может повлиять на скорость насоса и, следовательно, на дозировку.

Вместо этого большинство насосов имеют настройки, которые позволяют пользователю изменять относительную дозировку и оставляют это пользователю определить абсолютную дозировку наружно.

Традиционно это делалось с помощью смотрового стекла/калибровочной колонки, соединенной с выпускным трубопроводом резервуара. Смотровое стекло имеет градуированную трубку, каждая метка соответствует определенной дозировке в течение 24 часов. Стеклянная трубка наполняется химикатом техником, и клапан закрывается, чтобы перекрыть резервуар, в результате чего стеклянная трубка становится единственным источником химиката для насоса. Затем насос работает в течение заданного промежутка времени (обычно одна минута), чтобы определить количество интервалов, через которые капает жидкость, и умножение этого числа на масштабный коэффициент визирного указателя дает приблизительную норму дозировки.

У этого подхода есть несколько проблем:

• Требуется, чтобы кто-то находился на месте для проведения теста.

• В зависимости от конкретного используемого визира возможны значительные неточности при масштабировании/преобразовании интервалов в дозировку.

• Могут быть большие различия между одним испытанием дозировки и последующим, даже если оно проводится последовательно одним и тем же техником.

• Результаты, полученные одним техническим специалистом, могут сильно отличаться от результатов, полученных другим техническим специалистом, даже если тесты проводятся с разницей в пару минут.

• Если скорость дозирования очень низкая, это может усилить ошибку (в зависимости от типа используемого насоса), потому что, когда контроллер насоса останавливает насос, это может происходить в начале хода, в конце хода или где-то между.

Таким образом, если насос работает только пару раз в течение одной минуты, эта изменчивость оказывает большее влияние на общую скорость.

• Рассчитанная дозировка точна только для точного момента времени, когда проводилось испытание.

Несколько факторов могут привести к изменению дозировки в течение нескольких дней и недель, например, изменения давления в скважине, изменения температуры, замедление работы насосов в ночное время (подробнее об этом позже) и т. д. Очевидно, что автоматизация предлагает лучший способ сделать это.

Опции автоматизации

Очевидным выбором для определения фактической нормы дозирования является использование расходомера. Тем не менее, измерение скорости потока является сложной задачей, когда скорость очень низкая, а поток прерывистый. На сегодняшний день расходомеры прямого вытеснения, необходимые для получения точного расхода, были непомерно дорогими для рынка впрыскивания химикатов. Некоторые насосы являются «дозаторными», то есть они оценивают скорость потока с помощью встроенных компонентов. Как и в случае с расходомерами, эти насосы, как правило, намного дороже, чем типичные ванильные насосы, используемые на нефтяных месторождениях, и поэтому не пользуются популярностью на рынке закачки химикатов. Более экономичным способом определения фактической дозы является измерение изменений объема жидкости с течением времени.

Используя технологию определения уровня жидкости, уровень преобразуется в объем (подробнее об этом ниже), а объем регистрируется в течение определенного периода времени для определения эффективной дозировки. Поскольку предположительно датчик уровня жидкости в резервуаре уже есть в рамках автоматизации химической программы, для реализации этой технологии не требуется никакого дополнительного оборудования или рабочей силы. Следует отметить, что концепция мгновенной дозировки бесполезна и непрактична для инъекций химикатов. Это связано с тем, что основное внимание обычно уделяется тому, сколько химикатов доставляется в день, а не в секунду или в минуту. Чтобы уровень мог изменяться на измеримую величину и чтобы исключить влияние изменений температуры между днем и ночью, фактическая дозировка обычно должна рассчитываться с использованием данных за последние 24 (или более) часа.

Факторы, которые могут повлиять на метод использования изменения объема во времени, включают:

• Колебания температуры: те же самые эффекты, которые температура оказывает на измерение уровня жидкости, также проявляются при расчете фактических дозировок. Так, например, колебания температуры днем и ночью могут проявляться как соответствующее увеличение/уменьшение дозировки.

• Изменения вязкости: поскольку вязкость химического вещества изменяется при колебаниях температуры, способность насоса перекачивать одно и то же количество химического вещества в единицу времени изменяется, что влияет на эффективную дозировку насоса.

• Замедление работы насосов с питанием от батареи. Для насосов, питаемых от комплекта солнечной энергии, батарея часто имеет недостаточный размер или повреждена из-за частых циклов зарядки/разрядки (большинство батарей, включенных в комплекты солнечной энергии, являются свинцово-кислотными, которые не оптимален для солнечных батарей). Это приводит к тому, что батарея не может обеспечить помпу необходимой мощностью в течение всей ночи.

Следствием этого является то, что насос либо не работает часть ночи, либо работает с более низкой скоростью из-за пониженного напряжения с соответствующим снижением дозировки в ночные часы или пасмурные дни. Следует отметить, что использование последних 24-часовых (или более) исторических данных для расчетов мощности дозировки смягчает вышеуказанные проблемы.

Определение объема по уровню

Как обсуждалось выше, отслеживание изменений объема с течением времени предлагает наиболее экономичный способ оценки фактических дозировок. Что сейчас необходимо, так это способ измерения объема химиката в баке в любой заданный момент времени.

Если оставить в стороне более экзотические/непонятные методы, такие как акустика, единственный практичный способ прямого измерения объема – это использовать тензодатчик для взвешивания резервуара и его содержимого, вычесть вес резервуара, а затем использовать плотность жидкости для рассчитать объем. Тем не менее, тензодатчики было бы сложно установить в резервуарах для химикатов, возможно, потребовалось бы использование нескольких датчиков для получения адекватных результатов, что добавило бы слишком много затрат, чтобы быть по-настоящему практичным. И нецелесообразно точно взвешивать резервуар, опорную конструкцию и подключенную сантехнику в полевых условиях.

Учитывая, что датчик для измерения уровня жидкости уже имеется, все, что необходимо, — это метод преобразования уровня жидкости в объем. Этот процесс был бы тривиальным, если бы все резервуары имели вертикально ориентированную радиально-симметричную форму, такую как цилиндр. Однако наиболее распространенная геометрия резервуара, встречающаяся на береговых скважинах, представляет собой полиэтиленовый горизонтальный цилиндрический резервуар с опорными стойками, что приводит к неоднородной форме.

Таким образом, преобразование уровня в объем включает в себя больше, чем простое геометрическое уравнение. Вместо этого объем должен быть оценен с использованием метода, известного как ленточные таблицы.

Таблица (также известная как ленточная диаграмма/таблица калибровки) состоит из нескольких записей, каждая из которых указывает соответствующий объем для данного уровня, что приводит к нелинейной кривой при нанесении точек на график. Для расчета объема для произвольного уровня находятся два ближайших к данному уровню входа, а затем объем интерполируется между этими двумя точками на кривой. Этот метод позволяет рассчитать объем резервуаров произвольной формы. Чем больше количество записей, тем выше точность преобразования.

Производители резервуаров иногда снабжают свои резервуары ленточным столом, что значительно упрощает этот процесс. Однако в случае отсутствия таблицы у производителя, таблицу необходимо создавать вручную. Большинство рассматриваемых резервуаров имеют внешнюю маркировку, указывающую объем через определенные промежутки времени. Используя эти маркировки, можно просто измерить высоту каждой маркировки, чтобы построить таблицу ремешков. Однако эти маркировки по большей части являются неточными приближениями к истинному объему и, как правило, не дают хороших результатов для расчета мощности дозировки, а также слишком разбросаны для получения достаточного количества точек данных.

Лучшим подходом является «привязывание резервуара», то есть добавление известных объемов жидкости (обычно воды) за один раз и измерение высоты жидкости, медленное построение таблицы. Следует признать, что это трудоемкий процесс, но он того стоит, если точная дозировка считается критически важной, а дозировка невелика (скажем, менее 1 тонны в день).

Ременные столы уязвимы для следующих факторов:

• Недостаточно точек данных: чем меньше количество записей в таблице, тем выше ошибка преобразования из-за линейной интерполяции.

• Разновидности резервуаров: таблицы ремней обычно повторно используются для резервуаров одного и того же производителя и модели. Процесс изготовления резервуара приводит к небольшим отклонениям, которые могут повлиять на преобразование уровня в объем. Это также может усугубляться деформациями резервуаров после их развертывания из-за воздействия погодных условий.

• Неправильная калибровка уровня жидкости: Если бы кто-то построил таблицу для типичного горизонтального цилиндрического резервуара, то получилась бы характеристическая кривая «S», на которой изменения объема в средней части резервуара более значительны при изменении уровня. и в меньшей степени к нижнему и верхнему концам. Если уровень не откалиброван должным образом, это может привести к нанесению точек на неправильную часть кривой, что приведет к ошибкам в расчете дозировки. Это особенно верно, когда для создания таблицы используются маркировки на внешней стороне резервуара.

Управление насосами

До этого момента мы обсуждали получение уровней в резервуарах и расчет фактических дозировок. Последней частью головоломки является управление помпой для достижения и поддержания целевой скорости дозирования. Этот, казалось бы, простой процесс усложняется большим разнообразием используемых химических насосов:

• Мембранные с механическим приводом

• Нагнетательные

• Шестеренчатые

• Пневматические • и т. д.

И каждый из этих типов насосов имеет различную степень внешнего/дистанционного управления, из ничего. до полной поддержки Modbus для изменения скорости насоса и/или длины хода. Поскольку нереально просить операторов заменить свои насосы версиями, обеспечивающими полное дистанционное управление, реализация управления насосами должна учитывать все эти варианты.

Возможности внешнего/дистанционного управления насосами можно разделить на следующие категории:

• Modbus: последовательное соединение, позволяющее изменять настройки насоса через программный интерфейс

• Аналоговый вход: сигнал напряжения/тока, который позволяет изменять скорость насоса через соответствующий аналоговый выход на удаленном устройстве

• Нет внешнего управления: эти насосы имеют встроенный контроллер, но имеют только ручные ручки для локального изменения настроек человеком.

В целом, поскольку метод управления этими насосами включает в себя относительные изменения текущих настроек , для описания диапазона регулирования удобно использовать проценты, где 0% означает полное выключение, а 100% — максимальную производительность насоса, когда он постоянно включен.

В случае, когда нет внешнего управления насосом, процент представляет собой рабочий цикл, который определяет, как долго насос включается/выключается в течение заданного периода. Например, рабочий цикл 20% и период 60 секунд приведут к тому, что насос будет включаться на 12 секунд, а затем выключаться на оставшиеся 48 секунд. Фактический механизм включения и выключения насоса включает использование реле/контактора для переключения напряжения питания насоса (или, в случае пневматического насоса, для открытия и закрытия электромагнитного клапана для управления потоком газа).

Многие насосы имеют контроллер, который можно обойти, чтобы система автоматизации могла напрямую управлять насосом. Однако некоторые помпы имеют встроенный контроллер, который сам включает и выключает помпу для управления скоростью дозирования. В последнем случае, чтобы предоставить системе автоматизации весь диапазон производительности насоса, все настройки насоса изменяются на максимальные уровни.

На эффективность управления дозировкой путем включения и выключения насоса для химикатов влияют несколько факторов:

• Слишком большие насосы: для некоторых химикатов требуется очень низкая дозировка (порядка одной или двух литров в день). Однако для преодоления высоких забойных давлений часто приходится использовать большие насосы. Это требует использования очень низких рабочих циклов насоса (2-3%), что приводит к одному рабочему циклу насоса в минуту. Это затрудняет для системы автоматизации подачу постоянного количества химиката во время каждого цикла для определенных типов насосов, поскольку а) насос может продолжать перекачивать некоторое количество химиката после отключения питания из-за импульса двигателя, и/или б) для любого заданного цикла насос может быть остановлен в начале хода, в конце хода или где-то посередине, и это изменение становится большим фактором, когда скорость дозирования низкая.

• Встроенные контроллеры насосов: Когда система автоматизации переключает питание на такие насосы, время запуска контроллера может варьироваться, что необходимо учитывать. Кроме того, локальные изменения настроек помпы могут вызвать путаницу, поскольку теперь есть две точки управления. Входные данные внешнего контроля.

Существуют определенные условия, при которых нормальный режим дозирования следует приостановить. Например, некоторые химические вещества, такие как метанол, необходимо вводить только тогда, когда температура падает ниже заданного порога. Другой пример — когда скважина закрыта — состояние давления встречного потока может служить указанием на то, что насос должен быть остановлен. Для максимальной гибкости и эффективности система автоматизации должна иметь возможность обрабатывать произвольные условия в виде «блокировки» разрешающих входов, которые могут отключить насос на неопределенный срок.

Стратегии контроля дозировки

Как объяснялось выше, рабочий цикл насоса является ключом к управлению скоростью дозирования химического насоса. Существует несколько вариантов определения значения рабочего цикла насоса в зависимости от потребностей оператора.

Ручная регулировка рабочего цикла насоса

Самый простой вариант заключается в том, чтобы пользователи вручную корректировали рабочий цикл насоса, сравнивая историческую фактическую норму дозирования с целевой нормой дозировки. Этот вариант предназначен для пользователей, которые не

хотят полностью замкнутую систему и предпочитают сами вносить коррективы в систему автоматизации. Самый простой способ выполнить ручную регулировку — игнорировать изменения давления или других внешних факторов и предположить, что изменение рабочего цикла насоса точно пропорционально изменению дозировки следующим образом:

[Новый рабочий цикл насоса] = [Текущий рабочий цикл насоса]. Цикл] * ([Целевая скорость дозирования] / [Фактическая скорость дозировки])

Автоматическая регулировка рабочего цикла насоса на основе заданной нормы дозировки

Для реализации автоматической замкнутой системы можно использовать контур ПИД-регулирования, где: PV = Фактическая скорость дозировки SP = Целевая скорость дозирования CO = рабочий цикл насоса В конце каждого цикла обновления новый рабочий цикл насоса определяется алгоритмом PID для минимизации ошибки между фактической и целевой нормами дозирования.

Этот метод может учитывать другие внешние факторы, такие как изменения давления в скважине, а также изменения, вызванные температурными эффектами, как обсуждалось ранее. Автоматическая регулировка рабочего цикла насоса на основе заданной дозировки. Эта опция является простым расширением описанной выше опции, но с дополнительной возможностью принимать целевые дозировки (PPM) и применять их к фактическим объемам производства для определения одной целевой нормы дозировки. Это просто автоматизирует изменения уставки ПИД-регулятора, описанные выше. Эту опцию можно использовать, когда объемы производства и целевые дозировки легко доступны для системы автоматизации.

Управление программой закачки химикатов на основе исключений

Вышеописанная стратегия автоматизации обеспечивает высокую прозрачность уровней в резервуарах и скорости дозирования насосов, управляемых оператором, а также возможности управления насосами для изменения скорости дозирования. Это дает много важной информации, которую можно использовать в качестве основы для отчетов и аналитики. Он также генерирует много информации, которую люди должны просеять, что является типичным последствием внедрения систем автоматизации.

Проблема в том, что люди имеют ограниченную способность самостоятельно обрабатывать большие объемы информации. Эффективная программа введения химических веществ должна помещать критически важную информацию в начало очереди пользователей, чтобы они могли расставлять приоритеты в своих действиях. Это известно как «работа по исключению».

Критические исключительные события, которые должны генерироваться системой автоматизации, включают:

• Низкий уровень в баке: предупреждает соответствующий персонал о необходимости запланировать заполнение бака

• Возможная утечка: внезапное падение уровня указывает на возможную утечку – либо из-за разделенного бака, либо из-за повреждения насоса, утечка в трубопроводе и т. д.

• Недостаточное и избыточное дозирование: предупреждает персонал о неправильных дозировках, требующих регулировки насоса. Если система выполняет автоматическое управление помпой, то такие события должны быть редкими и, вероятно, указывать на проблему с помпой.

• Проблемы с насосом: насосы могут выйти из строя по разным причинам – механическая неисправность, паровая пробка и т. д. Отсутствие изменения уровня в резервуаре указывает на то, что насос не выполняет свою работу.

Система управления химическими веществами

Предлагает набор продуктов для автоматизации впрыска химикатов, включая мониторинг уровня в баке, расчет нормы дозирования и управление насосом, управление и отслеживание которых осуществляется через облачный сервис. Существует также мобильное приложение, которое позволяет операторам отслеживать деятельность, связанную с химическими веществами, на своих буровых площадках. Это беспроводной датчик уровня в резервуаре с батарейным питанием, который контролирует уровень химикатов в вентилируемом резервуаре любого типа. Поскольку он основан на спутнике, его можно развернуть по всему миру (кроме полюсов).

В решении используется датчик гидростатического давления, соединенный с «головным» блоком, который устанавливается наверху резервуара с помощью переборочного адаптера, а сам датчик располагается на дне резервуара. В качестве альтернативы преобразователь можно установить на выпускном трубопроводе резервуара, а головной блок установить на резервуаре или на столбе/панелях комплекта солнечных батарей. Система имеет сложный механизм фильтрации, который удаляет шум из сигнала уровня, возникающего в результате работы насоса. Дозирование можно настроить для передачи данных уровня шесть раз в день, и каждый образец включает температуру и напряжение батареи. Он также включает геозону и отслеживание активов с помощью встроенного модуля GPS. Это чрезвычайно доступный вариант, когда все, что требуется, — это отслеживание уровня химических веществ и расчет дозировок.

Если управление насосом является важнейшим компонентом программы химической автоматизации оператора, или если на данном объекте имеется несколько резервуаров, существует система химической автоматизации, может контролировать до четырех резервуаров/насосов с помощью встроенных реле/контакторов. Пользователи могут сами дистанционно управлять скоростью дозирования насоса или выбрать один из вариантов замкнутого цикла для полной автоматизации. Пользователи могут подключаться через Wi-Fi для локального мониторинга/управления резервуарами/насосами. Это полезно для калибровки датчиков уровня, а также для устранения неполадок.