Da die Arbeitskosten weiter steigen und sich die Technologie der industriellen Automatisierung weiterentwickelt, stehen Öl- und Gasproduzenten vor immer strengeren Anforderungen an Produktionseffizienz, Gerätesicherheit und Betriebssicherheit.

Elektrische Tauchpumpensysteme (ESP) sind eine entscheidende Ausrüstung in der modernen Ölproduktion. Durch den Ersatz traditioneller manueller Überwachung vor Ort durch intelligente und automatisierte Steuerung helfen ESP-Steuerungssysteme den Bedienern, die Produktionseffizienz zu verbessern, operative Risiken zu reduzieren und die Ölproduktion unter komplexen Bohrlochbedingungen stabil zu halten.

Überblick über das elektrische Tauchpumpensystem

Eine elektrische Tauchpumpe (ESP) ist ein mehrstufiges Zentrifugalhebesystem, das tief in einem Brunnen betrieben wird und vollständig in Brunnenflüssigkeiten eingetaucht bleibt. Ein vollständiges ESP-System besteht in der Regel aus drei Hauptabschnitten: der Baugruppe im Bohrloch, dem ESP-Kabelsystem und der Oberflächensteuerungsausrüstung.

Von oben bis unten umfasst die Bohrloch-Baugruppe typischerweise den ESP-Motor, den Schutz, den Gasabscheider und die mehrstufige Zentrifugalpumpe. An der Oberfläche sorgen spezielle Schaltschränke und Transformatoren für Stromversorgung, Geschwindigkeitsregelung, Datenerfassung und Geräteschutz.

Während des Betriebs liefert das Oberflächensteuerungssystem über das ESP-Kabel ordnungsgemäß konditionierte elektrische Energie, um den Bohrlochmotor anzutreiben. Der Motor treibt die mehrstufigen Impeller an, die den Druck des Öl-Wasser-Gemisches im Bohrloch schrittweise erhöhen. Die Flüssigkeit wird dann gegen hydrostatischen Druck und Rohrleitungswiderstand an die Oberfläche gehoben.

Gleichzeitig überwacht das Steuersystem kontinuierlich Betriebsparameter wie Temperatur, Druck und Motorstrom im Bohrloch. Basierend auf Echtzeit-Betriebsdaten führt das System eine variable Frequenz-Closed-Loop-Regelung durch und aktiviert Schutzfunktionen, wenn abnormale Bedingungen erkannt werden.

01 | Bohrloch-Baugruppe

Die Baugruppe im Bohrloch besteht hauptsächlich aus dem ESP-Motor, dem Schutz, dem Gasabscheider und der mehrstufigen Zentrifugalpumpe. Zusammen liefern diese Komponenten die Antriebskraft und hydraulische Hebekraft, die für die Ölförderung erforderlich sind.

Der versiegelte ESP-Motor liefert die mechanische Leistung für das gesamte System. Sein internes Isolier- und Schmieröl hilft, den Motor von korrosiven Bohrlochflüssigkeiten zu isolieren.

Der Schutzschirm verbindet Motor und Pumpenbaugruppe und balanciert den Innen- und Außendruck. Es kompensiert außerdem die thermische Ausdehnung und Kontraktion des isolierenden Öls und verhindert, dass Brunnenflüssigkeiten in den Motor gelangen und elektrische Ausfälle verursachen.

Der Gasseparator entfernt freies Gas aus der Bohrlochflüssigkeit, bevor es in die Pumpe gelangt, hilft, Gasstörungen zu reduzieren und Leistungsverschlechterungen durch Gasverriegelungen oder Kavitation zu verhindern.

Die mehrstufige Zentrifugalpumpe verwendet mehrere Impeller, um den Flüssigkeitsdruck stufenweise kontinuierlich zu erhöhen, den hydrostatischen Druck zu überwinden und die erzeugte Flüssigkeit an die Oberfläche zu heben.

Die gesamte Baugruppe im Bohrloch muss anspruchsvollen Bedingungen standhalten, darunter hohe Temperaturen, hoher Druck, hoher Salzgehalt und korrosive Bohrlochflüssigkeiten. Sie dient als primäre physische Ausführungseinheit für das Heben von Flüssigkeiten.

02 | ESP-Kabelsystem

Das ESP-Kabel wird außen am Produktionsrohr befestigt und zusammen mit der Rohrschnur in den Brunnen abgesenkt.

Das Kabelsystem umfasst in der Regel Stromkabel und integrierte Signalkabel zur Temperatur- und Drucküberwachung.

Das Stromkabel liefert stabile elektrische Energie vom Oberflächensteuerungssystem zum ESP-Motor im Bohrloch. Er ist dafür ausgelegt, hohen Temperaturen, Druck, Öl, Wasser und anderen harten Bedingungen im Bohrloch standzuhalten.

Signalkabel übertragen in Echtzeit kritische Betriebsdaten von der Bohrlochausrüstung zum Oberflächensteuerungssystem, einschließlich Motortemperatur, Pumpenansaugdruck und weiteren Betriebsparametern.

Dies schafft eine zuverlässige Datenverbindung zwischen der Bohrlochausrüstung und der Oberflächensteuerungseinheit und ermöglicht so Echtzeitüberwachung und intelligente Steuerung.

03 | Oberflächensteuerungsausrüstung

Das Oberflächensteuerungssystem basiert auf einem dedizierten ESP-Steuerungsschrank und ist typischerweise mit Hoch- oder Abstiegstransformatoren sowie primären Stromverteilungskomponenten ausgestattet.

Der Transformator passt die verfügbare Netzspannung an die elektrischen Anforderungen der Bohrlochgeräte an und liefert eine geeignete Stromversorgung.

Der Steuerschrank integriert den Frequenzstromantrieb, die SPS-Steuereinheit, Spannungs- und Stromabtastmodule sowie mehrere Schutzschaltungen.

Es ermöglicht:

• ESP-Start- und Stoppsteuerung

• Variable Frequenz-Drehzahlregelung

• Dynamische Lastanpassung

• Überlastungsschutz

• Unterlastschutz

• Phasenverlustschutz

• Pump-off- und Trockenlaufschutz

• Leckschutz

• Überhitzschutz

Wenn ein abnormaler Betriebszustand festgestellt wird, kann das System sofort die entsprechende Abschalt- und Sperrlogik ausführen und so umfassenden elektrischen Schutz für einen stabilen und zuverlässigen ESP-Betrieb bieten.

Wesentliche Vorteile der FGI FD3300 ESP-Steuerstation

Das FGI FD3300 Intelligent Variable Frequency Control System ist darauf ausgelegt, die komplexen Betriebsbedingungen der modernen Ölproduktion zu bewältigen. Seine intelligenten Steuerungs- und Schutzfunktionen tragen dazu bei, die Zuverlässigkeit des ESP zu verbessern, ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren und eine stabile Ölproduktion zu unterstützen.

01 | Sechs Betriebsmodi für komplexe Bohrlochbedingungen

Der FD3300 unterstützt sechs Betriebsmodi:

• Periodischer Betrieb

• Automatische variable Frequenzregelung

• Frequenzumschaltung

• Parameterpflege

• Gasschleusenentfernung

• Verzögerter Start

  

Verschiedene Betriebsmodi können automatisch ausgewählt und entsprechend voreingestellten Parametern koordiniert werden.

Dies ermöglicht es dem System, effektiv auf sich ändernde Brunnenbedingungen zu reagieren, einschließlich schwankender Flüssigkeitsniveaus, Gasansammlung, instabiler Flüssigkeitszufuhr und Anfangsaufprall.

Die flexible Betriebslogik eignet sich besonders für raue Ölfeldumgebungen, die durch hohe Temperaturen im Bohrloch, Öl-Gas-Gemische und ständig wechselnde Produktionsbedingungen gekennzeichnet sind.

Dadurch trägt der FD3300 dazu bei, einen sicheren, stabilen und effizienten ESP-Betrieb über längere Zeiträume zu gewährleisten.

02 | Drei intelligente Startmodi

Das Steuerungssystem bietet drei Startstrategien:

• Soft Start

• Push-Start

• Oszillationsstart

  

Soft Startreduziert den Startstrom und minimiert elektrische und mechanische Auswirkungen auf die Ausrüstung.

Push-Startbietet ein hohes Startmoment, um den Widerstand durch hochviskose Flüssigkeiten und andere schwierige Anlaufbedingungen zu überwinden.

OszillationsstartVerwendet kontrollierte hin- und hergehende Bewegungen, um Pumpenblockaden durch Sandansammlung, Ablagerungen oder mechanisches Kleben zu lösen.

Diese drei Startstrategien ermöglichen es dem FD3300, sich an unterschiedliche Brunnenbedingungen anzupassen und die Sicherheit sowie Zuverlässigkeit des ESP-Starts zu verbessern.

03 | Sechs-Kategorien-Hierarchisches Schutzsystem

Der FD3300 verfügt über eine Schutzarchitektur mit sechs Kategorien, die Folgendes abdeckt:

• Netzschutz

• Motorschutz

• Schutz des Downhole-Sensors

• Analoger Signalschutz

• Digitalsignalschutz

• Schutz des Isolierungswiderstands

  

Jede Schutzfunktion kann mit Parametern wie folgenden konfiguriert werden:

• Schutzverzögerung nach dem Start

• Verzögerung der Schutzaktion

• Wartezeit neu starten

• Maximale Neustartversuche

• Neustart-Zähler-Reset-Zeit
   

Die Kombination aus hierarchischen Schutzverzögerungen und begrenzten automatischen Neustartversuchen hilft, vorübergehende Störungen von persistenten Gerätefehlern zu unterscheiden.

Bei kurzfristigen Spannungsschwankungen, Signalstörungen oder anderen vorübergehenden Störungen kann das System unnötige Abschaltungen vermeiden und die Produktionskontinuität aufrechterhalten.

Wenn ein persistierender Hardwarefehler auftritt, kann das System die Geräte im Abschaltzustand sperren, um wiederholte Neustarts zu verhindern, dass weitere Schäden verursachen.

Diese Schutzstrategie ist besonders wertvoll in rauen Umgebungen im Bohrloch, in denen hohe Temperaturen, komplexe Flüssigkeiten und Signalstörungen den Gerätebetrieb beeinträchtigen können.

04 | Automatische Parameterberechnung und -konfiguration

Der FD3300 unterstützt die automatische Berechnung und Konfiguration wichtiger Betriebsparameter, einschließlich Mehrpunkt-V/F-Parameter und empfohlener Transformatorspannungseinstellungen.

Berechnungs- und Parameterkonfigurationsfunktionen sind in die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Steuerschranks integriert.

Dies vereinfacht die Inbetriebnahme und reduziert Fehler durch manuelle Berechnungen, wodurch eine genauere Konfiguration der ESP-Stromversorgung und der variablen Frequenzsteuerung möglich ist.

Das Ergebnis ist eine effizientere Inbetriebnahme und eine präzisere Motorsteuerung, wodurch der Downhole-Motor innerhalb seines geeigneten angegebenen Betriebsbereichs arbeitet.

05 | Überwachungssoftware und schnelle Parameterübertragung per USB

Der FD3300 ist mit spezieller Überwachungssoftware für die Langzeitspeicherung und Analyse historischer Betriebsdaten ausgestattet.

Nutzer können auf Betriebsunterlagen über mehrere Tage zugreifen und diese analysieren, um die Überwachung der Geräte, Fehlersuche und Betriebsoptimierung zu unterstützen.

Wenn eine bestehende Steuereinheit ersetzt werden muss, können die ursprünglichen Konfigurationsparameter schnell über einen USB-Stick auf das neue Gerät kopiert werden.

Die Parametermigration kann ungefähr innerhalb abgeschlossen werden5–10 MinutenDies vereinfacht die Inbetriebnahme vor Ort erheblich und verkürzt die Austauschzeit der Geräte.

06 | Echtzeit-ESP-Isolierungsüberwachung unter komplexen gekoppelten Bedingungen

ESP-Motoren, Kabel, Sensoren und andere kritische Bauteile arbeiten tausende Meter unter der Erde in hohen Temperaturen, Hochdruck- und hochkorrosiven Umgebungen.

Unter solchen Bedingungen kann die Dämmleistung im Laufe der Zeit allmählich nachlassen. Die kontinuierliche Isolierungsüberwachung ist daher ein wichtiger Bestandteil für einen sicheren, zuverlässigen und effizienten ESP-Betrieb.

Die Überwachung der Dämmung ist mehr als nur eine einmalige Geräteinspektion. Es handelt sich um eine vorbeugende Maßnahme, die direkt mit Produktionskontinuität, Wartungskosten und Betriebssicherheit im Bohrloch zusammenhängt.

FGI hat eine dedizierte Isolationswiderstandserkennungstafel entwickelt, die auf dem basiertNiederfrequenzinjektionsmethode.

Das System ermöglicht die Echtzeitmessung und Berechnung des Isolationswiderstands unter komplexen Bedingungen, einschließlich gleichstrombetriebener Systeme mit wechselstromgekoppelten Signalen. Durch die Analyse der Isolierungsbedingungen und die Identifizierung potenzieller Fehlerorte hilft das System, unerwartete Produktionsunterbrechungen und die Eskalation von Geräteausfällen zu verhindern.

Dies bietet eine zusätzliche Schutzschicht für eine sichere, effiziente und intelligente Ölfeldproduktion.

Feldanwendung bei einem europäischen Ölunternehmen

Die FGI FD3300 Serie ESP Control Station wurde erfolgreich an einer von einem europäischen Ölkonzern betriebenen Ölproduktionsstandort installiert.

Der FD3300 ersetzte die bisherigen ESP-Steuerungsgeräte eines anderen Anbieters des Kunden, trug zur Verbesserung der Betriebseffizienz und unterstützte die Ziele des Kunden, die Betriebskosten zu senken und die Produktionsleistung zu steigern.

Für diese Anwendung stellte FGI Suzhou Ausrüstung im Leistungsbereich von 315 kW und 200 kW sowie eine vollständige Antriebssystemlösung bereit.

Während der Projektumsetzung verlangte der Kunde, dass das System:

• Lesen Sie Daten von einem Stromzähler europäischer Marke ab

• Der Betrieb wird nach einem Stromausfall und der Wiederherstellung automatisch weitergeführt

• Erhaltung von Betriebsparametern und Systemstatus während abnormaler Leistungsereignisse

Um diese Anforderungen zu erfüllen, passte FGI das Kommunikationsprotokoll für den vom Kunden angegebenen Leistungsmesser an und entwickelte eine eigene Funktion zur Aufbewahrung des Betriebszustands.

Diese angepassten Funktionen ermöglichten es dem FD3300-System, die Anforderungen des Kunden vor Ort besser zu erfüllen und die Systemverfügbarkeit zu maximieren.

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01 | Reduzieren Sie Abschaltungen, die durch vorübergehende Standortbedingungen verursacht werden

Wenn vorübergehende Auffälligkeiten aufgrund von Schwankungen der Feldbetriebsbedingungen auftreten, verfügt der FD3300 über einen Mechanismus, der unnötige sofortige Abschaltungen verhindert.

Das System löst die Abschaltschutzsequenz nicht sofort aus, wenn eine vorübergehende Anomalie erkannt wird. Stattdessen wird die entsprechende Schutzverzögerung angewendet, bevor der Abschaltbefehl ausgeführt wird.

Dies hilft, falsche Abschaltungen durch vorübergehende Störungen zu reduzieren und unterstützt einen kontinuierlichen und stabilen Systembetrieb.

Durch das Minimieren unnötiger Abschaltungen und Neustarts kann das System auch die damit verbundenen Produktionsverluste und den Bedarf an der Ausrüstung verringern.

02 | Automatischer Neustart nach Fehlerwiederherstellung

Der FD3300 unterstützt einen automatischen Neustart, nachdem behebbare Fehler behoben wurden.

Wenn eine ESP-Einheit aufgrund eines abnormalen Zustands an einem abgelegenen Ölfeldstandort abgeschaltet wird, wartet das System auf das voreingestellte Neustartintervall. Sobald der Fehlerzustand wieder normal ist, kann das Gerät automatisch neu starten und den Betrieb wieder aufnehmen, ohne dass ein sofortiges manuelles Eingreifen erforderlich ist.

Diese Funktion ist besonders wertvoll für entfernte und unbeaufsichtigte Bohrlochstandorte, wo das Entsenden von Personal bei jedem kleinen Fehler die Wartungszeit und Betriebskosten erhöhen kann.

Die konfigurierbare Neustart-Versuchsbegrenzung hilft weiter, wiederholtes Neustarten zu verhindern, dass die Geräte beschädigt werden.

03 | Änderungen der Match-Formation-Produktivität für stabile Ölproduktion

Der automatische Betriebsmodus mit variabler Frequenz nutzt Echtzeitrückkopplungen aus dem Bohrlochdruck, dem Motorlaststrom und dem Produktionsstrom des Bohrlochkopfs, um eine geschlossene Regelungsstrategie zu etablieren.

Basierend auf den tatsächlichen Flüssigkeitszufuhrbedingungen passt der FD3300 automatisch die Motorfrequenz und -geschwindigkeit an.

Wenn die Flüssigkeitszufuhr ausreichend ist, kann das System die Betriebsfrequenz und -geschwindigkeit erhöhen, um die ESP-Hebekapazität zu erhöhen.

Wenn der Flüssigkeitsstand sinkt oder der Flüssigkeitsvorrat unzureichend wird, reduziert das System automatisch die Frequenz, um einen übermäßigen Verbrauch zu verhindern.

Durch die dynamische Anpassung des ESP-Betriebs an die sich ändernde Formationsproduktivität hilft das System, den Flüssigkeitsstand des Brunnens innerhalb eines geeigneten Betriebsbereichs zu halten und das Risiko von Abpumpen, Trockenbetrieb, übermäßiger Belastung oder Druckaufbau zu verringern.

Dies ermöglicht einen stabileren langfristigen ESP-Betrieb und unterstützt eine zuverlässige Ölproduktion.
 

FGI FD3300 Intelligentes ESP-Steuerungssystem

Der FGI FD3300 vereint variable Frequenzregelung, intelligente Betriebsmodi, automatischen Schutz, Echtzeitüberwachung, Parameterverwaltung und adaptive Steuerung zu einer integrierten ESP-Steuerungslösung.

Durch die Bewältigung der Herausforderungen schwankender Bohrlochbedingungen, entfernter Feldbetrieb, komplexer Downhole-Umgebungen und veränderter Formationsproduktivität hilft der FD3300 den Ölproduzenten, die Zuverlässigkeit der Ausrüstung zu verbessern, ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren, die Feldinbetriebnahme zu vereinfachen und eine stabilere sowie effizientere Ölproduktion zu erreichen.