ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОДЪЕМА ПЛАСТОВОЙ ЖИДКОСТИ НА КУСТЕ СКВАЖИН И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
ELECTRIC EQUIPMENT FOR LIFTING OF RESERVOIR FLUID IN WELL PAD AND METHOD OF ITS CONTROL

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию, а именно к электрооборудованию куста нефтяных скважин, и может быть использовано для механизированной добычи пластовой жидкости из скважин, входящих в куст, с помощью установок погружных электронасосов
Из предшествующего уровня техники известно электрооборудование для добычи пластовой жидкости из скважин, состоящее для каждой скважины из установки погружных электронасосов, подключенной через повышающий трансформатор и кабель к станции управления (СУ), устанавливаемой в непосредственной близости от скважины и оснащенной средствами местной автоматики и защиты, в частности средствами, обеспечивающими автоматический запуск двигателя установки погружного электронасоса при возобновлении питания электроэнергией или восстановления уровня в скважине после срыва подачи [Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция) - Изд. «Недра», 1968. - Стр. 224-243].
В известном решении в электроприводе установки погружного насоса используется асинхронный электродвигатель (АД) с питанием непосредственно от сети через контактор станции управления прямого пуска (СУПП). Такое решение имеет низкую энергоэффективность и в нем отсутствует возможность регулирования отбором.
Куст образуют несколько близко друг от друга расположенных скважин для добычи нефти. Кустовая площадка, как правило, обустраивается следующим образом [Абрамов Г.С., Барычев А.В. Практическая расходометрия в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2002. - Стр.28, 29, 36-40, 165-171]. На кустовой площадке находится несколько нефтедобывающих скважин, оснащенных установками погружных электронасосов, основными элементами которых являются насос, электродвигатель, кабель, трансформатор и станция управления (СУ). Все добывающие скважины подключаются к групповым замерным установкам, обеспечивающим периодический контроль дебита каждой отдельной скважины. В кусте может насчитываться до 30 скважин.
Стремление к оптимальному отбору пластовой жидкости привело к применению частотных СУ для регулирования частоты вращения установок погружных электронасосов, а стремление повысить энергоэффективность последних - к замене АД с частотной СУ на вентильный двигатель (ВД) [Гинзбург М.Я., Павленко В.И. Факторы, обеспечивающие снижение энергопотребления УЭЦН при замене в них ПЭД на ВЭД // Инженерная практика. 2010. №8. - С.18-23]. При использовании вентильного двигателя обеспечивается более высокий КПД привода и хорошие регулировочные характеристики. Погружная часть ВД представляет собой синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов, у которого токи в обмотках формируются частотной СУ либо по сигналам электронного датчика положения ротора, либо путем анализа токов и напряжений на выходе частотной СУ (векторное управление). Замена АД с частотной СУ на ВД позволяет, с учетом уменьшения потерь в кабеле и трансформаторе, повысить энергоэффективность установок погружных электронасосов на 11-13%, в зависимости от длины кабеля.
Также известно электрооборудование, в котором универсальная станция управления погружными электронасосами, включающая преобразователь частоты и управляющий контроллер, позволяет регулировать частоту вращения как асинхронными, так и вентильными двигателями и за счет этого оптимизировать отбор пластовой жидкости [См., например, RU 2303715 С1, опубл. 15.03.2010]. Преобразователь частоты, как правило, включает последовательно соединенные выпрямитель, фильтр звена постоянного тока и инвертор.
Недостатком применения частотных, в том числе универсальных, станций управления является резкое увеличение стоимости электрооборудования куста нефтяных скважин. Так, в настоящее время стоимость СУПП примерно в 5-7 раз меньше стоимости СУ с преобразователем частоты на ту же мощность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электрооборудование для подъема пластовой жидкости на кусте скважин, состоящем, по крайней мере, из двух скважин, включающее в себя установки погружных электронасосов по числу скважин, каждая установка погружных электронасосов через кабель и повышающий трансформатор связана с наземной станцией управления, подключенной к питающей сети [Дроздов А.Н., Ермолаев А.И., Булатов Г.Г. Новая технология механизированной насосной эксплуатации обводненных газовых скважин для добычи низконапорного газа в осложненных условиях // Территория нефтегаз. 2008. №6. - С.54-57].
Однако в указанном прототипе электрооборудование куста нефтяных скважин имеет высокую стоимость, обусловленную применением частотных СУ и, кроме того, низкую энергоэффективность при использовании АД.
Известен способ управления электрооборудованием для подъема пластовой жидкости, включающий запуск установок погружных электронасосов и регулирование через наземную станцию управления с преобразователем частоты [См., например, RU 2303715 С1, опубл. 15.03.2010].
Недостатком способа является резкое увеличение стоимости электрооборудования куста нефтяных скважин из-за необходимости применения для каждой установки погружных электронасосов дорогостоящей СУ с частотным регулированием.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ управления электрооборудованием для подъема пластовой жидкости на кусте скважин, включающий запуск установок погружных электронасосов путем подключения входящих в их состав электродвигателей к соответствующей наземной станции управления прямого пуска (СУПП), обеспечивающей контроль параметров режима работы [Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция) - Изд. «Недра», 1968. - Стр. 224-243].
Однако при описанном в прототипе способе управления электрооборудованием установка погружного электронасоса имеет низкую энергоэффективность и отсутствует возможность регулирования отбором.
Задачей настоящей группы изобретений является повышение энергоэффективности и снижение стоимости электрооборудования куста нефтяных скважин при обеспечении возможности регулирования отбора.
Указанный технический результат достигается тем, что в электрооборудовании для подъема пластовой жидкости на кусте скважин, состоящем, по крайней мере, из двух скважин, включающем в себя установки погружных электронасосов по числу скважин, каждая установка погружных электронасосов через кабель и повышающий трансформатор связана с соответствующей наземной станцией управления, подключенной к питающей сети, наземные станции управления выполнены как станции управления прямого пуска (СУПП) с контактором сети для подключения установок погружных электронасосов к питающей сети, электрооборудование дополнительно снабжено управляющим контроллером, по крайней мере, одной станцией управления с преобразователем частоты (СУПЧ), обеспечивающей запуск и регулирование частоты вращения установки погружного электронасоса по выходным сигналам управляющего контроллера и подключенной через дополнительный повышающий трансформатор к питающей сети, и блоком управляемых контакторов, число контакторов в котором соответствует числу СУПП, электродвигатели установок погружных электронасосов выполнены синхронными с постоянными магнитами на роторе, СУПП снабжены контроллерами, содержащими каналы информации о режиме работы скважины и связанные с управляющим контроллером входы и выходы, при этом СУПП выполнены с возможностью сохранения питания контроллеров при отключении контактора сети СУПП, в блоке контакторов входные выводы силовых контактов контакторов соединены с соответствующим силовым выходом СУПЧ, их выходные выводы соединены соответственно с выходом соответствующей СУПП, а управляющие цепи контакторов блока контакторов и СУПП связаны с выходом управляющего контроллера.
Кроме того, в частном случае реализации, в электрооборудовании станции управления прямого пуска могут быть выполнены с возможностью отключения от сети при отклонении контролируемого параметра режима работы скважины от заданного предельного значения.
Кроме того, в частном случае реализации, в электрооборудовании управляющий контроллер может быть включен в состав станции управления с преобразователем частоты.
С помощью предлагаемого электрооборудования реализуется принципиально новый способ управления электрооборудованием для подъема пластовой жидкости на кусте скважин, включающий запуск установок погружных электронасосов путем подключения входящих в их состав электродвигателей к соответствующей наземной станции управления прямого пуска (СУПП), обеспечивающей контроль параметров режима работы, согласно которому установки погружных электронасосов оснащают синхронными электродвигатели с постоянными магнитами на роторе, запуск осуществляют поочередно с помощью дополнительной станции управления с преобразователем частоты (СУПЧ), подключенной к сети и связанной с СУПП каждой установки погружных электронасосов, последовательно производя следующие операции с каждой их них: запускаемую установку погружного электронасоса подключают к выходу СУПЧ, увеличивают частоту и амплитуду напряжения на выходе СУПЧ до тех пор, пока оно по величине и фазе не совпадет с напряжением сети, затем подключают установку погружного электронасоса к сети через соответствующую СУПП, после чего запущенную установку погружного электронасоса отключают от СУПЧ.
При этом в случае фиксации какой-либо СУПП отклонения контролируемого параметра режима работы скважины от предельного заданного значения  устанавливают на выходе СУПЧ напряжение равным по амплитуде и фазе напряжению сети, подключают установку погружного электронасоса выявленной скважины с отклонениями к выходу СУПЧ и отключают от выхода соответствующей СУПП, повышают либо понижают частоту и амплитуду напряжения на выходе СУПЧ и поддерживают режим до тех пор, пока контролируемый параметр режима работы скважины не достигнет заданного значения, после чего уменьшают либо повышают амплитуду и частоту напряжения на выходе СУПЧ до значения, по амплитуде и фазе равного напряжению сети, а затем последовательно подключают установку погружного электронасоса к сети через соответствующую СУПП и отключают от СУПЧ.
Сущность изобретений поясняется чертежом, на котором показана структурная схема электрооборудования для подъема пластовой жидкости на кусте скважин.
Осуществление изобретения.
Электрооборудование для подъема пластовой жидкости на кусте скважин, состоящем, по крайней мере, из двух нефтегазовых скважин 1, включает в себя установки 2 погружных электронасосов по числу N (где N - число нефтегазовых скважин на кусте скважин, N≥2) нефтегазовых скважин 1.
Каждая установка 2 погружных электронасосов (УПН) через повышающий трансформатор 3 связана с наземной станцией 4 управления прямого пуска (СУПП), подключенной к питающей сети. Каждая СУПП 4 содержит контактор 5 сети для подключения установок 2 погружных электронасосов через повышающий трансформатор 3 и кабель 6 к питающей сети. Электрооборудование дополнительно содержит управляющий контроллер 7, по крайней мере, одну станцию 8 управления с преобразователем частоты (СУПЧ), служащую для запуска и регулирования частоты вращения установок погружного электронасоса по выходным сигналам управляющего контроллера 7, блок 9 управляемых контакторов, дополнительный повышающий трансформатор 10. Дополнительный повышающий трансформатор 10 включен между сетью и цепью питания СУПЧ 8 и имеет выходное напряжение на 25-30% выше напряжения сети. Выходная мощность СУПЧ 8 и повышающего трансформатора 10 должна превышать потребляемую мощность на входе трансформатора 3 самой мощной установки 2 погружного электронасоса куста скважин 1 на величину, достаточную для увеличения его производительности на 20-30%. Блок 9 управляемых контакторов выполнен с числом контакторов 11, равным числу N нефтегазовых скважин на кусте скважин и, следовательно, количеству СУПП 4, а также числу установок 2 погружных электронасосов. На кусте скважин каждая СУПП 4 снабжена контроллером 12 и выполнена с возможностью сохранения питания контроллеров 12 при размыкании силовых контактов контактора 5 сети в СУПП 4. Электродвигатели 13 установок 2 погружных электронасосов выполнены синхронными с постоянными магнитами на роторе. Контроллеры 12 всех СУПП 4 имеют входы 14 и выходы 15, связанные с управляющим контроллером 7, и каналы 16 информации о режиме работы скважины 1.
Первые (входные) выводы главных (силовых) контактов контакторов 11 блока 9 управляемых контакторов объединены соответственно и соединены с соответствующим силовым выходом СУПЧ 8, вторые (выходные) выводы главных (силовых) контакты контакторов 11 блока 9 соединены соответственно с выходом соответствующей СУПП 4.
Управляющие цепи контакторов 11 блока 9 управляемых контакторов и контакторов 5 сети всех СУПП (на чертеже условно не показаны) связаны с выходом управляющего контроллера 7. Таким образом, контакторы 5 сети и контакторы 11 блока 9 управляемых контакторов составляют пары на каждую УПН, один для подключения напрямую к сети, другой - для подключения к преобразователю частоты станции управления 8.
Электрооборудование для подъема пластовой жидкости на кусте скважин также может включать СУПП 4, которые выполнены с возможностью отключения от сети питания при отклонении контролируемого параметра режима работы скважины 1 (например, увеличении динамического уровня) от заданного предельного значения. Как правило, такие возможности имеются у большинства современных СУПП.
Кроме того, в электрооборудовании для подъема пластовой жидкости на кусте скважин 1 управляющий контроллер 7 может входить в состав станции управления с преобразователем частоты 8. Возможно как конструктивное, так и функциональное объединение контроллеров.
Работа электрооборудования для подъема пластовой жидкости на кусте скважин происходит следующим образом.
В исходном положении все силовые контакты контакторов 5 СУПП 4 и контакторов 11 блока 9 управляемых контакторов разомкнуты. Станции управления 4 и 8, предназначенные для управления и защиты погружных электродвигателей и насосов при нефтедобыче, подключены к электрической сети переменного тока и выполнены аналогично станциям управления погружными электродвигателями соответственно прямого пуска (например, станции управления прямого пуска ПК «Борец»: http://www.borets.ru, или серии ИРЗ-200: http://www.irz.ru/products/3/9.htm) и универсальным (например, станции управления «Новомет»: http://www.novomet.ru/rus/products/smart-solutions/smart/). Как правило, питание осуществляется от сети напряжением 380 В и частотой 50 Гц. При необходимости, например для повышения частоты вращения, сеть может иметь другие параметры, прежде всего, частоты. Такое возможно, например, при питании куста от автономной электростанции. При определенных условиях может оказаться экономически выгодной установка общего преобразователя частоты, электронного или электромеханического. На вход контроллеров СУПП и СУПЧ поступает информация о режиме работы скважины.
Запуск установок 2 погружных электронасосов осуществляют поочередно от СУПЧ 8, подключенной к сети через повышающий трансформатор 10, последовательно производя следующие операции с каждой из них. Запускаемую установку 2 погружного электронасоса, например УПН1, подключают к выходу СУПЧ 8. Для этого по команде управляющего контроллера 7 подается сигнал на цепь управления К1 соответствующего контактора 11 блока 9 управляемых контакторов. УПН1 подключается к силовому выходу частотной СУПЧ 8. Происходит частотный пуск синхронного двигателя 13 с постоянными магнитами на роторе, входящего в состав УПН1, при котором двигатель 13 работает синхронно с момента начала пуска и способен развивать вращающий момент, ограниченный только максимальным моментом и необходимым запасом устойчивости. СУПЧ 8 увеличивает с нуля либо с некоторого минимального значения частоту и амплитуду напряжения на выходе до тех пор, пока оно по величине и фазе не совпадет с напряжением сети. По достижении такого режима УПН1 подключают к сети через соответствующую СУПП1. Здесь использована способность синхронного двигателя 13 с постоянными магнитами работать при питании непосредственно от сети после того, как каким-либо способом был осуществлен его запуск до синхронной скорости. Для подключения к СУПП1 в рассматриваемом примере управляющий контроллер 7 подает сигнал на цепь управления контактора 5 сети СУПП1. Силовые контакты контактора 5 сети СУПП1 замыкаются. После этого управляющий контроллер 7 подает сигнал на цепь управления К1 для размыкания соответствующего контактора 11 блока 9 управляемых контакторов. Запущенная установка УПН1 отключается от СУПЧ 8 и переходит на питание непосредственно от сети. Аналогичным образом производится поочередный запуск всех УПН, имеющихся на кусте скважин.
Контроллер 12 станций управления прямого пуска 4 и управляющий контроллер 7 СУПЧ 8 имеют возможности обработки входных данных (измеренных текущих параметров работы), вычисления требуемого режима работы с использованием базы данных с характеристиками установки. Как правило, измеряют динамику изменения тока и частоту, анализируют режим работы установки по следующим параметрам: подача; дебит - напор; динамический уровень. В случае фиксации какой-либо СУПП отклонения контролируемого параметра режима работы скважины от предельного заданного значения электрооборудование работает по командам управляющего контроллера 7 в следующей последовательности.
На выходе СУПЧ по команде управляющего контроллера 7 устанавливают напряжение, равное по амплитуде и фазе напряжению сети, что делает возможным подключение УПН, расположенной в скважине 1 с выявленными отклонениями, к выходу СУПЧ и отключение ее от выхода соответствующей СУПП. Затем повышают либо понижают частоту и амплитуду напряжения на выходе СУПЧ и поддерживают режим до тех пор, пока контролируемый параметр режима работы скважины не достигнет требуемого значения. После чего уменьшают либо повышают амплитуду и частоту напряжения на выходе СУПЧ до значения, по амплитуде и фазе равного напряжению сети, далее аналогично описанному выше подключают установку погружного электронасоса к сети через соответствующую СУПП и отключают от СУПЧ.
Например, если в скважине с УПН2 динамический уровень уменьшается вследствие недостаточного отбора пластовой жидкости, управляющий контроллер 7 дает команду на отключение УПН2 от СУПП2 и подключение ее к выходу СУПЧ. Порядок переключения при этом следующий. Если СУПЧ работала к этому моменту времени, например, с УПШУ, управляющий контроллер 7 дает сначала команду на установку на ее выходе напряжения, по амплитуде и фазе равного напряжению сети, потом команду на цепь управления для замыкания силовых контактов контактора 5 сети СУППN, затем - на размыкание контактов контактора KN блока 9 управляемых контакторов. В результате УПНN переходит на работу непосредственно от сети. После этого по сигналам управляющего контроллера 7 подается сигнал на цепь управления К2, силовые контакты соответствующего контактора 11 блока 9 управляемых контакторов замыкаются, затем подается сигнал на цепь управления СУПП2, силовые контакты контактора 5 сети СУПП2 размыкаются, УПН2 подключается к выходу СУПЧ. СУПЧ увеличивает частоту вращения УПН2, отбор жидкости возрастает, динамический уровень увеличивается до заданного значения.
В случае снижения динамического уровня, т.е. при чрезмерном отборе в какой-либо скважине куста, УПН которой подключена к сети через СУПП, и работе СУПЧ при повышенной частоте вращения с какой-либо из других УПН куста скважин, контроллер 7 выдает сигнал на отключение СУПП скважины, в которой зафиксировано отклонение контролируемого параметра, от сети. По достижении заданного максимального уровня контроллер дает сигнал на запуск этой УПН описанным выше способом.
Число необходимых частотных станций управления на один куст зависит от точности подбора оборудования и характеристик скважин. В идеальном случае, когда характеристики скважин стабильны, а оборудование подобрано правильно, функция СУПЧ сводится только к запуску всех установок погружных электронасосов с синхронными двигателями с постоянными магнитами на роторе куста скважин и работе в постоянном режиме.
В случае нестабильных характеристик скважин куста либо плохо подобранных по параметрам УПН могут понадобиться две и более частотных станций управления и аналогичное число питающих их трансформаторов.
Ограничения при регулировании те же, что и при периодическом режиме работы скважин: недопустимость заиливания насоса, недопустимость замерзания жидкости в наземной части скважины и сети и др.
Таким образом, заявляемое электрооборудование для подъема пластовой жидкости на кусте скважин позволяет за счет применения в установках погружных электронасосов синхронных электродвигателей с постоянными магнитами на роторе повысить энергоэффективность при приемлемой стоимости электрооборудования и обеспечивает близкий к оптимальному режим эксплуатации месторождения.