СПОСОБ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА НЕФТЕСКВАЖИНЫ НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF ELECTRIC HEATING OF OIL WELL AT OIL PRODUCTION COMPLEX AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области электротехнологии в нефтедобывающей промышленности, может быть использовано для очистки эксплуатационных колонн, скважин от парафиновых и других отложений.
Нефтедобывающий комплекс содержит нефтескважину, нефтеоткачивающий насос, кинематическую систему, конструктивно связывающую скважину, насос и электродвигатель насоса в функциональный комплекс по добыче нефти.
Известен способ электронагрева нефтескважины нефтедобывающего комплекса (Ковригин Л.А., Макиенко Г.П., Акмалов И.М. Нагревательные кабели и управление температурным полем нефтяных скважин // Инженер. 2004. №3. С.18-20), включающий нагрев колонны насосно-компрессорных труб (далее - НКТ) до определенной температуры с помощью специального электронагревательного кабеля, по которому пропускают электрический ток, далее происходит расплавление осаждающегося на стенках труб НКТ парафина.
Но при этом способе уменьшается реальное сечение НКТ, снижается дебит скважины и увеличиваются затраты электроэнергии при откачке нефти из нефтескважины.
Недостатками данного способа являются:
1) высокие затраты на нагревательный кабель и вспомогательные устройства;
2) ограниченный срок службы изоляции кабеля в агрессивной среде межтрубного пространства нефтескважины при достаточно высокой температуре;
3) определенные трудности с совмещением рабочего цикла откачки нефти из скважины и погружением в нее кабеля;
4) неравномерность нагрева колонны НКТ из-за различной степени «прилегания» кабеля к ее боковой поверхности и, как следствие, ухудшение качества очистки;
5) приближенная оценка качества очистки по температуре откачиваемой нефти из скважины.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству для его реализации, взятому за прототип, является способ прямого электронагрева нефтескважины нефтедобывающего комплекса и устройство для его реализации (Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Применение силовой электроники в установках депарафинизации нефтескважин//Электротехника. 2011. №12. С.42-47).
Способ заключается в том, что в нефтескважине создают из колонны насосно-компрессорных труб, погружного контакта, обсадной колонны и электроизоляционных компонентов электрическую цепь для электронагрева, к ее выходным зажимам подключают источник электрической мощности.
Устройство для реализации способа электронагрева нефтескважины нефтедобывающего комплекса содержит нефтескважину, нефтеоткачивающий насос, подключенный через кинематическую систему к электродвигателю, при этом в нефтескважине электрически соединены между собой колонна насосно-компрессорных труб, погружной электрический контакт и обсадная колонна, которые вместе с электроизоляционными компонентами образуют электрическую цепь для электронагрева, входные зажимы которой соединены с регулируемым источником электрической мощности, состоящим из полупроводникового преобразователя, системы управления и регулятора тока, соединенных между собой и с датчиком тока преобразователя, подключенного к питающей сети, например, через трансформатор.
Способ реализуется за счет создания в нефтескважине электрической цепи, состоящей из колонны НКТ, обсадной колонны и погружного электрического контакта, и пропускания по образованной цепи электрического тока от источника электрической мощности с автоматическим контролем расплавления парафиновых отложений в НКТ в функции температуры откачиваемой нефти с помощью датчика температуры, включенного в цепь обратной связи регулятора температуры источника электрической мощности.
Способ по прототипу функционирует как в автономном режиме, так и совместим с рабочим циклом добычи нефти. За счет нагрева НКТ и расплавления парафина дополнительно осуществляется снижение вязкости нефти, что уменьшает затраты электроэнергии при ее добыче. Расплавление парафина в НКТ осуществляется за счет выделения тепла при нагреве электрическим током созданной электрической цепи. Температура расплавления парафиновых отложений составляет примерно 30-35°С (в зависимости от состава отложений) и контролируется в автоматическом режиме датчиком температуры, обычно расположенным в устье скважины. В качестве источника электрической мощности в прототипе принят тиристорный преобразователь с системой управления, выполненной по системе подчиненного регулирования с внутренним контуром тока электрической цепи скважины и внешним контуром температуры. При достижении заданной температуры нагрева нефти ток в электрическую цепь скважины не поступает.
Недостатками данного способа и устройства для его реализации являются:
1) косвенная, приближенная оценка расплавления парафина и достижения необходимой вязкости нефти, оцениваемая по температуре выходящей из скважины нефти, которая зависит от места расположения датчика температуры, температуры окружающей среды и времени года, а также от состава парафиновых отложений и их температуры плавления в конкретной скважине;
2) повышенные затраты электроэнергии из-за косвенной оценки результатов очистки скважины и достижения требуемой вязкости нефти по ее температуре.
Технический результат заявляемого изобретения - улучшение качества очистки нефтескважины от парафиновых отложений и снижение вязкости нефти при ее откачке из скважины, что приводит к увеличению дебита скважины и снижению затрат электроэнергии при добыче нефти.
Технический результат способа электронагрева нефтескважины нефтедобывающего комплекса достигается тем, что в нефтескважине создают электрическую цепь для электронагрева, состоящую из колонны насосно-компрессорных труб, погружного контакта, обсадной колонны и электроизоляционных компонентов, подключают регулируемый источник электрической мощности к выходным зажимам образованной электрической цепи для электронагрева, включают регулируемый источник электрической мощности, при возрастании нагрузки на электродвигатель нефтеоткачивающего насоса выше заданного, например, номинального значения и отключают при ее соответствующем снижении, для чего в регулируемом источнике электрической мощности создают, например, гистерезисную характеристику «вход -выход»
Технический результат устройства, реализующего способ электронагрева нефтескважины нефтедобывающего комплекса, достигается тем, что в устройство, содержащее нефтескважину, нефтеоткачивающий насос, подключенный через кинематическую систему к электродвигателю, при этом в нефтескважине электрически соединены между собой колонна насосно-компрессорных труб, погружной электрический контакт и обсадная колонна, которые вместе с электроизоляционными компонентами образуют электрическую цепь для электронагрева, входные зажимы которой соединены с регулируемым источником электрической мощности, состоящим из полупроводникового преобразователя, системы управления и регулятора тока, соединенных между собой и с датчиком тока полупроводникового преобразователя, подключенного к питающей сети, например, через трансформатор, введен датчик нагрузки электродвигателя насоса, а в регулируемый источник электрической мощности введен релейный элемент с гистерезисной характеристикой, подключенный к входу регулятора тока и входом соединенный с выходом введенного датчика тока электродвигателя насоса.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что улучшение качества очистки нефтескважины от парафиновых отложений и снижение вязкости нефти при ее откачке из скважины (а следовательно, и увеличение дебита скважины и снижение затрат электроэнергии при добыче нефти) осуществляются за счет подключения источника электрической мощности при увеличении нагрузки на электродвигатель нефтеоткачивающего насоса и отключения источника при ее соответствующем уменьшении, для чего в источнике электрической мощности создают, например, гистерезисную регулировочную характеристику «вход - выход», при этом вход источника электрической мощности подключают к датчику нагрузки электродвигателя насоса.
Для осуществления заявляемого способа возможны различные устройства его реализации, которые могут отличаться тем, что датчик нагрузки электродвигателя насоса выполнен соответственно в виде датчика тока или датчика мощности электродвигателя. Устройства реализации способа могут быть выполнены с системой регулирования (система управления и регулятора тока) аналогового или микропроцессорного типа. На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого способа и устройства его реализации на основе датчика тока электродвигателя насоса, на фиг.2 приведена характеристика релейного элемента (далее - РЭ), где приняты следующие обозначения:
1 - нефтескважина (далее - НС);
2 - нефтеоткачивающий насос;
3 - кинематическая система, например, кривошипно-шатунная система станка-качалки, преобразующая вращательное движение электродвигателя насоса в возвратно-поступательное движение штока насоса 2;
4 - электродвигатель нефтеоткачивающего насоса;
5 - колонна НКТ;
6 - погружной электрический контакт;
7 - обсадная колонна;
8 - электроизоляционные компоненты для предотвращения касания колонны НКТ и обсадной колонны;
9 - выходные зажимы электрической цепи НС;
10 - регулируемый источник электрической мощности;
11 - датчик тока (нагрузки) электродвигателя 4;
12 - полупроводниковый преобразователь (далее - ПП);
13 - система управления ПП;
14 - регулятор тока ПП;
15 - датчик тока ПП;
16 - сетевой трансформатор;
17 - релейный элемент с гистерезисной характеристикой;
1
2
U, U - напряжения сетей переменного тока, например, соответственно 6 кВ и 380 В;
5
U - задающий сигнал для включения источника 10 в автономном режиме (без включения электродвигателя 4);
3
4
U, U - соответственно напряжения включения и отключения РЭ;
17
U - выходное напряжение РЭ;
11
U - выходное напряжение датчика тока электродвигателя насоса.
Устройство для реализации заявляемого способа состоит из нефтескважины 1, нефтеоткачивающего насоса 2, подключенного через кинематическую схему 3 к электродвигателю 4, при этом в нефтескважине 1 электрически соединены между собой колонна НКТ 5, погружной электрический контакт 6 и обсадная колонна 7, которые вместе с электроизоляционными компонентами 8 образуют электрическую цепь для электронагрева, выходные зажимы 9 которой соединены с регулируемым источником электрический мощности 10, состоящим из полупроводникового преобразователя 12, системы управления 13 и регулятора тока 14, соединенных между собой и с датчиком тока 15 преобразователя 10, подключенного к питающей сети, например, через трансформатор 16, при этом к входу регулятора тока 14 подключен введенный релейный элемент 17 с гистерезисной характеристикой, вход которого соединен с выходом введенного датчика тока 11 электродвигателя насоса 4.
В источнике электрической мощности 10 устройства управления 12-14, 17 могут быть выполнены в аналоговом или микропроцессорном вариантах.
Способ электронагрева нефтескважины нефтедобывающего комплекса заключается в том, что в нефтескважине 1 из колонны насосно-компрессорных труб 5, погружного контакта 6, обсадной колонны 7 и электроизоляционных компонентов 8 создают электрическую цепь для электронагрева, к ее выходным зажимам 9 подключают регулируемый источник электрической мощности 10, который включают при возрастании нагрузки на электродвигатель нефтеоткачивающего насоса 4 выше заданного, например, номинального значения и отключают - при ее соответствующем снижении, для чего в регулируемом источнике электрической мощности 10 создают, например, гистерезисную характеристику «вход - выход» за счет введения релейного элемента 17 и обратной связи по току электродвигателя нефтеоткачивающего насоса 4.
Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом. Рассмотрим два режима работы - с очищенной от парафина скважиной и с запарафиненной.
3
4
1. Работа с очищенной от парафина скважиной и с низкой вязкостью нефти. В этом случае в нефтедобывающем комплексе (выполненном, например, на базе станка-качалки) нефтеоткачивающий насос 2 откачивает из нефтескважины 1 нефть, напряжение на выходе датчика тока 11 соответствует заданной, например, 0,5 номинальной нагрузки электродвигателя нефтеоткачивающего насоса 4. При этом на выходе релейного элемента 17 благодаря гистерезисной характеристике (с напряжениями включения U и включения U) напряжение равно нулю, полупроводниковый преобразователь 12 заперт, ток в электрическую цепь нефтескважины 1 не поступает и электронагрев отсутствует.
2. Работа с запарафиненной скважиной и с высокой вязкостью нефти.
3
4
n
В этом случае ток электродвигателя нефтеоткачивающего насоса 4 увеличивается, например, до номинала, на выходе датчика тока 11 сигнал возрастает и при его значении, равном U, срабатьшает релейный элемент 17. На его выходе появляется сигнал, который включает полупроводниковый преобразователь 12 и задает определенную величину тока в электрической цепи нефтескважины 1. Нефтескважина и нефть разогреваются, через некоторое время происходит расплавление парафина и снижение вязкости откачиваемой нефти. В результате нагрузка нефтеоткачивающего насоса 2 уменьшается, ток электродвигателя нефтеоткачивающего насоса 4 и напряжение на выходе датчика тока 11 снижаются. При токе электродвигателя 4, соответствующем заданному минимальному значению (например, 0,5 номинала), напряжение на выходе датчика тока 11 достигает минимальной величины U, что приводит к отключению полупроводникового преобразователя 12 и прекращению электронагрева. Величина задания уставки тока нагрева электрической цепи нефтескважины 1 определяется выходным сигналом U релейного элемента 17 (фиг.2). Уровень тока электродвигателя нефтеоткачивающего насоса 4, при котором регулируемый источник электрической мощности 10 отключается, определяется режимом работы и конструктивными особенностями НКТ и нефтеоткачивающего насоса.
5
При автономной работе устройства электронагрева (без включения нефтеоткачивающего насоса 2) электродвигатель 4 и датчик тока 11 обесточены, сигналы на входе и выходе релейного элемента 17 отсутствуют и заданием тока полупроводникового преобразователя 12 является сигнал U, поступающий из внешней схемы управления. При работе нефтеоткачивающего насоса 2 данный сигнал не подается.
Таким образом, за счет более качественной очистки НКТ и оптимизации режимов включения и отключения регулируемого источника электрической мощности с помощью релейного элемента с гистерезисной характеристикой заявляемое изобретение позволяет повысить качество очистки НКТ от парафина, снизить вязкости нефти; увеличить дебит нефтескважины и экономию электроэнергии при откачке нефти.