СИСТЕМА НАГРЕВА НЕФТИ
OIL HEATING SYSTEM

Изобретение относится к оборудованию для нефтяных скважин и нефтепроводов и может быть использована для профилактики образования асфальто-смоло-парафиновых отложений в насосно-компрессорных трубах, межтрубном пространстве нефтяных скважин и промысловых нефтепроводах протяженностью до 2000 м.
Известна установка для депарафинизации нефтегазовых скважин [патент РФ на изобретение №2166615, опубл. 10.05.2001], содержащая спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель и соединенную с ним систему управления его нагревом. Нагревательный кабель содержит нагревательный элемент, состоящий из двух частей, подключенных к регулируемому источнику электропитания, электрически соединенных в нижней части кабеля, опущенного на глубину начала кристаллизации парафиногидратов.
Недостатком известного устройства является относительное высокое энергопотребление вследствие необходимости практически непрерывной подачи электроэнергии для обеспечения поддержания температуры ствола скважины выше точки начала парафинообразований.
Известно устройство для нагрева скважины [патент РФ 2171363, опубл. 27.07.2001], содержащее расположенный в насосно-компрессорной трубе первый нагревательный элемент в виде кабеля, подключенного к источнику питания, при этом на конце кабеля выполнен неизолированный участок с токопроводящими грузами, обеспечивающими электрическое соединение одной или нескольких параллельно соединенных жил кабеля, через которые пропускается ток, с насосно-компрессорной трубой, являющейся вторым нагревательным элементом, при этом кабель подключен к положительному выводу источника питания, а насосно-компрессорная труба - к отрицательному. Мощность второго нагревательного элемента составляет 0,5-0,05 Вт от мощности первого нагревательного элемента. Неизолированный участок кабеля имеет длину 2-10 м, а токопроводящие грузы выполнены в виде металлических шайб с наружным диаметром, равным 1,1-1,3 диаметра кабеля по изоляции, и толщиной 20-60 мм, расположенных на неизолированном участке на расстоянии 0,3-0,6 м друг от друга. Кабель имеет переменное по длине сопротивление и снабжен заделанными в него датчиками температуры и контрольными жилами для их подключения к измерительному устройству.
Недостатком известного устройства является относительно невысокая эффективность процесса нагрева скважины.
Известна установка нагрева нефти [патент РФ 2263763, опубл. 10.11.2005], содержащая спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель, в котором установлены силовые проводники, броня, проводники датчика температуры и датчик температуры, причем последний установлен внутри нагревательного кабеля. Броня снабжена внешней полимерной оболочкой и подключена к защитному заземлению. Силовые проводники, проводники датчика температуры и броня имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в шкафу клеммном переходном. Со шкафом соединена система управления нагревом кабеля. Внутри корпуса системы управления установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания силовой цепи, соединенный с блоком световой сигнализации и управляемым мостовым выпрямителем. Последний соединен с блоком измерительных приборов и выходной панелью установленными на ней электротехническими выводами. С помощью проводников с датчиком температуры и с входными цепями измерителя-регулятора соединен блок управления. Выходные цепи измерителя-регулятора соединены с блоком управления, который соединен с управляемым мостовым выпрямителем. Блок питания цепей управления с подключенной входной цепью питания цепей управления соединен с блоком управления и измерителем-регулятором. При этом нагревательный кабель погружен нижним концом в насосно-компрессорную трубу, установленную в обсадной колонне, и закреплен на ней в сальниковом устройстве. Между насосно-компрессорной трубой и обсадной колонной имеется затрубное пространство, являющееся проводником тепла от трубы в грунт. На поверхности нагревательный кабель проходит через направляющий ролик, оттяжной ролик и закреплен в замке.
Недостатком данной установки является относительно невысокая эффективность процесса нагрева скважины, низкое качество удаления асфальто-смоло-парафиновых отложений и, как следствие, высокое потребление электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является патент РФ №RU 101080, опубл. 10.01.2011, в котором система нагрева нефти содержит спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель, в котором установлены силовые проводники нагревательного элемента, последний установлен в нагревательном кабеле, и броня, подключенная к защитному заземлению, при этом силовые проводники (в виде нагревательных жил и броня) имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в переходном клеммном шкафу, и соединенную с ним станцию управления его нагревом, состоящую из корпуса, внутри которого установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания, соединенный с блоком силовых контактов, управляемый силовой выпрямитель, блок управления с подключенным к нему блоком питания и синхронизации, панель оператора, а система управления дополнительно снабжена цифровым портом телеметрии для дистанционного контроля и управления и блоком архивирования параметров работы, соединенными через панель оператора с блоком управления и контроля.
Недостатком данной установки является возможность применения ее только с кабелем постоянного тока и только на скважинах, оборудованных электроцентробежными насосами (ЭЦН), или скважинах фонтанного типа.
Задачей полезной модели является повышение эффективности профилактики образования асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО), а также создание универсального устройства нагрева нефти, позволяющего осуществлять нагрев жидкости с целью профилактики АСПО, с кабелем переменного или постоянного тока на промысловых нефтепроводах до 2000 метров и в скважинах с электроцентробежными насосами (ЭЦН), штангово-глубинными насосами (ШГН), фонтанного, газлифтного типа добычи, путем размещения нагревательного кабеля в насосно-компрессорных трубах (НКТ) и в межтрубном пространстве нефтяных скважин.
Указанный технический результат достигается тем, что предложена автоматически управляемая система нагрева нефти, содержащая монтируемый в зону возможного образования АСПО нагревательный кабель постоянного или переменного тока, в котором присутствуют нагревательные жилы и стальная или синтетическая полимерная броня, при этом нагревательные жилы подключены через переходной клеммный шкаф к станции управления, которая обеспечивает заданный режим нагрева, контроль параметров и комплекс защит, состоящей из корпуса, внутри которого установлены клеммный блок для подключения нагревательного кабеля и питания станции управления, силовой блок, который обеспечивает питание нагревательного кабеля постоянного либо переменного тока, блок включения/выключения, включающий автоматический выключатель и пускатель, обеспечивающие штатное и аварийное включение/отключение питания, блок GSM-связи, обеспечивающий дистанционный контроль и управление системой нагрева нефти, блок управления и контроля, включающий в себя цифровой логический контроллер и модуль управления универсальным силовым блоком, обеспечивающие управление заданным режимом нагрева кабеля, уровнем защиты от короткого замыкания, утечки тока, превышения заданного порога силы тока и напряжения, превышения средней установленной температуры кабеля и нагреваемой среды, панели управления блока управления и контроля, обеспечивающей ввод и корректировку текущих параметров и визуальный контроль работы системы.
Система нагрева нефти может может быть установлена на скважине с электроцентробежным насосом (ЭЦН), на скважине со шлангово-глубинным насосом (ШГН) или промысловом нефтепроводе протяженностью до 2000 м.
На фиг. 1 приведена схема системы нагрева нефти, установленной на скважине с установкой электроцентробежного насоса (УЭЦН).
На фиг. 2 приведена схема системы нагрева нефти, установленной на скважине с шлангово-глубинным насосом (ШГН).
На фиг. 3 приведена схема система нагрева нефти, установленной на нефтепроводе.
Система нагрева нефти содержит станцию управления 1 и переходной клеммный шкаф 2, соединенные между собой силовым кабелем 3, нагревательный кабель 4 постоянного или переменного тока с нагревательными жилами и броней, подключенный к станции управления 1 через переходной клеммный шкаф 2. Свободный конец нагревательного кабеля через устьевой сальниковый герметизатор 5 и удерживающий замок 6 помещен в скважину или трубопровод 7, на которых расположен датчик контроля температуры 8, подключенный сигнальным проводом 9 через переходной клеммный шкаф 2 к станции управления 1.
Станция управления состоит из корпуса, внутри которого установлены блок вкл./выкл. 10, соединенный с блоком питания 11, силовым блоком 12 и клеммным блоком 13, подключенным к блоку питания 11, который в свою очередь подключен к блоку GSM 14, подключенному к блоку управления и контроля 15, включающему в себя цифровой логический контроллер, модуль управления силовым блоком, и панели управления, обеспечивающей ввод и корректировку текущих параметров и визуальный контроль работы системы и соединенной с силовым блоком 13 и блоком вкл./выкл. 10.
Клеммный блок 13 предназначен для подключения нагревательного кабеля 4 и подвода питания к станции управления 1. Силовой блок 12 предназначен для обеспечения питания нагревательного кабеля 4. Блок включения/выключения 10 обеспечивает штатное и аварийное включение/отключение питания. Блок GSM связи 14 предназначен для обеспечения дистанционного контроля и управления системой нагрева нефти. Блок управления и контроля 15 с цифровым логическим контроллером и модулем управления силового блока предназначен для управления заданным режимом нагрева нагревательного кабеля, обеспечения защиты от короткого замыкания, утечек тока, превышения заданного порога силы тока и напряжения, превышения средней установленной температуры кабеля и нагреваемой среды. Панель управления блока управления и контроля 15 предназначена для обеспечения ввода и корректировки текущих параметров и визуального контроля работы системы нагрева нефти.
Система нагрева нефти работает от трехфазной сети переменного тока напряжением 380-900 В, частотой 50 Гц. Напряжение питающей сети подается на станцию управления 1 через клеммный блок 13 на блок вкл./выкл. 10, силовой блок 3 и блок питания 11. В зависимости от типа нагревательного кабеля 4 переменного или постоянного тока выбирается схема для питания нагревательного кабеля. При подаче переменного тока на нагревательный кабель 4 тиристоры, расположенные в силовом блоке 12, включены встречно-параллельно, а в случае подачи постоянного тока - по схеме трехфазного управляемого моста. Оператор на блоке управления и контроля 15 станции управления 1 задает необходимые параметры: максимальную среднюю температуру кабеля (°C); максимальное значение температуры нагреваемой среды (°C); максимальное значение тока (А); паспортное значение сопротивления нагревательной петли кабеля при 20°C (Ом); материал жил нагревательного кабеля (медь и/или алюминий); тип кабеля (переменного тока; постоянного тока). В соответствии с введенными параметрами блок управления и контроля обеспечивает работу системы нагрева нефти в автоматическом режиме, поддерживая заданный режим нагрева с оптимальным энергопотреблением. В случае изменения исходных условий оператор в блоке управления и контроля 15 вносит коррективы в заданный режим нагрева. Возможность регулирования режима нагрева позволяет использовать кабель с разными характеристиками, обеспечивая наиболее оптимальный энергосберегающий режим работы системы, при этом обеспечивая нагрев среды выше температуры образования АСПО.
Система нагрева нефти содержит монтируемый в зону возможного асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО) нагревательный кабель 4, в конструкцию которого включены нагревательные жилы, силовой элемент (стальная броня или жгуты из синтетических арамидных нитей), промежуточная и наружная изолирующие оболочки. Нагревательный кабель 4 одним концом подключается через переходной клеммный шкаф 2, установленный в непосредственной близости от скважины, или нефтепровода к станции управления 1, а другим концом помещается в скважину или нефтепровод и герметично закрепляется устьевым сальниковым герметизатором 5 и удерживающим замком 6.
В случае возникновения утечки тока в изоляции нагревательного кабеля или превышения максимального тока или температуры кабеля 4 блок управления и контроля 15 в доли секунды передает сигнал на блок включения/выключения 10, который мгновенно отключает питание станции управления 1. В зависимости от схемы подключения силовой блок 12 станции управления 1 подает переменное напряжение либо преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение, прикладываемое к нагревательным жилам нагревательного кабеля 4, необходимое для создания рабочего тока в замкнутой цепи нагревательных жил. Блок управления и контроля 15 через силовой блок 12 способен регулировать величину отдаваемой в нагревательный кабель энергии, а следовательно, и температуру нагреваемой жидкости.
20
t
t
t
Измерение температуры на устье скважины или в путевом нефтепроводе производится блоком управления и контроля 15 с помощью соединенного с ним контрольными проводами датчика контроля температуры 8. Таким образом, формируется обратная связь по температуре нагреваемой жидкости, что позволяет организовать эффективный механизм управления работой системы нагрева нефти. Измерение текущей температуры нагрева нагревательных жил нагревательного кабеля 4 выполняется следующим образом: используя параметры кабеля, такие как: R - сопротивление нагревательной петли кабеля при 20°C (паспортное значение завода-изготовителя) и R - сопротивление нагревательной петли в текущий момент времени (вычисляется блоком управления и контроля 15 станции управления в текущий момент времени по измеренным значениям напряжения и силы тока), блок управления и контроля 15 с помощью датчиков тока и напряжения, расположенных в клеммном блоке 13, выполняет замер текущих значений выходного напряжения U силового блока 12 и тока I в цепи нагревательных жил нагревательного кабеля.
t
На основании полученных данных согласно формулы закона Ома (1) блок управления и контроля 15 вычисляет сопротивление нагревательной петли в текущий момент времени R:
α - коэффициент сопротивления материала жил кабеля, величина, показывающая относительное увеличение сопротивления при нагреве материала на единицу температуры (справочное значение), представлен в виде (2):
,
1
1
где R - сопротивление участка цепи при температуре Т,
2
2
R - сопротивление участка цепи при температуре Т.
k
20
t
Для случая расчета температуры нагревательных жил кабеля T в произвольный момент времени, учитывая стандартизованное значение R при температуре 20°C и вычисленное по формуле (1) значение сопротивления нагревательной петли в текущий момент времени R, формула (2) принимает вид (3):
k
Отсюда формула расчета температуры нагревательных жил кабеля T принимает вид:
Расчетный контроль температуры нагревательного кабеля по представленной формуле (4) позволяет с достаточной точностью определять среднюю температуру нагревательного кабеля и отказаться от установки в нагревательном кабеле датчиков температуры, что значительно снижает стоимость нагревательного кабеля и существенно повышает его надежность.
Измеренные значения напряжения и тока в нагревательном кабеле и вычисленные данные о температуре нагревательного кабеля, а также измеренную температуру нефти на устье скважины блок управления и контроля формирует команды для управления силовым блоком.
Нагревательные жилы нагревательного кабеля 4 подключаются через клеммный блок 13 к силовому блоку 12 и имеют промежуточное электрическое соединение в переходном клеммном шкафе 2, что исключает попадание нефтяных газов через силовой кабель 3 в станцию управления 1 и обеспечивает требуемый уровень пожаробезопасности системы нагрева нефти.
Нижний конец нагревательного кабеля 4 погружен в насосно-компрессорную трубу, межтрубное пространство или протянут в путевом нефтепроводе, закреплен с помощью удерживающего замка 6 и устьевого сальникового герметизатора 5.
В нашем случае в качестве грузонесущего элемента нагревательного кабеля применена стальная броня, представляющая собой один-два повива стальных проволок или синтетический полимерный грузонесущий элемент на основе арамидных нитей, а броня нагревательного кабеля является одновременно защитным элементом нагревательного кабеля от механических повреждений и может быть подключена к контуру заземления, чем обеспечивает требуемый уровень электробезопасности при эксплуатации, кроме того, внешняя полимерная оболочка кабеля защищает его от негативных внешних воздействий.
Находясь в любой точке мира с доступом в Интернет, оператор с помощью блока GSM, расположенного на станции управления и соединенного с блоком управления и контроля станции, имеет возможность дистанционно наблюдать как архивные, так и текущие данные режима работы станции, осуществлять контроль и управление, а в случае необходимости вносить коррективы в работу системы нагрева нефти.
Предложенная система нагрева нефти имеет основные преимущества перед известными:
1. обеспечивает управляемый нагрев жидкости в насосно-компрессорных трубах нефтяных скважин любого типа добычи и в промысловых нефтепроводах до 2000 м. для профилактики образования АСПО (асфальто-смоло-парафиновых отложений);
2. содержит монтируемый в скважину или трубопровод в зону возможного АСПО нагревательный элемент в виде кабеля, как постоянного, так и переменного тока;
3. содержит станцию управления, которая состоит из корпуса, внутри которого установлены:
- клеммный блок, через который осуществляется питание станции управления;
- универсальный силовой полупроводниковый блок, который обеспечивает питание кабеля переменного или постоянного тока;
- блок включения/выключения, обеспечивающий штатное и аварийное включение/отключение питания;
- блок управления и контроля, который обеспечивает комплекс защит и управление нагревом кабеля;
- блок GSM, который обеспечивает дистанционный контроль и управление нагревом кабеля;
- блок питания, который обеспечивает питание блока управления и контроля и блока GSM.
4. обеспечивает возможность эксплуатации кабеля разного типа и мощности;
5. позволяет осуществлять дистанционный контроль и управление процессом нагрева скважины;
6. способствует повышению эффективности профилактики образования асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО), снижению энергопотребления и эксплуатационных затрат.