ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРОТЕКТОР СКВАЖИННОЙ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
ELECTROMAGNETIC PROTECTOR OF WELL INSTALLATION OF ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к нефтегазодобывающей области, в частности к методам и средствам защиты скважинных установок универсальных электроцентробежных насосов (УЭЦН) при добыче углеводородного сырья.
Сложный состав скважинного флюида обуславливается не только составами нефти и газа, но и условиями эксплуатации скважин, минералогическим составом пласта, а также периодичностью мероприятий по воздействию на пласт. Естественные гидратные и гидрато-углеводородные отложения отрицательно влияют на работу скважинной УЭЦН, снижая эффективность и наработку на отказ. В борьбе с этим явлением используются различные методы, основанные либо на механическом воздействии на отложения, либо на прогреве. В последнее время актуальными становятся способы электрофизического и электромагнитного воздействия на продукцию скважин.
Существуют способы и аппаратура, устанавливаемая на поверхности нефтепромысла, для предотвращения отложений (Пат. RU №2256063, МПК Е21В 37/00, опубл. 10.07.2005 г.). Согласно изобретению продукцию скважин перед сбором обрабатывают сложномодулированной последовательностью наносекундных электромагнитных импульсов пикосекундными фронтами с определенным диапазоном разности потенциалов, длительности, частоты повторений. Недостаток способа заключается в том, что он применяется для предотвращения отложений на этапе сбора уже добытой нефти между скважиной и нефтепроводом.
Известен малогабаритный высокоградиентный магнитный индуктор обработки нефти (МИОН), разработанный в НПО «ЛАНТАН» на основе постоянных магнитов: неодим-железо-бор и самарий-кобальт (Результаты использования магнитных индукторов обработки нефти при ее добыче и транспорте. - В.И.Бородин, Е.Н.Тарасов, А.В.Зимин и др. // Техника и технология добычи нефти. - 2004. - №4). В результате применения метода при омагничивании скважинной нефти существенно уменьшается скорость образования отложений на внутренней поверхности НКТ. Известная технология исключает горячие дорогостоящие промывки скважин, применение скребков и существенно снижает энергозатраты. Недостаток метода омагничивания скважинной нефти постоянными магнитами заключается в том, что в магнитном поле частицы отложений только ориентируются вдоль внешнего магнитного поля и слипаются в результате магнитного взаимодействия. Данный механизм считается недостаточно эффективным (Лесин В.И. «Нетепловое воздействие электромагнитных и акустических полей на нефть для предотвращения отложений парафинов». // Техника и технология добычи нефти. - 2004, - №1). Согласно данному источнику для усиления эффективности необходимо одновременно прикладывать действие сил скорости сдвига, возникающее при вибрации среды или от акустического воздействия. Создание дополнительных эффектов приведет к существенному усложнению оборудования и потребует существенных энергозатрат.
Известен способ предотвращения образований асфальтопарафиновых отложений и устройство для его реализации (Пат. RU 2348794 С2, МПК Е21В 37/00, опубл. 10.03.2009), принят в качестве прототипа заявляемого изобретения. Данное устройство обеспечивает электромагнитное воздействие на продукцию в скважине и/или часть продукции в системе сбора и транспорта продукции по трубопроводу. Причем воздействуют низкочастотными электромагнитными импульсами посредством ферромагнитного сердечника, имеющего контакт с продукцией скважины, например, посредством эксплуатационной колонны из ферромагнитного материала, а в системе сбора и транспорта продукции - посредством трубопровода из ферромагнитного материала, для этого используют размещенные на поверхности источник и излучатель электромагнитных импульсов соответственно: магнитострикционный генератор низкочастотный генератор переменной частоты и магнитострикционный преобразователь - индукционные катушки с отклоняющимся и переменным магнитным полем, в котором размещают часть ферромагнитного сердечника (часть упомянутой эксплуатационной колонны или часть упомянутого трубопровода). Электрическую энергию преобразуют в энергию изменяющегося магнитного поля. Изменяющаяся энергия магнитного поля в области низких частот (25 Гц-2 кГц) индуцирует в ферромагнетиках механическую энергию - магнитострикционный эффект. При этом подводят от сети ток (U-12-240 вольт) через систему защиты по току 1-25, 40, 63, 100 А (в зависимости от поставленных задач на нефтепромысловом объекте) и латром устанавливают необходимую силу тока для магнитострикционного низкочастотного генератора переменной частоты, которым меняют частоту тока от 25 Гц до 2 кГц дискретно или постоянно.
К недостаткам прототипа следует отнести его низкую эффективность. В случае размещения излучателя вблизи устья скважины он будет на достаточно большом удалении (500…2000 м) от скважинной УЭЦН, следовательно, энергия электромагнитной волны будет ничтожна в зоне УЭЦН, вследствие значительного затухания, и не окажет влияния на процесс формирования отложений. При размещении излучателя вблизи скважинной УЭЦН потребуется прокладка отдельной кабельной линии для подключения к магнитострикционному генератору, что сопряжено с дополнительным усложнением конструкции колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Также к недостаткам прототипа следует отнести ограниченность регулировок электромагнитных воздействий, отсутствие информационной обратной связи, обуславливающей эти регулировки.
Задачей изобретения является повышение эффективности защиты УЭЦН при добыче углеводородного сырья от естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений за счет генерации электромагнитного поля с регулируемыми параметрами, адаптированными к условиям эксплуатации, и формируемого непосредственно в зоне установки скважинной УЭЦН без усложнения конструкции НКТ.
Поставленная задача решается посредством электромагнитного протектора скважинной УЭЦН, содержащего излучатель электромагнитного сигнала с сердечником, соединенный с выходом генератора, причем к первому и второму выводным концам обмотки излучателя подключен варикап, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления. Второй выход устройства управления подключен ко входу генератора, а первый вход подключен к выходу блока спектроанализатора, вход которого соединен с третьим выводным концом обмотки излучателя. Вместе с тем третий выход устройства управления подключен к первому входу приемо-передающего блока, первый выход которого соединен с первым входом блока сопряжения, первый выход которого подключается к статорной обмотке погружного электродвигателя универсального электроцентробежного насоса, второй - ко входу блока питания, а третий - ко второму входу приемо-передающего блока, второй выход которого подключен ко второму входу устройства управления.
Согласно изобретению генератор формирует узкие импульсы с параметрами, задаваемыми устройством управления для обеспечения свободных резонансных колебаний в контуре излучателя.
Согласно изобретению управление емкостью варикапа осуществляет устройство управления в соответствии с заданными уставками.
Согласно изобретению блок спектроанализатора проводит оценку величины математического ожидания доминирующей частоты и дисперсии свободных колебаний, возникающих в контуре излучателя для формирования сигнала обратной связи в устройство управления.
Согласно изобретению информационная связь с оборудованием, расположенным на поверхности, осуществляется по совмещенному со статорной обмоткой и питающему кабелю погружного электродвигателя проводному каналу.
Согласно изобретению питание аппаратных средств электромагнитного протектора осуществляется от блока питания, который, в свою очередь, получает электроэнергию через блок сопряжения от статорной обмотки погружного электродвигателя.
В предложенном техническом решении защита скважинного УЭЦН от естественных отложений осуществляется посредством электромагнитного протектора (в дальнейшем - ЭМП). Принцип действия ЭМП целесообразно рассматривать исходя из теории магнитогидродинамического (МГД) резонанса [В.А.Присяжнюк. Физико-химические основы предотвращения кристаллизации солей на теплообменных поверхностях.// Сантехника, отопление, кондиционирование. 2003 г. - №10 - с.26-30]. В соответствии с этой теорией сила Лоренца, возникающая при пересечении с жидкостью магнитных силовых линий, способна вызвать структурную перестройку, если она попадет в резонанс с собственными колебаниями электрически заряженных частиц (молекул, ионов, свободных радикалов), входящих в состав жидкости. При этом инициируется объемное кристаллообразование и повышается его скорость, вместо кристаллообразования на инородной, по отношению к кристаллообразующему веществу, поверхности УЭЦН. Образовавшиеся в объеме флюида твердые частицы уносятся этим флюидом на поверхность. Очевидно что чем более разнороден состав флюида (растворы солей в воде, асфальтосмолистые соединения и парафины в нефти и газе), тем более разнообразными должны быть воздействия, приводящие к структурной перестройке флюида.
Иллюстрацией к заявленному устройству являются структурная схема на фиг.1 и осциллограмма сигналов генератора и излучателя на фиг.2.
На фиг.1 показано: 1 - варикап, 2 - электромагнитный излучатель с обмоткой и сердечником, 3 - генератор, 4 - блок спектроанализатора, 5 - устройство управления, 6 - приемо-передающий блок, 7 - блок питания, 8 - блок сопряжения с погружным электродвигателем (ПЭД), входящим в состав скважинного УЭЦН.
Применение варикапов - электрических конденсаторов с управляемой емкостью, достаточно широко распространено в радиоэлектронике (например, радио и телеприемники). Реализация блока спектроанализатора известна, например [Афонский А.А., Дьяконов В.П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. Под ред. проф. В.П. Дьяконова. М.: СОЛОН-Пресс, 2009 г.]. Построение схемы телеметрии с использованием совмещенного канала связи (статорная обмотка - силовой кабель ПЭД) возможно, что подтверждает серийный выпуск блоков телеметрии для ПЭД, например [Станции управления электродвигателями погружных насосов (ПЭД). Контакторы. Телеметрия. ЗАО «ЭЛЕКТОН» (2009 г.) URL: www.elekton.ru (дата обращения: 06.05.2010 г.)].
Заявленное устройство работает следующим образом. Перед спуском УЭНЦ в скважину устанавливают модуль ЭМП в нижней части ПЭД. Предварительно в устройстве управления 5, реализованном на базе жесткой или программируемой логики, формируют необходимые уставки.
ген
изл
Вся компоновка опускается в скважину, запускается УЭЦН. При появлении напряжения на статорной обмотке ПЭД, через блок сопряжения 8, блок питания 7 получает электроэнергию. Отбор незначительной части электрической мощности от ПЭД происходит посредством отвода от статорной обмотки или за счет прокладки дополнительной обмотки в пазах статора. При этом блок питания 7 обеспечивает электропитание аппаратных узлов и блоков ЭМП. Устройство управления 5 синхронизирует и управляет параметрами выходного сигнала генератора 3 (длительность, период повторения, амплитуда) в соответствии с заложенной программой и уставками. Программа работы устройства 5 формируется в зависимости от условий применения. Например, при значительном обводнении флюида велико содержание растворенных солей в пластовой воде. Соответственно, на основании физического моделирования, например, известна резонансная частота, при которой происходит интенсивная объемная кристаллизация солей. Устройство 5 управляет амплитудой генератора, а посредством варикапа 1 настраивает резонансную частоту системы излучатель - скважинная компоновка в соответствии с заданной уставкой по сигналам блока 4. Причем блок 4 оценивает математическое ожидание доминирующей частоты свободных колебаний и дисперсию. При этом устройство управления 5 запускает генератор 3 через случайные (в определенных пределах) интервалы времени для формирования в объеме нестационарного поля, что приводит к более эффективному объемному кристаллообразованию. Выше приведенный пример иллюстрирует фиг.2. Здесь U - временная диаграмма импульсов с выхода генератора 2, U - осциллограмма сигналов, возникающих в излучателе.
В случае если в контуре излучатель - среда необходимо поддерживать несколько частотных режимов, устройство 5 программируют на последовательное переключение этих режимов.
Задача приемопередатчика 6 обеспечить передачу на поверхность по каналу связи (блок сопряжения - статорная обмотка ПЭД - силовой кабель) телеметрических сигналов на поверхность, характеризующих работоспособность ЭМП и прием уставок и команд для устройства 5 с поверхности.
Таким образом, заявленное устройство позволяет обеспечить эффективную защиту скважинной УЭЦН от естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений за счет генерации электромагнитного поля с регулируемыми параметрами, адаптированными к условиям эксплуатации, и формируемого непосредственно в зоне установки скважинной УЭЦН без усложнения конструкции НКТ.