Кабельная система для установки добычи нефти
CABLE SYSTEM FOR OIL PRODUCTION INSTALLATION

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к системам для питания погружного электродвигателя (ПЭД) и одновременного обогрева скважинной жидкости, с целью ликвидации асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в скважинах. Может быть использовано на промыслах при механизированной добыче нефти из скважин, оборудованных установкой электроприводного центробежного насоса (УЭЦН).
Известна кабельная линия и нагревательный кабель по патенту РФ на полезную модель № 33257, Н01В7/18, H02G1/14, 2003. Кабельная линия, включает низкотемпературный кабель и нагревательный кабель, состоящие из изолированных термостойкой оболочкой токопроводящих жил, имеющих разное электрическое сопротивление, при этом токопроводящие жилы нагревательного кабеля выполнены многопроволочными и с одного конца соединены попарно с жилами низкотемпературного кабеля неразъемным соединением посредством металлической гильзы, а со свободного конца нагревательного кабеля токопроводящие жилы соединены между собой для образования замкнутой электрической цепи и изолированы. При этом на изолированные токопроводящие жилы кабельной линии по всей ее длине последовательно уложены общая изоляционная формообразующая оболочка, подушка под броню и броня. Недостаток полезной модели заключается в том, что кабель состоит из двух участков- низкотемпературного кабеля и нагревательного кабеля, соединенных между собой. При этом низкотемпературный кабель подключается к источнику питания на поверхности колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), а жилы нагревающего кабеля со свободного конца соединяются в «звезду», образуя замкнутую цепь. Таким образом, полезная модель не позволяет осуществить одновременное питание погружного электродвигателя, и прогрев колонны НКТ, а может применяться только в качестве нагревателя для путевого прогрева скважинной жидкости.
Известна система для питания погружного электродвигателя и обогрева скважинной жидкости  по патенту РФ на изобретение № 2353753, E21B36/04,  Н01В7/18, 2007. Система состоит из погружного электродвигателя, станции управления, согласующего силового трансформатора и соединяющей их кабельной линии. Кабельная линия состоит по меньшей мере из двух участков электрического кабеля (ЭК), один из которых подсоединен к наземным блокам питания и станции управления, а второй – к ПЭД, между которыми размещен нагревательный участок кабеля (НУК), токопроводящие жилы которого электрически последовательно соединены с токопроводящими жилами электрического кабеля. В изобретении токопроводящие жилы нагревательного участка выполнены стальными и последовательно соединяются с медными жилами кабельного удлинителя, что вызывает существенное падение напряжения на нагревательной части кабеля и необходимость в трудоемком подборе рабочего напряжения, в 1,7-2 раза превышающего рабочее значение электродвигателя. Недостатком изобретения является сильная зависимость мощности нагрева от рабочего тока двигателя, что может привести к низкой эффективности нагрева при малых токах, и как следствие, отложению парафина или газогидратов. Это понижает надежность работы системы.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана  кабельная линия установки по добыче нефти по патенту РФ на полезную модель №30388, E21B43/00, 2002, состоящая из электрического кабеля для питания погружного электродвигателя и нагревательного кабеля для депарафинизации насосно-компрессорной трубы, прокладываемых между собой параллельно по наружной поверхности последней, каждый из которых содержит изолированные токопроводящие жилы, подушку под броню и броню из металлической ленты. Изолированные жилы электрического и нагревательного кабелей имеют общую броню. Работа установки по добыче нефти с данной кабельной линией недостаточно надежна, кроме того осуществляется недостаточно эффективный прогрев скважинного флюида. Это обусловлено несогласованностью рабочего тока двигателя и мощности нагрева. В полезной модели нагревательные жилы соединяются последовательно между собой, образовывая петлю на одном конце, а на другом подключаются к источнику питания. Из-за этого, при питании жил электрического и нагревательного кабеля от одного источника, возникает дисбаланс токов по фазам, вызванный наличием нагревательной петли в двух фазах трехфазной цепи, что может привести к нестабильной работе ПЭД и выходу его из строя.  Кроме того, сложность последовательного соединения нагревательных жил в месте сростка кабеля с кабельным удлинителем понижает надежность кабельной линии.
Технической задачей изобретения является повышение надежности работы установки добычи нефти.
Кабельная система для установки добычи нефти, содержащая совмещенный кабель, в котором расположены жилы для питания погружного электродвигателя и жилы для нагрева колонны НКТ, место сростки этих жил, согласно изобретению, совмещенный кабель образует участок кабельной линии, на котором нагревательные жилы расположены коаксиально по отношению к питающим и образуют с ними параллельное соединение, одни концы нагревательных и питающих жил соединены между собой в месте сростки, которое, для подключения к погружному электродвигателю соединено с питающим кабельным удлинителем, вторые концы нагревательных и питающих жил совмещенного кабеля имеют раздельное подключение, причем питающие жилы подключены к трансформатору, а нагревательные жилы подключены к реле нагрева и соединены в «звезду».
Технический результат обеспечивается тем, что в кабельной системе для установки добычи нефти в совмещенном кабеле нагревательные жилы расположены коаксиально по отношению к питающим. Это обеспечивает возможность их надежного соединения с использованием соединительных гильз, что влияет на надежность работы установки добычи нефти. При параллельном соединении нагревательных и питающих жил, с увеличением нагрузки на ПЭД, которое может быть вызвано наличием парафиновых отложений, увеличивается ток в нагревательных жилах. Это приводит к росту тепловыделения нагревательных жил, что позволяет повысить температуру на внутренней стенке НКТ выше температуры плавления парафина, удалить парафиновые отложения, увеличить проходное сечение лифтовых труб и снизить нагрузку на насос и загрузку  ПЭД. Зависимость мощности нагрева от токовой нагрузки двигателя позволяет саморегулировать температуру нагревательных жил в совмещенном кабеле в зависимости от условий эксплуатации, повышая надежность работы ПЭД и как следствие, работу всей установки добычи нефти. Раздельное подключение концов нагревательных и питающих жил совмещенного кабеля так же направлено на повышение надежности работы системы. Питающие жилы подключают к трансформатору, а нагревательные жилы подключают к реле нагрева и соединяют в «звезду». Это позволяет использовать реле нагрева в качестве ключа, замыкающего и размыкающего нагревательные жилы в зависимости от температуры, контролировать и регулировать нагрев кабеля. За счет этого исключается перегрев кабеля и предотвращается его выход из строя, тем самым повышая надежность работы установки добычи нефти.
На фигуре 1 представлено поперечное сечение совмещенного кабеля при многопроволочном исполнении питающих жил.
На фигуре 2 представлено поперечное сечение совмещенного кабеля при однопроволочном исполнении питающих жил.
На фигуре 3 изображена электрическая схема соединений в кабельной системе установки добычи нефти.
Кабельная система для установки добычи нефти содержит совмещенный кабель 1, клеммную коробку 2, содержащую клеммы 3 и реле нагрева 4, питающий кабельный удлинитель 5, место сростки 6 совмещенного кабеля 1 с питающим кабельным удлинителем 5. Совмещенный кабель 1 состоит из  трех нагревательных жил 7, выполненных в виде проволоки. Каждая жила покрыта изоляцией 8. При многопроволочном исполнении питающей жилы 9, вокруг каждой нагревательной жилы 7  проложены проволоки питающей жилы 9. В многопроволочном исполнении питающей жилы 9 в поперечном сечении проволоки этой жилы образуют кольцо вокруг нагревательной жилы 7. Нагревательная жила 7 оказывается установленной коаксиально по отношению к  кольцевой группе проволок питающей жилы 9, пространственное положение продольной оси нагревательной жилы 7 совпадает с положением продольной оси кольцевой группы проволок питающей жилы 9. При  однопроволочном исполнении питающей жилы 9, нагревательная жила 7 выполнена в виде ленты или оплетки. И расположена коаксиально по отношению к питающей жиле 9, т.е., пространственное положение продольной оси питающей жилы 9 совпадает с пространственным положением продольной оси нагревательной жилы 7 выполненной в виде ленты или оплетки. Каждая питающая жила 9 покрыта двухслойной изоляцией 10. На коаксиально расположенные группы питающих 9 и нагревательных 7 изолированных жил накладывают подушку под броню 11 в виде ленты и общую броню 12. Совмещенный кабель 1 имеет уплощенную форму, преимущественно с параллельным расположением верхней и нижней поверхностей. Жилы нагревательные 7 изготавливают из меди или алюминиевого сплава. Изоляцию 8 изготавливают из фторированного этилен-пропилена (FEP) или полимерного материала с рабочей температурой не менее 200ºС. Питающие жилы 9 изготавливают из меди или алюминиевого сплава. Двухслойную изоляцию 10 изготавливают из блоксополимера пропилена с этиленом. Подушку под броню 11 выполняют из нетканого полотна в виде ленты и обматывают ею коаксиально расположенные группы питающих 9 и нагревательных 7 жил, с перекрытием площади витков не менее 50%. Общую броню 12 выполняют из оцинкованной стальной ленты. На одном конце совмещенного кабеля 1 питающие жилы 9 подключают к трансформатору ТМПН 13 через клеммы 3  в клеммной коробке 2, там же нагревательные жилы 7 замыкают в звезду через реле нагрева 4. На другом конце совмещенного кабеля 1 нагревательные 7 и питающие 9 жилы замыкают накоротко с жилами питающего кабельного удлинителя 5, образуя место сростки 6. Для этого с питающих 9 и нагревательных 7 жил снимают изоляцию, плотно скручивают между собой и вставляют в гильзу с одного конца. С другого конца в гильзу вставляют жилы питающего кабельного удлинителя 5 и обжимают. В питающем кабельном удлинителе 5 присутствуют только жилы для питания двигателя. Питающий кабельный удлинитель 5 через муфту кабельного ввода подключают к двигателю ПЭД 14.
От единого источника питания в системе управления УЗЦН 15 скважины подают напряжение на трансформатор 13, соединенный с кабельной системой. В совмещенном кабеле 1 по питающим жилам 9 подают питание на ПЭД 14, при этом ток в нагревательных жилах 7 составляет примерно 45% от тока на выходе трансформатора 13, а остальные 55% составляет рабочий ток двигателя 14 в питающих жилах 9. С помощью нагревательных жил 7 производят нагрев поверхности НКТ. При возрастании нагрузки на ПЭД 14, которая вызвана наличием парафиновых отложений, возрастает значение силы тока в двигателе 14, происходит нагрев как питающих жил 9, так и нагревательных жил 7. Происходит нагрев материала нагревательных жил 7, от которых повышается температура материала НКТ и происходит плавление парафиновых отложений. При плавлении парафиновых отложений, увеличивается проходное сечение НКТ и нагрузка на ПЭД 14 снижается. Предельную температуру нагрева нагревательных жил 7 регулируют с помощью  реле нагрева 4.
3
Кабельная система может быть применена на скважинах оборудованными типами двигателей с мощностью от 15 до 40 кВА и рабочим напряжением от 1000 до 1300 В, с ограничением по дебиту 30 м/сут. Предлагаемая конструкция кабельной системы обеспечивает одновременное питание ПЭД и нагрев скважины для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений, что позволяет исключить необходимость применения двух кабелей, кабельных вводов, дополнительной станции управления нагревом и сопутствующего оборудования, повысить надежность системы за счет сокращения узлов и количества соединений. Кроме того, это позволяет снизить трудоемкость монтажа. Кабельная система для установки добычи нефти по наружному габариту аналогична стандартным силовым кабелям, технология монтажа так же не требует разработки новых решений. Это позволяет применять стандартное оборудование для прокладки кабеля вдоль наружной поверхности насосно-компрессорных труб, использовать один кабельный ввод, имеющиеся станцию управления и трансформатор ТМПН. Так же кабельную систему можно применять в малогабаритных скважинах, где невозможно совместное размещение нагревательных и питающих кабелей ввиду малого расстояния между НКТ и эксплуатационной колонной.
Таким образом, кабельная система для установки добычи нефти повышает надежность работы установки для добычи нефти.