Система линейной электропогружной насосной установки
LINEAR ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMPING SYSTEM

Изобретение относится у области добычи полезных ископаемых, в частности, к системам и способам мониторинга и управления работой погружного насосного оборудования, такого как погружная насосная установка с линейным вентильным электродвигателем.
Из уровня техники известно, что на сегодняшний день линейные электродвигатели нашли применение во многих отраслях промышленности, в частности, в нефтедобывающей промышленности, где эффективно используются в качестве приводов для плунжерных погружных насосов.
Из патентов на изобретения: UA 118287 от 26.12.2018, UA 118520 от 25.01.2019, RU 2615775 от 11.04.2017, а также заявок на изобретения WO/2019/108160 от 11.07.2018, US 20170284177 A1 от 05.10.2017 известны погружные насосные установки с трехфазным линейным вентильным электродвигателем, где в расточке статора установлена подвижная часть (слайдер), который выполнен из постоянных магнитов и приводится в движение под воздействием бегущего магнитного поля статора.
Контрольно-измерительные системы для скважинных электрических погружных насосов являются неотъемлемой частью погружного оборудования. Обычно контрольно-измерительные системы запитываются путем подачи постоянного напряжения на все три проводника трехфазного кабеля, по которому подается питание на двигатель насоса. В результате в проводниках трехфазной системы питания поддерживается постоянное напряжение (в среднем).
При этом известные системы сталкиваются с проблемой чистоты передаваемого на поверхность сигнала, обеспечением питания высоковольтных приборов измерительных систем, а также ограничениями по типам передаваемых данных.
Таким образом, существует потребность в улучшенной системе питания и передачи данных скважинных контрольно-измерительных приборов по трехфазному силовому кабелю, по которому подается питание на двигатель насоса.
Из патента на изобретение RU 2465456 C2 от 14.07.2008 известна система питания скважинных приборов, содержащая трехфазный силовой кабель, проходящий с поверхности в скважину и способный обеспечивать питание трехфазного двигателя с определенным напряжением и частотой. Источник питания, подключенный к трехфазному силовому кабелю и способный вырабатывать переменный ток для питания приборов, передаваемый по всем трем проводникам трехфазного силового кабеля; и прибор, подключенный к трехфазному силовому кабелю с использованием емкостной связи с возможностью получения по нему переменного тока питания прибора. Величина напряжения, которого ниже величины напряжения питания трехфазного двигателя, а частота больше частоты напряжения питания трехфазного двигателя.
Система, в которой двусторонняя передача данных по трехфазному силовому кабелю обеспечивается путем прерывания переменного тока питания прибора, сдвига частоты или модуляции переменного тока питания прибора.
Система, в которой прибор включает по меньшей мере один измерительный субблок, предназначенный для измерения рабочей характеристики или для управления некоторым устройством, и модуль выдачи сигналов, связанный с по меньшей мере одним измерительным субблоком с возможностью передачи данных по трехфазному силовому кабелю.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести передачу сигнала со сдвигом частот, что может привести к искажению сигнала, также устройство дополнительных блоков может привести к увеличению габаритов насосной установки.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является создание системы линейной электропогружной насосной установки с улучшенной системе питания и передачи данных скважинных контрольно-измерительных приборов.
Технический результат, достигнутый от реализации заявленного изобретения заключается в повышении точности и расширении эксплуатационных возможностей измерительной системы погружной насосной установки с линейным электродвигателем.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в двухстороннюю схему питания и передачи набора данных от погружного блока телеметрии к наземному блоку включен набор индуктивных элементов соединенных между собой с образованием нулевой точки. Указанная схема передачи сигнала образует цепь, замкнутую через землю, которая включает погружной блок телеметрии связанный через нулевую точку трехфазной обмотки линейного электродвигателя и нулевую точку указанного набора индуктивных элементов с наземным блоком телеметрии и управляющим устройством. При этом набор передаваемых данных включает, по меньшей мере, параметры температуры и/или давления скважинного флюида, и/или параметры усилия на плунжере погружного насоса, и/или параметры работы линейного электродвигателя. При этом канал передачи данных содержит по меньшей мере одну линию связи с частотой передачи данных, близкой к частоте питания линейного погружного электродвигателя.
В одно из вариантов реализации изобретения управляющее устройство выполнено высоковольтным с напряжением питания более 380В и с изолированной нейтралью, а также встроенным трансформатором питания внутреннего оборудования.
Также в одном из вариантов реализации изобретения, управляющее устройство выполнено низковольтным, с напряжением до 380В, при этом в схему передачи сигнала включен повышающий трансформатор с вторичной обмоткой соединенной в звезду.
Канал передачи данных содержит, по меньшей мере, высоковольтную и низковольтную составляющие, где высоковольтная составляющая выполнена с возможностью передачи высокочастотного сигнала, отличающегося от частоты питающего напряжения линейного электродвигателя.
Высоковольтная составляющая канала передачи данных связана с источниками питания, по меньшей мере, части элементов погружного блока системы телеметрии, и другим оборудованием погружной части с питанием от высокого напряжения.
Набор передаваемых данных включает параметры вибрации от возвратно-поступательного движения элементов линейного электродвигателя, а также изменение параметров активной и/или реактивной составляющей тока обмотки линейного электродвигателя.
Сущность заявленного изобретения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг. 1 – принципиальная схеме системы погружной насосной установки с высоковольтным управляющим устройством;
фиг. 2 – принципиальная схеме системы погружной насосной установки с низковольтным управляющим устройством.
Заявленная система линейной погружной насосной установки          (фиг. 1; 2) включает погружную 1 и наземную 2 части, трехфазный силовой кабель 3, проходящий от наземной части 2 к погружной 1. Указанный кабель 3 выполненный с возможностью питания линейного электродвигателя 4 связанного с плунжерным насосом 5 погружной части 1 с заданным напряжением и частотой, сгенерированными посредством управляющего устройства 6 наземной части 2.
Управляющее устройство 6 подключено к трехфазному силовому кабелю 3, выполнено преимущественно в виде станции частотного управления электродвигателем, конструкция и основные свойства которой известны из уровня техники.
Управляющее устройство 6 может быть выполнено высоковольтным (фиг. 1) с напряжением питания более 380 В и с изолированной нейтралью, а также встроенным трансформатором питания внутреннего оборудования (не оказан).
Также управляющее устройство 6, может быть выполнено низковольтным (фиг. 2), с напряжением до 380 В, при этом в схему передачи сигнала включен повышающий трансформатор 9 с вторичной обмоткой соединенной в звезду.
Также насосная установка оснащена системой телеметрии, которая включает наземный 7 и погружной 8 блоки, при этом, погружной блок с набором измерительных элементов подключен к наземному блоку с возможностью питания и передачи набора данных.
Наземный блок выполнен в виде отдельного модуля контроллера, который может быть встроен в конструкцию управляющего устройства 6 либо вынесен за его приделы в виде отдельного устройства. Наземный блок 7 выполнен с возможностью сбора и обработки сигналов от погружного блока 8 системы телеметрии. Указанные наземный блок 7 может бить выполнен как самостоятельное управляющее устройство с блоками обработки сигналов и формирования команд управления (не показаны). Также указанный наземный блок 7 может быть выполнен в виде передающего звена оснащенного проводными и беспроводными интерфейсами связи.
Погружной блок содержит по меньшей мере один модуль, установленный в нижней части линейного электродвигателя 4. Также погружной блок может содержать дополнительный модуль (на изображениях не показан), установленный на выходе плунжерного насоса 5.
Погружной блок содержит, по меньшей мере, датчики температуры и давления масла электродвигателя, датчики температуры и давления скважинной жидкости, датчики вибрации электродвигателя, элементы системы охлаждения устройств погружного блока 8.
Погружная 1 и наземная 2 части насосной установки образуют  двухстороннюю схему питания и передачи набора данных.
Переда данных выполняют от погружного блока 8 системы телеметрии к ее наземному блоку 7.
В указанную двухстороннюю схему может быть включен повышающий трансформатор 9 (фиг. 1) обеспечивающих разрыв электрической цепи с передачей сигналов через магнитное поле обмоток. Также в указанную схему включают набор 10 (фиг. 2) индуктивных элементов соединенных между собой с образованием нулевой точки, что позволяет сформировать единый сигнал в ходе в наземный блок 7 системы телеметрии.
Указанная схема передачи сигнала образует цепь, замкнутую через землю. Сформированная цепь, включает упомянутые ранее погружной блок 8 телеметрии, связанный через нулевую точку трехфазной обмотки 11 линейного электродвигателя 4 и нулевую точку указанного набора 10 индуктивных элементов и/или нулевую точку вторичной обмотки трансформатора 9 с наземным блоком 7 системы телеметрии и управляющим устройством 6.
При этом набор передаваемых данных включает, по меньшей мере, параметры температуры и/или давления скважинного флюида, и/или параметры усилия на плунжере погружного насоса, и/или параметры работы линейного электродвигателя.
Набор передаваемых данных, также включает параметры вибрации от возвратно-поступательного движения элементов линейного электродвигателя, а также изменение параметров активной и/или реактивной составляющей тока обмотки линейного электродвигателя. Что позволяет обеспечить точность определения положения слайдера линейного электродвигателя, а также усилий на элементах насосной установки в режиме реального времени
Передача сигнала в описанной схеме осуществляется посредством измерительного канала 12 передачи данных.
При этом указанный канал 12 передачи данных содержит по меньшей мере одну линию связи с частотой передачи данных, близкой к частоте питания линейного погружного электродвигателя, что позволяет исключить помехи в сигнале.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения, канал передачи данных содержит, по меньшей мере, высоковольтную 13 и низковольтную 14 составляющие, где высоковольтная составляющая выполнена с возможностью передачи высокочастотного сигнала, отличающегося от частоты питающего напряжения линейного электродвигателя 4. Высоковольтная составляющая 13 канала 12 передачи данных связана с источниками питания, по меньшей мере, части элементов погружного блока 8 системы телеметрии, и другим оборудованием погружной части требующим питания от высокого напряжения.
При обеспечении питания заявленной системы от высоковольтного управляющего устройства (фиг. 1) в схему включают только набор 10 индуктивных элементов, через нулевую точку которого в канал передачи данных включают наземный блок 7 системы телеметрии.
При обеспечении питания заявленной системы от низковольтного управляющего устройства (фиг. 2) в схему включают повышающий трансформатор 9, через нулевую точку вторичной обмотки которого в канал передачи данных включают наземный блок 7 системы телеметрии, также в схему может быть дополнительно включен набор 10 индуктивных элементов для защиты наземного блока 7 системы телеметрии от аварийных перенапряжений.
Реализация заявленного изобретения позволяет повысить точности передаваемых сигналов и расширить эксплуатационные возможностей измерительной системы погружной насосной установки с линейным электродвигателем.