Устройство электропитания дополнительной скважинной аппаратуры
POWER SUPPLY DEVICE FOR ADDITIONAL DOWNHOLE EQUIPMENT

В современной нефтегазовой отрасли широко используются технологические силовые электрифицированные скважинные установки с кабельным подключением. Эти установки обладают достаточной мощностью и функционируют в условиях ограниченного скважинного пространства в жестких эксплуатационных условиях. К такими характерными установками относятся - электробуровые агрегаты, установки электропогружных насосов, установки прямого термического воздействия. Вместе с тем, существующая конъюнктура в добывающих отраслях постоянно требует повышения эффективности существующих технологий. Одним из направлений повышения эффективности является расширение функциональных возможностей известных установок путем использования дополнительных технических средств в их составе. Так, например, в бурении перспективным направлением является включение, в состав буровых компоновок, управляемых отклонителей, в добывающих технологиях - дополнительные физические воздействия, различные клапанные системы и др. Очевидно, что дополнительная аппаратура должна органично встраиваться в существующие установки, что подразумевает разумное усложнение конструктивов и отсутствие существенных технологических ограничений. Важнейшей предпосылкой применения дополнительной аппаратуры является организация ее электропитания с использованием силовых цепей электрифицированной скважинной установки, т.к. использование отдельного кабеля, в целом ряде случаев, неприемлемо из-за больших материальных и технологических затрат на укладку дорогостоящего кабеля и высокую вероятность повреждения кабеля при спуске установки в скважину
Известна система управления добычей углеводородов [Патент РФ №2440488, МПК Е21В 43/14, опубл. 27.02.2011 г. Бюл. №6], устанавливаемая на уровне пласта и содержащая блок анализа и логики, управляющий исполнительным устройством (электроклапан - устройство для регулирования добычи из нижнего пласта). Система включает также автономный источник питания, обеспечивающий функционирование всех ее устройств и механизмов. Для подзарядки источника питания необходимо остановить все оборудование скважины, прекращая добычу флюида, спустить кабель в скважину и подключить его к системе на уровне ее установки, что требует больших затрат, приводит к простою.
Известна система управления добычей углеводородного сырья [Патент РФ №2487994, МПК Е21В 47/00, опубл. 27.01.2013 г. Бюл. №3], в которой от наземного источника дистанционного питания по независимой сигнальной цепи передают питание на блок погружной (БП), содержащий усилитель, источник питания и блок контроля скважинный. Источник питания БП обеспечивает преобразование электрической энергии дистанционного питания для энергообеспечения функционирования всей скважинной аппаратуры, а также осуществляет подавление наведенных в сигнальной цепи электромагнитных помех. По этой же цепи осуществляют прием/передачу информации на блок контроля скважинный. Цепь электропитания образована транзитным изолированным проводником, проложенным между пакетом статора и корпусом погружного электродвигателя (ПЭД), соединенным, с другой стороны, через узел токоввода с сигнальной жилой погружного кабеля, которая в наземной части подключается к источнику дистанционного питания и к приемопередающему блоку. Питание ПЭД осуществляют по другой цепи, независимой от сигнальной цепи. Недостатком данного технического решения является необходимость прокладки дополнительной сигнальной жилы в погружном кабеле, что требует применения нестандартных дорогих кабелей и специализированных узлов герметичного ввода кабеля в ПЭД, также необходимы дополнительные трудозатраты по проводке отдельной дополнительной жилы в статоре ПЭД, что в сумме требует значительных материальных затрат.
Известна система передачи телеметрической информации [Патент РФ №2230187, МПК Е21В 47/12, Н04В 3/54, опубл. 10.06.2004 г. Бюл. №24], содержащая блок наземный (БН) и подземное передающее устройство (ПУ). БН содержит источник питания, управляющее устройство для приема, обработки данных от ПУ и передачи команд на ПУ и монитор тока. Подземное устройство содержит подключенное к вводу/выводу ПУ устройство питания и передачи данных, двунаправлено соединенное с устройством сбора и передачи информации (устройство управления), к входам которого подключены измерительные устройства. Питание от источника питания БН на устройство питания и передачи данных и измерительные устройства ПУ поступает по цепи питания погружного электродвигателя (ПЭД): ввод/вывод БН - электрический кабель - ПЭД - ввод/вывод ПУ. Устройство питания и передачи данных по данному патенту состоит из резисторов, стабилизатора напряжения, электронного ключа. Система не обеспечивает возможность подключения к ПУ энергоемкого оборудования. Предел передаваемых мощностей по кабелю питания ПЭД ограничен. Это связано с тем, что приходится иметь относительно высокое выходное сопротивление источника питания для выделения в ПУ передаваемого сигнала телеметрии на фоне передачи энергии по питающему кабелю. Кроме того, неравномерное потребление энергии силовой нагрузки энергоемкими устройствами создает помехи в линии питания ПЭД и делает невозможной передачу данных.
Известна система приема/передачи информации и электрической энергии к исполнительным приборам и механизмам при эксплуатации скважин для добычи флюида [Патент РФ №2571867, МПК Е21В 47/00, опубл. 27.12.2015 г. Бюл. №36].В этой системе содержится блок наземный (БН), подключенный к модулю погружному (МП) по цепи питания погружного электродвигателя для передачи энергии малой мощности для функционирования МП и двунаправленной передачи данных. БН содержит источник питания (ИП), устройство управления блока наземного (УУБН) и монитор тока (МТ), а МП содержит устройство питания и передачи данных (УПД) и устройство управления модуля погружного (УУМП), обрабатывающего данные хотя бы одного измерительного устройства. К недостаткам данного технического решения следует отнести существенное ограничение по мощности электропитания и сложность реализации.
Известна установка для обеспечения электропитания скважинной аппаратуры путем размещения в статорной обмотке погружного электродвигателя дополнительной обмотки [Патент РФ №2570870, МПК Е21В 37/00; 41/02, опубл. 10.12.2015 г. Бюл. №34]. Установка включает электромагнитный излучатель, двухканальный генератор, электронный блок управления, имеющий выход, подключенный к входу генератора, блок сопряжения с погружным электродвигателем, датчики параметров скважинной среды, подключенные к блоку управления. Достоинство установки - получение электропитания непосредственно в скважинной компоновке при незначительном усложнении конструкции электродвигателя. Недостаток - ограничение по мощности из-за конструктивных ограничений для дополнительных обмоток (ограниченность свободного пазового пространства, в котором размещена основная обмотка).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей дополнительной скважинной аппаратуры за счет оптимального электропитания увеличенной мощности, повышения надежности ее функционирования и эксплуатационного ресурса, улучшения электробезопасности и электромагнитной совместимости.
Указанный технический результат достигается устройством электропитания дополнительной скважинной аппаратуры, включенной в состав хотя бы одной, силовой скважинной установки, подключенной силовыми цепями к силовому кабелю, содержащим трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с силовыми цепями скважинной установки, а вторичная обмотка которого подключена ко входу выпрямителя. К выходу этого выпрямителя подключены выход электронного ключа и вход фильтра, к выходу последнего подключены цепи питания дополнительной аппаратуры, а также подключен вход обратной связи импульсного регулятора, выход которого соединен со входом электронного ключа.
Согласно изобретению, электронный ключ в устройстве может быть выполнен с возможностью работы на синхронной или кратной рабочей частоте силовой цепи, а соединенный с ним импульсный регулятор может быть выполнен с обратной связью и с возможностью работы в заданном режиме. .
Характерной особенностью технологических силовых электрифицированных скважинных установок с кабельным подключением, помимо указанных выше, является достаточно высокое напряжение, которое на них подается. Соответственно, подключение напрямую в условиях скважинной компоновки технически сложной, с гетерогенной структурой аппаратуры является трудновыполнимой задачей, особенно с учетом факторов надежности и ресурса. Еще один важный аспект - обеспечение гальванической развязки цепей питания аппаратуры и силовых цепей для выполнения условий электробезопасности и минимизация электромагнитных помех. С точки зрения функционирования силовых цепей устройства питания аппаратуры не должны создавать существенных помех их функционированию. Несущественные изменения в энергобалансе и некоторые особенности функционирования могут быть априорно учтены при управлении силовыми установками.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 представлены принципиальные схемы физической модели силовых цепей скважинной установки с подключением элементов предлагаемого устройства, на фиг. 3 - структурная схема устройства, на фиг. 4 - функциональная схема варианта устройства для случая трехфазной силовой цепи.
На фиг. 1 схематично представлена силовая цепь, нагруженная на электродвигатель, элемент нагревателя или другое устройство, схематично обозначенное как комплексное сопротивление Zt, первичная обмотка трансформатора (Т) - W1, вторичная обмотка Т-W2, эквивалентная нагрузка цепей электропитания дополнительной аппаратуры - Zн. К силовой цепи с Т приложено напряжение - U, к первичной обмотке Т приложено напряжение -U1, на вторичной -U2. В первичной цепи Т протекает ток -I, во вторичной-I2. Упростим представленную схему, воспользовавшись известной схемой замещения трансформатора [Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с]. Примем приемлемые в данном случае допущения при условии, что все величины принимают комплексные значения:
1
2
r = r'= 0 - приведенные активные сопротивления обмоток Т;
s1
s2
x = x' = 0 -приведенные индуктивности рассеяния обмоток Т;
U1 = E1 = E2' = U2’ - приведенные значения эдс и напряжений обмоток.
Тогда схема, представленная на фиг.1, может быть преобразована в эквивалентную схему на фиг.2. Для нее:
I = I2' + Im; где - Im = U/Zm - ток намагничивающего контура Т, а Zm - параметры этого контура,I2' - приведенное значение тока I2. Тогда:
U1 = U2' = Zн'(I - Im).
Поскольку в реальности:
U = var; I = var; Zн = var; Zt = var - эти параметры переменны, существует необходимость регулирования выходного напряжения питания. Для этого предлагается использовать электронный ключ К, которым управляет, например, широтно-импульсный модулятор с обратной связью, например, по среднему значению выходного напряжения питания (фиг. 2). Посредством ключа К меняется режим работы первичной обмотки Т, при замкнутом ключе КU1 = 0,и не происходит отбор мощности к выходным цепям питания. При разомкнутом ключе КU2'/Zн'= I-Im. Изменяя скважность работы ключа К, обеспечивают постоянство среднего значения напряжения питания.
Следует отметить, что в принципе возможны различные режимы работы ключа К - импульсные режимы потребления в самой дополнительной скважинной аппаратуре (ДСА),неисправности, которые приведут к отключению вторичной обмотки Т. Это несущественно повлияет на работу силовой цепи в целом, т.к. в этом случае намагничивающий контур Т быстро войдет в насыщение и, соответственно, Zm ≈ 0 и его влияние на работу силовой цепи будет минимально.
Рассмотрим более предметно работу предлагаемого устройства. На фиг. 3 показано: 1 - кабельное подключение, 2 - силовая скважинная установка, 3 - трансформатор, 4 - выпрямитель, 5 - электронный ключ, 6 - импульсный регулятор с обратной связью, 7 - фильтр, 8 - цепи электропитания дополнительной аппаратуры.
При протекании тока в силовой цепи от кабельного подключения 1 через силовую скважинную установку 2 и трансформатор (Т) 3в первичной обмотке Т 3 наводится эдс, которая трансформируется во вторичную обмотку, в соответствии с коэффициентом трансформации, формируя на выходе Т 1 напряжение, которое подается на вход полупроводникового выпрямителя (В) 4. С выхода В 4 выпрямленное напряжение поступает на вход фильтра (Ф) 7, где осуществляется фильтрация выпрямленного напряжения и его подача на вход цепей питания 8. Электронный ключ (ЭК) 5 управляется импульсным регулятором (ИР) 6, на вход обратной связи которого подается сигнал со второго выхода фильтра. ИР 6 может работать в различных режимах, в том числе, в режиме стабилизации, режиме программного управления, режиме удаленного управления (если в составе аппаратуры есть канал связи). Управление осуществляется изменением состояния ЭК 5 (замкнут/разомкнут) в функции сравнения сигнала обратной связи на входе ИР 6 и внутреннего опорного сигнала, формируемого в зависимости от режима работы ИР 6. При замкнутом ЭК 5 ток в силовой цепи проходит транзитом, и уровень напряжения на входе Ф 7 равен 0. В этот момент цепи 8 обеспечиваются энергией, накопленной в Ф 7. При размыкании ЭК 5 протекание тока в силовой цепи продолжается, при этом появляется напряжение на входе Ф 7 и далее в цепях 8. Изменяя соотношение открытого и закрытого состояния ЭК 5 (изменение скважности работы),регулируют выходное напряжение. Следует отметить, что тактовую частоту работы ЭК 5 целесообразно синхронизировать с рабочей частотой силовой цепи (один в один или кратно). Выпрямитель 4 в данном случае выполняет роль аналогового коммутатора, преобразуя переменный ток со вторичной обмотки Т 3 в униполярный для упрощения схемного построения устройства.
Рассмотрим функциональную схему варианта устройства для случая трехфазной силовой цепи (Фиг. 4), используя подходы, изложенные выше. Здесь Zt1, Zt2, Zt3-компоненты скважинной силовой установки; W11, W12, W13 - первичные обмотки Т 3; W21, W22,W23 - его вторичные обмотки. Выпрямитель реализован по трехфазной мостовой схеме на диодах VD1 … VD6, фильтр - на L, C. Устройство содержит импульсный регулятор ИР 6 и электронный ключ 5, выполненный на транзисторе VT1. Принцип работы схемы, представленной на фиг. 4, заключается в следующем. Полагаем, что Zt1, Zt2, Zt3 - это статорные обмотки ПЭД, последовательно с которыми включены первичные обмотки W11, W12, W13 трехфазного трансформатора, соединенные в звезду. К выходу вторичных обмоток W21, W22, W23, также соединенных в звезду, подключен выпрямитель на диодах VD1 … VD6, который выполняет функцию электронной коммутации совместно с транзистором VT1, которым управляет ИР 6. При замкнутом транзисторе VT1 концы статорных обмоток ПЭД через обмотки трансформатора замыкаются в звезду, вторичное напряжение практически равно нулю и отбор мощности в цепь электропитания дополнительной аппаратуры не происходит. По сути дела, в данном случае мы имеем аналог известного режима измерения тока в силовой цепи посредством трансформаторов тока. При разомкнутом транзисторе VT1 появляется напряжение на вторичных обмотках трансформатора в соответствии с заданных коэффициентом трансформации, которое преобразуется выпрямителем из переменного в постоянное и подается на вход сглаживающего фильтра на L, C. Фильтр осуществляет накопление энергии и обеспечивает постоянство протекания тока в цепях электропитания дополнительной аппаратуры в цикле работы открыт/закрыт транзистора VT1. В данном случае статорные обмотки ПЭД также замыкаются в звезду, но уже через нагрузку цепей электропитания дополнительной аппаратуры. Изменяя соотношение между закрытым и открытым состоянием транзистора VT1, регулируют величину выделяемой мощности. Целесообразно, для уменьшения электромагнитных помех, частоту переключения транзистора VT1 выбирать синхронной или кратной частоте силовых цепей.
Следует отметить, что оптимальное соотношение мощностей силовых цепей и мощности электропитания дополнительной аппаратуры лежит в интервале от 50:1 до 10:1. Это объясняется возможностью выделения, с одной стороны - достаточной мощности для обеспечения функционирования дополнительной аппаратуры, а с другой - не определяющим влиянием на силовые цепи, которое легко компенсируется при необходимости. Так, например, при мощности ПЭД 40 кВт можно выделить от 0,8 до 4 кВт для питания дополнительной аппаратуры, что при других подходах проблематично.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет:
1. Создать необходимые условия в части обеспечения электропитания для дополнительной аппаратуры в составе скважинной электрифицированной силовой установки без использования отдельного кабеля для этой аппаратуры.
2. Обеспечить гальваническую развязку компонентов дополнительной аппаратуры от силовых цепей.
3. Обеспечить относительно высокий диапазон мощностей, выделяемых из силовых цепей, при импульсном принципе регулирования, имеющим высокий кпд, что позволит дополнительной аппаратуре решить широкий круг задач.