УСТАНОВКА ДЛЯ ПИТАНИЯ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И/ИЛИ НАГРЕВА СКВАЖИННОЙ ЖИДКОСТИ
INSTALLATION FOR POWER SUPPLY OF IMMERSED ELECTRIC ENGINE AND/OR WELL FLUID HEATING

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к конструкции многофункциональной установки для одновременного питания погружного электродвигателя (ПЭД) и обогрева скважинной жидкости, или раздельного выполнения указанных действий. Может быть использовано на промыслах при механизированной добыче нефти из скважин.
В уровне техники наиболее широко известны кабельные линии, выполняющие по отдельности роль питающего ПЭД кабеля и кабельные линии для нагрева, которые прокладываются параллельно в скважину вдоль насосно-компрессорных труб (НКТ).
Однако в последнее время разработаны и установки, обеспечивающие одновременное питание погружного электродвигателя и нагрев пластового флюида.
Известны кабельные линии для подачи электроэнергии с поверхности земли (от станции управления) к погружному электродвигателю ПЭД [1]. Указанная кабельная линия состоит из основного питающего кабеля (круглого или плоского) и соединенного с ним плоского кабеля-удлинителя с муфтой кабельного ввода. При этом токопроводящие жилы основного кабеля и кабеля-удлинителя выполнены медными. Необходимость выполнения токопроводящих жил медными обусловлена тем, чтобы минимизировать омическое сопротивление проводов для минимизации тепловых потерь кабельной линии (медь из широкодоступных материалов имеет наименьшее удельное электрическое сопротивление
Однако при добыче высоковязкой нефти или при добыче нефти, осложненной асфальтеносмолопарафиновыми отложениями (АСПО), возможен перегрев ПЭД, основного кабеля и кабеля-удлинителя вследствие увеличения токовой нагрузки из-за снижения оборотов двигателя (подклинивания), а значит возможен электрический пробой, что приводит к необходимости замены кабеля и/или ПЭД. Это приводит к снижению надежности работы и к повышенным материальным затратам.
Известна установка в виде кабельной линии для обогрева скважинной жидкости, состоящая из связанных между собой низкотемпературного и нагревательного участков кабеля [2]. Свободные концы низкотемпературного участка соединены с источником питания, а свободные концы нагревательного участка кабеля соединены между собой для образования замкнутой электрической цепи и изолированы. При этом нагревательный участок выполнен из трех последовательных участков кабеля, каждый из которых включает три токопроводящие жилы разных фаз, одна из которых - нагревательная, выполнена с большим сопротивлением, чем две смежные низкотемпературные жилы соединяемых участков нагревательного участка кабеля. В местах сростки верхнего участка со средним и среднего участка с нижним токопроводящие жилы соединяются с трансмиссией нагревательной жилы таким образом, чтобы участки нагревательной жилы по длине кабельной линии последовательно располагались в токопроводящих жилах разных фаз.
Указанная конструкция известной установки в виде кабельной линии обеспечивает прогрев скважинной жидкости, находящейся в области нагревательного участка кабеля.
Однако указанная кабельная линия является сложной в изготовлении, предполагает изготовление кабеля с жилами из разных материалов, множество дополнительных сростков токопроводящих жил с высокими температурными нагрузками, что в жестких скважинных условиях может привести к нарушению изоляции в этих местах, замыканию и к выходу из строя всей кабельной линии. Таким образом, такая конструкция является недостаточно надежной.
Кроме того, обогрев скважинной жидкости известной установкой в виде кабельной линии будут осуществлять только ее жилы с наибольшим омическим сопротивлением (например, центральная стальная жила), а остальные служат лишь для образования электрической цепи, не выделяя тепла. Тем самым дорогостоящий материал с низким удельным сопротивлением используется не эффективно.
Также известна система для одновременного питания погружного электродвигателя и обогрева скважинной жидкости [3], состоящая из ПЭД, станции управления, согласующего силового трансформатора и соединяющей их кабельной линии. Кабельная линия состоит по меньшей мере из двух участков электрического кабеля, один из которых подсоединен к наземным блокам питания и станции управления, а второй - к ПЭД, между которыми размещен нагревательный участок кабеля, токопроводящие жилы которого электрически последовательно соединены с токопроводящими жилами электрического кабеля. В качестве электрического кабеля может быть использован кабель-удлинитель с муфтой кабельного ввода для подсоединения к ПЭД. Токопроводящие жилы нагревательного участка кабеля выполнены стальными, а токопроводящие жилы электрического кабеля - медными. Сопротивления каждой токопроводящей жилы нагревательного участка кабеля и фазное напряжение питания всей системы в целом определяются по приведенным математическим выражениям. При этом в номинальном режиме активные мощности ПЭД и нагревательного участка кабеля распределяются поровну, и именно при таком условии ПЭД имеет максимальный КПД при питании от источника переменного тока с фиксированной амплитудой напряжения. Указанная известная система обеспечивает высокую надежность работы при добыче нефти различной вязкости, в том числе высоковязких с большим содержанием смолистых веществ, за счет обеспечения снижения величины пускового тока, а также за счет саморегулирования силы тока, проходящего через ПЭД и через нагревательный участок кабеля благодаря наличию отрицательной обратной связи по току, а также благодаря учету зависимости силы тока от вязкости перекачиваемой жидкости и от ее температуры.
Однако указанная известная система имеет некоторую сложность в выполнении, в связи с использованием в своей конструкции составного кабеля из различных участков, что в определенных скважинных ситуациях может привести к нарушению изоляции в этих местах.
Кроме того, указанная известная система должна иметь в своем составе более мощное оборудование для управления работой ПЭД (номинальная мощность станции управления и повышающего трансформатора должны быть как минимум в два раза больше).
Кроме того повышающий трансформатор должен быть рассчитан на более высокое напряжение (от 2000 В) по сравнению с трансформатором (ТМПН) для питания ПЭД.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по назначению является устройство для нагрева нефтедобывающей скважины [4], содержащее нагревательный кабель, насосное и наземное оборудование, причем насосное оборудование, предназначенное для подъема пластовой жидкости, содержит погружной насос с электродвигателем, а наземное оборудование содержит трансформатор, подающий напряжение на электродвигатель погружного насоса через нагревательный кабель, который одним концом соединен с электродвигателем погружного насоса, а другим концом - с трансформатором наземного оборудования. Указанное известное устройство обеспечивает упрощение конструкции для нагрева нефтедобывающей скважины за счет применения одного кабеля в качестве нагревательного элемента и силового кабеля, питающего электродвигатель.
Недостатком указанного известного устройства является то, что использование нагревательного кабеля в качестве силового в этом устройстве может привести к быстрому выходу из строя и трансформатора, и погружного электродвигателя, т.к. в местах их соединения с указанным кабелем будет всегда повышенная температура (нагревательный кабель по своему определению имеет повышенную теплоотдачу), что у трансформатора может привести к возникновению электрической дуги и пробою, а у ПЭД может произойти перегрев кабельной муфты и замыкание токоведущих частей, что может привести к остановке двигателя и потребности скважины в подземном ремонте.
Недостатком известного устройства также является необходимость применения высоковольтного трансформатора ТМПН, рассчитанного на напряжение более 2000 В, что вызывает более высокие требования к изоляции кабеля.
В известном устройстве невозможна независимая работа по прогреву скважины и вращение ПЭД. Прогрев без вращения (работы) двигателя ПЭД невозможен, т.к. нагревательный кабель и ПЭД соединены последовательно.
Саморегулирование известного устройства возможно лишь в небольшом диапазоне токов и напряжений, и при критических нагрузках на ПЭД возможно его заклинивание, вследствие ограничения максимального тока устройства.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в расширении функциональных и технологических возможностей установки за счет обеспечения возможности управления работой установки в зависимости от складывающихся обстоятельств, возникающих при обслуживании скважины, а именно нагревом совместно с питанием ПЭД или только нагревом, или только питанием ПЭД при использовании одного и того же кабеля, при одновременном увеличении периода безаварийной работы и обеспечении вписывания подземной части установки в габариты ствола скважины.
Указанный технический результат достигается предлагаемой установкой для питания погружного электродвигателя и/или нагрева скважинной жидкости, включающей насосное оборудование, предназначенное для подъема пластовой жидкости и состоящее из погружного насоса с погружным электродвигателем, наземное оборудование в виде источника питания, станции управления и согласующего трансформатора и электрическую линию связи, соединяющую наземное и насосное оборудование, при этом, согласно изобретению, установка дополнительно содержит станцию управления нагревом, которая состоит из блока управления, низкочастотного генератора, обеспечивающего диапазон частот 5-200 кГц, выпрямителя и силовых выходных ключей, включенных по мостовой или полумостовой схеме, и два согласующих устройства, первое из которых является наземным и соединено через свои два входа со станцией управления нагревом и согласующим трансформатором соответственно, а через выход - с электрической линией связи, а второе согласующее устройство является погружным и посредством электрической линии связи через вход соединено с первым согласующим устройством, а через выход - с погружным электродвигателем, а в качестве электрической линии связи установка содержит погружную кабельную линию, при этом частота, излучаемая станцией управления нагревом, лежит в диапазоне частот 5-200 кГц, а эквивалентная емкость обоих согласующих устройств находится в пределах 0,2-200 мкФ.
Поставленный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что заявляемая установка дополнительно содержит станцию управления нагревом с излучаемым частотным диапазоном 5-200 кГц и два согласующих устройства, разнесенных в пространстве по погружной кабельной линии, обеспечивается возможность частотного воздействия на участок кабеля, находящийся между указанными согласующими устройствами. В результате такого воздействия будет происходить нагрев токами из указанного диапазона частот только этого участка кабеля, без увеличения температуры на конечных участках кабельной линии, где она соединяется с трансформатором и с ПЭД. Благодаря этому исключается перегрев клемм трансформатора и клемм ПЭД, а значит - увеличится период безаварийной работы установки по сравнению с известным устройством по прототипу.
Выполнение первого согласующего устройства наземным и включенным в следующую электрическую схему: его два входа соединены со станцией управления нагревом и трансформатором соответственно, а выход - с электрической линией связи, обеспечивает возможность управления работой предлагаемой установки в зависимости от складывающихся обстоятельств, возникающих при обслуживании скважины, например, при ремонте или при промывке. При эксплуатации проблемных скважин, осложненных АСПО, возникают ситуации, когда необходимо производить нагрев ствола скважины и флюида (скважинной жидкости) без подъема жидкости (например, подготовка скважины к запуску для того, чтобы вследствие нагрева снизить вязкость жидкости и обеспечить более мягкие условия для работы ПЭД) или производить нагрев совместно с питанием ПЭД, когда скважина уже вышла на режим, и необходимо поддерживать стационарное тепловое поле ствола скважины, или производить только питание ПЭД, когда параметры добычи позволяют производить на каком-то отрезке времени подъем жидкости без нагрева (тем самым возможна экономия электроэнергии). Указанные выше операции возможно производить при использовании одного и того же кабеля. Например, при работе всех узлов установки происходит нагрев скважинной жидкости совместно с питанием ПЭД; при отключении станции управления нагревом этой же установкой обеспечивается только питание ПЭД (такая ситуация возникает при необходимости, если нужно отключить прогрев скважины и оставить ПЭД в работе), а при отключении ПЭД можно оставить нагрев скважины в работе (такая ситуация возникает при работе скважины с периодическим режимом работы по откачке жидкости). Таким образом, без переналадки установки, без подъема узлов из ствола скважины обеспечивается расширение ее функциональных и технологических возможностей. Это достигается также благодаря включению в конструкцию установки и второго согласующего устройства, выполненного погружным и посредством электрической линии связи через вход соединенным с первым согласующим устройством, а через выход - с погружным электродвигателем.
Благодаря тому, что в качестве электрической линии связи установка содержит погружную кабельную линию или единый погружной кабель, изготовленный по технически регламентирующему документу именно для питания ПЭД, обеспечивается,
во-первых, возможность применения одного (единого) кабеля в качестве нагревательного строго на определенном участке и питающего, без использования, например, составного кабеля из участков с малым и большим сопротивлением, что делает работу установки более надежной, не зависящей, как в известных устройствах, от качества сростки отдельных участков кабеля;
а во-вторых, исключается перегрев клемм трансформатора и ПЭД (т.к. к ним подходят участки кабеля без нагрева), что также влияет на безаварийность работы.
Рекомендуемая частота не ниже 5 кГц и не выше 200 кГц, выдаваемая станцией управления нагревом, обеспечивает нагрев кабельной линии, но при этом не мешая работе ПЭД, работающим на частоте 50 Гц.
Второе согласующее устройство является погружным и посредством электрической линии связи в заданном диапазоне частот осуществляет проводимость токов, поступающих от станции управления нагревом кабеля, а именно: закорачивает на себя токи более высоких частот, не реагируя на токи для питания электродвигателя.
Кроме того, учитывая, что одно из согласующих устройств размещается в стволе скважины, оно должно помещаться в свободном пространстве между НКТ и обсадной колонной. При разработке конструкции предлагаемой установки необходимо было, чтобы габариты этого второго согласующего устройства вписывались в это ограниченное пространство скважины. И экспериментальным путем было установлено, что это возможно только в том случае, если эквивалентная емкость обоих согласующих устройств (наземного и погружного) будет находиться в пределах 0,2-200 микрофарад. Изменение этого предела в меньшую сторону не обеспечит необходимых параметров для прогрева скважинной жидкости, а увеличение в большую сторону не позволит беспрепятственно работать ПЭД, т.к. увеличение емкости приведет к уменьшению импеданса системы на частоте 50 Гц и может привести к клину двигателя.
Выполнение станции управления нагревом, состоящей из блока управления, низкочастотного генератора, обеспечивающего диапазон частот 5-200 кГц, выпрямителя и силовых выходных ключей, включенных по мостовой или полумостовой схеме, обеспечивает работоспособность всей установки в плане обеспечения нагрева.
Предлагаемая установка иллюстрируется чертежом, где показана ее общая схема.
Заявляемая установка для питания ПЭД и/или нагрева скважинной жидкости состоит из погружного электродвигателя 1 (например, марки ПЭДНЗ 2-96-1000-00), станции управления 2 (например, марки БОРЕЦ-01 УМВ или БОРЕЦ - 04М), согласующего силового трансформатора 3 (например, ТМПН 100/1,17), станции управления нагревом 4 (содержащей блок управления, низкочастотный генератор с диапазоном частот 5-200 кГц, выпрямитель, силовые выходные ключи, соединенные по мостовой или полумостовой схеме), наземного согласующего устройства 5, содержащего набор конденсаторов необходимой емкости, соединенных параллельно, и последовательно соединенную с указанной батареей конденсаторов катушку индуктивности; погружного согласующего устройства 6, также содержащего набор конденсаторов необходимой емкости, соединенных параллельно между токопроводящими жилами кабеля; и погружной кабельной линии 7 (например, из кабеля питания типа КПпБП 120 3×10). Наземное согласующее устройство 5 и погружное согласующее устройство 6 пространственно разнесены вдоль указанной кабельной линии 7 на расстояние 8, а их эквивалентная емкость находится в пределах 0,2-200 мкФ. Учитывая, что габариты погружного согласующего устройства 6 должны быть небольшие, вписывающиеся в ствол скважины, то емкость наземного согласующего устройства 5 должна быть минимальной и в то же время должна обеспечивать протекание токов с частотами от 5 кГц до 200 кГц.
Ниже приведем пример возможной реализации предлагаемой установки и расчет ее параметров согласующих устройств 5 и 6.
экв
Эквивалентная емкость согласующих устройств С рассчитывается по следующей формуле
где f - рабочая частота выходных ключей станции управления нагревом (Гц),
R - полное сопротивление петли кабеля питания ПЭД (Ом).
2
Например, при длине погружной кабельной линии 1200 м, выполненной из кабеля марки КПБП 3×10 мм, сопротивление петли кабеля по постоянному току, образованное токопроводящими жилами погружной кабельной линии для питания ПЭД и электрической связью в погружном согласующем устройстве 6, составляет R=3,9 Ом.
экв
Тогда при рабочей частоте f=10 кГц С по формуле (1) составит приблизительно 2 мкФ (микрофарад).
Величина индуктивности L наземного согласующего устройства 5 рассчитывается из условия выполнения резонанса, когда эквивалентное емкостное сопротивление равно индуктивному
L
c
X=X или  откуда
экв
При С=2 мкФ, по формуле (2), L=0,13 мГн (миллигенри).
Наземное согласующее устройство 5 имеет два входа 9 и 10 и один выход 11, при этом вход 9 соединен с трансформатором 3, второй вход 10 - с системой управления нагревом 4, а выход 11 - с кабельной линией 7. А погружное согласующее устройство 6 соединено посредством кабельной линии 7 через вход с наземным согласующим устройством 5, а через выход - с погружным электродвигателем 1.
Предлагаемая установка работает следующим образом. Установку собирают на дневной поверхности. Для этого берут станцию 2 управления, например, марки БОРЕЦ-01УМВ или БОРЕЦ - 04М, согласующий трансформатор 3, например, марки ТМПН - 100/1,17, соединяют его с наземным согласующим устройством 5 посредством кабельной линии 7. Наземное согласующее устройство 5 соединяют со станцией управления нагревом 4 и посредством кабельной линии 7 - с погружным согласующим устройством 6, которое в свою очередь соединяется с погружным электродвигателем 1. В качестве кабеля для соединения согласующего устройства 6 с ПЭД 1, преимущественно, используют кабель-удлинитель 12. Последний снабжен муфтой кабельного ввода 13, посредством которой его подсоединяют к ПЭД 1. Спускают в скважину последовательно насосное оборудование с ПЭД 1, далее - подземное согласующее устройство 6. На установку подают переменный ток мощностью 20-100 кВт. И одновременно запускают в работу станцию управления нагревом 4, генерирующую частоты от 5 кГц-200 кГц. В наземном согласующем устройстве 5 происходит сложение двух токов: тока для питания электродвигателя частотой 50 Гц и тока для осуществления нагрева кабельной линии частотами от 5 кГц-200 кГц. Погружное согласующее устройство 6 служит для замыкания через себя и обеспечения электрической связи для токов частотой от 5 кГц-200 кГц, и одновременно это устройство 6 обеспечивает свободное прохождение с входа на выход токов частотой 50 Гц для питания ПЭД. При этом напряжение с частотами от 5 кГц-200 кГц не оказывает влияния на работу ПЭД, вследствие высокого индуктивного сопротивления, указанного ПЭД. В результате не происходит помех для работы ПЭД, и осуществляется управляемый прогрев нагревательного участка кабельной линии (между согласующими устройствами). Подавать питание на ПЭД можно независимо от потребности в прогреве и включать нагрев и регулировать его мощность можно также независимо от того, работает ПЭД или нет. Благодаря этому происходит работа (питание) ПЭД и одновременно нагрев скважинной жидкости, или только нагрев, или только питание ПЭД. В этом и состоит критерий отнесения заявляемой установки к многофункциональной установке.
Таким образом, предлагаемая установка характеризуется следующими преимуществами перед известной по прототипу:
- расширением ее функциональных и технологических возможностей за счет обеспечения работы с одним кабелем по вариантам: питание ПЭД и нагрев скважинной жидкости, только питание ПЭД, только нагрев, причем без переналадки установки, без подъема узлов из ствола скважины, в то время как подобные универсальные функции не обеспечивают известные аналоги;
- обеспечением стабильной безаварийной работы в течение длительного времени за счет исключения перегрева клемм ПЭД и трансформатора;
- выполнением всех подземных узлов с габаритными размерами, вписывающимися в диаметр скважины.
Источники информации
1. В.Н.Ивановский и др. Оборудование для добычи нефти и газа. М., РГУ «Нефти и газа» им. И.М.Губкина, 2002 г., часть I, с.557-558.
2. Патент РФ на полезную модель №61935, кл. Н01В 7/18, опубл. 2007 г.
3. Патент РФ на изобретение №2353753, кл. Е21В 36/04, опубл. 2009 г.
4. Патент РФ на полезную модель №66778, кл. Е21В 43/24, опубл. 2007 г.