Скважинная установка для добычи высоковязкой нефти
DOWNHOLE INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF HIGH-VISCOSITY OIL

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено для воздействия на призабойную зону скважины с целью снижения вязкости скважинного флюида, перед приемом погружного насоса, для повышения его производительности и предупреждения образования асфальтено-парафино-гидратных отложений.
Наибольшее практическое распространение получили методы, основанные на воздействии на скважинный флюид тепловым и электромагнитного полем, химреагентами. Для формирования теплового поля широко используют нагреватели прямого действия (разогрев элементов при непосредственном протекании электрического тока через них) и индукционный нагрев(при косвенном нагреве элементов конструкции вихревыми токами при воздействии высокочастотного магнитного поля).Использование индукционного нагрева элементов конструкции, расположенных в скважинном пространстве, уступает в части кпд прямому нагреву, тем не менее, интерес к этому методу не ослабевает. Объяснение кроется в следующем. При использовании нагревателей прямого действия, для достижения требуемого эффекта необходима значительная мощность. Например, согласно [Стрункин С. И. и др. «Применение установок прогрева призабойного пласта УППЗ-30 на объектах ПАО «Оренбургнефть», ж. «Инженерная практика», №12/2015г.] мощность нагревателя поддерживалась на уровне 25 кВт. При использовании индукционных нагревателей, в ряде случаев, имеет место комбинированное воздействие – тепловым и электромагнитным полем. Тем самым имеются предпосылки для повышения энегоэффективности процесса за счет совмещения теплового и электромагнитного воздействия (тепловое поле увеличивает подвижность сложных молекул углеводородов, а электромагнитное поле способствует разрыву связей в их структуре).
Известна скважинная установка [Патент РФ №2710057 С1, МПК Е21В 43/24, 36/04, опубл. 24.12.2019г.],состоящая из нагревателя, насоса, трубы НКТ, клапанов, патрубков, кабеля силового и геокабеля, устьевой арматуры, станции управления, трансформатора. Станция управления поддерживают заданную температуру нагревателя, нагреватель устанавливается под насосную установку, при этом нагрев производят постоянно или кратковременно-циклично, а температурой нагрева управляют с помощью системы управления, нагреватель выбирают индукционного и/или резистивного принципа действия. Достоинством данного решения является автоматизация и возможность оптимизации управляющих воздействий на основе информационной обратной связи. К недостаткам следует отнести необходимость применения двух кабелей, что создает трудности при размещении и монтаже оборудования в скважине и в процессе запуска и функционирования технологического процесса. В случае использования индукционного нагревателя отсутствует возможность независимого регулирования параметров теплового и электромагнитного воздействия на скважинный флюид.
Известен индукционный скважинный нагреватель [Патент РФ № 2721549 С1, МПК Е21В/36/04, Н05В6/10, опубл.20.05.2020г.], который содержит корпус, выполненный из немагнитного материала, и соосно размещенный в нем с образованием кольцевой полости сердечник. Магнитопровод выполнен в виде тороидальных магнитопроводов - элементов из трансформаторной стали, размещенных непрерывно по всей длине сердечника. Токопроводящий провод размещен поверх магнитопровода непрерывной обмоткой.  Один конец корпуса снабжен токовводом.  Нижний торец корпуса сочленен с узлом гидрокомпенсации. Нагреватель выполнен с возможностью соединения вверху и внизу с телеметрической системой. Достоинством устройства является его универсальность технологического применения. Недостатком устройства является необходимость в дополнительном кабеле, помимо силового, при использовании погружного насоса с электроприводом, а также ограниченность верхнего диапазона частот электромагнитного воздействия из-за высокочастотного экранирования наружного корпуса.
Известна система для питания погружного электродвигателя и обогрева скважинной жидкости [Патент РФ № 2353753 С1, МПК Е21В 36/04, Н01В 7/18, опубл.27.04.2009г.], которая состоит из погружного электродвигателя (ПЭД), 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 стокопроводящими  жилами  ЭК.  В качестве ЭК может быть использован кабель-удлинитель с муфтой кабельного ввода для подсоединения к ПЭД. Токопроводящие жилы НУК выполнены стальными, а токопроводящие жилы ЭК -  медными.  Сопротивления каждой токопроводящей жилы НУК и фазное напряжение питания всей системы  в  целом  определяются  по  приведенным математическим выражениям. При этом в номинальном режиме активные мощности ПЭД и НУК распределяются поровну, именно при таком  условии  ПЭД  имеет максимальный  КПД  при  питании  от  источника  переменного  тока  с  фиксированной амплитудой  напряжения. Достоинством данной системы является универсальность применения силового кабеля. Недостатком является невысокая эффективность процесса нагрева в силу ограниченности температуры, площади поверхности НУК (невелика удельная энергия) и выбора положения в скважине.
Известна установка [Патент РФ № 98042 U1, МПК Е21В 36/04, опубл. 27.09.2010,], состоящая из погружного электродвигателя ПЭД, станции управления, согласующего силового трансформатора,  станции  управления  нагревом,  содержащей  блок  управления, генератор  с  диапазоном  частот  5-200  кГц,  выпрямитель,  силовые выходные  ключи,  соединенные  по  мостовой  или  полумостовой  схеме;  наземного согласующего устройства, содержащего набор конденсаторов необходимой емкости, соединенных  параллельно,  и  последовательно  соединенную  с  указанной  батареей конденсаторов  катушку  индуктивности;  погружного  согласующего  устройства, также  содержащего  набор  конденсаторов  необходимой  емкости,  соединенных параллельно между токопроводящими жилами кабеля; и погружной кабельной линии. Наземное согласующее устройство и погружное согласующее  устройство пространственно разнесены от поверхности до ПЭД. Установка использует один кабель для подключения ПЭД и скважинного нагревателя, осуществляя разделение электроэнергии между ними по частоте. Данное техническое решение основано на положении классической электротехники, согласно которому при соединении двух последовательных LC контуров, настроенных в резонанс, их сопротивление будет минимальным на резонансной частоте и максимально на других частотах (определяется добротность контуров). Соответственно, высокочастотная энергия должна поступать в нагреватель, а низкочастотная в ПЭД.  Достоинство устройства – универсальность использования силового кабеля. Главный недостаток устройства – существенные трудности в практической реализации, заключающиеся в том, что очень сложно настроить два контура на поверхности и в скважине в резонанс, т.к. на резонанс, помимо параметров контуров, влияют паразитные вариативные параметры – емкости и индуктивности кабеля, трансформатора и ПЭД. Практически сложно обеспечить достаточную добротность контуров, обеспечение их высокой габаритной мощности в условиях ограниченных габаритов скважинного пространства,
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является многофункциональная автоматическая комплексная станция интеллектуальной скважины [Патент РФ №128894 U1, МПК Е21/В 47/00, опубл.10.06.2013г.], включающая погружное оборудование, состоящее из погружного насоса с погружным электродвигателем, погружной греющей кабельной линии, электрической линии связи, и наземное оборудование, состоящее из управляющего устройства, соединенного через входы и выходы  с  наземным  и  погружным  оборудованием,  с возможностью  управления  погружным  электродвигателем  и  кабельным  нагревом. В станции имеется высокочастотный генератор с возможностью передачи энергии к индуктору в скважине по отдельным силовым цепям, модуль связи с возможностью управления, приема и передачи данных по каналам связи, емкость дляхранения реагента, насос-дозатор, манометр, уровнемер, трубопроводная арматура, индуктор, погружная греющая  кабельная  линия, дополнительно снабженная капиллярным трубопроводом. Погружная телеметрия подключена к дополнительным силовым цепям индуктора. Достоинством данного технического решения является возможность достаточно эффективного комплексного воздействия на добываемый флюид. Недостатки заключаются в следующем. Это, во-первых, наличие, как минимум двух силовых кабелей – для нагрева и подключения привода насоса, совместно с индуктором, специальным кабелем, содержащим отдельные жилы для подключения погружного электродвигателя и индуктора (необходимость в специальном кабеле ограничивает промышленное применение), что существенно усложняет процесс спуско-подъемных операций и создает трудности в размещения скважинного оборудования в ограниченном скважинном пространстве. Во-вторых, использование индуктора для нагрева и электромагнитного воздействия одновременно не позволяет регулировать независимо параметры этого воздействия. В-третьих, размещение высокочастотного генератора на поверхности с подключением индуктора, посредством достаточно длинной линии, сопровождается существенным затуханием и потерями подводимой энергии из-за распределенных параметров длинной линии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности технологического процесса добычи высоковязкой нефти электропогружными насосами за счет снижения стоимости погружного оборудования, повышения его надежности, упрощения спуско-подъемных операций.
Указанный технический результат достигается скважинной установкой для добычи высоковязкой нефти, состоящей из станции управления с регулятором мощности, которая подключена к промышленной питающей электрической сети, трансформатора, погружного электродвигателя, обеспечивающего привод погружного насоса, блока телеметрии, блока электромагнитного излучателя (индуктора).Станция управления своим выходом подключена ко входу силового трансформатора, выход которого силовым кабелем соединен со входом погружного электродвигателя. В составе скважинной установки имеется тепловой радиатор, осуществляющий термическое воздействие на скважинный флюид, блок управления и блок подключения. Блок подключения своим первым входом подключен в выходу погружного электродвигателя, а выходом соединен с первым входом блока электромагнитного излучателя, первым входом блока радиатора и первым входом-выходом блока телеметрии. Второй вход-выход блока телеметрии соединен с первым входом-выходом блока управления, а второй выход блока управления подключен ко второму входу блока радиаторов, а третий его выход подключен ко второму входу блока электромагнитного излучателя и четвертый выход соединен со вторым входом блока подключения.
Согласно изобретению, блок подключения, вход которого соединен с выходом погружного электродвигателя, а выход которого подключен к блоку радиатора и блоку электромагнитного излучателя, позволяет управлять режимом работы скважинной установки.
Согласно изобретению, блок телеметрии, соединенный через блок подключения с выходом погружного электродвигателя, обеспечивает полудуплексную связь по совмещенному с цепями силового кабеля каналу связи.
Согласно изобретению, погружной электродвигатель вместе с силовым кабелем образуют дополнительный нагревательный элемент для скважинного флюида.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема установки, на фиг.2 – компоновочная схема, на фиг.3– упрощенная блок-схема алгоритма функционирования установки, на фиг.4 и фиг.5 – функциональные схемы вариантов реализации блока подключения.
Установка (фиг.1,2) содержит: 1 – станция управления с регулятором мощности(СУ), 2 – трансформатор силовой (Т), 3 – погружной электродвигатель с погружным насосом (ПЭД), 4 – блок подключения (БП), 5- блок телеметрии (БТ), 6 – блок радиатора (БР), 7 – блок электромагнитного излучателя (индуктор), в дальнейшем - БЭМ; 8 – блок управления (БУ), 9 – тепловой изолятор, 10 – центратор, 11 – обсадная труба, 12 – приемный модуль погружного насоса.
Рассмотрим функционирование установки, опираясь на упрощенную блок-схему алгоритма (фиг.3). Полагаем, что установка должна работать в комплексном режиме – тепловое и электромагнитное воздействие на скважинный флюид, наряду с его откачкой, при установившихся параметрах. При этом, блок 5 осуществляет контроль параметров флюида, параметров ПЭД 3, БР 6, БЭМ 7 и передает измерительную информацию по совмещенному с силовыми кабельными цепями каналу связи в СУ1 и по локальной сети в БУ 8, а также транслирует команды и уставки в БУ 8. БП 4 осуществляет распределение подводимой электрической мощности и регулирует параметры воздействий, исходя из команд и уставок СУ 1, транслируемых БТ 5, между БР 6 и БЭМ 7, при этом СУ 1 регулирует параметры подводимой мощности с учетом режима работы всех устройств. БУ 8 также может работать в автоматическом режиме, в соответствии с заданным алгоритмом, используя информационную обратную связь от БТ 5.
Работа установки при, так называемом, унитарном режиме, имеет два варианта. Первый вариант – воздействие тепловым и электромагнитным полем на скважинный флюид без его подъема насосом на поверхность, что, например, возможно при повторно-кратковременном процессе подъема флюида, когда скорость его притока из пласта в скважину не соответствует производительности насоса. В этом варианте станция управления 1 переходит, посредством регулятора напряжения, в режим пониженного напряжения при поддержании тока в силовой цепи близким, например, к номинальному значению. Для ПЭД 3 - этот режим известен как режим опытного короткого замыкания [Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов – М.: Энергоатомиздат, 1986.-360с].В этом варианте процесс воздействия сопровождается контролем состояния флюида в скважинном пространстве. При достижении заданных значений происходит возврат в самое начало цикла, т.е. принятия решения о характере продолжения процесса.
Второй вариант – только подъем скважинного флюида. Здесь БП 4 минимизирует мощность, подаваемую на БР 6 и БЭМ 7. Практически вся подводимая мощность прикладывается к ПЭД. Этот вариант хорошо известен и широко применяется при добыче углеводородов с приемлемой вязкостью.
Для дополнительного пояснения работы установки служит фиг. 2 и фиг.4, 5.
Согласно приведенного варианта схематичной компоновочной схемы расположения оборудования в скважинной части (фиг.2), в основании ПЭД 3, последовательно расположены БП 4, БТ 5, БУ 8, БЭМ 7 и далее через тепловой изолятор 9–БР 6.Через тепловой изолятор 9 в состав компоновки включен центратор10 для позицирования в обсадной колонне 11.
В соответствии с вариантом реализации БП 4(фиг.4),ко вторичным обмоткам трансформатора - WT-A, WT-B, WT-C, через силовой кабель подключены входные цепи статорных обмоток ПЭД 3 – WD-A, WD-B, WD-C. К выходным цепям этих обмоток подключены элементы БР 6 – R1, R2, R3, соединенные в трехфазную звезду. Параллельно к выходным цепям обмоток ПЭД 3 включены, входящие в состав БП 4, электронный коммутатор (ЭК), состоящий из трехфазного мостового выпрямителя на диодах VD1 … VD6 и коммутирующего транзистора VT, управляемого БУ 8. Цепи питания БЭМ 7 схематично показаны в виде Rn. При замыкании VT статорные обмотки ПЭД 3 соединяются в трехфазную звезду через Rn, а элементы R1, R2, R3 - шунтируются. При размыкании VT статорные обмотки ПЭД 3 замыкаются в трехфазную звезду через элементы БР6. В данном случае распределение мощности, подаваемой в БР 6, осуществляется в соответствии с соотношением замкнутого и разомкнутого состояния ЭК. В замкнутом состоянии вся мощность прикладывается к обмоткам ПЭД 3 и Rn, в разомкнутом – распределяется между ПЭД 3 и БР 6. Целесообразен режим работы ЭК с относительно высокой тактовой частотой, порядка единиц килогерц. Это вполне возможно с учетом инерционности тепловых процессов в БР 6 и достаточно высокой индуктивности (L) статорной обмотки ПЭД 3 (согласно известному закону коммутации, ток в индуктивной цепи изменяется согласно постоянной времени τ = L/R). Регулировка мощности БР 7 в этой схеме осуществляется за счет вариации величины сопротивления Rn.
На схеме фиг.5 показан другой пример функциональной схемы БП 4. Обозначения и назначение элементов в схеме аналогичны фиг.4. Здесь при замкнутом ключе VT выходы статорных обмоток WD-A, WD-B, WD-C – замыкаются в трехфазную звезду через диоды VD1…VD6, транзистор VT (при сопротивлении замыкающего шлейфа пренебрежимо малым), и вся мгновенная мощность прикладывается к ПЭД 3. При размыкании VT последовательно с этими обмотками включаются последовательно цепи электропитания Rn1 – блока БР 6, Rn2 – блока БЭМ 7, и мгновенная мощность перераспределяется в соответствии с соотношением времени открытого и закрытого состояния VT, параметров ПЭД 3, Rn1, Rn2.
Практическая реализация компонентов установки известна. СУ 1, БТ 5, ПЭД 3 в двухсекционном исполнении с транзитом выходных цепей статорной обмотки первой секции - это серийные промышленные изделия. Существуют различные конструкции радиаторов, например, [Патент РФ № 2559975 С1, МПК Е21В 47/07, опубл.20.08.2015г.].  БУ 8реализуется на базе программируемой логики с применением микроконтроллеров различных типов. Необходимо подчеркнуть, что блок управления для синхронного информационного взаимодействия со станцией управления может иметь собственный канал связи - проводной, совмещенный или беспроводной.
Важным компонентом установки является блок электромагнитного излучателя, осуществляющий электромагнитное воздействие  на скважинный флюид. Реализация такого устройства известна, например,[Патент РФ №2529689, МПК Е21В 43/25, 28/00, опубл. 27.09.2014г. Бюл.№27]. В данном случае имеет место комбинированное воздействие - тепловым и электромагнитным полем. При этом повышается энергоэффективность процесса (тепловое поле увеличивает подвижность сложных молекул углеводородов, а электромагнитное поле способствует разрыву связей в их структуре, тем самым снижая вязкость за счет образования более легких фракций углеводородов).
Следует отметить также, что погружной электродвигатель вместе с силовым кабелем используется в качестве дополнительного нагревательного элемента для скважинного флюида.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить эффективность технологического процесса добычи высоковязкой нефти электропогружными насосами за счет:
- снижения затрат на установку при сохранении функциональной универсальности;
- существенного упрощения спускоподъемных операций;
- повышения надежности установки.