СИСТЕМА ПОГРУЖНОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ

Устройство относится к области исследования скважин с электрическим приводом, работающим в погружном состоянии, и может быть использовано при измерении давления на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации электродвигателя.
Известен скважинный контрольно-измерительный комплекс, характеризующийся тем, что он содержит последовательно соединенные между собой модуль телеметрии и, по крайней мере, один связочный модуль, каждый из которых включает блок питания, соединенный с блоком обработки информации, блоком памяти и блоком согласования уровней сигнала, а блок обработки информации соединен с блоком памяти и блоком согласования уровней сигнала, при этом, по крайней мере, один из модулей содержит блок датчиков параметров скважины, соединенный с блоком обработки информации, а модуль телеметрии дополнительно содержит блоки выделения и формирования информационного сигнала, каждый из которых соединен с блоками питания и обработки информации, блоки питания, выделения и формирования информационного сигнала соединены при помощи геофизического кабеля с наземной аппаратурой, включающей источник питания и информационного сигнала, блоки согласования уровней сигнала модуля телеметрии и соединенного с ним связочного модуля соединены между собой посредством линии питания и/или связи. [Патент RU 2425213, МПК Е21В 47/00, Е21В 47/12 от 29.12.2009, опубл. 27.07.2011].
Известна система телеметрии электропогружной установки (СТЭПУ), характеризующаяся тем, что состоит из погружного блока, представляющего собой металлический, герметичный отсек цилиндрической формы с электронной схемой внутри, и наземного блока, предназначенного для управления процессом работы СТЭПУ, представляющего собой контейнер, размещаемый в корпусе станции управления любого типа, при этом погружной блок расположен между электродвигателем и компенсатором гидрозащиты, выносной датчик температуры установлен непосредственно на лобовой части обмотки погружного электродвигателя, причем погружной блок приводится в рабочее состояние только на время измерения параметров давления, температуры и передачи данных в наземный блок [Патент RU 46889, МПК Н02Н 7/08, Е21В 47/12 от 25.01.2005, опубл. 27.07.2005].
Наиболее близким к предлагаемому устройству является система телеметрии установки погружного насоса, содержащая наземный блок, имеющий преобразователь сигнала и соединенный линией питания и линией передачи сигнала с погружным блоком, имеющим высокочастотный генератор и преобразователь сигнала, причем система также снабжена высокочастотным генератором, установленным в наземном блоке и соединенным с линией питания погружного блока. [Патент RU №27634, МПК Е21В 47/06, F04D 13/10 от 12.07.2002, опубл. 10.02.2003].
Общим недостатком известных устройств является недостаточная надежность погружного блока и системы погружной телеметрии в целом, вследствие повышенной рабочей температуры электронных компонентов погружного блока в нормальном режиме, что приводит к их ускоренному старению и изменению электрических параметров, и недопустимо высокой рабочей температуры электронных компонентов в аварийном режиме, что приводит к выходу системы погружной телеметрии из строя.
Техническая задача - повышение надежности работы системы погружной телеметрии за счет стабилизации рабочей температуры электронных компонентов, входящих в состав погружного блока системы погружной телеметрии.
Поставленная задача решается тем, что в системе погружной телеметрии, содержащей наземный блок, имеющий преобразователь сигнала и соединенный линией питания и линией передачи сигнала с погружным блоком, также имеющим преобразователь сигнала, в погружном блоке дополнительно размещен, по крайней мере, один охлаждающий элемент, основанный на эффекте Пельтье, конструктивно расположенный на корпусе погружного блока и находящийся в тепловом контакте с платой с электронными компонентами, расположенной внутри корпуса погружного блока.
Также погружной блок дополнительно содержит блок питания охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье, используемый для обеспечения необходимых электрических параметров для работы охлаждающего элемента, а также для его защиты от перенапряжений.
Сравнение предлагаемого решения с прототипом позволяет выявить основные отличительные признаки заявляемого устройства: в погружном блоке дополнительно размещен, по крайней мере, один охлаждающий элемент, основанный на эффекте Пельтье, конструктивно расположенный на корпусе погружного блока и находящийся в тепловом контакте с платой с электронными компонентами, расположенной внутри корпуса погружного блока. Кроме того, погружной блок дополнительно содержит блок питания охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что заявленная совокупность признаков характеризует новое конструкторское решение, ранее не известное из уровня техники, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Предлагаемая система погружной телеметрии может быть изготовлена с использованием известных в технике элементов и технологий. Возможность промышленного использования заявленного устройства позволяет сделать вывод о соответствие критерию «промышленная применимость».
Повышение рабочей температуры входящих в состав погружного блока системы погружной телеметрии электронных компонентов, приводящее к недостаточной устойчивости их работы, приводящее к ускоренному старению и вследствие этого снижению надежности блоков, вызвано тем, что корпус погружного блока системы погружной телеметрии прогревается от погружного электродвигателя через фланцевое соединение между ними. С целью стабилизации рабочей температуры электронных компонентов, входящих в состав системы необходимо обеспечить эффективный теплоотвод от электронных компонентов на корпус прибора. В стандартных решениях с использованием термоэлектрического охлаждения на одну из сторон охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье, устанавливается радиатор [1], и проходящий воздух, таким образом, отводит тепло. В заявляемом техническом решении, единственно технически возможным, по нашему мнению, вариантом отведения тепла является размещение охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье, нагретой стороной к корпусу - с прижимом к стенке погружного блока. Применение воздушного охлаждения в данной системе недопустимо, поскольку погружной блок системы погружной телеметрии герметичен и, следовательно, воздух внутри него практически не охлаждается и вследствие низких теплофизических свойств и отсутствия принудительной циркуляции не может являться эффективным решением с точки зрения отвода тепла от охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье, для данных условий.
В заявляемом техническом решении применяемый для охлаждения электронных компонентов охлаждающий элемент, основанный на эффекте Пельтье, конструктивно расположен на внутренней поверхности погружного блока, причем теплоотвод с охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье, осуществляется непосредственно на корпус (без использования радиаторных поверхностей). С внешней стороны корпуса тепло отводится за счет его смывания пластовой жидкостью, имеющей значительно более низкую температуру, нежели температура нагретой стороны охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье.
Заявленное устройство иллюстрируется следующими чертежами.
фиг.1 - общий вид системы погружной телеметрии;
фиг.2 - конструкция наземного блока системы погружной телеметрии;
фиг.3 - конструкция погружного блока системы погружной телеметрии.
На фиг.1 представлен общий вид системы погружной телеметрии. Система погружной телеметрии содержит:
1 - наземный блок;
2 - погружной блок.
Кроме того, на фиг.1 обозначены следующие элементы:
18 - охлаждающий элемент, основанный на эффекте Пельтье;
22 - линия питания и линия передачи сигнала;
23 - погружной электродвигатель;
24 - электроцентробежный насос;
25 - нефтедобывающая скважина;
26 - пластовая жидкость;
27 - корпус погружного блока;
28 - плата с электронными компонентами, расположенная внутри погружного блока;
Наземный блок 1 системы погружной телеметрии размещен на поверхности и соединен линией питания и линией передачи сигнала 22 с погружным блоком 2. Погружной блок 2 соединен с погружным электродвигателем 23, совместно с электроцентробежным насосом 24 являющийся частью установки электроцентробежного насоса, и опущен в нефтедобывающую скважину 25, внутри которой погружной блок 2 оказывается погружен в пластовую жидкость 26.
В погружном блоке 2 дополнительно размещен, по крайней мере, один охлаждающий элемент 18, основанный на эффекте Пельтье, конструктивно расположенный на корпусе 27 погружного блока 2 и находящийся в тепловом контакте с платой 28 с электронными компонентами, расположенной внутри корпуса 27 погружного блока 2.
На фиг.2 представлена конструкция наземного блока. Наземный блок 1 содержит:
3 - блок нагрева;
4 - блок питания высокого напряжения;
5 - блок питания низкого напряжения;
6 - блок переключения;
7 - блок защиты;
8 - блок фильтрации;
9 - преобразователь сигнала;
10 - блок контроллера;
11 - блок интерфейсов;
12 - блок индикации.
Блок нагрева 3 соединен с блоком питания высокого напряжения 4. Блок переключения 6 соединен с блоком высокого напряжения 4, блок фильтрации 8 соединен с блоком преобразования сигнала 9, который в свою очередь соединен с блоком контроллера 10, блок контроллера 10 соединен с блоками питания низкого напряжения 5, блоком интерфейсов 11 и блоком индикации 12. Блок защиты 7 соединен с блоком преобразователя сигнала 9, блоком питания высокого напряжения 4 и блоком фильтрации 8.
На фиг.3 представлена конструкция погружного блока. Погружной блок 2 содержит:
13 - диодная защита;
14 - RC - защита;
15 - блок фильтрации;
16 - блок преобразования сигнала;
17 - блок питания охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье;
18 - охлаждающий элемент, основанный на эффекте Пельтье;
19 - блок питания цифровой части;
20 - блок контроллера;
21 - измерительные датчики.
Блок диодной защиты 13 соединен с блоком высокого напряжения 4 наземного блока, блоком RC-защиты 14, который соединяется с блоком контроллера 20, который в свою очередь соединен с блоком датчиков 21, причем блок фильтрации 15 соединен с блоком преобразования сигнала 16, который в свою очередь соединяется с блоком контроллера 20. Блок питания охлаждающего элемента 17, основанного на эффекте Пельтье, соединен с охлаждающим элементом 18, основанным на эффекте Пельтье, с диодной защитой 13. Охлаждающий элемент 18, основанный на эффекте Пельтье, соединен с блоком питания охлаждающего элемента 17, основанного на эффекте Пельтье. Блок питания цифровой части 19 соединен с блоком контроллера 20.
Принцип работы устройства описан ниже.
Для эксплуатации системы погружной телеметрии в составе установки электроцентробежного насоса, состоящей из погружного электродвигателя 23 и электроцентробежного насоса 24, наземный блок 1 системы погружной телеметрии помещают на поверхности, погружной блок 2 соединяют с погружным электродвигателем 22 и опускают в нефтедобывающую скважину 24, внутри которой погружной блок 2 оказывается погружен в пластовую жидкость 25.
Применяемый для охлаждения электронных компонентов охлаждающий элемент 18, основанный на эффекте Пельтье, конструктивно расположен на внутренней поверхности погружного блока 2, причем теплоотвод с охлаждающего элемента 18, основанного на эффекте Пельтье, осуществляется непосредственно на корпус 27 (без использования радиаторных поверхностей). С внешней стороны корпуса 27 тепло отводится за счет его смывания пластовой жидкостью 25, имеющей значительно более низкую температуру, нежели температура нагретой стороны охлаждающего элемента 18, основанного на эффекте Пельтье.
Охлаждающий элемент 18, основанный на эффекте Пельтье, применяется для снижения и стабилизации рабочей температуры электронных элементов и обеспечение их работы в режиме, соответствующем технической документации на электронные компоненты. Принцип работы охлаждающего элемента 18 основан на эффекте Пельтье.
Принцип работы наружного блока 1 и погружного блока 2 заключается в следующем: наружный блок 1 получает питание переменного напряжения в 220 В, которое преобразуется в блоке питания высокого напряжения 4 в постоянное напряжение 360 В. Блок питания низкого напряжения 5 понижает исходное напряжение до 5 В, которые используются для питания цифровой части наземного блока 1.
Напряжение 360 В далее через блоки переключения 6 и защиты 7 поступает к погружному блоку 2. С определенной периодичностью блок переключения 6 изменяет полярность питающего напряжения для осуществления измерения сопротивления изоляции. Блок защиты 7 позволяет системе выдерживать возникающие перенапряжения.
Блок нагрева 3 включается при понижении температуры до отрицательных значений. Резистивные элементы прогревают окружающий воздух внутри наземного блока 1 до тех пор, пока температура вновь не станет положительной.
Напряжение питания погружного блока 2 в 360 В проходит через блок диодной защиты 13, необходимый для защиты электронных компонентов, входящих в погружной блок 2, от отрицательной полуволны напряжений помех, и поступает на блок питания охлаждающего элемента 17, основанный на эффекте Пельтье, где понижается до требуемых электрических параметров охлаждающего элемента 18 основанного на эффекте Пельтье, необходимых для его работы, и на блок питания цифровой части 19 через блок RC - защиты 14, используемой для понижения значений помех до безопасных для электронных компонентов, входящих в погружной блок 2, при появлении перенапряжений.
После блока RC - защиты 14 напряжение понижается в блоке питания цифровой части 19 и далее поступает на блок контроллера 20.
Измерительные датчики 21 получают информацию о параметрах системы и направляют ее в блок контроллера 20 предназначенный для приема и обработки сигналов с датчиков, формирования сигнала для передачи информации в наземный блок 1. Далее сигнал с блока контроллера 20 усиливается в блоке фильтрации 15 и преобразуется в блоке преобразования сигнала 16 и направляется по линии питания и линии передачи сигнала 22 в наземный блок 1. Информация с погружного блока 2, поступившая по линии питания и линии передачи сигнала 22 проходит через блок фильтрации 8 и блок преобразования сигнала 9, где преобразуется и поступает в блок контроллера 10 для дальнейшей обработки. Для связи с внешними системами управления и для дальнейшей передачи информации используется блок интерфейсов 11. Вывод информации на экран блока осуществляется посредством блока индикации 12.
Использование заявляемого технического решения, позволяет решить техническую задачу, а именно повысить надежность работы системы погружной телеметрии за счет стабилизации рабочей температуры электронных компонентов, входящих в состав погружного блока системы погружной телеметрии.
Источники информации:
1. Петр Шостаковский, статья «Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники», журнал «Компоненты и технологии», 2010 г., №1.