МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОМПЛЕКСНАЯ СТАНЦИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

Полезная модель относится к области нефтедобычи, в частности, к конструкции многофункциональной автоматической комплексной станции интеллектуальной скважины для одновременного управления погружным электродвигателем, прогревом НКТ, дозированной подачей реагента, индукционным прогревом призабойной зоны пласта и/или нефтяных трубопроводов или раздельного выполнения указанных действий, и может быть использована на промыслах при добыче нефти из скважин.
В уровне техники наиболее широко известны кабельные линии, выполняющие по отдельности роль питающего погружной электродвигатель (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.
Также известна установка для дозированной подачи реагента в скважину [4], включающее установку дозировочную электронасосную, линию нагнетания, капиллярный трубопровод, проходящий по наружной поверхности насосно-компрессорных труб и насосного агрегата, в нижней части капиллярный трубопровод оснащен выпускным клапаном-распылителем, отличающееся тем, что на нижнем конце насосного агрегата размещено подвесное устройство, к которому подвешен трос, а к тросу жестко крепится капиллярный трубопровод, причем на нижнем конце троса размещен груз с центрирующими ребрами.
Однако данная установка обеспечивает процесс дозирования реагента в скважину, без учета параметров работы насоса и другого скважинного оборудования. Указанная конструкция известной установки по технологии не позволяет изменять автоматически и удаленно режимы увеличения или снижения количества подачи реагента в определенные интервалы времени с учетом параметров работы насосного оборудования, что приводит к неконтролируемому расходу реагента.
Также известна установка в виде скважинного электронагревателя [5], предназначенного, для теплового воздействия на призабойную зону и нефтяной пласт, в том числе для предупреждения или разогрева парафино-гидратных отложений. Скважинный электронагреватель содержит токоподвод с установленным под ним трубчатым корпусом. На поверхности трубчатого корпуса размещен длинномерный нагревательный элемент - кабель с малым электрическим сопротивлением. Кабель установлен в ферромагнитной трубке вдоль трубчатого корпуса с возможностью образования замкнутого контура и подачи от источника питающего переменного напряжения в него через токопровод. Длинномерный нагревательный элемент размещен в виде многоходовой последовательности параллельных длинномерных нагревательных элементов. Ферромагнитная трубка выполнена разделенной на секции. В качестве длинномерного нагревательного элемента использован нефтестойкий кабель. Ферромагнитная трубка приварена к трубчатому корпусу прерывистым швом. Поверх длинномерного нагревательного элемента наложен слой изолирующего материала для усиления прогрева.
Однако данная установка обеспечивает только процесс нагрева без учета параметров работы насоса и другого скважинного оборудования. Указанная конструкция известной установки технически не позволяет изменять автоматически и удаленно режимы увеличения или понижения температуры нагрева в определенные интервалы времени с учетом параметров работы насосного оборудования, что приводит к неконтролируемому нагреву и затратам на электроэнергию. Данное устройство достаточно сложное в производстве и монтаже на добывающей скважине.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по назначению является установка для питания погружного электродвигателя
и/или нагрева скважинной жидкости, для нагрева нефтедобывающей скважины [6], включающая погружное оборудование, предназначенное для подъема пластовой жидкости и состоящее из погружного насоса с погружным электродвигателем, погружной греющей кабельной линии, наземное оборудование в виде источника питания, генератора выполненного низкочастотным, управляющего устройства станции управления и согласующего трансформатора и линию связи (электрическую), соединяющую наземное и насосное оборудование. Наземное оборудование, состоит из управляющего устройства, соединенного через входы и выходы с наземным и погружным оборудованием, с возможностью управления погружным электродвигателем и кабельным нагревом. Установка дополнительно содержит вторую станцию управления нагревом, которая состоит из второго управляющего устройства-блока управления, вышеуказанного генератора (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.
Однако недостатками данной установки является трудность в монтаже и обслуживании, т.к данная установка, согласно описанию и схемы состоит из двух станций управления в разных корпусах и нескольких согласующих устройств с согласующим трансформатором, что приводит к увеличению времени и трудозатрат на монтаж и эксплуатацию данной установки. Данная установка не обеспечивает полного комплексного процесса для оптимизации добычи скважинной жидкости. В конструкции данной установки конструктивно предусмотрен прогрев скважинной жидкости путем кабельного прогрева тем же кабелем ПЭД, при отсутствии в данной установке системы дозированной подачи реагента, что не позволяет осуществить борьбу с солеотложениями и коррозией, образующихся на скважинном оборудовании т.к при чрезмерном нагреве увеличиваются солеотложения и коррозия на погружном скважинном оборудовании и ПЭД, соответственно, при использовании данной установки, в случае образования солеотложений и коррозии, необходима еще дополнительно установка для подачи реагента.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной модели, заключается в расширении функциональных и технических возможностей установки за счет обеспечения комплексной работы одной станции для одновременного или раздельного управляемого процесса работы насосного оборудования, прогрева НКТ, дозирования реагента, индукционного прогрева призабойной зоны пласта и/или трубопроводов, с возможностью архивирования данных о работе каждого из процессов, дистанционного управления и передачи данных о работе каждого из процессов по беспроводному и/или проводному каналу, а также увеличение периода наработки на отказ скважинного оборудования за счет обеспечения увеличения надежности работы, снижению времени и трудозатрат при монтаже и эксплуатации многофункциональной автоматической комплексной станцией интеллектуальной скважины.
Указанный технический результат достигается предлагаемой многофункциональной автоматической комплексной станцией интеллектуальной скважины, включающей 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, генератора, согласно полезной модели, станция выполнена в одном корпусе, снабжена модулем беспроводной и/или проводной связи с возможностью управления, приема и передачи данных по средствам беспроводной и/или проводной связи, емкостью для хранения реагента, насосом-дозатором, манометром, уровнемером с возможностью передачи информации на управляющее устройство, расходомером реагента с возможностью передачи данных о расходе реагента на управляющее устройство, трубопроводной арматурой, индуктором, погружная греющая кабельная линия дополнительно снабжена капиллярным трубопроводом, электрическая линия связи дополнительно снабжена системой погружной телеметрии, генератор выполнен высокочастотным с возможностью передачи энергии до индуктора, размещенного на расстояние более 1000 м от генератора.
Поставленный технический результат достигается за счет следующего:
Благодаря тому, что заявляемая станция выполнена в одном корпусе, это позволяет доставить станцию в сборе и компактно разместить станцию на месте эксплуатации, что снижает трудозатраты на сборку и запуск в эксплуатацию, по сравнению с прототипом.
Станция снабжена емкостью для хранения реагента в виде бака, насосом-дозатором, например, типа НД, позволяющим производить контролируемый дозируемый процесс подачи реагента в скважину, манометром, например, серийным электроконтактным, позволяющим передавать информацию о давлении на выходе насоса-дозатора на управляющее устройство, уровнемером с возможностью передачи информации на управляющее устройство об уровне реагента в емкости для хранения реагента, расходомером реагента с возможностью передачи данных о расходе реагента на управляющее устройство, трубопроводной арматурой для транспортировки реагента к термостойкому капиллярному трубопроводу. Указанные конструктивные признаки обеспечивают дополнительную, в отличие от прототипа, функцию дозированной подачи, что расширяет функциональные и технические возможности установки.
Так как в отличие от прототипа предлагаемая станция имеет дополнительно установленную систему дозированной подачи реагента и индукционного прогрева призабойной зоны пласта и/или трубопроводов, то станция имеет возможность обеспечивать полный процесс оптимизации и интенсификации добычи, путем обеспечения оптимального режима работы насосного оборудования, за счет ликвидации АСПО и солеотложений на скважинном оборудовании и предотвращения увеличения вязкости флюида при подъеме по НКТ.
Благодаря вышеуказанному исключается возможность образования АСПО и солеотложений на погружном скважинном оборудовании, упрощается процесс монтажа, эксплуатации и обслуживания станции, увеличивается период наработки оборудования на отказ по сравнению с известным устройством по прототипу.
При эксплуатации проблемных скважин, осложненных АСПО, возникают ситуации, когда необходимо производить прогрев призабойной зоны пласта без подъема пластовой жидкости (например, при подготовке скважины к запуску для того, чтобы вследствие нагрева снизить вязкость жидкости и обеспечить более мягкие условия для работы ПЭД) или индукционный нагрев производить совместно с питанием ПЭД и прогревом НКТ, когда скважина уже вышла на режим, и необходимо поддерживать стационарное тепловое поле ствола скважин. Или производить только питание ПЭД и дозированную подачу реагента, когда параметры добычи позволяют производить на каком-то отрезке времени подъем жидкости без нагрева, а при отключении ПЭД можно оставить нагрев скважины и дозированную подачу реагента в работе (такая ситуация возникает при работе скважины с периодическим режимом работы по откачке жидкости). Таким образом, без переналадки установки, в автоматическом режиме, без подъема узлов из ствола скважины обеспечивается расширение ее функциональных и технологических возможностей. Все указанные выше операции возможно производить и одновременно при необходимости осуществления подъема скважинной жидкости в особо осложненных АСПО и солеотложениями скважинах.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема многофункциональной автоматической комплексной станции интеллектуальной скважины.
Заявляемая станция состоит из размещенных в одном корпусе 1: управляющего устройства 2 с многофункциональным контроллером, модуля беспроводной и/или проводной связи 3, емкости для хранения реагента 4 в виде бака, насоса-дозатора 5, например, типа марки НД, позволяющего производить контролируемый дозируемый процесс подачи реагента в скважину, манометра 6, например, серийного электроконтактного, позволяющего передавать информацию о давлении на выходе насоса-дозатора на управляющее устройство, уровнемера 7 с возможностью передачи информации на управляющее устройство об уровне реагента в емкости для хранения реагента, расходомера реагента 8 с возможностью передачи данных о расходе реагента на управляющее устройство, трубопроводной арматуры 9 для транспортировки реагента, индуктора 10, который может быть как погружным и осуществлять прогрев подземной части (призабойной зоны пласта), так и при необходимости осуществлять прогрев наземного устьевого трубопровода. Станция состоит также из генератора 11, выполненного высокочастотным на базе инвертора тока, содержащего входной реактор, мост на транзисторах, позволяющие исключить протекание больших реактивных токов через полупроводниковые приборы, что позволяет передавать энергию до индуктора. Погружное оборудование 12 состоит из погружного насоса 13 с погружным электродвигателем (ПЭД)14, погружной греющей кабельной линии 15 с капиллярным термостойким трубопроводом, электрической линии связи с системой погружной телеметрии 16, в виде кабеля с датчиками выполненной в составе электрической линии связи 17, обеспечивающей дополнительно функции электропитания ПЭД и индуктора.
Предлагаемая станция работает следующим образом. Станцию собирают в заводских условиях и устанавливают в виде одного корпуса 1 на месте эксплуатации. Для соединения станции с питающим кабелем от источника питания на 380V используется соединительный разъем. Погружную греющую кабельную линию 15 с термостойким капиллярным трубопроводом крепят к НКТ металлическими замками типа «клямс» или опускают в НКТ, в случае необходимости прогрева НКТ внутри при использовании погружного насоса 13, например, электроцентробежного. В нижней части устанавливается индуктор 10, в виде закрытого устройства его питание соединяется соединительной муфтой с электрической линией связи 17, включающей дополнительные жилы (индуктор в случаях, необходимых для прогрева устьевых трубопроводов, имеет возможность устанавливаться креплениями к трубопроводу и записываться отдельным кабелем). Далее устанавливается и подключается к жилам питания электрической линии связи 17 ПЭД 14 и устанавливается погружной насос 13. К НКТ на замки типа «клямс» крепится:
- электрическая линия связи 17;
- погружная греющая кабельная линия 15 с капиллярным термостойким трубопроводом.
Установленное на НКТ оборудование спускают в скважину. Подавать питание на ПЭД 14 можно независимо от потребности в прогреве и включать нагрев, как индуктора, так и кабельной линии и регулировать его мощность можно также независимо от того, работает ПЭД 14 или нет, так как данные параметры подачи питания независимы друг от друга, ввиду использования разных кабельных жил. При включении станции система погружной телеметрии 16 передает по электрической линии связи 17 данные о температуре, давлении, вибрации и сопротивлении изоляции. Управляющее устройство 2 при получении данных на входе от системы погружной телеметрии 16 определяет параметры запуска ПЭД в зависимости от соответствия параметров запуска, заложенных в программе управляющего устройства 2 и параметров переданных системой погружной телеметрии 16. При запуске ПЭД в режим работы управляющее устройство 2 в заданные промежутки времени получает сигналы системы погружной телеметрии 16 (давление и температура пластовой жидкости на приеме погружного насоса 13, температура масла ПЭД 14, вибрация ПЭД 14, давление и температура, вибрация погружного насоса 13, сопротивление жил питающего кабеля ПЭД 14) и сигналы наземного оборудования с уровнемера 7 о количестве реагента в емкости для хранения реагента 4, с манометра 6 о давлении в трубопроводной арматуре 9, с расходомера реагента 8 о количестве расхода реагента в заданный временной интервал. Управляющее устройство 2 выполняет программный алгоритм, включая и отключая процессы: прогрев НКТ погружной греющей кабельной линией 15 с капиллярным термостойким трубопроводом, через который осуществляется подача реагента из емкости для хранения реагента 4 через насос-дозатор 5 на прием погружного насоса 13 и/или в зону перфорации, прогрев призабойной зоны пласта индуктором 10 при подаче питания с генератора 11, осуществляя полный процесс ликвидации образования АСПО и солеотложений на погружном оборудовании 12. Сравнивая полученные данные с наземного оборудования и системы погружной телеметрии 16 с параметрами, заложенными в программе, на выходе управляющее устройство 2 корректирует обороты ПЭД 14, обеспечивая погружному насосу 13 работу в максимально эффективном и безаварийном режиме откачки пластовой жидкости (при эксплуатации станции на скважинах, оборудованных насосами штангового типа управляющее устройство 2 для корректировки параметров работы нагрева и/или дозирования может использовать дополнительно данные о нагрузке на шток штангового насоса). Всю информацию управляющее устройство 2 архивирует в память контроллера и в заданные интервалы времени передает, на общую АСУ (Автоматизированную систему управления) добывающего предприятия или отдельный приемник с возможностью получения обратных корректирующих команд по каналам беспроводной и/или проводной связи 3. Благодаря этому происходит комплексное управление ПЭД 14, одновременно нагревом погружной греющей кабельной линии 15, индуктором 10, дозированием реагента из емкости для хранения реагента 4 через насос-дозатор 5 по термостойкому капиллярному трубопроводу или работа данных процессов по отдельности или в разных вариантах между собой, определенных по ключевому параметру и заложенному алгоритму в управляющем устройстве 2 например: станция работает в в разных режимах:
а) полный процесс (работа насосного оборудования, прогрев НКТ, индукционный прогрев призабойной зоны, дозирование реагента);
б) только индукционный прогрев призабойной зоны пласта и прогрев НКТ;
в) только дозирование и работа насосного оборудования;
г) только индукционный прогрев призабойной зоны пласта и работа насосного оборудования;
д) только индукционный прогрев призабойной зоны пласта, работа насосного оборудования и дозирование реагента;
ж) только прогрев НКТ, работа. насосного оборудования и дозирование реагента;
з) только прогрев НКТ и дозирование реагента;
и) только прогрев НКТ, дозирование реагента и индукционный прогрев призабойной зоны пласта.
к) только прогрев НКТ;
л) только индукционный прогрев призабойной зоны пласта;
м) только дозирование;
н) только работа насосного оборудования.
Это подтверждает критерии отнесения заявляемой станции к многофункциональной станции.
Таким образом, предлагаемая станция характеризуется следующими преимуществами перед известной по прототипу:
- станция выполнена в одном корпусе, что способствует значительному сокращению времени на монтаж на месте эксплуатации и упрощению обслуживания станции, в отличии от прототипа, где установка состоит из нескольких блоков и согласующих устройств;
- станция дополнительно снабжена модулем беспроводной и проводной связи, что позволяет получать/передавать данные по беспроводному каналу связи, указанное устройство в установке по прототипу отсутствует;
- станция дополнительно осуществляет процесс подачи реагента по капиллярному термостойкому трубопроводу в скважину за счет установленного оборудования: бак для хранения реагента, насос-дозатор, манометр, уровнемер с возможностью передачи информации на управляющее устройство, расходомер реагента с возможностью передачи данных о расходе реагента, на управляющее устройство, данный процесс установка по прототипу не осуществляет;
- станция имеет дополнительно погружную греющую кабельную линию, снабженную капиллярным термостойким трубопроводом, что позволяет прогревать НКТ и одновременно дозировать реагент в определенный участок скважины, в составе установки по прототипу данной функции нет;
- станция имеет генератор высокочастотный с возможностью передачи энергии до индуктора, размещенного на расстоянии более 1000 м от генератора, что позволяет использовать индуктор при прогреве призабойной зоны пласта и/или устьевого трубопровода, в установке по прототипу нет индуктора;
Соответственно, новые признаки многофункциональной автоматической комплексной станции интеллектуальной скважины совместно с известными расширяют функциональные и технические возможности в отличие от прототипа за счет обеспечения дополнительной комплексной работы одной станции, выполненной в одном корпусе для одновременного или раздельного управляемого процесса работы насосного оборудования, прогрева НКТ, дозирования реагента, индукционного прогрева призабойной зоны пласта и/или трубопроводов, с возможностью архивирования данных о работе каждого из процессов, дистанционного управления и передачи данных по беспроводному и/или проводному каналу связи.
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 65117, кл. Е21В 37/06, опубл. 2007 г.
5. Патент РФ на изобретение 2249096, кл. Е21В Е21В 36/04, 37/00, опубл. 2006 г.
6. Патент РФ на изобретение 2435022, кл. Е21В 36/04, опубл. 2011 г.