УСТРОЙСТВО НАГРЕВА НЕФТИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к оборудованию нефтяных скважин и может быть использована для удаления асфальто-смоло-парафиновых отложений в насосно-компрессорных трубах нефтяных скважин.
Уровень техники
Известна установка для депарафинизации нефтегазовых скважин (патент РФ на изобретение №2166615, опубл. 10.05.2001), содержащая спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель и соединенную с ним систему управления: его нагревом. Нагревательный кабель содержит нагревательный элемент, состоящий из двух частей, подключенных к регулируемому источнику электропитания, электрически соединенных в нижней частик кабеля, опущенного на глубину начала кристаллизации парафиногидратов.
Недостатком известного устройства является относительное высокое энергопотребление, вследствие необходимости практически непрерывной подачи электроэнергии для обеспечения поддержания температуры ствола скважины выше точки начала парафинообразований.
Известно устройство для нагрева скважины (патент РФ №2171363, опубл. 27.07.2001), содержащее расположенный в насосно-компрессорной трубе первый нагревательный элемент в виде кабеля, подключенного к источнику питания, при этом на конце кабеля выполнен неизолированный участок с токопроводящими грузами, обеспечивающими электрическое соединение одной или нескольких параллельно соединенных жил кабеля, через которые пропускается ток, с насосно-компрессорной трубой, являющееся вторым нагревательным элементом, при этом кабель подключен к положительному выводу источника питания, а насосно-компрессорная труба - к отрицательному. Мощность второго нагревательного элемента составляет 0,5-0,05 от мощности первого нагревательного элемента. Неизолированный участок кабеля имеет длину 2-10 м, а токопроводящие грузы выполнены в виде металлических шайб с наружным диаметром, равным 1,1-1,3 диаметра кабеля по изоляции, и толщиной 20-60 мм, расположенных на неизолированном участке на расстоянии 0,3-0,6 м друг от друга. Кабель имеет переменное по длине сопротивление и снабжен заделанными в него датчиками температуры и контрольными жилами для их подключения к измерительному устройству.
Недостатком известного устройства является относительно невысокая эффективность процесса нагрева скважины.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятой авторами за прототип является установка нагрева нефти (патент РФ №2263763, опубл. 10.11.2005), содержащая спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель, в котором установлены силовые проводники, броня, проводники датчика температуры и датчик температуры, причем последний установлен внутри нагревательного кабеля. Броня снабжена внешней полимерной оболочкой и подключена к защитному заземлению. Силовые проводники, проводники датчика температуры и броня имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в шкафу клеммном переходном. Со шкафом соединена система управления нагревом кабеля. Внутри корпуса системы управления установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания силовой цепи, соединенный с блоком световой сигнализации и управляемым мостовым выпрямителем. Последний соединен с блоком измерительных приборов и выходной панелью установленными на ней электротехническими выводами. С помощью проводниковое датчиком температуры и с входными цепями измерителя-регулятора соединен блок управления. Выходные цепи измерителя-регулятора соединены с блоком управления, который соединен с управляемым мостовым выпрямителем. Блок питания цепей управления с подключенной входной цепью питания цепей управления соединен с блоком управления и измерителем-регулятором. При этом нагревательный кабель погружен нижним концом в насосно-компрессорную трубу, установленную в обсадной колонне, и закреплен на ней в сальниковом устройстве. Между насосно-компрессорной трубой и обсадной колонной имеется затрубное пространство, являющееся проводником тепла от трубы в грунт. На поверхности нагревательный кабель проходит через направляющий ролик, оттяжной ролик и закреплен в замке.
Недостатком данной установки является относительно невысокая эффективность процесса нагрева скважины, низкое качество удаления асфальто-смоло-парафиновых отложений, и как следствие высокое потребление электроэнергии.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению эффективности и качества удаления асфальто-смоло-парафиновых отложений, а также снижение энергопотребления и эксплуатационных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке нагрева нефти, содержащей спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель, в котором установлены силовые проводники нагревательного элемента, последний установлен в нагревательном кабеле и броня, подключенная к защитному заземлению, при этом силовые проводники и броня имеют промежуточные электрические соединения, которые расположены в шкафе клеммном переходном и соединенную с ним систему управления его нагревом, состоящую из корпуса, внутри которого установлены автоматический выключатель с подключенной входной цепью питания, соединенный с блоком силовых контактов; управляемый силовой выпрямитель; блок управления с подключенным к нему блоком питания и синхронизации; панель оператора, согласно полезной модели, система управления дополнительно снабжена цифровым портом телеметрии для дистанционного контроля и управления и блоком архивирования параметров работы, соединенными через панель оператора с блоком управления.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена схема установки нагрева нефти.
На фиг.2 приведена функциональная схема станции управления 1.
На фигурах обозначены: станция управления 1, шкаф клеммный переходной 2, кабель нагревательный силовой 3, датчик температуры 4, автоматический выключатель 5, блок силовых контактов 6, управляемый силовой выпрямитель 7, блок питания и синхронизации 8, блок управления 9, панель оператора 10, цифровой порт телеметрии 11, блок архивирования параметров работы 12, силовые проводники 13, проводники датчика температуры на устье 14, ролик оттяжной 15, направляющий ролик 16, замок 17, насосно-компрессорная труба 18, затрубное пространство 19, обсадная колонна 20, промежуточные электрические соединения силовых цепей 21, броня 22, клемма защитного заземления 23.
Установка нагрева нефти содержит спускаемый в зону возможного парафинообразования нагревательный кабель 3, в котором установлены: силовые проводники 13 и броня 22 состоящая из металлических жил защищенных внешней полимерной оболочкой (на фигуре не показана). Броня 22 в шкафу 2 клеммном переходном подключена к клемме защитного заземления 23 и соединена далее с контуром защитного заземления (на фигуре не показано). Силовые проводники 13 имеют промежуточное электрическое соединение 21 в шкафу 2 клеммном переходном и соединены далее со станцией управления 1.
Станция управления 1 состоит из корпуса (на фигуре не пронумерован) внутри которого установлены все элементы управления нагревом кабеля. Цепи питания (на фигуре не пронумеровано) станции управления 1 подключены к автоматическому выключателю 5. Через автоматический выключатель 5 питающее напряжение подается на блок питания и синхронизации 8 и блок силовых контактов 6, который далее соединен с управляемый силовой выпрямитель 7. Блок питания и синхронизации 8 соединен с блоком управления 9. Блок управления 9 соединен с помощью проводников 14 с датчиком температуры датчиком температуры 4 на устье скважины (на фигуре не пронумеровано), и с панелью оператора 10 которая имеет соединение с цифровым портом телеметрии 11 и блок архивирования параметров работы 12.
На управляемом силовом выпрямителе 7 расположены электротехнические выводы (на фигуре не показаны) к которым подключены силовые проводники 13 кабеля нагревательного 3. При этом нагревательный кабель 3 погружен нижним концом в насосно-компрессорную трубу 18 и закреплен на ней с помощью замка 17 и герметизирующего сальникового устройства (на фигуре не пронумеровано). Насосно-компрессорная труба 18 установлена в обсадной колонне 20, причем между насосно-компрессорной трубой 18 и обсадной колонной 20 имеется затрубное пространство 19, являющееся проводником тепла от насосно-компрессорной трубы 18 в грунт (на фигуре не пронумерован). На поверхности нагревательный кабель 3 закреплен в замке 17, проходит через направляющий ролик 15 и оттяжной ролик 16.
Осуществление полезной модели
Для минимизации потребляемой мощности необходимо точное согласование режима работу установки нагрева нефти с работой скважины, что возможно при проведении дополнительных геофизических исследований с последующей настройкой режима работы установки нагрева нефти. Указанные выше устройства или не позволяют изменять заданные при изготовлении настройки или перенастройка их режима работы очень сложна (например, настройка коэффициентов ПИД-регулирования), а заданные при изготовлении настройки не являются оптимальными в большинстве случаев применения установок нагрева нефти на скважинах, поскольку тепловой режим работы скважин, химический состав и физические свойства добываемой нефти, газовый фактор, дебит скважин и другие факторы, определяющие оптимальный режим работы установки нагрева нефти, очень различны на скважинах даже одного и того же месторождения. Кроме того, в процессе длительной эксплуатации скважины возможны изменения в режиме ее работы, что приводит к необходимости постоянного контроля и оперативной коррекции режима работы установки нагрева нефти.
В конструкции предлагаемой установки нагрева нефти функция постоянного контроля и оперативной коррекции всех параметров и режимов работы установки нагрева нефти выполняет цифровой порт телеметрии 11. С его помощью установка нагрева нефти может быть интегрирована в уже имеющуюся систему телемеханики (на фигуре не показана) или организованна новая. Сигналы управления по системе телемеханики (на фигуре не показана) принимаются цифровым портом телеметрии 11 и далее передаются на панель оператора 10.
Панель оператора 10 отображает режим работы установки нагрева нефти и позволяет изменять их непосредственно на месте эксплуатации. Панель оператора 10 передает заданные оператором или переданные по телеметрии сигналы управления в блок управления 9, а также получает от блока управления 9 информацию о режимах работы установки, далее передает ее в блок архивирования параметров работы 12, где она сохраняется и может быть прочитана через панель оператора 10 с последующей передачей информации по системе телемеханики через цифровой порт телеметрии 11.
Питание установки нагрева нефти осуществляют от трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В частоты 50 Гц (на фигуре не пронумеровано). Напряжение питающей сети прикладывается к контактам автоматического выключателя 5. Он дает возможность включения и выключения силовой цепи установки нагрева нефти, а так же обеспечивает отключение напряжения при возникновении аварийной ситуации.
С автоматического выключателя 5 напряжение поступает на блок питания и синхронизации 8 и на блок силовых контактов 6. Блок силовых контактов 6 дает возможность подключать внешний повышающий трансформатор (на фигуре не показан), что позволяет существенно расширить мощностные характеристики установки нагрева нефти и сделать эффективным ее применение на большинстве нефтяных скважин. С блок силовых контактов 6 напряжение поступает на управляемый силовой выпрямитель 7.
Управляемый мостовой выпрямитель 7 преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение прикладываемое к силовым проводникам 13 нагревательного кабеля 3, необходимое для создания рабочего тока в цепи силовых проводников 13. Управляемый мостовой выпрямитель 7 регулирует величину отдаваемой в нагревательный кабель 3 энергии, а следовательно и температуру нагреваемой нефти.
Измерением температуры на устье скважины производится яблоком управления 9 с помощью, соединенного с ним проводниками датчика температуры на устье 14, датчика температуры 4. Таким образом, формируется обратная связь по температуре добываемой нефти, что позволяет организовать эффективный механизм управления работой установки нагрева нефти. Блок управления 9 измеряет выходное напряжение управляемого мостового выпрямителя 7 и ток в цепи силовых проводников 13 нагревательного кабеля 3. На основании имеющихся данных о нагревательном кабеле 3 и измеренных значений напряжения и тока блок управления 9 вычисляет температуру нагревательного кабеля 3 по формуле:
К
К
20
Т=20+[(R/R-1)/α],
K
где: R - сопротивление силовых проводников 13 нагревательного кабеля 3;
20
R - сопротивление силовых проводников 13 нагревательного кабеля 3 при 20°С;
α - температурный коэффициент сопротивления, 1/°С. Для меди α=0,00415 1/°С, алюминия α=0,0049 1/°С, стали α=0,0062 1/°С.
При этом сопротивление силовых проводников 13 нагревательного кабеля 3 при 20°С вычисляется по одной из приведенных ниже формул:
20
K
K
*
*
R=ρ(2L/S),
*
2
*
2
*
2
*
2
где: ρ - удельное сопротивление кабеля, Oммм/м. Для меди ρ=0,0175 Oммм/м, алюминия ρ=0,0280 Оммм/м, стали ρ=0,0980 Оммм/м;
K
L - длина нагревательного кабеля 3, м;
K
2
S - сечение силовых проводников 13, мм;
20
0
0
*
*
R=R [1+α(T-20)],
0
0
где: R - сопротивление силовых проводников 13 нагревательного кабеля 3 при температуре Т.
Применение данного метода контроля температуры нагревательного кабеля 3 позволяет отказаться от установки в нагревательном кабеле датчиков температуры, что снижает стоимость нагревательного кабеля 3, существенно повышает его надежность.
Измеренные значения напряжения и тока в нагревательном кабеле 3, вычисленные данные о температуре нагревательного кабеля 3 и измеренную температуру нефти на устье скважины блок управления передает на панель оператора 10. На основании имеющихся данных и.заданной с панели оператора 10 установки регулирования блок управления 9 формирует сигнал управления, синхронизирует его с сигналом от блока питания и синхронизации 8 и формирует импульсы управления для управляемого мостового выпрямителя 7.
Силовые проводники 13 нагревательного кабеля 3 подключаются клеммам (на фигуре не показаны) управляемого мостового выпрямителя 7 и имеют промежуточное электрическое соединение 21 в шкафе 2 клеммном переходном, что предотвращает попадание нефтяных газов через нагревательный кабель 3 в систему управления и обеспечивает требуемый уровень пожаробезопасности установки нагрева нефти. Верхний конец нагревательного кабеля 3 заведен в шкаф клеммный переходной 2.
Нижним концом нагревательный кабель 3 погружен в насосно-компрессорную трубу 18 и закреплен на ней с помощью замка 17 и герметизирующего сальникового устройства (на фигуре не пронумеровано).
В качестве грузонесущего элемента нагревательного кабеля 3 применена броня 22 представляющая собой два разнонаправленных повива стальных проволок (количества проволок в повивах - 12÷36), расположенная снаружи нагревательного кабеля 3 и охватывающая все элементы его конструкции.
Броня 22 нагревательного кабеля 3 является одновременно защитным элементом нагревательного кабеля 3 от механических повреждений и подключена к контуру заземления (на фигуре не показан), чем обеспечивает требуемый уровень электробезопасности при эксплуатации. Внешняя полимерная оболочка (на фигуре не пронумерована) защищает броню 22 нагревательного кабеля 3 от негативных внешних воздействий.
Таким образом, предлагаемая установка обеспечивает повышение эффективности и качества удаления асфальто-смоло-парафиновых отложений, а также позволяет значительно снизить энергопотребление и эксплуатационные затраты.