Устройство для электронагрева нефтескважины и очистки ее от парафина

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и именно к средствам очистки эксплуатационных колонн, скважин от парафиновых и других отложений. Устройство содержит силовой трансформатор, тиристорный преобразователь с системой управления, датчик и задатчик тока, регулятор тока, источник напряжения заданной частоты и блок защиты от обрыва тока нагрузки, выполненный в виде последовательно соединенных выпрямителя и компаратора. Управляющий вход системы управления соединен с выходом регулятора тока, к входу которого подключены датчик и задатчик тока. Выход системы управления соединен с управляющим входом тиристорного преобразователя, вход которого через датчик тока соединен с вторичной обмоткой силового трансформатора, а выход - с нагрузкой. Задатчик тока соединен с источником напряжения заданной частоты. Использование устройства позволяет снизить установленную мощность электрооборудования, расширить функциональные возможности и повысить надежность и эффективность нагрева. 2 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к средствам очистки эксплуатационных колонн скважин от парафиновых и других отложений.

Известны устройства механической очистки эксплуатационных колонн нефтескважин от парафиновых отложений [1]. Данные устройства требуют дополнительных трудозатрат.

Наиболее распространенными являются химические способы очистки, включающие закачку подогретого реагента в колонну скважины для организации удаления парафиносодержащих отложений в скважине при периодическом изменении давления [2] . Данные способы являются дорогостоящими и требуют дополнительных трудозатрат.

Известны скважинные электронагреватели, предназначенные для разрушения застывших парафинов, которые содержит трубчатый корпус с размещенными по спирали на его поверхности длинномерными нагревательными элементами. В верхней части корпуса выполнены отверстия, нагреватель снабжен штыревыми центраторами, четыре из которых установлены на тоководе, герметично соединенном с корпусом, и четыре в центральной части корпуса между витками нагревательного элемента. Электропитание нагревателя осуществляют по грузонесущему кабелю [3].

Сущность работы нагревателя заключается в том, что нагреватель спускают в колонну, на нагревательный элемент подают напряжение. Тепловая энергия от нагревательного элемента и корпуса передается разрушаемым гидратам, застывшим парафинам. Последние в зоне контакта с нагревателем расплавляются.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является установка "Паратрол" [4].

Данная установка (фиг. 2) предназначена для электронагрева нефтеоткачивающей (или насоснокомпрессорной) трубы НКТ и тем самым для предотвращения отложения парафина.

Сущность заключается в том, что внутренняя нефтеоткачивающая труба (НКТ) соединяется электрически специальным погружным контактом с внешней обсадной трубой скважины и между указанными трубами пропускают электрический ток от трансформатора 1 через пуско-регулирующее устройство 2, например пускатель. Как правило, этот контакт устанавливается ниже начала зоны парафинообразования, для того чтобы дать возможность протекающей по внутренней (нефтеоткачивающей) трубе нефти нагреться до того, как она попадает в зону парафиноотложения. Чтобы избежать случайного контакта нефтеоткачивающей трубы и обсадной колонны, устанавливаются изоляторы. Электрический ток (до 300 А) получают от трансформатора 1 с отпайками, которыми регулируется величина напряжения и тока в электрической цепи скважины, образующей нагрузку 3. Режимы коммутации трансформатора осуществляет устройство 2, которое устанавливает циклический или однократный длительный режим работы. Этим обеспечивается температура трубопровода выше температуры помутнения парафина, что предотвращает образование кристаллов парафина и отложение его в трубе. При включенной установке по всей длине трубопровода выделяется такое количество тепла, которого достаточно для прогрева участков парафинообразования. Температура в трубопроводе доводится до 36 - 40^oC, и поднимающаяся по трубе нефть нагревается до указанной температуры, в результате чего происходит расплавление парафина. Для расплавления парафина достаточно 1 - 3-дневной работы установки.

При исчезновении тока в цепи нагрузки 3 срабатывает токовый элемент - реле 4 минимального тока, которое при токе меньше заданного значения отключает установку и выдает сигнал диспетчеру.

Применение установки электронагрева экономически высокоэффективно и обеспечивает следующие преимущества: увеличение дебита скважины; отсутствие нарушения эксплуатационных качеств пласта нефти; отсутствие загрязнения окружающей среды; низкие эксплуатационные затраты на очистку по сравнению с другими методами; совместимость с эксплуатационными режимами и режимом ремонтных работ; снижаются общие расходы по обслуживанию скважины; принципиально может работать со всеми методами подъема нефти, в том числе совместно с качалкой.

Установка имеет следующие недостатки.

1. Регулирование напряжения и тока осуществляется дискретно и механически при помощи отпаек на вторичной обмотке трансформатора 1, что усложняет трансформатор, создает неудобство в эксплуатации и снижает эффективность нагрева по мере разогрева трубопровода и увеличения его сопротивления, а также при колебаниях напряжения сети. Это следствие разомкнутой по току системы регулирования.

2. При перемыкании электрической цепи в скважине (например, вследствие неисправности изоляторов, может образоваться промежуточное соединение между НКТ и обсадной колонной) происходит уменьшение сопротивления нагрузки, возрастание тока, перегрев трансформатора, аппаратуры и элементов нефтескважины.

3. Учитывая то, что цепь прохождения тока имеет общую длину 1,5 - 2 км и является длинной линией, она содержит распределенную величину активного R и индуктивного X_n= ω₀α сопротивления, пропорциональных этой длине. При этом, так как индуктивное сопротивление пропорционально частоте сети (ω₀) , то для создания требуемого значения тока (величина i²R определяет нагрев трубы) необходимо увеличение вторичного напряжения и мощности трансформатора 1. Для снижения мощности трансформатора следует стремиться к тому, чтобы ω₀α ≪ R , что практически невозможно в указанной установке, получающей питание от промышленной сети с частотой 50 Гц. Практически при глубине скважины около 800 м имеем R ≈ 0,15 Ом, ω₀λ - 0,8 Ом (ω₀= 2πf₀= 2π50 = 314c^-1) .

4. Перекос (асимметрия) напряжений питающей сети на низкой стороне. Указанная сеть образуется при помощи понижающего трехфазного сетевого трансформатора (обычно 6 кВ/380 В) мощностью 40-100 кВА (в зависимости от скважины). Асимметрия обуславливается соизмеримой мощностью трансформатора 1 и сетевого, а также тем, что сетевой трансформатор трехфазный, а трансформатов 1 однофазный, что при токах нагрузки до 300 А создает несимметричную нагрузку по фазам сетевого трансформатора.

5. Отсутствие авторегулирования процесса нагрева.

Технический результат изобретения - снижение установленной мощности, расширение функциональных возможностей и повышение надежности установки для электронагрева нефтескважины и очистки ее от парафина.

Технический результат достигается тем, что устройство для нагрева нефтескважины и очистки ее от парафина, содержащее силовой трансформатор и нагрузку, снабжено тиристорным преобразователем с системой управления, датчиком и задатчиком тока, регулятором тока, источником напряжения заданной частоты и блоком защиты от обрыва тока нагрузки, выполненным в виде последовательно соединенных выпрямителя и компаратора, причем вход выпрямителя является входом блока защиты от обрыва тока нагрузки и подключен к выходу регулятора тока, а выход компаратора является выходом блока защиты от обрыва тока нагрузки и подключен к логическому входу системы управления, управляющий вход которой соединен с выходом регулятора тока, к входу которого подключены датчик и задатчик тока, выход системы управления соединен с управляющим входом тиристорного преобразователя, вход которого через датчик тока соединен с вторичной обмоткой силового трансформатора, а выход - с нагрузкой, при этом задатчик тока соединен с источником напряжения заданной частоты.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для нагрева нефтескважины и очистки ее от парафина, содержащее силовой трансформатор и нагрузку, отличается тем, что оно снабжено тиристорным преобразователем с системой управления, датчиком и задатчиком тока, регулятором тока, источником напряжения заданной частоты и блоком защиты от обрыва тока нагрузки, выполненным в виде последовательно соединенных выпрямителя и компаратора, причем вход выпрямителя является входом блока защиты от обрыва тока нагрузки и подключен к выходу регулятора тока, а выход компаратора является выходом блока защиты от обрыва тока нагрузки и подключен к логическому входу системы управления, управляющий вход которой соединен с выходом регулятора тока, к входу которого подключены датчик и задатчик тока, выход системы управления соединен с управляющим входом тиристорного преобразователя, вход которого через датчик тока соединен с вторичной обмоткой силового трансформатора, а выход - с нагрузкой, при этом задатчик тока соединен с источником напряжения заданной частоты. Снижение установленной мощности установки для электронагрева достигается за счет уменьшения индуктивного сопротивления X электрической цепи между НКТ и обсадной колонной нефтескважины. Снижение X осуществляется путем уменьшения частоты тока, что реализуется с помощью тиристорного преобразователя, работающего в режиме регулятора тока с заданной частотой.

При этом можно изменять частоту от 0 до 50 Гц с возможностью перевода преобразователя из режима выпрямителя в режим преобразователя частоты (реально хороший эффект достигается при 5 - 10 Гц). Это позволяет резко уменьшить индуктивную составляющую напряжения, что при заданном токе скважины I = const позволяет снизить вторичное напряжение а, следовательно, и мощность силового трансформатора и установки в целом.

Введение блока защиты от обрыва тока скважины позволило повысить надежность установки. Система автоматического регулирования и поддержания тока позволила расширить функциональные возможности установки, заключающиеся в возможности автоматизировать управление ею. Повышение надежности и расширение функциональных возможностей достигается также применением 3-фазного трансформатора и превращением выходного напряжения установки в 2-фазное определенной частоты с помощью преобразователя, что обеспечивает равномерную загрузку сети по фазам и исключает асимметрию в сети. Это очень важно, так как достигается надежная работа остального оборудования, получающего питания от общей сети, в которой принципиально исключается перекос фаз, как это имеет место в прототипе при питании установки от однофазного трансформатора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройств, где приняты следующие обозначения: 1 - силовой трансформатор; 2 - тиристорный преобразователь; 3 - нагрузка, например цепь трубопровода нефтескважины; 4 - токовый элемент - датчик тока; 5 - система управления преобразователем (СИФУ), имеющая управляющий и логический входы; 6 - регулятор тока; 7 - задатчик тока; 8 - источник напряжения заданной частоты, которая может быть задана от 0 до значения, соответствующего частоте сети, например 50 Гц; 9 - блок защиты от обрыва тока нагрузки; 10 - выпрямитель; 11 - компаратор.

В предлагаемом устройстве трансформатор 1 подключен к тиристорному преобразователю 2, выход которого соединен с нагрузкой 3, а вход через датчик 4 тока - с вторичной обмоткой трансформатора, управляющие цепи тиристоров преобразователя соединены с системой 5 управления, к управляющему входу которой подключен регулятор 6 тока, при этом входы последнего соединены с датчиком 4 и задатчиком 7 тока, который соединен с источником 8 напряжения заданной частоты; блок 9 защиты от обрыва тока нагрузки выполнен в виде последовательно соединенных выпрямителя 10 и компаратора 11, при этом выход блока соединен с логическим входом системы 5 управления.

Установка работает следующим образом (фиг. 1).

В образованную за счет трубопровода нефтескважины электрическую цепь ("НКТ - погружной контакт - обсадная колонна") нагрузки 3 при помощи тиристорного преобразователя 2 задается определенная величина и частота тока I. Величина тока определяется уставкой задатчика 7 тока, а его частота - частотой сигнала источника 8.

Структура на базе элементов 1 - 8 представляет собой регулятор тока, обеспечивающий поддержание заданного тока в скважине по величине и форме. При этом в скважину можно задавать постоянный ток (f = 0) либо переменный с частотами, меньшими частоты сети.

С целью исключения явления электролиза в скважине с возможностью взрыва используются частоты f = 5 - 10 Гц.

Применение регулятора тока с низкой частотой обеспечивает: снижение индуктивного сопротивления и мощности трансформатора, повышает надежность при возникновении в скважине режимов, близких к короткому замыканию, за счет перемыкания цепи по изоляторам. В этом случае регулятор тока поддерживает заданную величину тока независимо от величины сопротивления цепи скважины. Кроме того, за счет введения блока 9 защиты от обрыва тока нагрузки напряжения обеспечивается отключение установки при исчезновении цепи тока (обрыва цепи). В этом случае запирается преобразователь 2, отключается установка и выдается сигнал диспетчеру об исчезновении тока.

При исчезновении тока выходной сигнал датчика 4 равен нулю, в результате сигнал на выходе регулятора 6 тока имеет максимальное значение, которое поступает на выпрямитель 10 и при достижении им порога срабатывания компаратора 11 последний выдает сигнал аварии и отключает установку электронагрева.

Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с прототипом являются:
снижение установленной мощности электрооборудования электроустановки для нагрева скважины;
исключение несимметрии напряжения сети, что обеспечивает равномерную загрузку фаз общего сетевого трансформатора скважины; тем самым исключаются его перегрев и негативное влияние на совместно работающее другое оборудование, получающее питание от указанного сетевого трансформатора;
стабильно поддерживается заданный ток независимо от разогрева трубы, колебаний напряжения сети и возможных замыканий в скважине;
повышается надежность и эффективность нагрева за счет защиты от обрыва тока в нагрузке - скважине.

Указанный эффект заявляемого устройства достигается за счет применения трехфазного трансформатора, подключенного через тиристорный преобразователь с регуляторами тока к электрическим зажимам скважины; при этом устройство оснащено блоком защиты от обрыва цепи тока.

Изготовлен макетный образец устройства для электронагрева нефтескважин и проведены испытания на одной из скважин АО "Татнефть", которые подтвердили положительный результат.

Формула изобретения

Устройство для электронагрева нефтескважины и очистки ее от парафина, содержащее силовой трансформатор и нагрузку, отличающееся тем, что оно снабжено тиристорным преобразователем с системой управления, датчиком и задатчиком тока, регулятором тока, источником напряжения заданной частоты и блоком защиты от обрыва тока нагрузки, выполненным в виде последовательно соединенных выпрямителя и компаратора, причем вход выпрямителя является входом блока защиты от обрыва тока нагрузки и подключен к выходу регулятора тока, а выход компаратора является выходом блока защиты от обрыва тока нагрузки и подключен к логическому входу системы управления, управляющий вход которой соединен с выходом регулятора тока, к входу которого подключены датчик и задатчик тока, выход системы управления соединен с управляющим входом тиристорного преобразователя, вход которого через датчик тока соединен с вторичной обмоткой силового трансформатора, а выход - с нагрузкой, при этом задатчик тока соединен с источником напряжения заданной частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2