Система для питания погружного электродвигателя и обогрева скважинной жидкости

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к конструкции системы для питания погружного электродвигателя (ПЭД) и одновременного обогрева скважинной жидкости, и может быть использовано на промыслах при механизированной добыче нефти из скважин. Технический результат заключается в обеспечении высокой надежности работы системы 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 (НУК) благодаря наличию отрицательной обратной связи по току, а также благодаря учету зависимости силы тока от вязкости перекачиваемой жидкости и от ее температуры. Система состоит из 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 НУК, токопроводящие жилы которого электрически последовательно соединены с токопроводящими жилами ЭК. В качестве ЭК может быть использован кабель-удлинитель с муфтой кабельного ввода для подсоединения к ПЭД 1. 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. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к конструкции системы для питания погружного электродвигателя (ПЭД) и одновременного обогрева скважинной жидкости. Может быть использовано на промыслах при механизированной добыче нефти из скважин.

В уровне техники наиболее широко известны кабельные линии, выполняющие по отдельности роль питающего ПЭД кабеля и кабельные линии для нагрева, которые прокладывают параллельно в скважину вдоль насосно-компрессорных труб (НКТ).

Известны кабельные линии для подачи электроэнергии с поверхности земли (от станции управления) к погружному электродвигателю [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 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 повышенным материальным затратам.

Известна кабельная линия 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 нагреваемой жилы по длине кабельной линии последовательно располагались в токопроводящих жилах разных фаз.

Указанная конструкция известной 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 выходу из строя всей кабельной линии. Таким образом, такая конструкция является недостаточно надежной.

Кроме того, обогрев скважинной жидкости известной кабельной линией 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 неэффективно.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению по назначению является система для питания погружного электродвигателя и обогрева скважинной жидкости [3], включающая погружной электродвигатель ПЭД, источник питания и соединяющую их кабельную линию, состоящую из электрического кабеля для питания ПЭД и нагревательного кабеля для обогрева скважинной жидкости. Каждый из указанных кабелей содержит изолированные токопроводящие жилы, подушку под броню и броню из металлической ленты. Причем изолированные токопроводящие жилы электрического и нагревательного кабелей имеют общую броню при расположении жил первого между жилами второго.

Недостатками указанной известной системы являются следующие:

1.) отсутствие саморегулирования нагрузки на нагревательный кабель при изменении параметров добываемой жидкости, т.к. нет взаимосвязи между ПЭД и нагревательным кабелем;

2.) возможность изготовления кабельной линии только в заводских условиях и только круглого сечения;

3.) низкая надежность кабельной линии ввиду отсутствия теплоотвода от токопроводящих жил электрического кабеля и воздействие на него тепла от нагревательного кабеля, что приведет к повреждению изоляции и выходу из строя;

4.) повышенный диаметр кабеля предполагает использование большого количества центраторов для исключения его повреждения при спускоподъемных операциях.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании полифункциональной системы, предназначенной одновременно для питания ПЭД и обогрева скважинной жидкости. А технический результат заключается в обеспечении высокой надежности работы системы 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 (ООС) по току, а также благодаря учету зависимости силы тока от вязкости перекачиваемой жидкости и от ее температуры.

Указанный технический результат достигается предлагаемой системой для питания погружного электродвигателя и обогрева скважинной жидкости, включающей погружной электродвигатель ПЭД, источник питания и соединяющую их кабельную линию, состоящую из электрического кабеля для питания ПЭД и нагревательного кабеля для обогрева скважинной жидкости, при этом новым является то, что указанная кабельная линия состоит по меньшей мере из двух участков электрического кабеля, один из которых подсоединен к источнику питания, а второй - к ПЭД, между которыми размещен нагревательный участок кабеля, соединенный электрически последовательно с указанными участками электрического кабеля, при этом токопроводящие жилы у нагревательного участка кабельной линии выполнены стальными, а у электрического кабеля - медными, причем сопротивление r каждой стальной токопроводящей жилы упомянутого нагревательного участка выбрано из расчета:

где U_ПЭД - фазное напряжение питания погружного электродвигателя без нагревательного участка;

cos ϕ - коэффициент мощности погружного электродвигателя;

P_ПЭД - номинальная мощность погружного электродвигателя,

а фазное напряжение U_c питания всей системы в целом при указанном сопротивлении r выбирается исходя из формулы:

В качестве второго участка электрического кабеля система содержит кабель-удлинитель с муфтой кабельного ввода для подсоединения к погружному электродвигателю.

Система дополнительно содержит включенные в электрическую цепь станцию управления и согласующий трансформатор или станцию управления, включающую в свою конструкцию согласующий трансформатор.

Электрический кабель подключен к источнику питания через станцию управления и согласующий трансформатор.

Поставленный технический результат достигается за счет следующего.

Обеспечение саморегулировки системы достигается за счет наличия у нее, благодаря совокупности всех признаков, ООС по току, которая работает следующим образом. При перекачке высоковязкой нефти (и/или при ее нерегулярном поступлении в скважину) ПЭД снижает обороты и начинает работать с перегрузкой, при этом возрастает ток, проходящий через его обмотки I_пэд, а учитывая, что электрический кабель для питания ПЭД и нагревательный участок кабельной линии системы соединены последовательно, то ток будет постоянен во всех проводниках, т.е. при увеличении тока, проходящего через двигатель I_пэд,, будет увеличиваться и ток I_н, проходящий через нагревательный участок кабельной линии, т.е. в этих условиях

I_пэд=I_н. При этом увеличивается падение напряжения U_н на нагревательном участке, т.к.

U_н=I_нr, уменьшая тем самым напряжение на двигателе, и автоматически уменьшая ток системы ПЭД + нагревательный участок, при этом ток системы увеличится, но незначительно, и согласно закону Джоуля-Ленца количество выделяемой токопроводящими жилами нагревательного участка теплоты увеличится и будет пропорционально квадрату токовой нагрузки на погружной электродвигатель(). В результате этого (за счет выделяющегося тепла и за счет перемешивания пластового флюида при добыче) температура указанного пластового флюида увеличится, а вязкость его снизится, что приведет к уменьшению I_н, одновременно с этим, при увеличении температуры нагревателя, увеличится его омическое сопротивление, которое дальше будет снижать ток системы:

r(T)=r_o(1+α(T_н-Т_о)),

где r(Т) - омическое сопротивление нагревательной жилы кабеля;

r_о - сопротивление жилы кабеля при температуре Т_о;

Т_н - текущая температура греющей жилы кабеля;

α - температурный коэффициент сопротивления материала;

Таким образом, происходит саморегулирование силы тока, проходящего через ПЭД и через нагревательный участок. Токопроводящие жилы нагревательного участка необходимо выполнить из материала, обладающего удельным сопротивлением, необходимым для оптимальных условий электрообогрева системы. Например, токопроводящие жилы можно выполнить стальными, сопротивление r каждой из которых выбирается исходя из расчета:

где U_ПЭД - фазное напряжение питания погружного электродвигателя без нагревательного участка;

cos ϕ - коэффициент мощности погружного электродвигателя;

Р_ПЭД - номинальная мощность погружного электродвигателя,

Как оказалось, предлагаемая система обеспечивает резкое снижение величины пускового тока погружного электродвигателя, при указанном r (определяемом по указанной формуле) и при фазном напряжение U_c питания всей системы в целом, если оно отвечает условию:

При этом величина пускового тока всей системы будет как минимум в 5 раз ниже по сравнению с этой же системой без нагревательного участка кабеля. Все это обеспечивает надежную работу системы в целом.

Вместе с этим благодаря тому, что в предлагаемой системе происходит пропорциональное перераспределение мощности между ПЭД и нагревательным участком при стабилизации тока нагрузки, исключается перегрев обмотки ПЭД при запуске его в работу, а значит повышается степень надежности работы системы.

Предлагаемая система иллюстрируется чертежом, где показана общая схема системы.

Заявляемая система для питания ПЭД и обогрева скважинной жидкости состоит из погружного электродвигателя 1, станции управления 2, согласующего силового трансформатора 3 и соединяющей их кабельной линии. Указанная кабельная линия состоит по меньшей мере из двух участков электрического кабеля 4 и 5, один из которых подсоединен к наземным блокам питания (на чертеже не показан) через станцию управления 2 и трансформатор 3, а второй - к ПЭД 1, между которыми размещен нагревательный участок 6 кабеля, токопроводящие жилы 7 которого электрически последовательно соединены с токопроводящими жилами 8 и 9 указанных участков электрического кабеля 4 и 5 соответственно. В качестве электрического кабеля 5 может быть использован кабель-удлинитель 10 с муфтой 11 кабельного ввода для подсоединения к ПЭД 1.

Токопроводящие жилы 7 нагревательного участка 6 кабельной линии выполнены стальными, а токопроводящие жилы 8 и 9 электрического кабеля 4 и 5 (в том числе и кабеля-удлинителя 10) - медными. Сопротивления r каждой токопроводящей жилы 7 нагревательного участка 6 выбраны из расчета:

где U_ПЭД - фазное напряжение питания погружного электродвигателя без нагревательного участка;

cos ϕ - коэффициент мощности погружного электродвигателя;

Р_ПЭД - номинальная мощность погружного электродвигателя,

а фазное напряжение U_c питания всей системы в целом при указанном сопротивлении r определяется исходя из формулы:

Это обусловлено тем, что в номинальном режиме активные мощности погружного электродвигателя и нагревательного участка распределяются поровну, именно при таком условии двигатель имеет максимальный КПД при питании от источника переменного тока с фиксированной амплитудой напряжения.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Систему собирают на дневной поверхности. Для этого берут станцию 2 управления, например марки НЭК-01, согласующий трансформатор 3 марки ТМПН - 100/1,91 (если он не входит в конструкцию станции управления), соединяют их кабельной линией с ПЭД 1. Указанная кабельная линия состоит из нагревательного участка 6, выполненного, например, из кабеля марки КнПпБП 120 3×10 (его токопроводящие жилы 7 выполнены стальными) и электрического кабеля 4 и 5 типа КПпБП 120 3×16 (токопроводящие жилы выполнены медными). При этом токопроводящие жилы 7 нагревательного участка 6 электрически последовательно соединяются с токопроводящими жилами 8 и 9 участков электрического кабеля 4 и 5 соответственно. В качестве электрического кабеля 5 преимущественно используют кабель-удлинитель 10. Последний снабжен муфтой кабельного ввода 11, посредством которой его подсоединяют к ПЭД 1. На систему подают переменный ток мощностью 90-100 кВт. При этих условиях происходит работа (питание) ПЭД и одновременно нагрев скважинной жидкости.

Система была опробована на скважине №626 Пермского края. Дебит скважины составлял 52,6 м³/сут; вязкость добываемой нефти 0,99 мПа·с; содержание асфальтосмолистых веществ - более 30%.

Параметры системы были следующие:

- станция управления марки НЭК-01 производства ОАО «НЭК», рассчитанная на номинальный ток 250 А;

- согласующий трансформатор марки ТМПН-100/1,91 с номинальной мощностью 100 кВт;

- ПЭД марки ПЭДУ45-103ДВ5 с номинальной мощностью 45 кВт;

- нагревательный участок (трехжильный) кабельной линии составлял 1100 м;

- токопроводящие жилы нагревательного участка выполнены стальными с сопротивлением r=15,7 Ом и сечением 8 мм²;

- кабель токоподвода марки КПпБП 3×16 от устья скважины до нагревательного участка кабеля длиной 20 м, токопроводящие жилы выполнены из меди;

- кабель-удлинитель 25 м, токопроводящие жилы выполнены из меди.

Электрические параметры системы были следующие:

- фазный ток 30,9 А

- линейное напряжение, подводимое к системе 1710 В

При запуске системы (режим плавного пуска не включен) средняя величина пускового тока за 0,5 с составила 46,2 А. Указанная система работала безаварийно 120 суток. При этом было установлено, что дебит скважины увеличился с 52,6 м³/сут до 58,1 м³/сут с незначительным увеличением обводненности нефти с 15% до 17%.

Таким образом, предлагаемая система характеризуется следующими преимуществами перед известной по прототипу:

- обеспечение высокой надежности работы в промысловых условиях за счет наличия отрицательной обратной связи по току;

- малые затраты на изготовление и производство;

- высокая эффективность для борьбы с АСПО благодаря путевому прогреву добываемого флюида;

- снижение пускового тока и исключение токовых перегрузок двигателя за счет обеспечения саморегулирования, что обеспечивает надежную и длительную работу всей системы.

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 полезную модель №30388, кл. Е21В 43/00, опубл. 2003 г.

1. Система для питания погружного электродвигателя и обогрева скважинной жидкости, включающая погружной электродвигатель ПЭД, источник питания и соединяющую их кабельную линию, состоящую из электрического кабеля для питания ПЭД и нагревательного кабеля для обогрева скважинной жидкости, отличающаяся тем, что указанная кабельная линия состоит по меньшей мере из двух участков электрического кабеля, один из которых подсоединен к источнику питания, а второй - к ПЭД, между которыми размещен нагревательный участок кабеля, соединенный электрически последовательно с указанными участками электрического кабеля, при этом токопроводящие жилы у нагревательного участка кабельной линии выполнены стальными, а у электрического кабеля - медными, причем сопротивление r каждой стальной токопроводящей жилы упомянутого нагревательного участка выбрано из расчета:

где U_ПЭД - фазное напряжение питания погружного электродвигателя без нагревательного участка;
cos φ - коэффициент мощности погружного электродвигателя;
Р_ПЭД - номинальная мощность погружного электродвигателя,
а фазное напряжение U_c питания всей системы в целом при указанном сопротивлении r выбирается, исходя из формулы:

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве второго участка электрического кабеля она содержит кабель-удлинитель с муфтой кабельного ввода для подсоединения к погружному электродвигателю.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит включенные в электрическую цепь станцию управления и согласующий трансформатор или станцию управления, включающую в свою конструкцию согласующий трансформатор.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что электрический кабель подключен к источнику питания через станцию управления и согласующий трансформатор.