УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА НЕФТЕСКВАЖИНЫ Российский патент 1998 года по МПК E21B36/04 E21B43/24 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к средствам очистки эксплуатационных колонн скважин от парафиновых и др. 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 [3] которые содержат трубчатый корпус с размещенными по опирали 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.

Сущность работы нагревателя заключается в том, что нагреватель опускают 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.1) 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 распределительный щит 2. Как правило, этот контакт устанавливается ниже начала зоны парафинообравования, для того чтобы дать возможность протекающей по внутренней (нефтеоткачивающей) трубе нефти нагреться до того, как она попадет 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 на электрической цепи скважины, к которой трансформатор подключается через зажимы 3. Режимы коммутации трансформатора осуществляет распределительный щит 2, который 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 все 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 (1-8)-дневной работы установки.

Недостатки устройств-прототипов
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. Учитывая то, что цепь прохождения тока имеет общую длину 1,5-2 км и является длинной линией, она содержит распределенную величину активного К и индуктивного ω_oL сопротивления, пропорциональных этой длине. При этом, т.к. индуктивное сопротивление пропорционально частоте сети/(ω_o), 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 ω_oL ≪ R что практически невозможно в указанной установке, получающей питание от промышленной сети с частотой 50 Гц. Практически при глубине скважины около 800 метров имеем:

3. Перекос (асимметрия) напряжений питающей сети на низкой стороне.

Указанная сеть образуется при помощи понижающего сетевого трансформатора (обычно 6 кв/380 В) модностью 40-100 кВА (в зависимости от скважины). Асимметрия обусловливается соизмеримой мощностью трансформатора 1 и сетевого, а также тем, что сетевой трансформатор трехфазный, а трансформатор 1 однофазный, что при токах нагрузки до 300 А создает несимметричную нагрузку по фазам сетевого трансформатора.

4. Отсутствие авторегулирования температуры.

Технический результат заявляемого решения снижение установленной мощности и повышение надежности установки для электронагрева нефтескважины.

Технический результат достигается тем, что устройство для электронагрева нефтескважины, содержащее силовой трансформатор и кабель для подачи питания на электрозажимы трубопроводов скважины снабжено тиристорным преобразователем частоты, датчиком и задатчиком тока, регулятором тока, блоком защиты от несимметричной работы преобразователя частоты, датчиком температуры нефти и регулятором температуры с гистерезисной характеристикой, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а выход подключен к входу задатчика тока, выход которого и выход датчика тока через регулятор тока подключен к одному из входов тиристорного преобразователя частоты, второй вход которого соединен с выходом датчика тока через блок защиты от несимметричной работы преобразователя частоты, при этом датчик тока соединен с силовым трансформатором и с третьим входом тиристорного преобразователя частоты, выход которого подключен к электрозажимам трубопроводов нефтескважины, причем блок защиты от несимметричной работы преобразователя частоты выполнен в виде последовательно соединенных фильтра, выпрямителя и компаратора, причем вход фильтра является входом блока защиты, а выход компаратора является выходом блока защиты.

Сущность изобретения заключается в том, что снижение установленной мощности установки для электронагрева нефтескважины достигается за счет уменьшения индуктивного сопротивления электрической цепи между нефтеоткачавающей трубой и обсадной колонной нефтескважины. Снижение индуктивного сопротивления осуществляется путем уменьшения частоты протекания тока, что реализуется с помощью тиристорного преобразователя, работающего в режиме регулятора тока с преобразованием частоты. Это позволило существенно уменьшить вторичное напряжение силового трансформатора при неизменном токе, что обеспечивает снижение установленной мощности указанного трансформатора и установки в целом. Введение блока защиты позволило повысить надежность путем контроля симметрии тока на выходе преобразователя. В противном случае (при появлении асимметричного тока) в электрической цепи будет протекать ток с постоянной составляющей (в пределе постоянный ток), что может привести к электролизу и межтрубном пространстве скважины. Последнее обстоятельство может обусловить разрушение труб, разложение попадающей в это пространство воды (на кислород и водород) с возможностью взрыва. Дополнительному повышению надежности способствует введение регулятора температуры нефти (с гистерезисной характеристикой) с воздействием последнего на уставку регулятора тока.

Повышение надежности обеспечивается также применением трехфазного трансформатора и преобразованием 3-фазного напряжения с помощью преобразователя частоты в 2-фазное определенной частоты, что обеспечивает равномерную загрузку сети по фазам, исключает асимметрию напряжения в питающей сети, тем самым обеспечивается одновременная безаварийная работа остального оборудования, обслуживающего нефтескважину. Частоты выходного тока преобразователя выбирается безопасной из условия исключения электролиза (5-10 Гц).

На фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения: 1 трехфазный силовой трансформатор, 2 тиристорный преобразователь частоты, 3 электрические зажимы трубопроводов скважины, 4 - датчик тока, 5 регулятор тока, 6 задатчик тока. В простейшем случае это - генератор синусоидального сигнала, с независимой регулировкой амплитуды и частоты, 7 блок защиты, 8 компаратор с порогом U₀, 9 выпрямитель, 10 фильтр, например, апериодическое звено, 11 регулятор температуры, 12 - датчик температуры, 13 нефтескважина, i_з- сигнал задания тока, f_о частота сети, f заданная частота тока.

В предлагаемом устройстве трансформатор 1 подключен к тиристорному преобразователю частоты 2, который соединен с электрическими защитами 8 нефтескважины и датчиком 4 тока, вход преобразователя частоты подключен к регулятору 5 тока, входы которого соединены с датчиком 4 и задатчиком 6 тока.

Вход блока 7 защиты соединен с датчиком 4 тока, а выход с преобразователем 2 частоты, при этом блок содержит последовательно соединенные компаратор 8, выпрямитель 9 и фильтр 10; задатчик 6 тока соединен с регулятором 11 температуры, вход которого подключен к датчику 12 температуры.

Устройство работает следующим образом.

Задатчиком 6 устанавливается заданное значение переменного тока, которое поступает на регулятор 5 тока. В результате на выходе преобразователя 2 появляется переменный ток с заданными действующим значением и частотой f, например, 300 А, 10 Гц. Данный ток поступает в электрическую цепь скважины через зажимы 3. Величина тока поддерживается на заданном уровне при изменении различных дестабилизирующих факторов (температура, напряжение сети, внутренние дрейфы электроники и т.д.), что достигается наличием отрицательной обратной связи по току.

Контроль синусоидальности выходного тока преобразователя 2 осуществляется блоком защиты 7. При появлении несимметрии (например, если одна из полуволн тока окажется больше по площади) усредняющий фильтр 10 выделяет среднее значение сигнала обратной связи по току, в которой будет присутствовать постоянная составляющая какого-либо знака. Пройдя через выпрямитель 9, последняя поступает на вход компаратора 8 с зоной нечувствительности U_О.

При симметричной синусоиде постоянная составляющая равна нулю, при асимметричной не равна нулю. При определенной несимметрии она превысит порог U₀, что приведет к срабатыванию компаратора 8, снятию управляющих импульсов и запиранию преобразователя 2.

Таким образом, в течение определенного времени, например, (1-3)- суток производится разогрев нефтеоткачивающей трубы скважины, в результате расплавляются парафиносодержащие фракции и удаляются вместе с нагретой нефтью из скважины. Устройством предусмотрен также режим нагрева с контролем по температуре нефти при помощи регулятора 11 и датчика температуры 12. Регулятор при этом имеет гистерезисную характеристику: при достижении температуры нефти, например, 38-40^oC, он срабатывает (первое положение) и воздействует на снижение уставки тока задатчика 6. В результате ток в скважине уменьшается, температура снижается, например, до 30-34^oC. При достижении температуры нефти этой величины, регулятор 11 переходит во второе положение и задатчик 6 выдает первоначальную повышенную установку тока в скважине. Происходит увеличение температуры до З8-40^oC с повторением указанного цикла. Спустя цикл заданного общего времени нагрева (1-3-суток), установка отключается. Задание времени работы установки производится либо оператором, либо автоматически таймером.

Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с прототипом являются:
1. Снижение установленной мощности электрооборудования электроустановки для нагрева скважины.

2. Исключение несимметрии напряжения сети, что обеспечивает равномерную загрузку фаз общего сетевого трансформатора скважины; тем самым исключается его перегрев и негативное влияние на совместно работающее другое оборудование, получающие питание от указанного сетевого трансформатора.

3. Стабильно поддерживается заданный ток и температура независимо от разогрева трубы и колебаний напряжения.

4. Повышается надежность и эффективность нагрева за счет регулятора температуры и защиты.

Указанный эффект заявляемого устройство достигается за счет применения трехфазного трансформатора, подключенного через тиристорный преобразователь частоты о регуляторами тока и температуры к электрическим зажимам скважины; при этом устройство оснащено блоком защиты от несимметричного режима преобразователя частоты, исключающее аварийный режим в нефтескважине.

Назначение: изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для очистки эксплуатационных колонн нефтескважин от парафиновых отложений. Сущность изобретения: устройство для электронагрева нефтеоткачивающей трубы нефтескважины содержит силовой трансформатор, тиристорный преобразователь частоты, датчик, задатчик и регулятор тока. При этом входы регулятора подключены к датчику и задатчику тока, обеспечивающему переменный ток нагрузки заданного значения и частоты. Датчик тока подключен к входу блока защиты от нессиметричного режима преобразователя частоты, выход которого подключен к преобразователю частоты. Блок защиты выполнен в виде последовательно соединенных компаратора, выпрямителя и фильтра. Дополнительно устройство снабжено датчиком температуры и регулятором температуры с гисторезисной характеристикой, выход которого подключен к устройству задания тока, а вход - к датчику температуры. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для электронагрева нефтескважины, содержащее силовой трансформатор и кабель для подачи питания на электрозажимы трубопроводов скважины, отличающееся тем, что оно снабжено тиристорным преобразователем частоты, датчиком и задатчиком тока, регулятором тока, блоком защиты от несимметричной работы преобразователя частоты, датчиком температуры нефти и регулятором температуры с гисторезисной характеристикой, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а выход подключен к входу задатчика тока, выход которого и выход датчика тока через регулятор тока подключены к одному из входов тиристорного преобразователя частоты, второй вход которого соединен с выходом датчика тока через блок защиты от несимметричной работы преобразователя частоты, при этом датчик тока соединен с силовым трансформатором и с третьим входом тиристорного преобразователя частоты, выход которого подключен к электрозажимам трубопроводов нефтескважины. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок защиты от несимметричной работы преобразователя частоты выполнен в виде последовательно соединенных фильтра, выпрямителя и компаратора, причем вход фильтра является входом блока защиты, а выход компаратора является выходом блока защиты.