СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМИ ВОДОНЕФТЕПОДЪЕМНЫМИ ЭЛЕКТРОНАСОСАМИ Российский патент 2000 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к системам экологического обеспечения промышленных производств, функционирование которых сопряжено со значительным техногенным воздействием на окружающую среду, в частности к нефтеперерабатывающим производствам, нефтепроводам, хранилищам-терминалам.

Известные системы инженерной защиты окружающей среды и подземной гидросферы от загрязнения жидкими нефтепродуктами содержат различного рода дренажные устройства, основной целью которых является гидрозащита промсооружений и подземного пространства путем понижения зеркала подземных вод до определенного уровня, обуславливаемого системой слива.

Недостатком этих систем является отсутствие возможности регулирования уровня зеркала подземных вод и низкая эффективность извлечения скапливающихся в дренажных системах жидких нефтепродуктов при достаточно существенных затратах на создание громоздких дренажных систем.

Основной отличительной особенностью техногенных залежей нефтепродуктов является низкая мощность нефтяного слоя, имеющего толщину от нескольких сантиметров до нескольких метров, в связи с чем неэффективным оказывается применение систем управления специализированными нефтедобывающими насосами, известными по кн. А.А. Богданова. Погружные центробежные насосы. М., Гостехиздат, 1957, с.126-129, основанными на периодической работе электродвигателя с отключением его и последующем запуске по истечении установленной для данной скважины продолжительности технологической паузы.

Основным недостатком упомянутых систем управления является ограниченное регулирование производительности электронасоса из-за их чрезмерной производительности, громоздкости, сложности и отсутствия согласованно с ними работающих систем защиты от попадания воды.

Известно техническое решение по авторскому свидетельству СССР N 1038418, М. кл. E 02 D 19/00, опубл. 30.08.83, касающееся устройства гибкого управления производительностью шахтной водостойкости установкой, содержащее датчики нижнего, верхнего, повышенного и аварийного уровней, которые подключены к соответствующим входам блока управления, два выхода которого подключены к пускателям главного и заливочного насосов, блок питания, соединенный с блоком управления и блок сигнализации. Известная система снабжена также таймером, датчиками промежуточного уровня и, по их числу, ключами, причем датчики промежуточного уровня подключены к соответствующим ключам, выходы которых соединены с другими соответствующими входами блока управления, другие входы ключей подключены к соответствующим выходам таймера, третий выход блока управления соединен с блоком сигнализации, а датчики промежуточного уровня расположены между датчиками нижнего и верхнего уровней.

Недостатком данного устройства является невозможность обеспечения согласованной его работы с параллельными системами управления электронасосами, извлекающими техногенные залежи другого, по сравнению с водой, типа, например нефтепродуктов, ввиду больших габаритов и нестабильной работы при пониженных температурах окружающей среды.

Известна система управления нефтеподъемным электронасосом (см. проспект фирмы "GESCO", ФРГ, 1993 г.), содержащая электронасос, ультразвуковой и емкостной датчики, расположенные на различной высоте, блок управления с датчиками рабочих режимов и датчиком управления электронасосом, преобразователь, снабженный реле времени.

Система управления электронасосом работает следующим образом.

Электронасос погружается в скважину на глубину, определяемую ультразвуковым датчиком уровня нефтепродуктов, который подает сигнал на блок управления, включающий электронасос. Электронасос откачивает техногенные залежи нефтепродуктов, следуя за понижением их уровня до тех пор, пока емкостной датчик, используемый в качестве датчика уровня раздела фаз, не наталкивается на воду.

После подачи сигнала на блок управления для отключения электронасоса он отключается с некоторой задержкой по времени, величина которой устанавливается через реле времени. При этом в течение некоторого времени производится подача водонефтяной смеси, что приводит к попаданию воды в откачиваемые нефтепродукты.

Недостатками системы GESCO является низкая производительность и невозможность предотвратить попадание воды в магистраль электронасоса, откачивающего нефтепродукты. Указанные недостатки обусловлены отсутствием средств, обеспечивающих раздельное откачивание нефтепродуктов и воды.

Наиболее близкой к данному предлагаемому изобретения по числу совпадающих признаков и достигаемому эффекту является система управления погружными водонефтеподъемными электронасосами (см. Проспект фирмы "VITOL S.A.", Великобритания, 1944 г.), которая и была принята нами за прототип.

Техническое решение - прототип представляет собой систему управления погружными водонефтеподъемными электронасосами, содержащую погружной электронасос понижения зеркала воды и погружной электронасос извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к отдельному силовому коммутатору, блоки управления режимами работы электронасосов, блок емкостных датчиков уровня воды и блок поплавковых герконовых датчиков уровня нефтепродуктов, блоки питания электронасосов, блок индикации и сигнализации технологических режимов работы и олеофильные фильтры предварительной очистки.

Известная система управления погружными водонефтеподъемными электронасосами недостаточно эффективна в части производительности и предохранения от попадания воды в откачиваемые нефтепродукты, если в них содержатся поверхностно-активные вещества. Причинами отмеченных недостатков являются:
а) ограниченная неприменимость для откачки нефтепродуктов с поверхностно-активными веществами, которые делают неэффективным функционирование олефильных фильтров предварительной очистки;
б) низкая производительность, определяемая пропускной способностью фильтра предварительной очистки;
в) пониженная надежность работы и повышенные эксплуатационные расходы из-за сложности выполнения заборного устройства;
г) ограниченные функциональные возможности, связанные с базированием на гидрофобные, олеофильные фильтры;
д) невозможность адаптивной настройки на максимальную производительность откачки нефтепродуктов.

Задачей данного изобретения является создание системы управления погружными водонефтеподъемными электронасосами высокой эффективности и повышенной селективности в широком диапазоне мощностей слоя и разновидностей нефтепродуктов за счет оснащения ее дополнительными средствами защищенности от попадания воды в магистрали электронасоса извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов, средствами выбора толщины откачиваемых слоев воды и нефтепродуктов, а также дополнительными средствами контроля за процессами откачки нефтепродуктов.

Для решения поставленной задачи известная система управления погружными водонефтеподъемными электронасосами, содержащая погружные электронасосы понижения зеркала воды и извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к независимому силовому коммутатору, блока управления режимами работы электронасосов, блок датчиков уровня воды, блок поплавковых герконовых датчиков уровня нефтепродуктов, фильтры предварительной очистки и блок индикации и сигнализации режимов работы, согласно изобретению снабжена, по меньшей мере, одним емкостным датчиком контроля уровня фаз и счетчиком числа включений, блок емкостных датчиков выполнен в виде селектора толщины водяного слоя, а блок поплавковых герконовых датчиков выполнен в виде селектора толщины слоя нефтепродуктов, при этом вход счетчиков числа включений подключен к электронасосу извлечения нефтепродуктов, а выход - к одному из входов блока индикации и сигнализации режимов работы, к двум другим входам которого подключены одни из выходов блока управления режимами работы электронасосов, вторые выходы которых подключены к входам соответствующих силовых коммутаторов, причем к входам первого блока управления режимами работы электронасосов подключены выходы емкостных датчиков контроля уровня раздела фаз и один из поплавковых герконовых датчиков нижнего уровня нефтепродуктов и через селектор толщины слоя нефтепродуктов выходы остальных поплавковых герконовых датчиков, а к входу второго блока управления режимами работы электронасосов подключены один из емкостных датчиков нижнего уровня воды и через блок селекции толщины водяного слоя остальные емкостные датчики.

Для повышения эффективности предварительной очистки извлекаемых из скважины сред фильтр предварительной очистки, смонтированный на погружном электронасосе понижения зеркала воды, снабжен сетчатой оболочкой, выполненной из мелкоперфорированного лавсанового полотна, а фильтр предварительной очистки, смонтированный на погружном электронасосе извлечения нефтепродуктов, выполнен из мешковины, имеющей размеры ячеек 0,05-0,2 мм.

Выполнение блока емкостных датчиков (ЕД) и блока поплавковых герконовых датчиков (ПГД) в виде селекторов толщины водяного слоя и слоя нефтепродуктов соответственно позволяет оптимизировать производительность работы системы за счет обеспечения высокой точности настройки отслеживания уровней воды и нефтепродуктов в скважине. Введение емкостного датчика в селектор толщины слоя нефтепродуктов, реагирующего на появление воды и являющегося таким образом по существу датчиком контроля уровня раздела фаз, обеспечивает подачу сигнала в блок управления при появлении воды на его входе, что приводит к отключению погружного электронасоса извлечения нефтепродуктов (ПЭИНП) и предохраняет от попадания воды его магистрали. Вместе с тем, поскольку селектор толщины водяного слоя во время работы ПЭИНП заведомо находится в воде, погружной электронасос понижения зеркала воды (ПЭПЗВ) откачивает воду из скважины о тех пор, пока не сработает один из датчиков, выбранный в качестве датчика нижнего уровня в селекторе толщины водяного слоя, что приводит к подаче сигнала в соответствующий блок управления на отключение ПЭПЗВ.

В результате увеличения депрессионной воронки стимулируется поступление в скважину воды из водяного слоя с находящимися на ее поверхности нефтепродуктами, и в скважине происходит накопление как воды, так и нефтепродуктов. При этом в зависимости от конкретных гидрогеологических условий и степени техногенного загрязнения, интенсивность поступления в скважину воды и нефтепродуктов будет различной.

В зависимости от мощности притока каждой из фаз либо верхняя граница нефтепродуктов ранее достигнет селектора толщины слоя нефтепродуктов, либо граница раздела уровня фаз поднимается до верхнего емкостного датчика в селекторе толщины водяного слоя.

В первом случае появится сигнал в блоке управления на подготовку к включению ПЭИНП, а во втором произойдет включение ПЭПЗВ, что приведет к дальнейшей откачке воды и накоплению нефтепродуктов в скважине.

В случае интенсивного поступления нефтепродуктов в скважину, при достижении верхней границей нефтепродуктов верхнего ПГД, включается ПЭИНП, что обеспечивает откачку нефтепродуктов до тех пор, пока верхняя граница нефтепродуктов не опустится до нижнего ПГД, после чего ПЭИНП отключается.

То есть, в соответствии с интенсивностью притока воды и нефтепродуктов в скважину, заявляемая система управления обеспечивает выбор оптимальной работы погружных насосов. Причем толщина слоя извлекаемых нефтепродуктов и откачиваемого водяного слоя регулируется глубиной погружения емкостных и поплавковых герконовых датчиков нижнего и верхнего уровня так, что при их подключении обеспечивается оптимальное число включений электронасоса, извлекающего нефтепродукты.

Наличие фильтра предварительной очистки, смонтированного на ПЭИНП и выполненного из гидрофобной мешковины, имеющей размеры ячеек 0,05 - 0,2 мм, позволяет задерживать мелкие частицы воды, имеющиеся в слое нефтепродуктов, что способствует эффективности очистки откачиваемых из скважины нефтепродуктов.

С другой стороны, наличие фильтра предварительной очистки, смонтированного на ПЭПЗВ и выполненного из мелкоперфорированного лавсанового полотна, позволяет предотвратить попадание в электронасос твердых части взвеси, проникающей в результате местных флуктуационных процессов в водяной слой.

Таким образом, сущностью данного изобретения является, во-первых, создание второго уровня защиты от попадания воды в магистрали электронасоса, извлекающего нефтепродукты, дополнительно к фильтру предварительной очистки, что позволило увеличить его надежность и расширить сферу применения, во-вторых, во взаимосвязи элементов системы управления и, в-третьих, дополнение системы элементами гибкой настройки на максимальную производительность извлечения техногенных залежей нефтепродуктов, причем это достигается согласованием производительности электронасоса понижения зеркала воды и электронасоса извлечения нефтепродуктов. При этом производительность электронасоса понижения зеркала воды не должна превосходить естественного притока воды в скважине.

Достижение поставленной цели обеспечивается следующими отличительными признаками:
а) дополнением блока поплавковых герконовых датчиков минимум одним емкостным датчиком;
б) соединением выхода дополнительного емкостного датчика параллельно с выходом герконового датчика нижнего уровня нефтепродуктов, отключающим электронасос извлечения нефтепродуктов;
в) выполнением фильтра предварительной очистки в форме частично гидрофобной сетчатой оболочки;
г) возможностью раздельной настройки электронасосов понижения зеркала воды и извлечения нефтепродуктов по производительности.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема размещения основных блоков заявляемой системы в скважине, а на фиг. 2 - структурная схема системы управления погружными водонефтеподъемными электронасосами.

Система управления погружными водонефтеподъемными электронасосами содержит погружной электронасос 1 понижения зеркала воды и погружной электронасос 2 извлечения нефтепродуктов, подключенные к силовому коммутатору 3 и силовому коммутатору 4 соответственно, которые, в свою очередь, связаны с блоками управления 5, 6 режимами работы электронасосов 1, 2. На корпусе электронасоса 1 смонтирован фильтр 7 предварительной очистки в виде сетчатой оболочки из мелкоперфорированного лавсанового полотна, предназначенный для предотвращения попадания твердых частиц взвеси в откачиваемую воду. На корпусе электронасоса 2 смонтирован частично гидрофобный фильтр 8 предварительной очистки, выполненный из мешковины, размеры ячеек которой равны 0,05 - 0,2 мм и задерживающий частицы воды от попадания в откачиваемые нефтепродукты. Вход блока 5 связан с выходом селектора 9 толщины водяного слоя, в качестве которого использован блок емкостных датчиков 10-1 - 10-5. Вход же блока управления 6 связан с выходом селектора 11 толщины слоя нефтепродуктов, в качестве которого использован блок поплавковых герконовых датчиков 12-1 - 12-5. В селектор 11 введен также емкостной датчик 13, контролирующий уровень раздела фаз, причем выход 14 датчика 13 параллельно подсоединен к выходу 15 ПГД 12-1. Система управления снабжена счетчиками 16 числа включений электронасоса 2 и блоком 17 индикации и сигнализации режимов работы.

При монтаже в скважине оборудования, посредством которого реализуется заявляемая система управления, размещение ее составных частей осуществляется в соответствии с гидротехническим состоянием скважины, оцениваемым вспомогательным измерительным оборудованием.

Работает предлагаемая система управления погружными водонефтеподъемными электронасосами следующим образом.

При подключении системы в работу, в зависимости от наполнения скважины и настройки режима ее работы, происходит включение одного из электронасосов 1, 2, либо обоих вместе. Команды на включение электронасосов 1, 2 подаются от блоков управления 5, 6, соответственно, через силовые коммутаторы 3, 4.

Посредством селектора 9 толщины водяного слоя производится контроль за уровнем раздела фаз (нефтепродукты/вода) с помощью блока емкостных датчиков 10-1 - 10-5. При достижении уровнем раздела фаз нижнего емкостного датчика 10-1 электронасос 1 отключается, и откачивание воды из скважины прекращается.

В результате образования депрессионной воронки происходит активное привлечение в скважину воды вместе с нефтепродуктами, т.е. понижение зеркала водяного слоя способствует образованию в скважине слоя нефтепродуктов, в несколько раз большего по сравнению с естественным.

При заполнении скважины, в соответствии с настройкой системы, происходит либо повторное включение электронасоса 1, которое приводит к повторному циклу откачивания воды из скважины, либо включение электронасоса 2, обеспечивающего откачку накопившихся в скважине нефтепродуктов. Включение электронасоса 2 определяется расположением верхней границы нефтепродуктов по отношению к размещению селектора 11, снабженного поплавковыми герконовыми датчиками 12-1 - 12-5.

Предотвращает попадание воды в магистрали электронасоса 2 емкостной датчик 13 контроля уровня раздела фаз, с выхода 14 которого поступает сигнал в блок управления 6 на отключение электронасоса 2 при появлении воды в зоне размещения датчика 13.

Блок 17 сигнализации и индикации режимов работы обеспечивает оперативный контроль за работой и состоянием системы управления. Счетчик числа включений электронасоса 2 позволяет учитывать объем откачиваемых нефтепродуктов.

В целом предложенная система управления водонефтеподъемными электронасосами позволяет оптимизировать процесс извлечения нефтепродуктов путем более точной настройки и согласования режимов работы электронасосов, а также адаптивного контроля за гидротехническим состоянием скважины.

Изобретение относится к электромашиностроению и предназначено для управления продуктоподъемными агрегатами с погружными электронасосами центробежного типа. Задачей изобретения является оптимизация и повышение надежности процесса извлечения нефтепродуктов из скважин в районах техногенных загрязнений. Система состоит из погружного электронасоса понижения зеркала воды и погружного электронасоса извлечения техногенных скоплений нефтепродуктов (ПНИТСНП), каждый из которых запитан от независимых силовых коммутаторов, входы которых соединены с выходами блоков управления. Один блок управления связан с селектором толщины водяного слоя, снабженным емкостными датчиками уровня воды, а второй блок управления связан с селектором толщины слоя нефтепродуктов, оснащенным поплавковыми герконовыми датчиками уровня нефтепродуктов. Система снабжена, по меньшей мере, одним емкостным датчиком 13 контроля уровня раздела фаз для предотвращения попадания воды в магистрали ПНИТСНП, выход которого соединен параллельно с выходом поплавкового герконового датчика нижнего уровня нефтепродуктов. Система управления дополнена также счетчиком числа включений ПНИТСНП, что позволяет контролировать его производительность и оптимизировать настройку работы системы в целом. Для предотвращения попадания воды в откачиваемые нефтепродукты на корпусе ПНИТСНП смонтирован фильтр 8 предварительной очистки, выполненный из частично гидрофобного материала типа мешковины, имеющей размеры ячеек 0,05-0,2 мм. Для предотвращения попадания твердых частиц взвесей в откачиваемую воду на корпусе погружного электронасоса понижения зеркала воды смонтирован фильтр предварительной очистки, выполненный из мелкоперфорированного лавсанового полотна. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система управления погружными водонефтеподъемными электронасосами, содержащая погружные электронасосы понижения зеркала воды и извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к независимому силовому коммутатору, блоки управления режимами работы электронасосов, блок емкостных датчиков уровня воды, блок поплавковых герконовых датчиков уровня нефтепродуктов, фильтры предварительной очистки и блок индикации и сигнализации режимов работы, отличающаяся тем, что она снабжена, по меньшей мере, одним емкостным датчиком контроля уровня раздела фаз и счетчиком числа включений, блок емкостных датчиков выполнен в виде селектора толщины водяного слоя, а блок поплавковых герконовых датчиков выполнен в виде селектора толщины слоя нефтепродуктов, при этом вход счетчика числа включений подключен к электронасосу извлечения нефтепродуктов, а выход - к одному из входов блока индикации и сигнализации режимов работы, к двум другим входам которого подключены одни из выходов блока управления режимами работы электронасосов, вторые выходы которых подключены к входам соответствующих силовых коммутаторов, причем к входам первого блока управления режимами работы электронасосов подключены выходы емкостного датчика контроля уровня раздела фаз и один из поплавковых герконовых датчиков нижнего уровня нефтепродуктов и через селектор толщины слоя нефтепродуктов выходы остальных поплавковых герконовых датчиков, а к входу второго блока управления режимами работы электронасосов подключены один из емкостных датчиков нижнего уровня воды и через блок селекции толщины водяного слоя - остальные емкостные датчики. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что фильтр предварительной очистки, смонтированный на погружном электронасосе понижения зеркала воды, снабжен сетчатой оболочкой, выполненной из мелкоперфорированного лавсанового полотна. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что фильтр предварительной очистки, смонтированный на погружном электронасосе извлечения нефтепродуктов, выполнен из мешковины, имеющей размеры ячеек 0,05 - 0,2 мм.