СПОСОБ ПИТАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПОГРУЖНОГО БЛОКА СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УСТАНОВКИ ПОГРУЖНОГО НАСОСА И УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО НАСОСА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК E21B47/12 E21B47/06 F04D13/08 

Группа изобретений относится к насосным установкам с электрическим приводом, работающим в погруженном состоянии, и может быть использована при измерении давления на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации электродвигателя.

Известен способ питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии установки погружного насоса переменным однофазным током, реализуемый при работе устройства для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса (авт. свид. SU №1652525, Мкл.⁵ Е 21 В 47/06, опубл. 1991 г.), предусматривающий передачу информации по кабелю токами, частота которых превышает промышленную частоту 50 Гц, например, в 500 раз.

При таком способе питания и передачи информации погружной блок системы телеметрии имеет большие диаметральные габариты (определяемые размерами трансформатора, рассчитанного на ток промышленной частоты). Большие габариты погружного блока приводят к необходимости его установки в герметичном корпусе и соединения его кабелем (длина составляет ~6 м) с узлом электропитания двигателя, что усложняет монтаж и эксплуатацию установки и снижает ее надежность из-за возможного нарушения контакта в соединении кабеля.

Известен также способ питания и передачи информации погружного блока, реализуемый скважинным устройством для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса (патент RU №2099522, Мкл.⁶ Е 21 В 47/06, опубл. 1997 г.). Для питания погружного блока используется переменный однофазный ток промышленной частоты 50 Гц. Для передачи информации используется сложный частотно модулированный сигнал, несущий одновременно информацию о текущих значениях давления на приеме насоса и температуры обмоток погружного электродвигателя, измеренных соответственно измерительными преобразователями давления и температуры.

Установка со скважинным устройством (патент RU №2099522, Мкл.⁶ Е 21 В 47/06, опубл. 1997 г.), принятая в качестве прототипа установки, заявляемой в п.2 формулы изобретения, содержит электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с кабелем питания электродвигателя.

Параллельное получение информации о текущих значениях давления и температуры и использование для передачи информации сложного частотно-модулированного сигнала повышает достоверность контроля давления и температуры и быстродействие системы.

Однако погружной блок системы телеметрии имеет также большие диаметральные габариты (определяемые размерами разделительного трансформатора, рассчитанного на питающее напряжение промышленной частоты 50 Гц). При монтаже погружной блок необходимо установить в герметичном корпусе и соединить кабелем (длина составляет ~ 6 м) с узлом электропитания двигателя, что усложняет монтаж и эксплуатацию установки и снижает ее надежность из-за увеличения длины установки и возможного нарушения контакта в соединении кабеля.

Для передачи информации погружной блок (разделительный трансформатор) подключен к тяжелодоступной нулевой точке статорной обмотки погружного электродвигателя, что также ухудшает условия его монтажа и эксплуатации.

Известна установка погружного электродвигателя с системой контроля температуры (авт. свид. SU №1101546, Мкл.³ Е 21 В 47/06, опубл. 1984 г.), содержащая передающее устройство - погружной блок, установленный в нижней части погружного электродвигателя и соединенный кабелем с узлом электропитания двигателя, к которому подключен кабель-токоподвод.

Необходимость установки погружного блока в герметичном корпусе увеличивает его габариты, а его соединение кабелем (длина составляет ~6 м) с узлом электропитания двигателя усложняет монтаж и эксплуатацию установки и снижает ее надежность из-за возможного нарушения контакта в соединении кабеля с узлом электропитания двигателя.

Известен способ питания и передачи информации датчика системы телеметрии установки погружного насоса (Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. - М.: Недра, 1968, с. 47-49), принятый в качестве прототипа способа и предусматривающий пропускание по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле.

Питание и передача информации погружного блока токами, частота которых определяется пределами, указанными выше, позволяет использовать в погружном блоке разделительный трансформатор и конденсатор с небольшими диаметральными размерами, что уменьшает габариты погружного блока.

Однако для реализации такого способа необходимо обеспечивать надежное разделение сигналов, что предъявляет высокие требования к входному фильтру.

Известна установка погружного насоса с системой телеметрии ИТУ-ДС, содержащая электродвигатель с головкой и систему телеметрии с погружным блоком (Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. - М.: Недра, 1968, с.291, рис. 169, 171). Погружной блок размещен в специальном герметичном корпусе, расположенном в корпусе электродвигателя.

Расположение погружного блока в специальном герметичном корпусе, расположенном в корпусе электродвигателя, повышает надежность эксплуатации за счет непосредственного соединения погружного блока с узлом электропитания двигателя.

Однако, как и в установке, описанной выше, погружной блок располагается в герметичном корпусе, что усложняет конструкцию за счет необходимости изготовления корпуса погружного блока и повышает габариты этого узла.

Наиболее близкой к заявляемой в 3-м пункте формулы и принятой в качестве прототипа является установка погружного насоса с системой телеметрии, содержащая электродвигатель и систему телеметрии с погружным блоком (втулочными трансформаторами), расположенным в головке электродвигателя.

В такой установке нет необходимости в герметичном корпусе для втулочного трансформатора.

Однако такая установка имеет ограниченные возможности, что объясняется ограниченными возможностями ее погружного блока - втулочных трансформаторов, кроме того, для датчика, расположенного отдельно, необходим герметичный корпус, что усложняет монтаж и эксплуатацию установки.

Задачей изобретения является создание способа питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии и установки погружного насоса с системой телеметрии, обеспечивающих улучшение условий монтажа и эксплуатации установки за счет уменьшения диаметральных габаритов погружного блока, его рационального размещения в установке и подключения к кабелю питания электродвигателя.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии установки погружного насоса пропусканием по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле, частота тока питания может отличаться от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз.

Выбранное соотношение частот токов питания и передачи информации обеспечивает надежное разделение сигналов, что снижает требования к входному фильтру.

Использование токов такой частоты позволяет обеспечить подключение погружного блока не к нулевой точке, а к двум фазам кабеля питания, что упрощает монтаж и эксплуатацию системы.

Поставленная задача решается также усовершенствованием установки погружного насоса, содержащей электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с кабелем питания электродвигателя, при этом погружной блок содержит высокочастотный генератор, соединенный с первой обмоткой его разделительного трансформатора.

Это усовершенствование заключается в том, что наземный блок снабжен высокочастотным генератором, соединенным с первой обмоткой его разделительного трансформатора, при этом вторичная обмотка каждого трансформатора подключена к двум фазам питания электродвигателя.

Снабжение наземного блока высокочастотным генератором, соединенным с первой обмоткой его разделительного трансформатора, и подключение при этом вторичной обмотки каждого трансформатора к двум фазам питания электродвигателя позволяет упростить монтаж установки, исключив необходимость подключения к труднодоступной нулевой точке.

Во втором варианте установки поставленная задача решается также за счет того, что в установке погружного насоса с системой телеметрии, содержащей электродвигатель и систему телеметрии с погружным блоком, расположенным в головке электродвигателя, погружной блок содержит цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного элктродвигателя и вибрации погружного насоса.

Выполнение погружного блока содержащим цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного элктродвигателя и вибрации погружного насоса позволяет расширить возможности погружного блока и все его элементы выполнить без герметичного корпуса, что уменьшает его размеры и упрощает изготовление, а также расположить погружной блок в непосредственной близости к узлу электропитания двигателя, расположенному в его головке.

Заявляемые способ и установки объединены единым изобретательским замыслом, так как совокупность их признаков позволяет улучшить условия монтажа и эксплуатации установки за счет уменьшения диаметральных габаритов погружного блока, его рационального размещения в установке и подключения к кабелю питания электродвигателя.

Предлагаемая группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная электрическая схема установки с системой телеметрии, на фиг.2 - установка (погружной блок 4 показан условно), на фиг.3 - головка электродвигателя с установленным погружным блоком.

Установка содержит погружной электродвигатель 1, соединенный кабелем 2 с системой телеметрии, в которую входит наземный блок 3 и погружной блок 4. В состав наземного блока 3 входит: разделительный конденсатор 5, разделительный трансформатор 6, разделительный дроссель 7, входной фильтр 8 и преобразователь сигнала 9, состоящий в приведенном варианте из преобразователя интерфейса 10 и цифрового программируемого арифметико-логического устройства 11, соединенный с входом управляемого высокочастотного генератора 12. Выход генератора 12 соединен с первой обмоткой разделительного трансформатора 6.

В состав погружного блока 4 входит: разделительный конденсатор 13, разделительный трансформатор 14, защитный стабилитрон 15, преобразователь интерфейса 16, цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 17, соединенное с высокочастотным генератором 18, датчик давления температуры, вибрации 19 и блок питания 20. Высокочастотный генератор 18 соединен с первой обмоткой разделительного трансформатора 14.

Погружной блок 4 установлен в головке 21 электродвигателя 1. Вторичные обмотки разделительных трансформаторов 6 и 14 подключены к двум фазам 22 и 23 питания электродвигателя 1. Погружной блок 4 связан с наземным блоком 3 линией питания и передачи сигнала, которыми служит кабель 2 (его жилы, подключенные к фазам 22 и 23).

При монтаже установки погружной блок 4 располагается в головке 21, соединяется электрически с узлом питания электродвигателя 1, и в собранном виде электродвигатель 1 с установленным в его головке 21 погружным блоком 4 опускается в скважину на требуемую глубину.

При работе установки подают питание на наземный блок 3, при этом цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 11 начинает плавно повышать выходное напряжение высокочастотного генератора 12 до появления сигнала от датчика 19 (данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации погружного электродвигателя 1). При появлении данных на входе цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 11 останавливает подъем напряжения и передает принятые данные в цифровой интерфейс к управляющей ЭВМ (не показаны). Высокочастотное напряжение питания, достаточное для устойчивой работы схемы от генератора 12 передается по кабелю 2 (фазам 22 и 23) на погружной блок 4 и, проходя через конденсатор 13 и разделительный трансформатор 14, подается на цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 17. Устройство 17 выполняет опрос датчика 19 и передачу данных выработанным генератором 18 высокочастотным током через преобразователь интерфейса 16, разделительный трансформатор 14, разделительный конденсатор 13 к кабелю 2 (фазам 22 и 23). Так как погружной блок 4 установлен в головке 21 электродвигателя 1, полученный сигнал от погружного блока 4 непосредственно передается через узел электропитания двигателя 1 на кабель 2, по которому передается к наземному оборудованию 3.

Пример конкретного выполнения.

Питание погружного блока 4 системы телеметрии установки погружного насоса, расположенного на глубине порядка 3 км, осуществляли переменным током частотой 20 кГц, что превышает резонансную частоту электрической системы установки, которая составляет около 5 кГц, и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле (свыше 300 кГц). Передачу информации осуществляют токами, частота которых 200 кГц также находится в заданных пределах и отличается от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз, что обеспечило надежное разделение сигналов, снизило требования к входному фильтру 8.

Таким образом, обеспечивается питание и передача информации погружного блока 4 токами высокой частоты, что позволяет уменьшить габариты разделительного трансформатора 14, а следовательно, и погружного блока 4.

Использование предлагаемой группы изобретений позволило улучшить условия монтажа и эксплуатации установки за счет уменьшения диаметральных габаритов погружного блока 4 до 20 мм, его рационального размещения в головке 21 электродвигателя 1 и подключения к двум фазам питания электродвигателя 1.

Кроме того, погружной блок 4, установленный в головке 21, позволяет определить температуру самой теплонагруженной части электродвигателя 1.

Группа изобретений относится к эксплуатации скважин и может быть использована при измерении давления на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации электродвигателя погружного насоса. Осуществляют питание и передачу информации пропусканием по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле, при этом частота тока питания отличается от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз. Установка содержит электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор и высокочастоный генератор. В каждом блоке высокочастотный генератор соединен с первой обмоткой его разделительного трансформатора, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с кабелем питания электродвигателя и подключена к двум фазам питания электродвигателя. Погружной блок установлен в головке электродвигателя и содержит цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации погружного насоса. Изобретение направлено на уменьшение габаритов погружного блока, его рациональное размещение в установке и подключение к кабелю питания. 3 н.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии установки погружного насоса пропусканием по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле, отличающийся тем, что частота тока питания отличается от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз.2. Установка погружного насоса, содержащая электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с кабелем питания электродвигателя, при этом погружной блок содержит высокочастотный генератор, соединенный с первой обмоткой его разделительного трансформатора, отличающаяся тем, что наземный блок снабжен высокочастотным генератором, соединенным с первой обмоткой его разделительного трансформатора, при этом вторичная обмотка каждого трансформатора подключена к двум фазам питания электродвигателя.3. Установка погружного насоса с системой телеметрии, содержащая электродвигатель и систему телеметрии с погружным блоком, расположенным в головке электродвигателя, отличающаяся тем, что погружной блок содержит цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации погружного насоса.