СИСТЕМА И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СКВАЖИННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА ПИТАНИЕМ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ Российский патент 2012 года по МПК E21B47/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем относится к системам электропитания, используемым при эксплуатации скважин, более конкретно к обеспечению питанием скважинных измерительных и управляющих приборов и механизмов с использованием переменного тока, передаваемого по трехфазному силовому кабелю.

Уровень техники

Контрольно-измерительные системы для скважинных электрических погружных насосов обычно запитываются путем подачи постоянного напряжения относительно земли на все три проводника трехфазного кабеля, по которому подается питание на двигатель насоса. В результате в проводниках трехфазной системы питания поддерживается это постоянное напряжение (в среднем).

Передаваемое постоянное напряжение используется для питания измерительных приборов внутри скважины и в большинстве случаев для передачи на поверхность полученных ими данных. Однако такие системы постоянного тока ограничивают величину высокого напряжения, используемого для проверки изоляции трехфазного кабеля, и становятся неработоспособными, если одна из фаз замыкается на землю.

Таким образом, существует потребность в улучшенной системе питания скважинных контрольно-измерительных приборов по трехфазному силовому кабелю, по которому подается питание на двигатель насоса.

Краткое изложение сущности изобретения

Ввиду вышеупомянутых недостатков известных технических решений основной целью настоящего изобретения является создание, для использования в системе эксплуатации скважины, системы питания переменного тока для скважинных приборов, где мощность питания передается по всем трем проводникам трехфазного силового кабеля одновременно с передачей по ним мощности питания трехфазного двигателя, при этом частота напряжения питания приборов в несколько раз превышает частоту напряжения питания двигателя, а величина напряжения питания приборов составляет всего лишь часть величины напряжения питания двигателя. Мощность для питания приборов передается через емкостную связь, которая выбирается таким образом, чтобы она сохранялась (не повреждалась) при проверке изоляции кабеля высоким напряжением. Мощность питания двигателя между фазой и нейтральной точкой обеспечивает примерно такой же уровень мощности питания скважинных приборов и в том случае, когда одна из фаз замыкается на землю.

Выше в общем виде охарактеризованы признаки и технические достоинства и преимущества настоящего изобретения, так чтобы специалисты в данной области техники могли лучше понять нижеприведенное подробное описание. Ниже будут также описаны дополнительные признаки и достоинства изобретения, которые включены в его формулу. Специалистам в данной области техники будет ясно, что они могут легко использовать идею и рассмотренный ниже конкретный вариант осуществления изобретения в качестве основы, которая может использоваться для модификации и разработки других конструкций для достижения тех же самых целей настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет также ясно, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы сущности и объема изобретения в его самой широкой форме.

Краткое описание чертежей

Некоторые характеристики, достоинства и преимущества настоящего изобретения уже были указаны выше, а остальные станут понятными из нижеприведенного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схема системы эксплуатации скважины с системой питания скважинного устройства измерения/управления и электродвигателя насоса по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг.2 - более подробная схема измерительного субблока для использования в системе эксплуатации скважины по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг.3 - график, иллюстрирующий соотношение напряжений питания прибора и двигателя насоса, подаваемого по трехфазному кабелю в системе эксплуатации скважины по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

В то время как изобретение описывается на примерах предпочтительных вариантов его осуществления, необходимо понимать, что оно не ограничивается только этими вариантами. Напротив, изобретение охватывает все альтернативные варианты, модификации и эквиваленты, которые находятся в рамках сущности и объема изобретения, охарактеризованного прилагаемой формулой.

Варианты осуществления изобретения

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены варианты осуществления изобретения. Однако настоящее изобретение может быть осуществлено во многих других формах и не должно считаться ограниченным нижеописанными вариантами. Эти варианты приводятся для обеспечения полноты и наглядности описания и передачи в полной мере объема изобретения для специалистов в данной области техники. Одинаковые ссылочные номера на всех фигурах относятся к одинаковым элементам.

На фиг.1 приведена схема системы эксплуатации скважины с системой питания скважинного устройства измерения/управления и электродвигателя насоса по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Система 100 эксплуатации скважины в рассматриваемом иллюстративном примере содержит электрический погружной насос (ЭПН) с субблоком (узлом) 101 двигателя, опущенный в скважину 102 на насосно-компрессорной колонне 103.

Субблок 101 насоса с двигателем запитывается трехфазным напряжением, передаваемым с поверхности по трехфазному кабелю 104. Питание двигателя обеспечивается трехфазным источником 105. Специалистам в данной области техники будет понятно, что источник 105 питания может содержать различные компоненты, такие как, например, генератор или устройство подключения к сети электропитания, конвертор и/или инвертор, и/или частотно-регулируемый привод или привод с регулируемой скоростью.

Источник питания 105 в настоящем изобретении содержит также субблок 106, вырабатывающий однофазный переменный ток для передачи по трехфазному кабелю 104 для обеспечения питания измерительных и контрольно-управляющих устройств, входящих в измерительный субблок 107, расположенный в скважине 102. Частота и пиковая амплитуда напряжения однофазного источника питания, предназначенного для измерительных и/или управляющих устройств, отличаются от частоты и пиковой амплитуды напряжения трехфазного источника питания, предназначенного для двигателя насоса, как это описано далее более подробно.

Система 100 эксплуатации скважины включает по меньшей мере один измерительный субблок 107, расположенный внутри скважины. Измерительный субблок 107, подробно описанный ниже, обеспечивает измерение таких характеристик, как температура, давление, содержание воды/газа в нефти, расход флюида или другие параметры перекачиваемого флюида. В альтернативном варианте измерительный субблок 107 может обеспечивать измерение входного давления, температуры или расхода флюида, скорости вращения или других параметров субблока 101 насоса с двигателем. В других вариантах измерительный субблок 107, в дополнение к измерительным приборам или вместо них, может содержать управляющие механизмы для открытия/закрытия клапанов или для управления другими электрическими или механическими устройствами.

Хотя на фиг.1 изображен лишь один измерительный субблок 107, специалистам в данной области техники будет ясно, что может быть использовано любое количество таких субблоков, расположенных в разных местах скважины 102, например, ниже двигателя, между двигателем и насосом, выше насоса и/или на уплотнении, возле пакера, на устье скважины (для подводных скважин) и т.д.

В рассматриваемом варианте осуществления изобретения измерительный субблок 107 соединен с нейтральной точкой трехфазного электродвигателя, обмотки которого соединены по схеме "звезда", субблока 101 насоса с двигателем. Однако в альтернативном варианте измерительный субблок (или каждый такой субблок, если система эксплуатации скважины содержит несколько таких субблоков) может быть соединен с одним или несколькими проводниками в трехфазном силовом кабеле 104 в любом месте скважины 102.

На фиг.2 приведена более подробная схема измерительного субблока для использования в системе эксплуатации скважины по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Измерительный субблок 107 содержит конденсатор 200, соединенный с нейтральной точкой двигателя или с другой подходящей нейтральной точкой схемы "звезда", сформированной индуктивностями, емкостями или обоими элементами, которая подключена к трехфазному силовому кабелю 104. Конденсатор 200 имеет величину, подходящую для передачи мощности от трехфазного силового кабеля 104 для питания измерительных приборов, и рассчитан на достаточно высокое напряжение, чтобы можно было осуществлять проверку изоляции кабеля 104 и другого скважинного оборудования высоким напряжением.

Конденсатор 200 соединен через трансформатор 201 с измерительным и/или управляющим устройством 202. Мощность, проходящая через конденсатор 200 и трансформатор 201, используется для питания электрических компонентов в измерительном и/или управляющем устройстве 202.

На фиг.3 приведен график, иллюстрирующий соотношение напряжений питания измерительных приборов и двигателя насоса, передаваемых по трехфазному кабелю в системе эксплуатации скважины по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На графике показаны формы напряжений на трехфазном силовом кабеле 104. В рассматриваемом варианте на отдельные проводники трехфазного силового кабеля 104 подаются фазы A, B или C трехфазного напряжения 300 питания (фазовые напряжения 300A, 300B и 300C). Переменное напряжение 301 используется для питания измерительных/управляющих устройств 202 в измерительном субблоке 107. Хотя в рассматриваемом варианте не используется смещение постоянного тока, однако питание, передаваемое по трехфазному силовому кабелю 104, может содержать смещение постоянного тока относительно земли, и в этом случае напряжение 301 питания измерительных приборов будет смещено относительно нейтральной точки.

Величина напряжения 301 питания измерительных приборов в десять и более раз меньше напряжения 300 питания двигателя, передаваемого по трехфазному силовому кабелю 104, а его частота в несколько раз выше частоты напряжения питания двигателя (иллюстрируется на фиг.3). Например, величина напряжения 301 питания измерительных приборов может составлять примерно 80-100 B, и его частота - 600 Гц, а величина напряжения питания двигателя составляет от 1000 B до 2500 B (пиковое значение межфазного напряжения - до 4160 B), его частота - 60 Гц.

Как уже указывалось, измерительный субблок предпочтительно подсоединяется к нейтральной точке схемы соединения "звезда", подключенной к трехфазному силовому кабелю 104. В такой нейтральной точке симметричной системы (ни одна из фаз не закорочена на землю) будет присутствовать только переменное напряжение 301 питания измерительных приборов, вместе с некоторым смещением постоянного тока. Когда одна из фаз закорочена на землю, в нейтральной точке будет суммарное напряжение фаза-нейтраль двигателя для остающихся двух фаз (или одной фазы, если закорочены две фазы). В этом случае напряжение питания двигателя может использоваться для питания скважинных измерительных устройств 202 вместо нормального напряжения 301 питания. Более высокое напряжение питания двигателя, имеющее меньшую частоту, подается на измерительные устройства 202 примерно с тем же самым уровнем мощности, поскольку импеданс емкостной связи 200 обратно пропорционален частоте, и частота и напряжение 300 питания двигателя и частота и напряжение 301 питания измерительных приборов выбираются исходя из обратно пропорциональной зависимости, как было указано выше. Также может использоваться система, в которой соотношения напряжения и частоты 300 питания двигателя и напряжения 301 и частоты питания измерительных приборов отличаются от вышеуказанных по причине изменения напряжения 301 и его частоты до номинальных величин питания измерительных датчиков субблока 107.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения индуктивность трансформатора 201 может быть выбрана таким образом, чтобы формировался резонансный контур с конденсатором 200 на частоте напряжения 301 питания измерительных приборов, в результате чего обеспечивается низкий импеданс для тока питания измерительных приборов и более высокий импеданс для тока питания двигателя (когда одна из фаз заземлена и в нейтральной точке будет присутствовать напряжение питания двигателя).

В рассмотренных выше вариантах не учитывается передача данных по трехфазному силовому кабелю 104. Однако, как известно специалистам, к силовому кабелю 104 могут быть подсоединены независимо несколько модулей 110 сигнализации (выдачи сигналов) для обеспечения модуляции смещения постоянного тока в силовом кабеле 104 или наложения радиочастотного сигнала в соответствии с известными технологиями. Такие модули 110 сигнализации могут быть соединены независимо с измерительным субблоком 107 и с силовым кабелем 104, обеспечивая альтернативные цепи для подачи питания на контрольно-измерительные устройства 202 и передачи данных.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения для несимметричной системы питания переменного тока включает передачу данных с поверхности в скважину, из скважины на поверхность или в обоих направлениях с использованием модуляции переменного тока контроллером (не показан) в блоке 202 скважинных измерительных устройств 202. Таким образом, информация, полученная скважинными измерительными приборами, может быть передана на поверхность в форме линейного изменения нагрузки, пропорционального сигналу переменного тока, или в форме дискретных уровней, передающих закодированные данные. В случае передачи закодированных данных система соединения по переменному току обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных по сравнению системами сигнализации постоянного тока, поскольку временные константы фильтра присоединения гораздо меньше. Использование двух или большего количества дискретных уровней дополнительно повышает скорость передачи данных, поскольку каждая выборка данных будет короче. Данные могут передаваться из контроллера 108 на поверхности в блок 202 скважинных измерительных устройств (одновременно, то есть, в дуплексном режиме, с передачей данных из скважины на поверхность или с временным разделением) путем сдвига частоты напряжения 301 питания на определенную величину или путем кратковременного прерывания напряжения 301 питания. Такая технология обеспечивает передачу данных с использование переменного напряжения 301 питания измерительных приборов для случая несимметричной системы питания.

Настоящее изобретение обеспечивает подачу с поверхности питания скважинных измерительных приборов по трехфазному силовому кабелю, либо отдельно от подачи трехфазного напряжения питания скважинного двигателя, либо одновременно с ним, причем предложенное решение устойчиво к замыканию на землю проводников трехфазного силового кабеля и/или к проверке изоляции кабеля высоким напряжением.

Важно отметить, что хотя варианты осуществления настоящего изобретения описываются в отношении полнофункциональной системы и способа, специалистам в данной области техники будет ясно, что механизм изобретения и/или его признаки могут быть распределены в машиносчитываемом носителе в форме команд, которые могут выполняться процессором, процессорами или аналогичными устройствами, и что настоящее изобретение применимо в равной степени независимо от конкретного типа носителя сигналов, используемого для реализации указанного распределения. В качестве примеров машиносчитываемых носителей можно указать следующие: постоянные носители, такие как постоянные запоминающие устройства (ROM), CD-ROM и DVD-ROM, или стираемые, программируемые запоминающие устройства (EEPROM), перезаписываемые носители, такие как гибкие и жесткие магнитные диски, а также CD-R/RW, DVD-RAM, DVD-R/RW, DVD+R/RW, флэш-память и другие самые новые типы запоминающих устройств, а также носители, обеспечивающие передачу информации, такие как цифровые и аналоговые линии связи. Например, такой носитель может содержать как рабочие команды и/или команды, относящиеся к системе, так и вышеописанные стадии способа.

Необходимо понимать, что изобретение не ограничивается указанными в описании точными деталями конструкции, работы, точными материалами или рассмотренными вариантами его осуществления, поскольку специалисту в данной области техники будут ясны различные модификации и эквиваленты. В описании со ссылками на чертежи рассмотрены иллюстративные варианты осуществления изобретения, и хотя используются конкретные термины, они должны пониматься лишь в общем и описательном смысле, а не как ограничивающие объем изобретения. Поэтому изобретение ограничивается только объемом прилагаемой формулы.

Группа изобретений относится к системам электропитания, используемым при эксплуатации скважин, более конкретно к обеспечению питанием скважинных измерительных и управляющих приборов и механизмов. Скважинная система содержит трехфазный силовой кабель, источник питания, электрический погружной насос и прибор. Кабель проходит с поверхности в скважину и способен обеспечивать питание трехфазного двигателя с определенным напряжением и частотой. Источник питания подключен к трехфазному силовому кабелю и способен вырабатывать переменный ток для питания приборов, передаваемый по всем трем проводникам трехфазного силового кабеля. Насос подключен к трехфазному силовому кабелю и содержит трехфазный двигатель, получающий питание по упомянутому трехфазному силовому кабелю. Прибор подключен к трехфазному силовому кабелю с использованием емкостной связи с возможностью получения по нему переменного тока питания прибора. При этом величина напряжения тока меньше величины напряжения питания трехфазного двигателя, а частота больше частоты напряжения питания трехфазного двигателя. Техническим результатом является улучшение системы питания скважинных приборов. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система питания скважинных приборов, содержащая трехфазный силовой кабель, проходящий с поверхности в скважину и способный обеспечивать питание трехфазного двигателя с определенным напряжением и частотой; источник питания, подключенный к трехфазному силовому кабелю и способный вырабатывать переменный ток для питания приборов, передаваемый по всем трем проводникам трехфазного силового кабеля; и прибор, подключенный к трехфазному силовому кабелю с использованием емкостной связи с возможностью получения по нему переменного тока питания прибора, величина напряжения которого ниже величины напряжения питания трехфазного двигателя, а частота больше частоты напряжения питания трехфазного двигателя.

2. Система по п.1, в которой емкостная связь прибора с трехфазным силовым кабелем сохраняется при проверке изоляции кабеля высоким напряжением.

3. Система по п.1, в которой для соединения прибора с трехфазным силовым кабелем используется также индуктивная связь, причем параметры емкостной и индуктивной связи выбраны с обеспечением низкого импеданса для переменного тока питания прибора и высокого импеданса для трехфазного двигателя.

4. Система по п.1, содержащая один или несколько контроллеров для двусторонней передачи данных по трехфазному силовому кабелю.

5. Система по п.4, в которой двусторонняя передача данных по трехфазному силовому кабелю обеспечивается путем прерывания переменного тока питания прибора, сдвига частоты или модуляции переменного тока питания прибора.

6. Система по п.1, в которой прибор включает, по меньшей мере, один измерительный субблок, предназначенный для измерения рабочей характеристики или для управления некоторым устройством, и модуль выдачи сигналов, связанный с, по меньшей мере, одним измерительным субблоком с возможностью передачи данных по трехфазному силовому кабелю.

7. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, один измерительный субблок соединен с нейтральной точкой схемы "звезда", подключенной к трехфазному силовому кабелю.

8. Способ обеспечения питанием скважинного прибора, при осуществлении которого: подготавливают трехфазный силовой кабель, проходящий с поверхности в скважину и способный обеспечивать питание трехфазного двигателя с определенным напряжением и частотой; подключают к трехфазному силовому кабелю источник питания, вырабатывающий переменный ток для питания приборов, передаваемый по всем трем проводникам трехфазного силового кабеля; и подключают прибор к трехфазному силовому кабелю с использованием емкостной связи для получения по нему переменного тока питания прибора, величина напряжения которого ниже величины напряжения питания трехфазного двигателя, а частота больше частоты напряжения питания трехфазного двигателя.

9. Способ по п.8, в котором емкостная связь прибора с трехфазным силовым кабелем сохраняется при проверке изоляции кабеля высоким напряжением.

10. Способ по п.8, в котором для соединения прибора с трехфазным силовым кабелем используют также индуктивную связь, причем параметры емкостной и индуктивной связи выбирают так, чтобы обеспечивался низкий импеданс для переменного тока питания прибора и высокий импеданс для тока питания трехфазного двигателя.

11. Способ по п.8, в котором осуществляют двустороннюю передачу данных по трехфазному силовому кабелю между поверхностью и прибором.

12. Способ по п.8, в котором осуществляют двустороннюю передачу данных путем прерывания переменного тока питания прибора, сдвига частоты или модуляции переменного тока питания прибора.

13. Способ по п.8, в котором подготавливают, по меньшей мере, один измерительный субблок, предназначенный для измерения рабочей характеристики или для управления некоторым устройством; и соединяют указанный, по меньшей мере, один измерительный субблок с модулем выдачи сигналов с возможностью передачи данных по трехфазному силовому кабелю.

14. Способ по п.8, в котором указанный, по меньшей мере, один измерительный субблок соединяют с нейтральной точкой схемы "звезда", подключенной к трехфазному силовому кабелю.

15. Скважинная система, содержащая трехфазный силовой кабель, проходящий с поверхности в скважину и способный обеспечивать питание трехфазного двигателя с определенным напряжением и частотой; источник питания, подключенный к трехфазному силовому кабелю и способный вырабатывать переменный ток для питания приборов, передаваемый по всем трем проводникам трехфазного силового кабеля; электрический погружной насос, подключенный к трехфазному силовому кабелю и содержащий трехфазный двигатель, получающий питание по упомянутому трехфазному силовому кабелю; и прибор, подключенный к трехфазному силовому кабелю с использованием емкостной связи с возможностью получения по нему переменного тока питания прибора, величина напряжения которого меньше примерно в N раз величины напряжения питания трехфазного двигателя, а частота больше примерно в N раз частоты напряжения питания трехфазного двигателя.

16. Система по п.15, в которой емкостная связь прибора с трехфазным силовым кабелем сохраняется при проверке изоляции кабеля высоким напряжением.

17. Система по п.15, в которой для соединения прибора с трехфазным силовым кабелем используется также индуктивная связь, причем параметры емкостной и индуктивной связи выбраны с обеспечением низкого импеданса для переменного тока питания прибора и высокого импеданса для трехфазного двигателя.

18. Система по п.17, дополнительно содержащая контроллер внутри прибора, способный модулировать переменный ток питания прибора для передачи данных на поверхность по трехфазному силовому кабелю, и второй контроллер, подключенный к трехфазному силовому кабелю с возможностью передачи по нему данных в прибор, либо путем временного сдвига частоты переменного тока питания прибора, либо путем временного прерывания переменного тока питания прибора.