Способ и система для контроля устройства для подъема жидкости Российский патент 2019 года по МПК E21B43/12 F04B49/02 H01F38/20 

Ссылки на связанные заявки

[0001] Эта заявка ссылается на приоритет, согласно Своду законов США, раздел 35 §119(e), предварительной заявки на патент США №61/994214, зарегистрированной 16 мая 2014 г.и предварительной заявки на патент США №61/992939, зарегистрированной 4 мая 2014 г., содержание каждой из которых включено в настоящий документ путем ссылки.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Изобретение относится к устройствам для подъема жидкости, а более конкретно - к контролю состояния устройств для подъема жидкости.

[0003] В общем случае добыча жидкостей из скважин, таких как нефтяные скважины, предусматривает использование разнообразных устройств для подъема жидкости, устанавливаемых в скважинах для выкачивания жидкости из скважин в сборное оборудование. Это сборное оборудование как правило располагается вне скважины. Кроме того, жидкости затем транспортируют из сборного оборудования в технологические станции. Эти устройства для подъема жидкости могут, например, содержать электрические погружные насосы (ESP = electrical submersible pump) и подводные подпорные системы (SBS = subsea boosting system). Эти ESP и SBS, как правило, располагаются в скважине и, следовательно, работают в чрезвычайно жестких условиях эксплуатации, например при высоком давлении и высокой температуре. Один или большее количество датчиков (ниже называемых «скважинными датчиками»), установленных в скважине, могут осуществлять контроль различных параметров ESP и/или SBS. Например, параметры контроля могут включать температуру, давление, поток, вибрации в скважине, и т.п. Как правило, скважинные датчики функционально связаны с системами дистанционного контроля, которые расположены вне скважин и призваны обнаруживать один или большее количество дефектов в ESP и/или SBS. Жесткие условия эксплуатации скважинных датчиков влекут за собой использование прочных скважинных датчиков, что, в свою очередь, приводит к более высокой стоимости скважинных датчиков по сравнению с датчиками, предназначенными для контроля двигателей, расположенных вне скважин.

[0004] Кроме того, функциональные возможности таких скважинных датчиков в общем случае ограничены вследствие соответствующих мест установки. Следовательно, сигналы, принятые из скважинных датчиков, могут оказаться недостаточными для предсказания и обнаружения одного или большего количества дефектов в устройствах ESP/SBS или кабелях, которые соединяют ESP и/или SBS с удаленными системами контроля. Следовательно, современные удаленные системы контроля не могут заранее предсказать одного или большего количества возможных дефектов в ESP и/или SBS и не в состоянии заблаговременно выдать сигнал предупреждения об отказе. Отсутствие предупреждения об отказе может привести к внезапным и длительным простоям в нефтедобыче и к некоторым другим осложнениям, таким как срыв графика технического обслуживания и потери продукции.

Сущность изобретения

[0005] Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения, предложена система. Эта система содержит устройство для подъема жидкости, установленное в скважине и содержащее электрический двигатель, трехфазный кабель для соединения устройства для подъема жидкости с источником питания, по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока, предназначенный для генерации первых сигналов дисбаланса, представляющих ток дисбаланса по меньшей мере в одном из электрического двигателя и трехфазном кабеле, при этом указанный по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока установлен так, что окружает по меньшей мере часть трехфазного кабеля, и обрабатывающую подсистему, предназначенную для контроля состояния по меньшей мере одного из устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля на основе указанных сигналов дисбаланса.

[0006] Согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения, предложена система Эта система содержит устройство для подъема жидкости, установленное в скважине и содержащее электрический двигатель, трехфазный кабель для соединения устройства для подъема жидкости с источником питания, первый высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока, предназначенный для генерации первых сигналов дисбаланса, представляющих ток дисбаланса в электрическом двигателе, при этом указанный первый высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока установлен так, что окружает первую часть трехфазного кабеля и установлен в скважине; и второй высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока, предназначенный для генерации вторых сигналов дисбаланса, представляющих полный ток дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле, при этом указанный второй высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока установлен так, что окружает вторую часть трехфазного кабеля и установлен вне скважины, и обрабатывающую подсистему, предназначенную для контроля состояния трехфазного кабеля на основе тока дисбаланса в электрическом двигателе и полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле.

[0007] Согласно еще одному варианту выполнения настоящего изобретения, предложен способ контроля состояния трехфазного кабеля, который соединяет устройство для подъема жидкости с источником питания. Этот способ включает следующие шаги: определения тока дисбаланса в электрическом двигателе, расположенном в устройстве для подъема жидкости, на основе первых сигналов дисбаланса, определение полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле на основе вторых сигналах дисбаланса, определение тока дисбаланса в трехфазном кабеле на основе тока дисбаланса в электрическом двигателе и полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле, и определение, имеется ли дефект изоляции в трехфазном кабеле, на основе тока дисбаланса в трехфазном кабеле и порога дефекта изоляции в кабеле.

Описание чертежей

[0008] Эти и другие признаки и аспекты вариантов выполнения настоящего изобретения станут понятнее из последующего подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены сходные элементы, при этом:

[0009] на фиг. 1 схематично показана система для контроля состояния по меньшей мере одного из устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля с использованием высокочувствительного дифференциального трансформатора тока (HSCT = high sensitivity differential current transformer) согласно аспектам настоящего изобретения;

[0010] на фиг. 2 схематично показана система для контроля состояния трехфазного кабеля с использованием первого HSCT и второго HSCT согласно аспектам настоящего изобретения;

[0011] на фиг. 3 показана последовательность операций для способа контроля состояния по меньшей мере одного из устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля с использованием HSCT согласно аспектам настоящего изобретения;

[0012] на фиг. 4 показана последовательность операций для способа контроля состояния трехфазного кабеля согласно аспектам настоящего изобретения; и

[0013] на фиг. 5 схематично показан пример высокочувствительного дифференциального трансформатора тока согласно аспектам настоящего изобретения.

Подробное описание

[0014] Если не определено иначе, технические и научные термины, использованные здесь, имеют значение, общепринятое для области техники, к которой относится настоящее изобретение. Единственное число не обозначает ограничение количества, а просто обозначает наличие по меньшей мере одного из указанных элементов. Слово «или» является «включительно-отличающим» и означает один, несколько или все перечисленные элементы. Термины «содержащий», «включающий» или «имеющий» и их вариации призваны охватить перечисленные далее элементы и их эквиваленты, а также дополнительные элементы. Термины «управляющая система» или «контроллер» могут включать или единственный компонент, или множество компонентов, которые являются или активными, и/или пассивными и связаны или другим способом соединены вместе, обеспечивая описанную функцию или функции. Термины «обрабатывающая подсистема», «управляющая система» или «контроллер» могут включать или единственный компонент, или множество компонентов, которые являются или активными и/или пассивными и связаны или другим способом соединены, обеспечивая описанную функцию или функции. Термин «обрабатывающая подсистема» может включать процессор цифрового сигнала, микропроцессор, микрокомпьютер, микроконтроллер и/или любое другое подходящее устройство.

[0015] На фиг. 1 схематично показана системы 100 для контроля состояния по меньшей мере одного из следующего: искусственного устройства 102 для подъема жидкости и трехфазного кабеля 114, - с использованием высокочувствительного дифференциального трансформатора 104 тока (HSCT) в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения. Термины «устройство для искусственного подъема жидкости» и «устройство для подъема жидкости» могут использоваться альтернативно. Система 100 содержит устройство 102 для подъема жидкости, которое расположено в скважине 106. Устройство 102 для подъема жидкости может быть предназначено для высасывания жидкости 105 наружу из скважины 106. Скважина 106 может быть, например, нефтяной скважиной. Устройство 102 для подъема жидкости может быть, например, электрическим погружным насосом (ESP), подводной подпорной системой (SBS) и т.п. В показанной конфигурации устройство 102 для подъема жидкости является электрическим погружным насосом.

[0016] Устройство 102 для подъема жидкости, может, например, содержать электрический двигатель 108 и насос 110. Устройство 102 для подъема жидкости может также содержать другие компоненты (не показаны), такие как, но этим не ограничиваясь, скважинный датчик и уплотнение. Кроме того, устройство 102 для подъема жидкости соединено с источником 112 питания через трехфазный кабель 114. Источник 112 питания подает электроэнергию в устройство 102 для подъема жидкости и управляет его работой.

[0017] В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения трехфазный кабель 114 содержит, например, проводник 116 первой фазы, проводник 118 второй фазы и проводник 120 третьей фазы. Кроме того, каждый из этих трех проводников 116, 118, 120 и трехфазный кабель 114 может быть покрыт одной или большим количеством кабельных оболочек. Позицией 117 показан трехфазный кабель 114 со вскрытой частью. Например, в показанной конфигурации каждый из проводников 116, 118, 120 покрыт соответствующей первой кабельной оболочкой 122 и соответствующей второй кабельной оболочкой 123. Эта одна или большее количество кабельных оболочек 122, 123 предназначены для изоляции проводников 116, 118, 120 друг от друга и от внешней среды. Кроме того, этот трехфазный кабель 114, покрыт заземляющей кабельной оболочкой 125. Заземляющая кабельная оболочка 125 предназначена для заземления трехфазного кабеля 114. Например, заземляющая кабельная оболочка 125 может быть металлической оболочкой, металлическим экраном, оплеткой или обмоткой из металлических проводников, окружающей трехфазный кабель 114. Следует отметить, что для простоты иллюстрации части трехфазного кабеля 114 показаны без оболочки.

[0018] Эти три проводника 116, 118, 120 переносят три переменных тока по существу одинаковой частоты, которые достигают соответствующих мгновенных пиковых значений в различные моменты времени. Например, проводник 116 первой фазы может переносить переменный ток I₁, проводник 118 второй фазы может переносить переменный ток I₂, а проводник 120 третей фазы может переносить переменный ток I₃. В идеальной ситуации, сумма этих трех переменных токов I₁, I₂, I₃ должна быть равна нулю, как показано уравнением (1):

[0019] Наличие одного или большего количества дефектов в устройстве 102 для подъема жидкости и/или трехфазном кабеле 114 может привести к появлению тока дисбаланса в трехфазном кабеле 114 и/или в электрическом двигателе 108. В одном примере, когда в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 114 имеются токи дисбаланса, сумма этих трех переменных токов I₁, l₂, I₃ равна сумме токов дисбаланса (именуемой ниже «полным током дисбаланса») в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 114. Например, если ток дисбаланса в электрическом двигателе 108 равен I₄, а ток дисбаланса в трехфазном кабеле 114 равен I₅, то сумма этих трех переменных токов I₁, I₂, I₃ равна сумме токов I₄ и I₅ дисбаланса, как показано в уравнении (2):

где I₄+I₅ представляют полный ток дисбаланса в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 114.

[0020] Кроме того, система 100 содержит по меньшей мере один трансформатор 104 HSCT, который окружает часть трехфазного кабеля 114. Хотя в показанной конфигурации демонстрируется использование единственного трансформатора 104 HSCT, в других вариантах выполнения настоящего изобретения система 100 может содержать больше одного HSCT. В показанной конфигурации трансформатор 104 HSCT расположен вне скважины 106. В других вариантах выполнения настоящего изобретения трансформатор 104 HSCT может быть расположен в скважине 106. Пример такого трансформатора 104 HSCT описан ниже со ссылкой на фиг. 5.

[0021] В одном варианте выполнения настоящего изобретения первая секция 124 трехфазного кабеля 114 покрыта одной или большим количеством кабельных оболочек 122, 123 и заземляющей кабельной оболочкой 125. Кроме того, вторая секция 126 трехфазного кабеля 114 покрыта кабельными оболочками 122, 123, но не покрыта заземляющей кабельной оболочкой 125. Для наглядности часть первой секции 124 показана не покрытой одной или большим количеством кабельных оболочек 122, 123 и заземляющей кабельной оболочкой 125. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения трансформатор 104 HSCT установлен вокруг второй секции 126 трехфазного кабеля 114, которая покрыта только первой кабельной оболочкой 122 и второй кабельной оболочкой 123. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения длина второй секции 126 по существу равна ширине W трансформатора 104 HSCT.

[0022] В процессе работы устройства 102 для подъема жидкости трансформатор 104 HSCT измеряет токи дисбаланса и генерирует сигналы 128 дисбаланса. Трансформатор 104 HSCT измеряет очень малые токи дисбаланса (порядка миллиампер) присутствующих на подавляющем фоне больших токов (порядка килоампер) в электрическом двигателе 108. В одном варианте выполнения настоящего изобретения, когда трансформатор 104 HSCT расположен вне скважины 106, трансформатор 104. HSCT генерирует сигналы 128 дисбаланса, которые представляют полный ток дисбаланса в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 114. В другом варианте выполнения настоящего изобретения, когда трансформатор 104 HSCT расположен в скважине 106 в сочленении (как показано на фиг. 2), и при этом трехфазный кабель 114 соединен с устройством 102 для подъема жидкости, тогда трансформатор 104 HSCT генерирует сигналы дисбаланса, представляющие ток I₄ дисбаланса в электрическом двигателе 108. Хотя вариант выполнения настоящего изобретения, показанный на фиг. 1, демонстрирует использование одного трансформатора 104 HSCT, в других вариантах выполнения настоящего изобретения система 100 может содержать более одного трансформатора HSCT. Например, первый HSCT может быть расположен в скважине 106 в сочленении, где трехфазный кабель 114 соединен с устройством 102 для подъема жидкости, а второй HSCT может быть расположен вне скважины 106. Пример системы, в которой первый HSCT расположен в скважине, а второй HSCT расположен вне скважины, будет описан при рассмотрении фиг. 2.

[0023] Кроме того, система 100 содержит по меньшей мере один поверхностный датчик 132, который соединен по меньшей мере с одним из проводника 116 первой фазы, проводника 118 второй фазы и проводника 120 третьей фазы. Например, в рассматриваемой конфигурации поверхностный датчик 132 соединен с проводником 120 третьей фазы. Поверхностный датчик 132 может быть, например, трансформатором, датчиком тока, датчиком напряжения, высокочастотным трансформатором тока, радиочастотным трансформатором тока и т.п. В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 1, поверхностный датчик 132 расположен вне скважины 106. Следовательно, поверхностный датчик 132 не подвергается воздействию неблагоприятной окружающей среды в скважине 106. В настоящем примере, поскольку поверхностный датчик 132 соединен с проводником 120 третьей фазы, поверхностный датчик 132 генерирует электрические сигналы 134, представляющие ток и напряжение в проводнике 120 третьей фазы.

[0024] Кроме того, система 100 содержит обрабатывающую подсистему 136, функционально связанную с трансформатором 104 HSCT и поверхностным датчиком 132. Обрабатывающая подсистема 136 принимает сигналы 128 дисбаланса из трансформатора 104 HSCT. Кроме того, обрабатывающая подсистема 136 принимает электрические сигналы 134 из поверхностного датчика 132. В одном варианте выполнения настоящего изобретения, когда сигналы 128 дисбаланса представляют полный ток (I₄ и I₅) дисбаланса в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 114, обрабатывающая подсистема 136 обрабатывает сигналы 128 дисбаланса для определения полного тока дисбаланса в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 114. Кроме того, обрабатывающая подсистема 136 может осуществлять контроль состояния устройства 102 для подъема жидкости и/или трехфазного кабеля 114 на основе сигналов 128 дисбаланса. В частности, обрабатывающая подсистема 136 производит, например, контроль состояния устройства 102 для подъема жидкости и/или трехфазного кабеля 114 на основе полного тока дисбаланса в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 114. Кроме того, именно обрабатывающая подсистема 136 может обнаружить наличие дефектов изоляции в электрическом двигателе 108 и/или трехфазном кабеле 114 на основе полного тока дисбаланса. Ниже контроль состояния устройства 102 для подъема жидкости и/или трехфазного кабеля 114 описан более подробно со ссылками на фиг. 3 и фиг. 4. Если наличие одного или нескольких дефектов изоляции в электрическом двигателе 108 и/или трехфазном кабеле 114 обнаружено, оператор или пользователь могут получить уведомление. Затем оператор и/или пользователь могут устранить обнаруженные дефекты.

[0025] Как отмечено выше, обрабатывающая подсистема 136 принимает электрические сигналы 134 из поверхностного датчика 132. Затем обрабатывающая подсистема 136 обрабатывает электрические сигналы 134 для выявления наличия одного или большего количества дефектов в одном или нескольких компонентах электрического двигателя 108 и/или насоса 106 на основе этих электрических сигналов 134. Указанные один или несколько компонентов могут включать, например, ротор, статор, подшипники качения и подшипники скольжения в электрическом двигателе 108. Кроме того, указанные один или большее количество дефектов включают высокочастотный электрический разряд через подшипник, повреждение стержней ротора, дефекты изоляции в статоре и появление эксцентриситета в электрическом двигателе 108.

[0026] Обрабатывающая подсистема 136 связана с хранилищем 138 данных. Хранилище 138 данных может хранить сигналы 128 дисбаланса, электрические сигналы 134 и любые переходные данные. Хранилище 138 данных может быть, например, электрической схемой для хранилища данных, локальными или удаленными жесткими дисками, оптическими дисками (CD или DVD) или другими носителями, к которым может получить доступ обрабатывающая подсистема 136.

[0027] Описанные системы и способы производят контроль состояния устройства 102 для подъема жидкости и/или трехфазного кабеля 114, не вмешиваясь в работу устройства 102 для подъема жидкости и не прерывая ее. В частности, описанные системы и способы производят контроль состояния устройства 102 для подъема жидкости и трехфазного кабеля 114 без необходимости вытаскивания устройства 102 для подъема жидкости и трехфазного кабеля 114 из скважины 106 для осмотра и ремонта устройства 102 для подъема жидкости.

[0028] Кроме того, приведенные выше примеры, демонстрации и шаги процесса, такие как те, которые могут быть выполнены обрабатывающей подсистемой 136, могут быть реализованы в виде соответствующего кода для системы на основе процессора, например в компьютере общего или специального назначения. Следует отметить, что различные реализации рассмотренного способа могут привести к выполнению некоторых или всех шагов, описанные здесь, в различном порядке или по существу одновременно, то есть параллельно. Кроме того, рассмотренные функции могут быть осуществлены на множестве языков программирования, включая, но этим не ограничиваясь Pyton, С++ или Java. Такой код может храниться или быть приспособлен к хранению на одном или нескольких считываемых компьютерами носителях, таких как микросхемы для хранения данных, локальные или удаленные жесткие диски, оптические диски (то есть, CD или DVD) или другие носители, к которым может получить доступ система на базе процессора, для реализации хранящегося кода.

[0029] На фиг. 2 схематично показана система 200 для контроля состояния трехфазного кабеля 214 с использованием первого высокочувствительного дифференциального трансформатора 203 тока (HSCT) и второго высокочувствительного дифференциального трансформатора 204 тока (HSCT) согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Система 200 содержит устройство 202 для подъема жидкости, расположенное в скважине 206. Устройство 202 для подъема жидкости выкачивает жидкость 205 из скважины 206. Кроме того, устройство 202 для подъема жидкости соединено с источником 212 питания посредством трехфазного кабеля 214. Устройство 202 для подъема жидкости может, например, содержать электрический двигатель 208 и насос 210. Источник 212 питания подает электроэнергию в устройство 202 для подъема жидкости и управляет работой устройства 202 для подъема жидкости.

[0030] Позицией 217 обозначена вскрытая часть кабеля 214. Трехфазный кабель 214 содержит, например, проводник 216 первой фазы, проводник 218 второй фазы и проводник 220 третьей фазы. Эти три проводника 216, 218, 220 и трехфазный кабель 214 могут быть покрыты одной или большим количеством кабельных оболочек. Например, в показанной конфигурации каждый из проводников 216, 218, 220 покрыт соответствующей первой кабельной оболочкой 222 и второй кабельной оболочкой 223. Кроме того, трехфазный кабель 214 покрыт заземляющей кабельной оболочкой 225, предназначенной для заземления трехфазного кабеля 214. Трехфазный кабель 214 подобен трехфазному кабелю 114, показанному на фиг. 1. Кроме того эти три проводника 216, 218, 220 подобны трем проводникам 116, 118, 120, показанным на фиг. 1.

[0031] Кроме того первый трансформатор 203 HSCT расположен так, что окружает первую часть 207 трехфазного кабеля 214. Следует отметить, что хотя первая часть 207 трехфазного кабеля 214 покрыта первой кабельной оболочкой 222 и второй кабельной оболочкой 223, первая часть 207 трехфазного кабеля 214 не покрыта заземляющей кабельной оболочкой 225. Соответственно, первый трансформатор 203 HSCT установлен вокруг первой части 207 трехфазного кабеля 214, которая покрыта только первой кабельной оболочкой 222 и второй кабельной оболочкой 223. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения длина первой части 207 кабеля 214 равна ширине первого трансформатора 203 HSCT. Как показано на фиг. 2, первый трансформатор 203 HSCT расположен в скважине 206. Более подробно, в рассматриваемой конфигурации первый трансформатор 203 HSCT расположен в сочленении 226, где трехфазный кабель 214 соединен с устройством 202 для подъема жидкости. Первый трансформатор 203 HSCT генерирует первые сигналы 227 дисбаланса, представляющие ток I₄ дисбаланса в электрическом двигателе 208.

[0032] Дополнительно имеется второй трансформатор 204 HSCT, расположенный так, что он окружает вторую часть 209 трехфазного кабеля 214. Следует отметить, что хотя вторая часть 209 трехфазного кабеля 214 покрыта первой кабельной оболочкой 222 и второй кабельной оболочкой 223, вторая часть 209 трехфазного кабеля 214 не покрыта заземляющей кабельной оболочкой 225. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения длина второй части 209 равна, например, ширине второго трансформатора 204 HSCT. В примере на фиг. 2 второй трансформатор 204 HSCT расположен вне скважины 206. Второй трансформатор 204 HSCT генерирует вторые сигналы 228 дисбаланса, представляющие полный ток (I₄ и I₅) дисбаланса в трехфазном кабеле 214 и электрическом двигателе 208.

[0033] Кроме того, система 200 содержит обрабатывающую подсистему 236, функционально связанную с первым трансформатором 203 HSCT и вторым трансформатором 204 HSCT. Обрабатывающая подсистема 236 может быть аналогична обрабатывающей подсистеме 136, показанной на фиг. 1. Обрабатывающая подсистема 236 принимает первые сигналы 227 дисбаланса из первого трансформатора 203 HSCT и вторые сигналы 228 дисбаланса из второго трансформатора 204 HSCT. Обрабатывающая подсистема 236 осуществляет контроль состояния трехфазного кабеля 214 на основе первых сигналов 227 дисбаланса и вторых сигналов 228 дисбаланса. Кроме того, обрабатывающая подсистема 236 обрабатывает первые сигналы 227 дисбаланса для определения тока I₄ дисбаланса в электрическом двигателе 208. Кроме того, обрабатывающая подсистема 236 обрабатывает вторые сигналы 228 дисбаланса для определения полного тока (I₄ и I₅) дисбаланса в электрическом двигателе 108 и трехфазном кабеле 214. Кроме того, обрабатывающая подсистема 236 определяет ток I₅ дисбаланса в трехфазном кабеле 214 на основе полного тока (I₄ и I₅) дисбаланса в электрическом двигателе 208 и трехфазном кабеле 214 и ток I₄ дисбаланса в электрическом двигателе 208. Например, обрабатывающая подсистема 236 определяет ток I₅ дисбаланса в трехфазном кабеле 214 с использованием уравнения (3):

где - полный ток дисбаланса в электрическом двигателе 208 и трехфазном кабеле 214.

[0034] Обрабатывающая подсистема 236 может также определять дефекты изоляции в трехфазном кабеле 214 на основе тока дисбаланса I₅ в трехфазном кабеле 214. Если обнаружено наличие одного или нескольких дефектов изоляции в электрическом двигателе 208 и/или трехфазном кабеле 214, оператор или пользователь могут получить уведомление. Затем оператор и/или пользователь могут устранить обнаруженные дефекты.

[0035] На фиг. 3 показана последовательность операций, поясняющая способ 300 контроля состояния по меньшей мере одного из устройства для искусственного подъема жидкости и трехфазного кабеля с использованием высокочувствительного дифференциального трансформатора тока согласно аспектам настоящего изобретения. Способ 300, поясняемый на фиг. 3, описан ниже со ссылками на компоненты/элементы, показанные на фиг. 1-2. Устройство для подъема жидкости может быть устройством 102 для подъема жидкости (см. фиг. 1) или устройством 202 для подъема жидкости (см. фиг. 2). Аналогично, трехфазный кабель может быть, например, трехфазным кабелем 114 (см. фиг. 1) или трехфазным кабелем 214 (см. фиг. 2). Как отмечено выше, устройство для подъема жидкости используется для вытягивания/выкачивания жидкости из скважины. Трехфазный кабель используются для функционального соединения устройство для подъема жидкости с источником питания.

[0036] Позицией 302 обозначены сигналы дисбаланса. Сигналы 302 дисбаланса могут служить входными данными для способа 300, показанного на фиг. 3. Сигналы 302 дисбаланса представляют полный ток дисбаланса в электрическом двигателе устройства для подъема жидкости и трехфазном кабеле. Сигналы 302 дисбаланса могут, например, представлять сигналы 128 дисбаланса, показанные на фиг. 1. В другом примере сигналы 302 дисбаланса могут представлять вторые сигналы 228 дисбаланса, показанные на фиг. 2. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения сигналы 302 дисбаланса может генерировать трансформатор 104 HSCT, показанный на фиг. 1. В другом варианте выполнения настоящего изобретения сигналы 302 дисбаланса может генерировать второй трансформатор 204 HSCT, показанный на фиг. 2.

[0037] На шаге 304 на основе сигналов 302 дисбаланса определяют полный ток дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле. Полный ток дисбаланса может быть, например, определен по амплитуде сигналов 302 дисбаланса. Кроме того, на шаге 308 выполняют проверку, чтобы определить, имеется ли дефект изоляции по меньшей мере в одном из электрического двигателя и трехфазного кабеля. В одном из примеров наличие дефекта изоляции можно определить на основе полного тока дисбаланса и порога 306 дефекта изоляции. Порог 306 дефекта изоляции может быть задан пользователем. В контексте настоящего изобретения термин «порог дефекта изоляции» представляет собой численное значение, которое может использоваться, чтобы определить наличие дефекта изоляции по меньшей мере в одном из электрического двигателя или трехфазного кабеля. В частности, наличие дефекта изоляции может быть определено путем сравнения полного тока дисбаланса и порога 306 дефекта изоляции. Например, если величина полного тока дисбаланса превышает порог 306 дефекта изоляции, можно сделать вывод, что по меньшей мере в одном из электрического двигателя и трехфазного кабеля имеется дефект изоляции. Аналогично, когда величина полного тока дисбаланса меньше порога 306 дефекта изоляции, можно сделать вывод, что в электрическим двигателе и трехфазном кабеле никаких дефектов изоляции нет. На шаге 308, если определено, что по меньшей мере в одном из электрического двигателя и трехфазного кабеля дефект изоляции имеется, переходят на шаг 310.

[0038] На шаге 310, о наличии дефекта изоляции в электрическом двигателе и трехфазном кабеле может быть уведомлен пользователь или оператор. Оператор или пользователь может затем организовать устранение найденного дефекта изоляции. Однако на шаге 308, если установлено, что в электрическом двигателе и трехфазном кабеле нет никаких дефектов изоляции, переходят на шаг 312. На шаге 312 пользователь может быть уведомлен об отсутствии дефекта изоляции. В этом случае нет необходимости в каких-либо дальнейших действиях.

[0039] На фиг. 4 показана последовательность операций, поясняющая еще один способ 400 контроля состояния трехфазного кабеля согласно аспектам настоящего изобретения. Способ, показанный на фиг. 4, описан ниже со ссылками на компоненты/элементы, показанные на фиг. 1-2. Например, трехфазный кабель может быть трехфазным кабелем 114 (см. фиг. 1) или трехфазным кабелем 214 (см. фиг. 2). Позицией 402 обозначены первые сигналы дисбаланса. Как отмечено выше, первые сигналы 402 дисбаланса представляют ток дисбаланса в электрическом двигателе устройства для подъема жидкости. Электрический двигатель может быть, например, электрическим двигателем 108 (см. фиг. 1) или электрическим двигателем 208 (см. фиг. 2). Устройство для подъема жидкости может быть, например, устройством 102 для подъема жидкости (см. фиг. 1) или устройством 202 для подъема жидкости (см. рис. 2). Первые сигналы 402 дисбаланса могут генерироваться, например, первым трансформатором 203 HSCT, расположенным в скважине 206. Кроме того, первые сигналы 402 дисбаланса могут, например, представлять первые сигналы 227 дисбаланса, показанные на фиг. 1.

[0040] Позицией 404 обозначены вторые сигналы дисбаланса. Как отмечено выше, вторые сигналы 404 дисбаланса представляют полный ток (I₄ и I₅) дисбаланса в трехфазном кабеле и электрическом двигателе. Вторые сигналы 404 дисбаланса могут, например, генерироваться вторым трансформатором 204 HSCT, расположенным вне скважины 206. Кроме того, вторые сигналы 404 дисбаланса могут, например, быть вторыми сигналами 228 дисбаланса, представляющими полный ток (I₄ и I₅) дисбаланса в трехфазном кабеле 214 и электрическом двигателе, 208 на фиг. 2.

[0041] Первые сигналы 402 дисбаланса и вторые сигналы 404 дисбаланса служат входными сигналами для способа 400, показанного на фиг. 4. На шаге 406 определяют ток дисбаланса в электрическом двигателе на основе первых сигналов 402 дисбаланса. Ток дисбаланса в электрическом двигателе можно определить, например, по амплитуде первых сигналов 402 дисбаланса. Кроме того, на шаге 408 на основе вторых сигналов 404 дисбаланса определяют полный ток дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле. Полный ток дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле может быть определен, например, по амплитуде вторых сигналов 404 дисбаланса. Кроме того, на шаге 410 определяют ток дисбаланса в трехфазном кабеле на основе тока дисбаланса в электрическом двигателе и полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле. Ток дисбаланса в трехфазном кабеле можно определить, например, с использованием уравнения (3).

[0042] На шаге 414 выполняют проверку, чтобы определить, имеется ли дефект изоляции в трехфазном кабеле. Эту проверку можно выполнить, например, на основе тока дисбаланса в трехфазном кабеле и порога 412 дефекта изоляции в кабеле. Порог 412 дефекта изоляции в кабеле может, например, быть задан пользователем. В контексте настоящего изобретения термин «порог дефекта изоляции в кабеле» представляет собой численное значения, которое может использоваться, чтобы определить наличие дефекта изоляции в трехфазном кабеле. В частности, наличие дефекта изоляции в трехфазном кабеле может быть определено по порогу дефекта изоляции 412 в кабеле. Соответственно, на шаге 414, если ток дисбаланса в трехфазном кабеле превышает порог дефекта изоляции 412 в кабеле, это может означать, что в трехфазном кабеле имеется дефект изоляции. Аналогично, когда величина тока дисбаланса в трехфазном кабеле меньше порога дефекта изоляции 412 в кабеле, это может означать, что в трехфазном кабеле нет никаких дефектов изоляции. На шаге 414, если определено, что в трехфазном кабеле имеется дефект изоляции, переходят на шаг 416.

[0043] Кроме того, на шаге 416 о наличии дефекта изоляции в трехфазном кабеле можно уведомить пользователя или оператора. Оператор или пользователь может затем организовать устранение найденного дефекта изоляции. Однако на шаге 414, если установлено, что в трехфазном кабеле нет никаких дефектов изоляции, переходят на шаг 418. На шаге 418 пользователь может быть уведомлен об отсутствии дефекта изоляции. В этом случае нет необходимости в каких-либо дальнейших действиях.

[0044] На фиг. 5 схематично показан пример высокочувствительного дифференциального трансформатора тока 500 (HSCT) согласно аспектам настоящего изобретения. Трансформатор 500 HSCT содержит магнитный сердечник 502, определяющий центральное отверстие 504. Согласно аспектам настоящего изобретения, магнитный сердечник 502 может содержать такой материал как, но этим не ограничиваясь, кремнистая сталь, сплавы, ферриты и т.п. Кроме того, в одном варианте выполнения настоящего изобретения магнитный сердечник 502 может иметь круглую форму. В других вариантах выполнения настоящего изобретения магнитный сердечник 502 может быть треугольником, квадратом, прямоугольником или многоугольником. Согласно дальнейшим аспектам настоящего изобретения, магнитный сердечник 502 может содержать однородный твердотельный сердечник. Альтернативно, магнитный сердечник 502 может быть сердечником с разрезом.

[0045] Трехфазный кабель 506 проходит через центр 508 трансформатора 500 HSCT и центральное отверстие 504 трансформатора 500 HSCT. Трехфазный кабель 506 может быть, например, трехфазным кабелем 114 (см. фиг. 1) или трехфазным кабелем 214 (см. фиг. 2). Трехфазный кабель 506 содержит проводник 510 первой фазы, проводник 512 второй фазы и проводник 514 третьей фазы.

[0046] В варианте выполнения настоящего изобретения, показанном на фиг. 5, показано, что магнитный сердечник 502 содержит первую катушку 516 и вторую катушку 518, расположенные на магнитном сердечнике 502. В соответствии с аспектами настоящего изобретения, катушки 516, 518 содержат множество обмоток (на фиг. 5 не показаны), намотанных вокруг магнитного сердечника 502. Катушки 516, 518 могут образовывать вторичные обмотки трансформатора 500 HSCT. Следует отметить, что, хотя в данной конфигурации показаны только две катушки 516, 518, у трансформатора 500 HSCT может быть больше, чем две катушки. Кроме того, в данной конфигурации первая катушка 516 может быть функционально связана со второй катушкой 518. Катушки 516, 518 могут быть электрически соединены со считывающим устройством, которое генерирует сигналы дисбаланса (не показано), представляющие ток дисбаланса в устройстве и/или трехфазном кабеле, на основе местоположения трансформатора 500 HSCT. Это устройство может быть, например, электрическими двигателем 108 (см. фиг. 1) или электрическим двигателем 208 (см. фиг. 2).

[0047] Предлагаемые системы и способы обеспечивают контроль устройства для подъема жидкости и/или трехфазного кабеля, не мешая работе устройства для подъема жидкости и не прерывая его работу. В частности, предлагаемые системы и способы обеспечивают контроль состояния устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля без необходимости вытаскивания устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля из скважины, то есть без простоя в работе.

[0048] Хотя были показаны и описаны только некоторые признаки изобретения, специалистам в данной области техники будут очевидны многочисленные изменения и модификации. Поэтому очевидно, что пункты формулы изобретения охватывают все такие изменения и модификации, которые соответствуют сущности изобретения.

Система (100, 200) содержит устройство (102, 202) для подъема жидкости, расположенное в скважине (106, 206) и содержащее электрический двигатель (108, 208), трехфазный кабель (114, 214) для соединения устройства для подъема жидкости с источником питания (112, 212), по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока (104, 203, 204) для генерации сигналов (128, 227) дисбаланса, представляющих ток дисбаланса по меньшей мере в одном из электрического двигателя и трехфазного кабеля, при этом указанный по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока расположен так, что окружает по меньшей мере часть трехфазного кабеля, и обрабатывающую подсистему (136, 236) для контроля состояния по меньшей мере одного из устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля на основе сигналов дисбаланса. Технический результат заключается в повышении эффективности контроля состояния устройства подъема жидкости. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система для контроля состояния устройства для подъема жидкости, соединенного с источником питания трехфазным кабелем, причем устройство для подъема жидкости расположено в скважине и содержит электрический двигатель, при этом система содержит:

по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока, предназначенный для генерации сигнала дисбаланса, представляющего ток дисбаланса по меньшей мере в одном из электрического двигателя и трехфазного кабеля, при этом указанный по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока расположен так, что окружает по меньшей мере часть трехфазного кабеля; и

обрабатывающую подсистему для контроля состояния по меньшей мере одного из устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля на основе сигналов дисбаланса.

2. Система по п. 1, в которой первая секция трехфазного кабеля покрыта одной или несколькими кабельными оболочками и заземляющей кабельной оболочкой, а вторая секция трехфазного кабеля покрыта одной или несколькими кабельными оболочками, при этом вторая секция не покрыта заземляющей кабельной оболочкой.

3. Система по п. 2, в которой указанный по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока расположен так, что окружает вторую секцию трехфазного кабеля.

4. Система по п. 3, в которой длина второй секции трехфазного кабеля равна ширине указанного по меньшей мере одного высокочувствительного дифференциального трансформатора тока.

5. Система по п. 1, в которой обрабатывающая подсистема предназначена для контроля состояния по меньшей мере одного из устройства для подъема жидкости и трехфазного кабеля путем выявления дефектов изоляции по меньшей мере в одном из электрического двигателя и трехфазного кабеля на основе сигналов дисбаланса.

6. Система по п. 1, в которой трехфазный кабель содержит проводник первой фазы, проводник второй фазы и проводник третьей фазы.

7. Система по п. 6, дополнительно содержащая по меньшей мере один поверхностный датчик для генерации электрических сигналов, представляющих ток и напряжение, которые соответствуют по меньшей мере одному из проводника первой фазы, проводника второй фазы и проводника третьей фазы, при этом этот по меньшей мере один поверхностный датчик функционально соединен по меньшей мере с одним из проводника первой фазы, проводника второй фазы и проводника третьей фазы.

8. Система по п. 7, в которой обрабатывающая подсистема дополнительно предназначена для:

приема электрических сигналов по меньшей мере от одного поверхностного датчика; и

выявления одного или большего количества дефектов в одном или нескольких компонентах электрического двигателя и насоса в устройстве для подъема жидкости на основе указанных электрических сигналов.

9. Система по п. 8, в которой указанные один или несколько компонентов содержат по меньшей мере один компонент из ротора, статора, подшипника качения и подшипника скольжения в электрическом двигателе, а указанные один или большее количество дефектов включают высокочастотный электрический разряд через подшипники, повреждение стержней ротора, дефекты изоляции в статоре и появление эксцентриситета в электрическом двигателе.

10. Система по п. 1, в которой устройство для подъема жидкости содержит электрический погружной насос, подводную подпорную систему или их комбинацию.

11. Система по п. 1, в которой указанные по меньшей мере часть трехфазного кабеля и по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока расположены вне скважины.

12. Система по п. 1, в которой сигналы дисбаланса включают первые сигналы дисбаланса, представляющие ток дисбаланса в электрическом двигателе, и вторые сигналы дисбаланса, представляющие полный ток дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле.

13. Система по п. 12, в которой указанный по меньшей мере один высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока содержит:

первый высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока, который расположен так, что окружает первую часть трехфазного кабеля и установлен в скважине; и

второй высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока, который расположен так, что окружает вторую часть трехфазного кабеля и установлен вне скважины.

14. Система по п. 13, в которой первый высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока расположен в сочленении, где трехфазный кабель соединен с устройством для подъема жидкости.

15. Система по п. 13, в которой первый высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока генерирует первые сигналы дисбаланса, представляющие ток дисбаланса в электрическом двигателе.

16. Система по п. 13, в которой второй высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока генерирует вторые сигналы дисбаланса, представляющие полный ток дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле.

17. Система по п. 16, в которой обрабатывающая подсистема определяет ток дисбаланса в трехфазном кабеле на основе тока дисбаланса в электрическом двигателе и полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле.

18. Система по п. 17, в которой обрабатывающая подсистема дополнительно выполнена с возможностью контроля состояния трехфазного кабеля на основе тока дисбаланса в трехфазном кабеле.

19. Система для контроля состояния трехфазного кабеля, соединяющего устройство для подъема жидкости с источником питания, причем устройство для подъема жидкости расположено в скважине и содержит электрический двигатель, при этом система содержит:

первый высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока для генерации первых сигналов дисбаланса, представляющих ток дисбаланса в электрическом двигателе, при этом этот первый высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока расположен так, что окружает первую часть трехфазного кабеля и установлен в скважине; и

второй высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока для генерации вторых сигналов дисбаланса, представляющих полный ток дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле, при этом второй высокочувствительный дифференциальный трансформатор тока расположен так, что окружает вторую часть трехфазного кабеля и установлен вне скважины; и

обрабатывающую подсистему для контроля состояния трехфазного кабеля на основе тока дисбаланса в электрическом двигателе и полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле.

20. Способ контроля состояния трехфазного кабеля, который соединяет устройство для подъема жидкости с источником питания, включающий:

определение тока дисбаланса в электрическом двигателе, расположенном в устройстве для подъема жидкости, на основе первых сигналов дисбаланса;

определение полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле на основе вторых сигналов дисбаланса;

определение тока дисбаланса в трехфазном кабеле на основе тока дисбаланса в электрическом двигателе и полного тока дисбаланса в электрическом двигателе и трехфазном кабеле; и

выявление наличия дефектов изоляции в трехфазном кабеле на основе тока дисбаланса в трехфазном кабеле и порога дефекта изоляции в кабеле.