Результат интеллектуальной деятельности: УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРОТЕКТОР СКВАЖИННОЙ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОПОГРУЖНОГО НАСОСА

Изобретение относится к нефтегазодобывающей области, в частности к методам и средствам защиты скважинных установок универсальных электропогружных насосов (УЭПН) при добыче углеводородного сырья.

Сложный состав скважинной жидкости (флюида) обуславливается не только составами нефти и газа, но и условиями эксплуатации скважин, минералогическим составом пласта, а также периодичностью мероприятий по воздействию на пласт. Естественные гидратные и гидрато-углеводородные отложения отрицательно влияют на работу УЭПН, снижая эффективность и наработку на отказ. В борьбе с этим явлением используются различные методы, основанные либо на механическом, тепловом или химическом воздействиях. В последнее время актуальными становятся способы электрофизического и электромагнитного воздействия на продукцию скважин.

Известен малогабаритный высокоградиентный магнитный индуктор обработки нефти (МИОН), разработанный в НПО «ЛАНТАН» на основе постоянных магнитов: неодим-железо-бор и самарий-кобальт (Результаты использования магнитных индукторов обработки нефти при ее добыче и транспорте. - В.И. Бородин, Е.Н. Тарасов, А.В. Зимин и др. // Техника и технология добычи нефти. - 2004. - №4). В результате применения метода при омагничивании скважинной нефти существенно уменьшается скорость образования отложений на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб (НКТ). Недостаток метода омагничивания скважинной нефти постоянными магнитами заключается в том, что в магнитном поле частицы отложений только ориентируются вдоль внешнего магнитного поля и слипаются в результате магнитного взаимодействия. Данный механизм считается недостаточно эффективным (Лесин В.И. «Нетепловое воздействие электромагнитных и акустических полей на нефть для предотвращения отложений парафинов» // Техника и технология добычи нефти. - 2004. - №1.) Согласно данному источнику для усиления эффективности необходимо одновременно прикладывать силы сдвига, возникающие при вибрации среды или от акустического воздействия. Создание дополнительных эффектов приведет к существенному усложнению оборудования и потребует существенных энергозатрат.

Известен способ предотвращения образований асфальтопарафиновых отложений и устройство для его реализации (Пат. RU 2348794 С2, МПК Е21В 37/00, опубл. 10.03.2009). Данное устройство обеспечивает электромагнитное воздействие на продукцию в скважине и/или часть продукции в системе сбора и транспорта продукции по трубопроводу. Причем воздействуют низкочастотными электромагнитными импульсами посредством ферромагнитного сердечника, имеющего контакт с продукцией скважины, например посредством эксплуатационной колонны из ферромагнитного материала, а в системе сбора и транспорта продукции - посредством трубопровода из ферромагнитного материала. Для этого используют размещенные на поверхности источник и излучатель электромагнитных импульсов соответственно: магнитострикционный генератор - низкочастотный генератор переменной частоты и магнитострикционный преобразователь - индукционные катушки с отклоняющимся и переменным магнитным полем, в котором размещают часть ферромагнитного сердечника (часть упомянутой эксплуатационной колонны или часть упомянутого трубопровода). Электрическую энергию преобразуют в энергию изменяющегося магнитного поля. Изменяющаяся энергия магнитного поля в области низких частот (25 Гц - 2 кГц) индуцирует в ферромагнетиках механическую энергию - магнитострикционный эффект. При этом подводят от сети ток (U - 12-240 вольт) через систему защиты по току 1-25, 40, 63, 100 А (в зависимости от поставленных задач на нефтепромысловом объекте), и латром устанавливают необходимую силу тока для магнитострикционного низкочастотного генератора переменной частоты, которым меняют частоту тока от 25 Гц до 2 кГц дискретно или постоянно.

К недостаткам этого решения следует отнести его низкую эффективность. В случае размещения излучателя вблизи устья скважины он будет на достаточно большом удалении (500…2000 м) от скважинной УЭПН, следовательно, энергия электромагнитной волны будет ничтожна в зоне УЭПН вследствие значительного затухания и не окажет влияния на процесс формирования отложений. При размещении излучателя вблизи скважинной УЭПН потребуется прокладка отдельной кабельной линии для подключения к магнитострикционному генератору, что сопряжено с дополнительным усложнением конструкции колонны НКТ. Также к недостаткам следует отнести ограниченность регулировок электромагнитных воздействий, отсутствие информационной обратной связи, обуславливающей эти регулировки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электромагнитный протектор скважинной установки электроцентробежного насоса [патент РФ №2444612 МПК Е21В 37/00, опубл. 10.03.2012, бюл. №7]. Устройство содержит варикап, излучатель электромагнитного сигнала с обмоткой и сердечником, генератор, блок спектроанализатора, устройство управления, приемо-передающий блок, блок питания, блок сопряжения с погружным электродвигателем (ПЭД). Излучатель электромагнитного сигнала соединен с генератором, к первому и второму выводным концам обмотки излучателя подключен варикап, управляющий вход которого соединен с первым выходом устройства управления. Второй выход устройства управления подключен ко входу генератора, а первый вход подключен к выходу блока спектроанализатора, на вход которого подключен третий выводной конец обмотки излучателя. Третий выход устройства управления подключен к первому входу приемо-передающего блока, первый выход которого соединен с первым входом блока сопряжения, первый выход которого подключается к статорной обмотке погружного электродвигателя скважинной установки электроцентробежного насоса (УЭЦН), второй - ко входу блока питания, а третий - ко второму входу приемо-передающего блока, второй выход которого подключен ко второму входу устройства управления. Данное устройство обеспечивает защиту УЭЦН от отложений, однако имеет недостатки. Для регулировки частоты свободных колебаний предложено использовать варикапы. К особенностям использования варикапов следует отнести:

а) необходимость в специальном датчике напряжения;

б) зависимость емкости от напряжения источника питания датчика, точности установки управляющего элемента и его стабильности;

в) при использовании варикапа для настройки колебательного контура с большим уровнем сигнала будет изменяться среднее значение его емкости;

г) электрические шумы варикапа добавляются к общим шумам цепи, в которой он используется;

д) коэффициент перекрытия по емкости у варикапов не превышает 1,5…3 и только некоторые специальные типы варикапов имеют перекрытие более трех.

Все эти особенности отрицательно влияют на эффективность устройства в целом, в частности, кратность диапазона регулировки частоты излучения с учетом выше приведенного (п.д.) будет составлять √1,5…√3 или 1,22…1,73. Кроме того, использование спектроанализатора в составе устройства приводит к существенному усложнению аппаратуры и алгоритмов работы, что снижает надежность функционирования в сложных условиях применения при добыче углеводородов.

Задачей изобретения является качественная защита от различных отложений скважинного оборудования при добыче углеводородов устройством, надежно работающим в сложных условиях применения.

Техническим результатом применения предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы электромагнитного протектора при защите УЭПН при добыче углеводородного сырья от естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений за счет расширения диапазона частот генерируемых и излучаемых в скважинное пространство электромагнитных колебаний и повышение его надежности. Расширение диапазона частот позволяет, в условиях многовариантности компонентного состава флюида, выбрать оптимальное воздействие для решения поставленной задачи. Повышение надежности обусловлено упрощением измерительной части предлагаемого устройства.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается электромагнитным протектором скважинной установки электропогружного насоса (УЭМП), содержащим электромагнитный излучатель с сердечником, генератор, устройство управления, приемо-передающий блок, блок питания и блок сопряжения. Первый выход блока сопряжения соединен со статорной обмоткой погружного электродвигателя скважинной установки электроцентробежного насоса, второй - со входом блока питания, а третий - с первым входом приемо-передающего блока. Первый выход приемо-передающего блока соединен с первым входом блока сопряжения, а второй выход - с первым входом устройства управления. Первый выход устройства управления подключен ко второму входу приемо-передающего блока, второй выход которого соединен с первым входом устройства управления, второй выход которого подключен к входу генератора. Выход генератора соединен с первым входом электромагнитного излучателя. УЭМП дополнительно содержит блок измерителя частоты и тока излучателя, управляемый источник тока. Выход управляемого источника тока подключен ко второму входу электромагнитного излучателя, а вход - к третьему выходу устройства управления, причем второй вход устройства управления соединен с выходом блока измерения частоты и тока излучателя, вход которого подключен ко второму выходу электромагнитного излучателя.

Согласно изобретению в УЭМП электромагнитный излучатель имеет замкнутый феромагнитный сердечник без зазора хотя бы с одной обмоткой.

Согласно изобретению в УЭМП частоту свободных резонансных колебаний регулирует управляемый источник тока.

Согласно изобретению УЭМП формирует, помимо высокочастотных свободных резонансных колебаний в контуре электромагнитного излучателя, низкочастотное магнитное поле, возбуждаемое управляемым источником тока.

Согласно изобретению в УЭМП контроль излучения осуществляют путем замера частоты и тока в контуре излучателя, возникающих при свободных колебаниях.

Согласно изобретению в УЭМП генератор формирует узкие импульсы с параметрами, задаваемыми устройством управления для обеспечения свободных резонансных колебаний в контуре излучателя.

Согласно изобретению в УЭМП приемо-передающий блок через блок сопряжения и погружной электродвигатель осуществляет информационную связь по совмещенному, со статорной обмоткой и питающему кабелю этого двигателя, проводному каналу с оборудованием на поверхности.

Согласно изобретению питание аппаратных средств УЭМП осуществляется от блока питания, который, в свою очередь, получает электроэнергию через блок сопряжения от статорной обмотки погружного электродвигателя.

Технический результат изобретения достигается благодаря следующему.

Образование твердого осадка во флюиде классифицируется как процесс кристаллизации. Известно, что движущей силой процесса кристаллизации является перенасыщение. Центром зародышеобразования может быть любая энергетическая неоднородность: заряженная частица, свободная поверхностная энергия кристаллической поверхности и ее дефекты. При наличии в скважинном пространстве гетерогенных, по отношению к растворам флюида, металлических поверхностей, обладающих рядом неоднородностей, покрытых окислами, кристаллографическое несоответствие которых по отношению к целому ряду солей минимально [Присяжнюк В.А. Физико-химические основы предотвращения кристаллизации солей на теплообменных поверхностях // Сантехника, отопление кондиционирование, №10, 2003 г., с. 26-30], следует ожидать, при перенасыщении растворов, интенсивного отложения солей на этих поверхностях. Добиться существенного замедления гетерогенной кристаллизации на поверхностях скважинного пространства позволяет интенсификация процесса кристаллообразования в объеме флюида. Условием интенсивного объемного кристаллообразования является высокий уровень энтропии флюида, причем чем выше энтропия, тем выше интенсивность кристаллообразования.

Согласно известным выводам Л. Больцмана энтропия определяется соотношением:

где S - энтропия;

b - постоянная Больцмана;

W - термодинамическая вероятность - число возможных микросостояний системы (в данном случае - скважинного флюида), которые обеспечивают параметры данного макросостояния.

Согласно теории магнито-гидродинамического (МГД) резонанса [Prisyahniuk V.A. Power Plant Chemistru. 2003, 5 (5), 281] при воздействии электромагнитного поля на растворы происходит формирование силы Лоренца, создаваемой при пересечении жидкостью магнитных силовых линий. Степень воздействие этой силы на энтропию существенно повышается, если попадет в резонанс с собственными колебаниями электрически заряженных частиц (ионов, свободных радикалов, мельчайших твердых частиц). Интенсификации перемещения разнополярно заряженных частиц в электромагнитном поле уменьшает силы притяжения молекул воды к ионам, что приводит к ускорению процесса зародышеобразования. При этом интенсивно формируются гомогенные (однородные) затравочные кристаллы в объеме раствора, и далее происходит интенсивный рост кристаллов в этом объеме, а не на поверхностях.

Процесс осаждения растворенных веществ из воды в скважинном пространстве одновременно будет приводить к снижению отложений на поверхностях асфальтенов и твердых парафинов из нефтяного содержимого водно-нефтяной смеси. Как асфальтены, так и твердые парафины могут использовать затравочные кристаллы в качестве центра кристаллизации, на котором осаждаются взвешенные частицы (которые обладают внешней схожестью с крупинками) до достижения уровня температуры застывания.

Таким образом, сформированные в объеме флюида кристаллы транспортируются на поверхность без образования отложения осадка на металлических поверхностях в скважинном пространстве.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эффективности за счет расширения диапазона частот электромагнитного поля генерируемого электромагнитным излучателем под воздействием магнитодвижущей силы, образованной суммарным воздействием низкочастотной и высокочастотной составляющими тока возбуждения, причем низкочастотная составляющая управляет частотой возбуждения контура излучателя. Сгенерированное поле посредством конструктивных элементов скважинного пространства - УЭПН, НКТ распространяется в этом пространстве, расширяя область воздействия. Причем результатом воздействия является поддержание интенсивного объемного кристаллообразования в условиях изменения макросостояния флюида (давление, температура, состав).

Следует также отметить, что процесс регулирования параметров излучения достаточно эффективно осуществляется на основании измерительной информации о частоте свободных колебаний и токе в контуре излучателя, что позволяет применить простые измерительные схемы, что немаловажно для обеспечения надежности устройства в целом.

Иллюстрацией к заявленному устройству являются структурная схема на фиг. 1, осциллограмма сигналов генератора и излучателя на фиг. 2, простейший вариант схемы электромагнитного излучателя на фиг. 3

Устройство (фиг.1) содержит: 1 - управляемый источник тока (УИТ), 2 - электромагнитный излучатель с обмоткой и сердечником (ЭИ), 3 - генератор, 4 - блок измерения частоты и тока излучателя (ИЧТ), 5 - устройство управления, 6 - приемо-передающий блок, 7 - блок питания, 8 - блок сопряжения, предназначенный для связи с ПЭД, входящим в состав скважинного УЭПН.

Заявленное устройство работает следующим образом. Перед спуском в скважину устанавливают аппаратуру УЭМП в охранном баростойком корпусе в нижней части ПЭД. Предварительно в устройстве управления 5 формируют необходимые уставки.

Вся компоновка опускается в скважину, запускается УЭПН. При появлении напряжения на статорной обмотке ПЭД, блок питания 7 получает электроэнергию, поступающую через блок сопряжения 8. Отбор незначительной части электрической мощности от ПЭД происходит посредством отвода от статорной обмотки или за счет прокладки дополнительной обмотки в пазах статора. При этом блок питания 7 обеспечивает электропитание аппаратных узлов и блоков УЭМП. Устройство управления 5 синхронизирует и управляет параметрами выходного сигнала генератора 3 (длительность, период повторения, амплитуда) в соответствии с заложенной программой и уставками. Программа работы устройства 5 формируется в зависимости от условий применения. Устройство 5 управляет режимом работы генератора, а посредством УИТ 1 настраивает резонансную частоту системы излучатель - скважинная компоновка.

Рассмотрим работу УЭМП в характерных режимах. Если известен состав скважинной жидкости (флюида), для которой априори известны частоты и мощность электромагнитного поля для обеспечения интенсивного объемного кристаллообразования в структуре флюида, тогда УЭМП обеспечивает режим стабилизации этих параметров. При этом устройство 5 сравнивает измерительную информацию (частоту и ток), получаемую от блока ИЧТ 4, с уставками и вырабатывает управляющие сигналы для генератора 3, обеспечивающие регулировку амплитуды и длительности импульсов для управления током, и УИТ 1, обеспечивающие регулировку тока подмагничивания в обмотке электромагнитного излучателя 2 для управления частотой излучения, т.о. поддерживают заданные параметры.

Если необходимо реализовать режим программного управления, например, обеспечивающего поиск оптимального режима воздействия:

где

- частота излучения;

Р_изл. - мощность излучения;

t - время,

в данном случае устройство 5 формирует соответствующие управляющие сигналы, варьируемые в функции времени. На поверхности оценивают параметры работы УЭПН (давление на приеме насоса, производительность и др.) при различных режимах работы УЭМП и выбирают приемлемый режим. Возможны и другие варианты работы УЭМП.

Выше приведенные примеры дополнительно иллюстрируются фиг. 2, где U_ген. - временная диаграмма импульсов с выхода генератора 2, U_изл. - осциллограмма сигналов, возникающих в излучателе. Здесь используется ударное возбуждение резонансного контура излучателя. Частота свободных колебаний зависит от параметров контура и среды, в которую происходит излучение. Известно, например [Основы теории цепей. Версия 1.0: конспект лекций / В.И. Вепринцев и др. - Электрон. дан. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008], что резонансная частота колебательного контура , работающего на передачу электромагнитной энергии (простейший случай - связь двух контуров):

где

С - эквивалентная электрическая емкость контура излучателя;

L - индуктивность контура излучателя;

Q - добротность контура излучателя;

Ψ - эквивалентные параметры внешнего объекта, на который направлено действие излучателя.

Очевидно, что наиболее приемлемыми параметрами для обеспечения регулировки частоты являются емкость и индуктивность. Недостатки регулировки изменением емкости рассмотрены ранее.

Управление частотой электромагнитного излучателя с помощью управляемого источника тока базируется на известном способе регулировки частоты колебательного контура подмагничиванием катушки излучателя, входящей в него, например [Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М., изд. «Наука» 1966 г., 720 стр.].

Индуктивность катушки с сердечником L:

L=f(µ,S), где

µ - магнитная проницаемость сердечника;

S - геометрические параметры.

В свою очередь µ=dB/dH, где

В - магнитная индукция в сердечнике;

Н - напряженность поля в сердечнике.

Наличие подмагничивания сердечника излучателя низкочастотным током, причем , обеспечивает регулировку µ, т.к. кривая намагничивания В=f(H) имеет нелинейный характер [Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М., изд. «Наука» 1966 г., 720 стр.], а следовательно, и регулировку . Практически, соотношение частот лежит в пределах для низкочастотной составляющей 0…100 Гц, для высокочастотной составляющей 50…1000 кГц.

На фиг. 3 простейшего варианта схемы излучателя показаны, помимо УИТ 1 и генератора 3, замкнутый тороидальный сердечник излучателя 9 с обмоткой 10, конденсатор С и элемент конструкции 11, на который установлен излучатель. Генератор 3 обеспечивает ударное возбуждение контура излучателя, а УИТ 1 по сигналу устройства управления 5 изменяет током подмагничивания положение рабочей точки на кривой В₀=f(H₀) сердечника излучателя, изменяя тем самым µ сердечника и, соответственно, регулируя . При этом в сердечнике формируется магнитное поле под действием сложения двух магнитодвижущих сил - низкочастотной, вызванной УИТ 1 (на фиг. 3 условно показаны магнитные полюса N и S) и высокочастотной, возникающей при возбуждении контура излучателя. Замкнутый сердечник из высокочастотного магнитного материала не имеет зазора, что обеспечивает широкий диапазон регулирования индуктивности обмотки излучателя при низких энергозатратах на его подмагничивание. Согласно [Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М., изд. «Наука», 1966 г., 720 стр.] кратность изменения индуктивности катушки в данном случае может составлять 100…300 раз.

Задача приемо-передающего блока 6 обеспечить передачу на поверхность по каналу связи (блок сопряжения - статорная обмотка ПЭД - силовой кабель) телеметрических сигналов на поверхность, характеризующих работоспособность УЭМП, и прием уставок и команд для устройства 5 с поверхности.

Таким образом, заявленное устройство позволяет обеспечить эффективную защиту скважинной УЭЦН от естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений за счет генерации электромагнитного поля с регулируемыми параметрами, адаптированными к условиям эксплуатации, формируемого непосредственно в зоне установки скважинной УЭЦН без усложнения конструкции НКТ.