Результат интеллектуальной деятельности: Станция управления насосной установкой нефтедобывающей скважины (варианты)

Изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию, в частности к станциям управления скважинами для добычи пластовой жидкости.

Известна система передачи телеметрической информации, состоящая из подземного передающего устройства (ППУ), подключенного между нулем «звезды» обмоток электродвигателя и его заземленным корпусом, и наземного приемного устройства (НПУ), подключенного между нулем «звезды» вторичных обмоток трехфазного трансформатора и его заземленным корпусом, связанных кабелем подачи питания. (Патент RU №2230187 C2. Система передачи телеметрической информации. - МПК: E21B 47/12, H04B 3/54. - 10.06.2004).

Известна станция управления асинхронным двигателем, содержащая управляемый выпрямитель напряжения и подключенный последовательно с ним фильтр, блок управления выпрямителем, выполненный в виде микропроцессорного контроллера и содержащий формирователи сигналов, к выходам которых присоединены управляющие входы инвертора, связанного по входу с фильтром, а по выходу - с обмотками двигателя через повышающий трансформатор напряжения, систему терморегулирования, содержащую устройства обогрева и охлаждения, датчики входного тока и входного напряжения инвертора, датчики сверхтоков ключей инвертора, датчики выходных токов, устройство индикации, блок питания и устройство согласования, к входу которого подключена термоманометрическая система (Патент RU №22843 U1. Станция управления асинхронным двигателем. МПК⁷: H02H 7/08. - 27.04.2002).

Известна станция управления погружным электродвигателем, содержащая выпрямитель, фильтр звена постоянного тока, инвертор, контроллер и выходной фильтр, первый и второй блоки фазных датчиков тока, при этом каждый из них может содержать два или три фазных датчика тока, и датчик постоянного тока, через который проходит проводник, соединяющий один из выходов выпрямителя с соответствующим входом фильтра звена постоянного тока. Через датчики тока первого блока фазных датчиков тока проходят проводники, соединяющие выходы инвертора с соответствующими входами выходного фильтра, а через датчики тока второго блока фазных датчиков тока проходят проводники от выходов выходного фильтра к выходам станции управления. Входы контроллера подключены к фазным силовым входам станции управления и присоединены к выходам фильтра звена постоянного тока, соединенным с силовыми входами инвертора, а также к выходу датчика постоянного тока. Входы контроллера присоединены к выходам обоих блоков фазных датчиков тока. Управляющие выходы контроллера присоединены к соответствующим входам инвертора. Выпрямитель может быть выполнен управляемым, управляющие входы которого присоединены к управляющим выходам блока управления выпрямителем, подключенного своими входами к управляющим выходам контроллера, соответственно (Патент RU №2507418 C1. Станция управления погружным электродвигателем. - МПК: F04D 15/00, F04D 13/10. - 20.02.2014). Данное изобретение принято за прототип.

Известна электронасосная погружная установка, включающая преобразователь частоты с выпрямителем, соединенным с ним инвертором и системой управления, соединенной с инвертором, погружаемый в скважину электродвигатель с погружным насосом на выходе. Установка включает датчик положения ротора электродвигателя, выполненный в виде блока датчиков тока и соединенный с инвертором и системой управления, систему программного управления, соединенную с системой управления. На выходе инвертора установлен повышающий трансформатор, на выходе которого установлен блок датчиков тока. Система управления выполнена в виде блока микропроцессора преобразователя частоты и соединенных с ним блока связи преобразователя частоты и блока формирования позиционных сигналов, соединенного с блоком датчиков тока и с выходом повышающего трансформатора. Система программного управления выполнена в виде контроллера управления с блоком микропроцессора и соединенными с ним блоком связи, блоком данных и блоком измерения токов, соединенным с блоком датчиков тока. Блок связи преобразователя частоты соединен с блоком связи контроллера управления (Патент RU №2303715 C1. Электронасосная погружная установка. МПК: F04D 13/10, F04D 15/00. - 27.07.2007).

Известна универсальная станция управления погружным электронасосом, содержащая контроллер, микропроцессорный вычислитель, преобразователь частоты, включающий выпрямитель, фильтр звена постоянного тока, инвертор, формирователь сигналов управления ключами, а также выходной фильтр и два блока фазных датчиков тока. Выход инвертора подключен через первый блок фазных датчиков тока к входу выходного фильтра, выход которого через второй блок фазных датчиков тока подключен к выходу станции управления. Информационные выходы обоих блоков фазных датчиков тока подключены к соответствующим информационным входам микропроцессорного вычислителя. (Патент RU №2430273 C1. Универсальная станция управления погружным электронасосом. - МПК: F04D 15/00, F04D 13/10. - 27.09.2011). Данное изобретение принято за прототип.

Основным недостатком известных технических решений является низкий уровень эффективности работы насосных установок и станций управления добывающих скважин.

Основной задачей, на решение которой направлены заявляемые варианты изобретения, является повышение эффективности эксплуатации нефтедобывающих скважин за счет оптимизации диапазона параметров регулирования.

Техническим результатом является повышение эффективности эксплуатации нефтедобывающих скважин.

Указанный технический результат достигается тем, что, в известной станции управления насосной установкой нефтедобывающей скважины, по первому варианту, содержащей контроллер, преобразователь частоты, включающий выпрямитель, подключенный к трехфазной сети переменного тока, блок управления выпрямителем, подключенный своими входами к управляющим выходам контроллера, а выходами - к выпрямителю, инвертор, фильтр звена постоянного тока, входами соединенный с выпрямителем, а выходами - с инвертором и датчиком постоянного тока, подключенным к информационному входу контроллера, формирователь сигналов управления ключами, связанный, с одной стороны, с управляющими выходами контроллера и, с другой, - с управляющими входами инвертора, а также блок выходных фильтров, входы которого подключены к выходу инвертора, а выходы соединены силовым кабелем через трехфазный трансформатор с погружным электродвигателем насосной установки, оснащенным модулем телеметрии, с возможностью регулирования частоты вращения ротора электродвигателя от станции управления и передачи телеметрической информации от модуля телеметрии на соединение «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора через соединение «звездой» обмоток электродвигателя, и с блоком фазных датчиков тока, подключенных, в свою очередь, к информационным входам контроллера, и систему терморегулирования, согласно предложенному техническому решению,

она дополнительно содержит второй контроллер, связанный информационным выходом с вышеуказанным контроллером, два автоматических выключателя электропитания преобразователя частоты и контроллеров от трехфазной сети напряжения, блок питания и коммутации, соединенный линейным проводом со вторым контроллером и с одной из фаз трехфазной сети на автоматическом выключателе питания контроллеров, устройство сопряжения модуля телеметрии, подключенное нулевым проводом к соединению «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора, с одной стороны, и, с другой, - кабелем связи к информационному входу второго контроллера с возможностью декодирования и передачи телеметрической информации от модуля телеметрии во второй контроллер, а также блок задания и индикации параметров регулирования и блок внешней связи, связанные с информационными входами второго контроллера;

система терморегулирования содержит устройства отопления и вентиляции, датчики температуры, влажности и положения дверей.

Указанный технический результат достигается тем, что, в известной станции управления насосной установкой нефтедобывающей скважины, по второму варианту, содержащей контроллер и подключенный к нему микропроцессор, преобразователь частоты, включающий выпрямитель, подключенный к трехфазной сети переменного тока, блок управления выпрямителем, подключенный своими входами к управляющим выходам контроллера, а выходами - к выпрямителю, инвертор, фильтр звена постоянного тока, входами соединенный с выпрямителем, а выходами - с инвертором и датчиком постоянного тока, подключенным к информационному входу контроллера, формирователь сигналов управления ключами, связанный, с одной стороны, с управляющими выходами контроллера и, с другой, - с управляющими входами инвертора, а также блок выходных фильтров, входы которого подключены к выходу инвертора, а выходы соединены силовым кабелем через трехфазный трансформатор с погружным электродвигателем насосной установки, оснащенной телемеханической системой, включающей модуль телеметрии и средства телеизмерения пластовой жидкости, с возможностью регулирования частоты вращения ротора электродвигателя от станции управления и передачи телеметрической информации от модуля телеметрии на соединение «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора через соединение «звездой» обмоток электродвигателя и команд управления блоком регулируемых электроприводных клапанов в обратном направлении, и с блоком фазных датчиков тока, подключенных к информационным входам контроллера, и систему терморегулирования, согласно предложенному техническому решению,

она дополнительно содержит второй контроллер, связанный информационным выходом с вышеуказанным контроллером и входным портом микропроцессора, два автоматических выключателя электропитания преобразователя частоты и контроллеров от трехфазной сети напряжения, блок питания и коммутации, соединенный линейным проводом со вторым контроллером и с одной из фаз трехфазной сети на автоматическом выключателе питания контроллеров, устройство сопряжения модуля телеметрии и блока регулируемых электроприводных клапанов, подключенное нулевым проводом к соединению «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора, с одной стороны, и, с другой, - кабелем связи к информационному входу второго контроллера с возможностью декодирования и передачи телеметрической информации от модуля телеметрии во второй контроллер и команд управления регулируемым электроприводным клапанам - в обратном направлении, а также блок задания и индикации параметров регулирования и блок внешней связи, связанные с информационными входами второго контроллера;

система терморегулирования содержит устройства отопления и вентиляции, датчики температуры, влажности и положения дверей.

Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных вариантов станции управления насосной установкой нефтедобывающей скважины, отсутствуют. Следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемых технических решений, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемых технических решений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленные технические решения могут быть реализованы на любом предприятии машиностроения из общеизвестных материалов и принятой технологии и успешно использовано на нефтедобывающих скважинах. Следовательно, заявляемые технические решения соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

На фиг. 1 показана структурная схема станции управления насосной установкой нефтедобывающей скважины с модулем телеметрии, первый вариант исполнения; на фиг. 2 - то же, с телемеханической системой, второй вариант исполнения.

Станция управления 1 насосной установкой 2 нефтедобывающей скважины, в первом варианте исполнения (Фиг. 1), содержит преобразователь частоты 3, подключенный к внешней трехфазной сети переменного тока посредством автоматического выключателя 4, и два взаимосвязанных контроллера 5 и 6. Первый контроллер 5 подключен к внешней трехфазной сети переменного тока посредством автоматического выключателя 7 и силового кабеля 8. Второй контроллер 6 соединен линейным проводом 9 с одной из фаз трехфазной сети на автоматическом выключателе 7 через блок 10 питания и коммутации контроллеров 5 и 6. Преобразователь частоты 3 включает в себя выпрямитель 11, которым подключен к внешней трехфазной сети переменного тока посредством автоматического выключателя 4, блок управления 12 выпрямителем 11, подключенный своими входами к управляющим выходам первого контроллера 5, а выходами - к выпрямителю 11, инвертор 13, фильтр 14 звена постоянного тока, входами соединенный с выпрямителем 11, а выходами - с инвертором 13 и датчиком 15 постоянного тока, подключенным к информационному входу первого контроллера 5, формирователь сигналов 16 управления ключами, связанный, с одной стороны, с управляющими выходами первого контроллера 5 и, с другой, - с управляющими входами инвертора 13, а также блок 17 выходных фильтров, входы которого подключены к выходу инвертора 13, а выходы соединены с блоком 18 фазных датчиков тока, последний подключен линией связи 19 к информационным входам первого контроллера 5, и силовым кабелем 20 через трехфазный трансформатор 21 и силовой кабель 22 с погружным электродвигателем (ПЭД) 23 насосной установки 2, оснащенной модулем телеметрии 24, с возможностью регулирования частоты вращения ротора ПЭД 23 от станции управления 1, и передачи телеметрической информации от модуля телеметрии 24 на «нуль» соединения звездой вторичных обмоток трехфазного трансформатора 21 через соединение «звездой» обмоток ПЭД 23 по силовому кабелю 22. Станция управления 1 содержит устройство 25 сопряжения модуля телеметрии 24, подключенное нулевым проводом 26 к соединению «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора 21, с одной стороны, и, с другой, - кабелем связи 27 к информационному входу второго контроллера 6, с возможностью декодирования и передачи телеметрической информации от модуля телеметрии 24 во второй контроллер 6, а также блок 28 задания и индикации параметров регулирования и блок 29 внешней связи, связанные с информационными входами второго контроллера 6. Станция управления 1 также содержит систему терморегулирования 30, связанную входом/выходом со вторым контроллером 6, которая включает в себя устройства отопления и вентиляции, датчики температуры, влажности и положения дверей шкафа станции управления 1 (условно не показаны).

Станция управления 1 насосной установкой 2 нефтедобывающей скважины, во втором варианте исполнения, оснащена телемеханической системой (ТМС) и содержит микропроцессор 31, подключенный выходом к информационному входу первого контроллера 5 и выходным портом к информационному входу второго контроллера 6 (Фиг. 2). ТМС включает модуль телеметрии 24 и блок 32 регулируемых электроприводных клапанов (РЭК) со средствами телеизмерения состояния ПЭД 23 и пластовой жидкости с возможностью передачи телеметрической информации на станцию управления 1 и команд управления - в обратном направлении на блок 32 РЭК по кабелю связи 27 и нулевому проводу 26 на соединение «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора 21, и далее по силовому кабелю 22 через соединения «звездой» обмоток ПЭД 23.

Станция управления насосной установкой нефтедобывающей скважины, в первом варианте исполнения (Фиг. 1), работает следующим образом.

С включением двух автоматических выключателей 4 и 7 поступающее на станцию управления 1 трехфазное напряжение 380 B подается, соответственно, на входы управляемого выпрямителя 11 преобразователя частоты 3 и силовому кабелю 8 на информационные входы контроллера 5 и на блок 10 питания и коммутации контроллеров 5 и 6 по линейному проводу 9 с одной из фаз трехфазной сети на автоматическом выключателе 7. С выходов управляемого выпрямителя 11 выпрямленное напряжение подается на входы фильтра 14 звена постоянного тока, который обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Постоянное напряжение с фильтра 14 поступает на инвертор 13, который обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное с заданной первым контроллером 5 частотой, и датчик 15 постоянного тока. Блоком 28 задания и индикации параметров регулирования на информационном входе контроллера 6 формируются номинальные значения параметров регулирования частоты вращения ротора ПЭД 23 насосной установки 2. С модуля телеметрии 24 телеметрическая информация о параметрах состояния работы ПЭД 23 насосной установки 2 и пластовой жидкости нефтедобывающей скважины (температура, вибрация, давление) передается через соединение «звездой» обмоток ПЭД 23 на соединение «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора 21 по силовому кабелю 22, затем телеметрическая информация поступает по нулевому проводу 26 в устройство 25 сопряжения модуля телеметрии 24, в котором телеметрическая информация декодируется и передается по кабелю связи 27 во второй контроллер 6, из которого - на вход первого контроллера 5. На выходах первого контроллера 5 формируются сигналы управления, поступающие на вход блока 12 управления выпрямителем 11, а с его выхода на управляющие входы управляемого выпрямителя 11. С выхода датчика 15 постоянного тока на информационный вход первого контроллера 5 поступает сигнал, пропорциональный току в цепи постоянного тока, и в случае его аварийного превышения, первый контроллер 5 отключает выпрямитель 11 и инвертор 13 с задержкой не более одного полупериода сети, что повышает надежность работы станции управления 1. По полученным данным с модуля телеметрии 24 второй контроллер 6 передает телеметрическую информацию в первый контроллер 5, в котором формируются сигналы управления инвертором 13, затем эти сигналы поступают на формирователь 16 сигналов управления ключами, который преобразует их в сигналы, необходимые для управления инвертором 13. Трехфазное напряжение с выходов инвертора 13 подается на входы выходного фильтра 17, фильтруется им, при этом подавляются высшие гармоники напряжения и тока, а на выходах выходного фильтра 17 формируется трехфазное напряжение, близкое к синусоидальному. На информационные входы первого контроллера 5 от блока 18 датчиков тока подаются аналоговые сигналы, пропорциональные фазным токам на выходе выходного фильтра 17. Первым контроллером 5 с помощью внутреннего программного обеспечения производится обработка текущих сигналов, полученных на информационных входах, и в зависимости от типа и параметров ПЭД 23 формируются управляющие сигналы, обеспечивающие оптимальные выходные параметры работы ПЭД 23 на станции управления 1. Так, при давлении скважинной жидкости выше верхнего заданного предела, указанной в зеленой зоне индикатора давления блока 28 задания и индикации параметров регулирования, соответствующей высоте столба жидкости в скважине выше уровня ПЭД 23, станцией управления 1 формируются управляющие сигналы с максимально допустимой частотой, обеспечивающей максимальную производительность ПЭД 23. С падением давления скважинной жидкости ниже верхнего заданного предела с переходом в красную зону индикатора давления блока 28 задания и индикации параметров регулирования, станцией управления 1 формируются управляющие сигналы с пониженной частотой, обеспечивающей оптимальные параметры работы ПЭД 23. С падением давления скважинной жидкости до нижнего заданного предела в красной зоне индикатора давления блока 28 задания и индикации параметров регулирования, станция управления 1 прекращает подачу управляющих сигналов и останавливает работу ПЭД 23 до наполнения скважины жидкостью выше уровня верхнего заданного предела с переходом в зеленую зону индикатора давления блока 28 задания и индикации параметров регулирования. С наполнением скважины жидкостью выше уровня верхнего заданного предела станцией управления 1 формируются управляющие сигналы с необходимой частотой, обеспечивающей оптимальную производительность ПЭД 23. С датчиков контроля температуры, влажности и положения дверей шкафа системы терморегулирования 30 контрольно-измерительная информация поступает во второй контроллер 6, с которого осуществляется управление устройствами отопления и вентиляции станции управления 1. С блока 29 внешней связи осуществляется контроль и управление насосной установкой 2 нефтедобывающей скважины. Подключение выпрямителя 11 к внешней сети трехфазного напряжения посредством автоматического выключателя 4, последним обеспечивается защита инвертора 13 при превышении сетевым напряжением допустимого порога, а подключение информационных входов первого контроллера 5 к трем фазам внешней сети трехфазного напряжения посредством автоматического выключателя 7, последним обеспечивается защита контроллеров 5 и 6, что повышает надежность и расширяет функциональные возможности станции управления 1.

Станция управления насосной установкой нефтедобывающей скважины, во втором варианте исполнения (Фиг. 2), работает следующим образом.

Трехфазное напряжение питающей сети подается на вход станции 1 управления, откуда через автоматический выключатель 4 поступает на управляемый выпрямитель 11. Блоком 28 задания и индикации параметров регулирования на информационном входе контроллера 6 формируются номинальные значения частоты вращения ротора ПЭД 23 и параметров регулирования ТМС насосной установки 2, включающей модуль телеметрии 24 и блок 32 РЭК со средствами телеизмерения. С модуля телеметрии 24 и блока 32 РЭК телеметрическая информация о параметрах состояния работы ПЭД 23 насосной установки 2 и пластовой жидкости нефтедобывающей скважины (температура, вибрация, давление) передается через соединение «звездой» обмоток ПЭД 23 на соединение «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора 21 по силовому кабелю 22, затем по нулевому проводу 26 телеметрическая информация поступает в устройство 25 сопряжения модуля телеметрии 24 и блока 32 РЭК, которым телеметрическая информация декодируется и передается по кабелю связи 27 во второй контроллер 6. Второй контроллер 6 в зависимости от требуемого режима работы ПЭД 23 насосной установки 2 формирует на своем выходе сигналы, которые поступают на вход первого контроллера 5 и микропроцессора 31, при этом на вход первого контроллера 5 приходит сигнал с датчика 15 постоянного тока. Микропроцессором 31 производится анализ телеметрической информации с датчиков давления, температуры и вибрации модуля телеметрии 24 и блока 32 РЭК, выполнение определенных вычислительных операций, и в зависимости от типа и параметров ПЭД 23 и состояния пластовой жидкости формируются управляющие сигналы, которые передаются на информационные входы первого контроллера 5, затем на формирователь 16 сигналов управления ключами на инвертор 13. С выхода инвертора 13 через фильтр 17 и блок 18 фазных датчиков тока напряжение подается по силовому кабелю 20 на первичные обмотки трехфазного трансформатора 21, далее по силовому кабелю 22 на обмотки ПЭД 23, обеспечивающие оптимальные выходные параметры работы ПЭД 23 насосной установки 2. Команды управления ТМС насосной установки 2 передаются вторым контроллером 6 в обратном направлении на блок 32 РЭК по кабелю связи 27 через устройство 25 сопряжения модуля телеметрии 24 и нулевому проводу 26 на соединение «звездой» вторичных обмоток трехфазного трансформатора 21, затем по силовому кабелю 22 через соединение «звездой» обмоток ПЭД 23, тем самым регулируют потоки жидкости в соответствии с дебитом каждого пласта, предотвращая их депрессию.

Предложенные варианты станций управления предназначены для оптимизации работы ПЭД путем регулирования частоты вращения ротора и его защиты от превышения вибрации, температуры, давления, тока, напряжения и могут быть использованы для управления электроприводами погружных насосов и РЭК нефтедобывающих скважин.