Установка для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений в нефтегазовых скважинах
Полезная модель относится к области нефтедобычи. Технической задачей полезной модели является повышение надежности работы установки за счет возможности достоверного контроля теплового поля нагревательного кабеля, что позволяет предотвратить аварийные ситуации, связанные с выходом из строя нагревательного кабеля, при одновременном упрощении монтажа и эксплуатации установки. Новым в установке для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений в нефтегазовых скважинах, содержащей нагреватель в виде нагревательного кабеля, расположенного внутри или снаружи НКТ, состоящего из токопроводящих жил, выполненных с изоляционной оболочкой, помещенных в броню, спускаемого в скважину, станцию управления нагревом кабеля с датчиками тока и напряжения нагревателя и микропроцессором, имеющим входы задания эксплуатационных параметров нефтегазовой скважины и нагревателя, входы приема контролируемых параметров скважины и нагревателя, входы и выходы сигналов управления, при этом на нагревательном кабеле установлены датчики температуры и давления, согласно полезной модели, является то, что датчики выполнены электрически изолированными, со встроенным трансформатором тока и с возможностью одновременного электрического питания от токопроводящей жилы и передачи сигналов обратной связи давления и/или температуры на микропроцессор станции управления нагревом кабеля по указанной токопроводящей жиле на частотах, отличных друг от друга. 5 илл.
Полезная модель относится к области нефтедобычи, преимущественно к области оборудования скважин нагревательными кабелями, и может быть использовано для электропрогрева трубопровода с текучей средой в скважине с одновременным контролем распределения теплового поля и затрубного давления по стволу нагнетательных и нефтедобывающих скважин.
Известны линейные нагреватели в виде нагревательного кабеля или в виде кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель, токопроводящие жилы которого с одного конца соединены друг с другом и изолированы, а с другого конца соединены с источником питания (свидетельство RU 
10000 U1, МПК Н01В 7/18, от 1998 г.; свидетельство RU 14474 U1, МПК Н01В 7/18, от 1999 г.)
Недостатком таких нагревателей является низкая точность процесса нагрева текучей среды в скважине и невозможность управления этим процессом.
Известна также установка для предотвращения и ликвидации асфальтопарафиновых пробок и отложений в нефтегазовых скважинах (патент RU 2338868, МПК Е21В 37/00 (2006.01), содержащая нагреватель в виде нагревательного кабеля, спускаемого в скважину, станцию управления нагревом кабеля с датчиками тока и напряжения нагревателя и микропроцессором, имеющим входы задания эксплуатационных параметров нефтегазовой скважины и нагревателя, входы приема контролируемых параметров скважины, и нагревателя, входы и выходы сигналов управления.
Недостатком такой установки является недостаточная точность и надежность управления нагревом текучей среды в скважине.
Известен также автоматизированный саморегулирующийся нагреватель (АСН) для прогрева текучей среды в скважине (патент RU 2305172 МПК Е21В 36/04 от 2006 г.) содержащий установленный в скважине снаружи или внутри насосно-компрессорных труб (НКТ) нагреватель в виде нагревательного кабеля или в виде кабельной линии, в состав которой входит нагревательный кабель, причем токопроводящие жилы указанного нагревателя с одного конца соединены друг с другом и изолированы, а с другого конца соединены с источником питания, наземный измерительно-управляющий блок и внутрискважинный измерительный блок, состоящий по меньшей мере из одного датчика для считывания термобарических параметров текучей среды и соединенный электропроводящей сигналопередающей линией связи с наземным измерительно-управляющим блоком, при этом указанный датчик установлен таким образом, чтобы его чувствительный элемент касался стенки НКТ, или стенки муфты НКТ, или находящийся в непосредственной близости от стенки НКТ или стенки муфты НКТ, причем ориентирование чувствительного элемента датчика к наружной или к внутренней стенке НКТ или муфты зависит от потребности измерения термобарических параметров текучей среды внутри НКТ или в затрубном пространстве скважине.
Недостатком данного нагревателя является сложность установки датчиков на поверхности НКТ или муфты. При проведении спускоподъемных операций (СПО) на скважине процесс установки датчиков занимает достаточно длительное время, прерывая при этом цикл СПО. Кроме того, установленные датчики на поверхности НКТ являются самым ненадежным звеном, так как их легко повредить об обсадную колонну, при выходе из строя хотя бы одного датчика нарушается целостность всей системы. При выходе из строя хотя бы одного датчика необходимо произвести подъем всей колонны НКТ - это достаточно дорогостоящая операция. Датчики температуры и давления в заявленной установке имеют прямой электрический контакт с токопроводящей жилой нагревательного кабеля, что может привести к электрическому пробою в месте соединения и выводом из строя нагревательного кабеля и датчиков температуры и давления. Недостатком (АСН) является также то, что кроме датчиков, температура токопроводящей жилы (ТПЖ) нагревательного кабеля не контролируется, датчик установлен таким образом, чтобы его чувствительный элемент касался стенки НКТ, или стенки муфты НКТ, или находящийся в непосредственной близости от стенки НКТ или стенки муфты НКТ, причем ориентирование чувствительного элемента датчика к наружной или к внутренней стенке НКТ или муфты зависит от потребности измерения термобарических параметров текучей среды внутри НКТ или в затрубном пространстве скважины - это приводит к тому, что нагревательный кабель может выйти из строя по причине перегрева, так как токопроводящая жила нагревательного кабеля нагревается быстрей, чем среда, которую нагревает нагревательный кабель. В результате работы этой установки может возникнуть авария.
Наиболее близкой к заявляемой и принятой в качестве прототипа является устройство для предотвращения и ликвидации асфальтосмолопарафиновых пробок и отложений в нефтегазовых скважинах, (патент RU 2273725, МПК Е21В 37/06 (2006.01), содержащая нагреватель в виде нагревательного кабеля спускаемого в скважину, расположенного внутри или снаружи НКТ, состоящего из токопроводящих жил, выполненных с изоляционной оболочкой, помещенных в броню, станцию управления нагревом кабеля с датчиками тока и напряжения нагревателя и микропроцессором, имеющим входы задания эксплуатационных параметров нефтегазовой скважины и нагревателя, входы приема контролируемых параметров скважины, и нагревателя, входы и выходы сигналов управления. Датчики температуры и давления подключены к нагревательному кабелю с помощью дополнительных сигнальных проводников, что усложняет монтаж датчиков из-за необходимости обеспечения в конструкции прототипа контакта (механического и электрического) чувствительного элемента каждого датчика с токопроводящей жилой нагревательного кабеля и снижает надежность работы датчиков в связи с большой вероятностью попадания скважинной жидкости внутрь датчика.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности работы установки за счет возможности достоверного контроля теплового поля нагревательного кабеля, что позволяет предотвратить аварийные ситуации, связанные с выходом из строя нагревательного кабеля, при одновременном упрощении монтажа и эксплуатации установки.
Технический результат достигается тем, что в установке для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений в нефтегазовых скважинах далее, установке, содержащей нагреватель в виде нагревательного кабеля, расположенного внутри или снаружи НКТ, состоящего из токопроводящих жил, выполненных с изоляционной оболочкой, помещенных в броню, спускаемого в скважину, станцию управления нагревом кабеля с датчиками тока и напряжения нагревателя и микропроцессором, имеющим входы задания эксплуатационных параметров нефтегазовой скважины и нагревателя, входы приема контролируемых параметров скважины и нагревателя, входы и выходы сигналов управления, при этом на нагревательном кабеле установлены датчики температуры и давления, согласно полезной модели, датчики выполнены электрически изолированными, со встроенным трансформатором тока и с возможностью одновременного электрического питания от токопроводящей жилы и передачи сигналов обратной связи давления и температуры на микропроцессор станции управления нагревом кабеля по этой же токопроводящей жиле на частотах, отличных друг от друга.
Ниже иллюстрируется причинно-следственная связь отличительных признаков предлагаемого технического решения с достигаемым техническим результатом.
Предлагаемая конструкция установки выполнена с датчиками, выполненными со встроенным трансформатором, а также первичным преобразователем, схемой согласования и стабилизатором питания.
Стабилизатор питания выпрямляет переменное напряжение, которое поступает с трансформатора тока, стабилизирует по величине и подает на первичный преобразователь и схему согласования.
Первичный преобразователь температуры преобразует температуру в напряжение, а первичный преобразователь давления преобразует давление в напряжение.
Схема согласования преобразует входное напряжение в импульсы тока определенной частоты, соответствующей входному напряжению.
В прототипе и в предлагаемой установке имеется механический контакт с ТПЖ.
В прототипе в отличие от предлагаемой установки при встраивании датчиков необходимо удалять броню нагревательного кабеля и разрезать изоляционную оболочку сигнальных проводников, тем самым датчик перестает быть электрически изолированным, т.к. его чувствительный элемент контактирует с линией связи.
Датчик с чувствительным элементом встраивается на изоляционную оболочку ТПЖ, при этом удаляется броня нагревательного кабеля. Датчик уже может принять температуру кабеля, но не может передать сигнал о величине температуры. Для того, чтобы передать сигнал в установку, введены сигнальные проводники, иначе установка не сможет контролировать температуру кабеля.
В прототипе датчиков имеется электрический контакт выхода чувствительного элемента (играющего роль первичного преобразователя) с сигнальными проводниками, которые являются отдельной линией связи для передачи сигнала от датчика к станции управления, то есть сами датчики электрически не изолированы за счет того, что имеется отдельный изолированный от ТПЖ канал связи в виде сигнальных проводников. Конструкция по прототипу с использованием сигнальных проводников снижает точность и надежность управления нагревом текучей среды в скважине, т.к. скважинная жидкость попадает внутрь чувствительного элемента датчика температуры или давления и тем самым вносит погрешность в его измерения или может вывести из строя сам датчик, в результате чего снижается надежность и точность работы самой установки: Установка либо перестает производить нагрев, либо начинает подавать на кабель максимальную мощность, либо переходит в режим неуправляемого постоянного прогрева. В этот момент повышается температура нагревательного кабеля, возрастает до критической, микропроцессор получает недостоверное значение температуры ввиду отсутствия передачи сигналов обратной связи (т.к. датчик вышел из строя), температура нагревательного кабеля становится выше критической, и токопроводящие жилы кабеля спекаются, что приводит к аварийной ситуации вплоть до прожига НКТ.
Кроме того, вышеуказанный дополнительный конструктивный элемент - сигнальные проводники - усложняет конструкцию установки, усложняет изготовление кабеля, т.к. необходимо изготовление сигнальных проводников и помещение их в общую броню с ТПЖ.
В предлагаемой конструкции нет отдельной линии связи и нет необходимости в таком дополнительном конструктивном элементе, что повышает надежность работы установки в критических режимах.
В предлагаемой конструкции также имеется контакт с ТПЖ, но только механический.
В предлагаемой конструкции при встраивании датчика температуры или давления удаляется только броня, а изоляционная оболочка остается неповрежденной в отличие от прототипа, что совместно с другими признаками предотвращает попадание скважинной жидкости на первичный преобразователь, сохраняется электрическая изоляция ТПЖ, в результате чего датчик передает сигнал на вход микропроцессора о достоверной величине параметра температуры или давления. Таким образом, предлагаемая конструкция полностью исключает возможное попадание жидкости на ТПЖ, что значительно повышает надежность и точность работы установки в целом, обеспечивает возможность достоверного контроля теплового поля нагревательного кабеля, что позволяет предотвратить аварийные ситуации, связанные с выходом из строя нагревательного кабеля по причине его перегрева.
Для встраивания датчика предварительно с нагревательного кабеля снимается участок брони длиной около 30 см. Удаляется тканевая подушка под броней. Нагревательные жилы разводятся на расстоянии 15-25 мм друг от друга. На центральную жилу устанавливается, например, путем приклеивания трансформатор тока, состоящий из двух половин, выполненных из полуколец. Обе половины соединяются, например, склеиваются и фиксируются на ТПЖ, без снятия изоляционной оболочки. Таким образом, трансформатор тока датчика обхватывает изоляционную оболочку ТПЖ. Вторая конструктивная часть датчика - электронный блок, соединяется с обмотками трансформатора, и располагается вдоль жил нагревательного кабеля. После установки укладывается тканевая подушка на жилы и датчик, затем - сама броня.
В прототипе датчик монтируется на поверхность изоляционной оболочки ТПЖ, а электрический контакт датчика с сигнальными проводниками осуществляется путем скрутки или пайки. При этом необходимо удалить изоляционную оболочку сигнальных проводников и после монтажа датчика загерметизировать место контакта датчика и сигнальных проводников. Герметизация места соединения датчика и сигнальных проводников не дает 100-процентной гарантии от проникновения жидкости и потери электрической изоляции, в сравнении с качеством исходной изоляционной оболочки сигнальных проводников.
Главным отличием от прототипа является то, что в предлагаемой установке датчики выполнены со встроенным трансформатором, и датчики выполнены электрически изолированными от линии связи, которая совмещена в ТПЖ и сама конструкция датчиков со встроенным трансформатором тока дает возможность трансформатору тока одновременно служить источником тока для стабилизатора питания первичного преобразователя температуры или давления, а также питания схемы согласования и осуществлять передачу сигналов обратной связи давления или температуры на микропроцессор станции управления по этой же токопроводящей жиле. Причем частота, на которой происходит питание датчика температуры или давления, и частота, на которой происходит передача сигнала, отличаются друг от друга. Это позволяет обойтись без отдельных сигнальных проводников или отдельной линии связи для передачи сигнала с первичного преобразователя до микропроцессора станции управления нагревом кабеля, что приводит не только повышению надежности, работы установки, предотвращению аварийной ситуации, но и к одновременному упрощению монтажа и эксплуатации установки.
При повышении температуры нагревательного кабеля до критической, микропроцессор по петле обратной связи получит достоверное значение температуры нагревательного кабеля, и в станции управления произойдет аварийное отключение.
Таким образом, благодаря наличию в предлагаемой установке, в отличие от прототипа, датчиков, выполненных электрически изолированными, со встроенным трансформатором тока и с возможностью одновременного электрического питания от токопроводящей жилы и передачи сигналов обратной связи давления и/или температуры на микропроцессор станции управления нагревом кабеля по этой же токопроводящей жиле на частотах, отличных друг от друга, совместно с совокупностью известных признаков обеспечивается возможность достоверного контроля теплового поля нагревательного кабеля, что приводит к повышению надежности и управления нагревом текучей среды в скважине, и соответственно повышению надежности работы установки в целом, особенно при аварийных ситуациях.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям полезной модели - новизна и промышленная применимость.
На фиг.1. общий вид схемы установки для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений в нефтегазовых скважинах.
На фиг.2 общий вид схемы датчика температуры или давления.
На фиг.3 схематичное подключение датчиков на нагревательном кабеле
а) - в предлагаемом техническом решении и б) - в прототипе.
На фиг.4 пример внешнего вида нагревательного кабеля с установленным на нем датчиком температуры.
На фиг.5 Нагревательный кабель с установленным датчиком температуры или давления в разрезе.
Полезная модель поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена схема предлагаемой установки.
Установка для предотвращения и ликвидации асфальтосмолопарафиновых пробок и отложений в нефтегазовых скважинах содержит нагреватель в виде высокотемпературного нагревательного кабеля 1, спускаемого в скважину 2, датчик тока 3 нагревательного кабеля 1, датчик напряжения 4 нагревателя, расположенные в станции управления 5 нагревом кабеля 1 с микропроцессором 6, имеющим входы задания эксплуатационных параметров нефтегазовой скважины и нагревателя (нагревательного кабеля 1), входы приема контролируемых параметров скважины, и нагревателя, входы и выходы сигналов управления. Установка снабжена датчиками температуры 7 и датчиками давления 8, установленными на нагревательном кабеле 1. Токопроводящие жилы нагревательного кабеля 1 с одного конца соединены между собой и изолированы для образования оконцовочного устройства 9. Другой конец нагревательного кабеля подключен к клеммной коробке 10 и через «холодный» кабель питания 11 соединен со станцией управления 5 нагревом. К станции управления 5 нагревом также подключен устьевой датчик температуры 12, который помещается в специализированный термокарман, для измерения и контроля температуры выходящего потока жидкости (на чертеже не показана).
После монтажа оконцовочного устройства 9 и датчиков температуры 7 и - давления 8 проверяют нагревательный кабель 1 на герметичность при погружении его с оконцовочным устройством 9 и датчиками температуры 7 и - давления 8 в раствор поваренной соли 10%, в течение 6-ти часов, проверяют токи утечки подачей переменного напряжения, частотой 50 Гц и амплитудой 4 кВ на токопроводящие жилы нагревательного кабеля 1 относительно его экрана или брони.
Перед спуском нагревательный кабель 1 испытывают под нагрузкой путем его подключения к станции управления 5 нагревом через клеммную коробку 10, доводят температуру токопроводящих жил до 50°C и вновь проверяют целостность оконцовочного устройства 9. С помощью станции управления 5 нагревом проверяют работоспособность датчиков температуры 7 и давления 8, являющихся погружными.
На фиг.2 представлена схема изолированного датчика температуры 7 и - давления 8.
Каждый в отдельности датчик, выполненный электрически изолированным, состоит из трансформатора тока 13, являющимся одновременно источником тока от токопроводящей жилы для стабилизатора питания 14 первичного преобразователя температуры и/или давления 15, а также для питания схемы согласования 16 для передачи сигналов обратной связи до станции управления 5. Трансформатор тока 13 также служит для передачи сигнала от схемы согласования 16 в токопроводящие жилы нагревательного кабеля 1. Причем стабилизатор питания 14, первичный преобразователь температуры или давления 15 и схема согласования объединены в электронный блок 17, выполненный в герметичном корпусе.
На фиг.3 изображено схематичное подключение датчиков на нагревательном кабеле а) в предлагаемом техническом решении и б) в прототипе. В предлагаемой конструкции нагревательного кабеля изображены токопроводящие жилы 18 нагревательного кабеля 1. К ним подключены изолированные датчики температуры 7 и давления 8. Порядок подключения и количество датчиков температуры 7 и давления 8 может быть произвольным, зависящим от потребностей заказчика. В прототипе для передачи информации от датчиков температуры 7 и давления 8 до станции управления 5 показаны отдельные сигнальные проводники 19.
На фиг.4 изображен пример внешнего вида нагревательного кабеля 1 с установленным на нем датчиком температуры 7 или давления 8.
В предлагаемой установке датчик помещен под общую с токопроводящими жилами 18 броню 20. Датчик состоит из двух частей: трансформатора тока 13 и электронного блока 17. Трансформатор тока 13 и электронный блок 17 соединены между собой при помощи изолированных от попадания жидкости информационных 21 и питающих 22 обмоток собранных в единый герметичный жгут и намотанных на сердечник 23 трансформатора 13.
Установка работает следующим образом. Нагревательный кабель 1 со смонтированными на определенных участках его длины датчиками температуры 7 и датчиками давления 8, выполненными изолированными, устанавливают снаружи или внутри НКТ. Второй свободный его конец подключают к клеммной коробке 10 и от нее с помощью «холодного» кабеля питания 11 к станции управления 5 нагревом. На нагревательный кабель 1 подается напряжение и за счет соединения токопроводящих жил 18 нагревательного кабеля в оконцовочном устройстве 9 и прохождения тока по токопроводящим жилам 18 происходит нагрев кабеля 1, поверхности НКТ и жидкости, находящейся внутри НКТ. В процессе нагрева осуществляется вычисление распределения температуры и количества выделяемого тепла по строительной длине нагревательного кабеля за счет определения изменения сопротивления токопроводящей жилы от температуры микропроцессором 6 станции управления 5, вход которого соединен с датчиком тока 3 и датчиком напряжения 4 нагревательного кабеля 1. Микропроцессор 6 станции управления 5 производит вычисление сигналов от изолированных датчиков и температуры 7 и давления 8 по специальным алгоритмам в реальном времени. Данные вычисления температур и давлений выводятся на дисплей станции управления 5 нагревом, а также запоминаются в энергонезависимой памяти станции управления 5. Нагрев добываемой жидкости производится до температуры насыщения нефти парафином, определяемой лабораторным путем и контролируемый устьевым датчиком температуры 12.
Передача информации с помощью трансформатора тока 13 осуществляется следующим образом.
Схема согласования 16 преобразует сигнал от первичного преобразователя температуры или давления 15 в импульсы переменного тока, которые поступают на первичную обмотку трансформатора тока 13, вторичная обмотка образована одной из токопроводящих жил (предпочтительнее центральной), являющейся проводником нагревательного кабеля 1, помещенного внутри трансформатора. Причем передача сигнала производится на частоте, отличной от частоты тока нагрева. Питание первичных преобразователей 15 и схемы согласования 16 осуществляется от стабилизатора питания 14, подключенного к тому же трансформатору тока 13, путем наведения ЭДС переменного тока на вторичной обмотке за счет протекания тока нагрева через токопроводящую жилу нагревательного кабеля, размещенную внутри трансформатора.
Датчик выполнен электрически изолированным от ТПЖ, т.к. прямой электрической связи нет с ТПЖ (проводником), а электромагнитная связь есть: магнитный поток в сердечнике трансформатора, меняясь во времени, наводит ЭДС в обмотках трансформатора. В свою очередь переменная ЭДС (импульсы от схемы согласования 16) создает магнитный поток в сердечнике трансформатора, и в ТПЖ появляется сигнал, который принимается микропроцессором станции управления.
Трансформатор тока выполнен в виде тора, имеет разборную конструкцию из двух половин для установки его на токопроводящую жилу нагревательного кабеля, не нарушая изоляцию. Каждая половина трансформатора имеет питающую и информационную обмотки. Питающие обмотки от двух половин трансформатора соединяются последовательно и подключаются к стабилизатору питания 14 (они являются источником тока на частоте нагрева). Информационные обмотки трансформатора (на них поступают импульсы со схемы согласования 16) также соединяются последовательно и подключаются к схеме согласования 16, от которой поступают информационные импульсы сигналов от первичного преобразователя 15. Первичными преобразователями могут быть, например преобразователи температуры или давления, выполненные по схеме тензомоста.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет измерять температуру текучей среды как внутри НКТ от забоя до устья, так и в затрубном пространстве с высокой точностью измерять температуру нагревательного кабеля и ее распределение по строительной длине, исключая при этом возможный перегрев токопроводящих жил, что повышает надежность установки. Кроме того в предлагаемой установке на этапе изготовления, упрощается монтаж датчиков температуры 7 и давления 8.
Также благодаря достоверному измерению температуры предлагаемым устройством достигается оптимальный режим нагревательного кабеля 1 по выделяемой мощности на его строительной длине и минимизируются энергозатраты за счет снижения общей потребляемой мощности.
Установка для предотвращения асфальтосмолопарафиновых отложений в нефтегазовых скважинах, содержащая нагреватель в виде нагревательного кабеля, расположенного внутри или снаружи НКТ, состоящего из токопроводящих жил, выполненных с изоляционной оболочкой, помещенных в броню, спускаемого в скважину, станцию управления нагревом кабеля с датчиками тока и напряжения нагревателя и микропроцессором, имеющим входы задания эксплуатационных параметров нефтегазовой скважины и нагревателя, входы приема контролируемых параметров скважины и нагревателя, входы и выходы сигналов управления, при этом на нагревательном кабеле установлены датчики температуры и давления, отличающаяся тем, что датчики выполнены электрически изолированными со встроенным трансформатором тока и с возможностью одновременного электрического питания от токопроводящей жилы и передачи сигналов обратной связи давления и/или температуры на микропроцессор станции управления нагревом кабеля по указанной токопроводящей жиле на частотах, отличных друг от друга.
