CN114607580A - 一种油井加压注液系统 - Google Patents
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Abstract
一种油井加压注液系统，涉及油田井下加压注液作业技术领域，特别是属于一种油井加压注液系统。包括控制单元以及与控制单元相连接的注液单元，所述的注液单元包括与地面固定的系统底架，系统底架上安装有直驱电机、柱塞泵，直驱电机与柱塞泵通过联轴器连接，控制单元包括一个变频控制器，或一个变频控制器与至少一个工频控制器的集合，其中，柱塞泵与外部供液管路连接，直驱电机接入控制单元内部，与控制单元电路连接。本发明具有提高油田井下注液作业的运行效率的积极效果。
Description
技术领域
本发明涉及油田井下加压注液作业技术领域，特别是属于一种油井加压注液系统。
背景技术
随着油田开发时间的延长，地层压力逐渐下降，为使油田保持较长时间的高产稳定，需要及时为地层补充能量，提高地层压力。因此，油田注液就显得尤为重要。在油田注液开发过程中，视不同作业区的具体工艺要求，采用不同流量的水泵为井下注液。
在一些流量较大的注液工况下，为满足流量和压力要求，通常采用多级离心泵配套高转速电机的方式使用。多级离心泵采用多级加压的方式，可以同时满足大流量和高压力的注液要求。受限于多级离心泵的系统工作原理，需要使用多级叶轮对水流加压，泵效较低，且一般需要采用额定转速为3000转的二极电机作为水泵的驱动电机。以注液量250m3/h，注液压力17Mpa为例，系统需采用十一级的多级离心泵并配以3000转的二极异步电机进行驱动。水泵的标定效率为78％，电机的额定效率为96％。但在实际使用中，为配合注液工艺要求，电机的运行转速较低，无法工作在额定点。电机转速降低后，异步电机的系统效率会进一步降低。当电机负载率低于40％以后，电机效率会有明显下降。
另外，在实际工况中，注液系统采用两台水泵并联的方式运行，一台额定功率2200kW，另一台额定功率1800kW。且大功率的水泵需以额定转速运行，小功率的水泵需以变频方式运行，以满足注液过程中流量和压力的变动需求。由于较小功率的水泵不能以额定转速工作，泵效会有明显降低。经测算，注液系统实际运行功率在3000kW到3400kW之间，实际系统效率在55％到60％之间。整机系统效率低，能源浪费严重。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种油井加压注液系统，以达到提高油井注液作业的运行效率的目的。
本发明所提供的一种油井加压注液系统，其特征在于，包括控制单元以及与控制单元相连接的注液单元，所述的注液单元包括与地面固定的系统底架，系统底架上安装有直驱电机、柱塞泵，直驱电机与柱塞泵通过联轴器连接，控制单元包括一个变频控制器，或一个变频控制器与至少一个工频控制器的集合，其中，柱塞泵与外部供液管路连接，直驱电机接入控制单元内部，与变频控制器和工频控制器所在的控制电路相连接。
进一步的，本系统包括一个控制单元以及与控制单元相连接的多个注液单元，多个注液单元的多个直驱电机并联接入控制单元内部，与控制单元电路连接，其中，一个变频控制器依次控制多个注液单元的多个直驱电机，在控制单元包括变频控制器和工频控制器的集合的情况下，多个工频控制器分别对应控制多个直驱电机。
进一步的，控制单元的控制过程如下：
a.直驱电机的变频启动；
外部供电通过变频控制器为直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行；
b.直驱电机变频转工频的控制状态切换；
当直驱电机运动转速达到额定转速后，变频器供电线路断开，外部供电通过工频控制器继续驱动直驱电机运行。
进一步的，控制单元的控制过程如下：
a.第一个注液单元的直驱电机的变频启动；
外部供电通过变频控制器为第一个注液单元的直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行；
b.第一个注液单元的直驱电机变频转工频的控制状态切换；
当第一个注液单元的直驱电机的运动转速达到额定转速后，变频控制器所在的供电线路断开，外部供电通过与第一个注液单元相对应的第一个工频控制器继续驱动直驱电机运行；
c.第二个注液单元的直驱电机的变频启动；
外部供电通过变频控制器为第二个注液单元的直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行；其中，第一个注液单元的直驱电机保持工频控制状态下的持续运行；
d.第二个注液单元的直驱电机变频转工频的控制状态切换；
当第二个注液单元的直驱电机的运动转速达到额定转速后，变频控制器供电线路断开，外部供电通过与第二个注液单元相对应的第二个工频控制器继续驱动直驱电机运行；
e.第二个注液单元的直驱电机保持工频控制状态下的持续运行，控制单元重复上述控制过程，依次实现其他注液单元的直驱电机的驱动运行。
进一步的，直驱电机为永磁直驱电机，且极数大于十极，输出转速小于750转每分钟。
进一步的，柱塞泵包括液力端和动力端，液力端包括若干柱塞，所述的柱塞在动力端的驱动作用下做往复运动，柱塞泵的动力端通过水泵输入轴与直驱电机的电机输出轴连接，柱塞泵入口通过低压输入口与外部供液管路连接；柱塞泵的输出端输出至油井注液总管。
进一步的，柱塞泵内部的工作介质为液体，所述的液体包括液态水、液态气体。
进一步的，直驱电机与外部的冷却塔相连接，冷却塔通过管路由直驱电机的冷却水进水口流入电机水夹壳中，直驱电机的冷却水出水口通过管路送回冷却塔中。
本发明所提供的一种油井加压注液系统，注液单元中的柱塞泵采用柱塞往复运动的方式对喂液泵输送的低压水进行加压，从而得到极高的水压。柱塞泵的泵效在89％到94％之间，较多级离心泵有明显的提高。柱塞泵的驱动转速较低，一般不高于300转每分钟。本系统采用直驱电机直连的方式驱动柱塞泵，可以避免采用减速机或大小皮带轮传动而造成的能量损失。永磁直驱电机无励磁电流，系统运行效率不会随负载率降低而降低。在较宽泛的负载区间，永磁直驱电机的系统效率始终能保持在94％及以上，较异步电机具有明显的能耗优势。此外，本系统的控制单元在驱动控制上，通过采用工频加变频的方式进行驱动，能够有效满足注液工艺中流量变化的要求。经本发明的应用数据显示，采用永磁直驱电机驱动柱塞泵，并配套以专用控制系统后，整套设备的系统效率达82％到90％。且经现场实测，在相同的注液工况条件下，较原有使用异步电机驱动多级离心泵的方案，本系统总体能效提高20％-30％。综上所述，本发明在大流量、高压力、大功率水泵注液作业的应用中，具有提高注液系统的运行效率以及节能减排的积极效果。
附图说明
图1为本发明包含单个注液单元的实施例的结构示意图；
图2为本发明包含多个注液单元的实施例的结构示意图；
图3为本发明包含两个注液单元的实施例的电气原理图；
图4为本发明包含多个注液单元的实施例的电气原理图；
图5为本发明增设直驱电机散热的结构示意图；
图6为本发明A处的局部放大图；
图7为本发明柱塞泵的结构示意图；
图8为本发明柱塞泵在其他实施例中的配套连接的结构示意图。
具体实施方式
如图1-8所示，本发明所提供的一种油井加压注液系统，包括控制单元5以及与控制单元相连接的注液单元。其中，注液单元是由系统底架3、直驱电机1、柱塞泵2、联轴器4构成的，系统底架通过地脚螺栓与地面连接，待固定稳固后，通过固定螺栓，将柱塞泵和直驱电机安装在系统底架上。调整联轴器的同心度至满足的设计要求后，将直驱电机和柱塞泵通过联轴器进行连接。一个注液单元对应的控制单元可以仅包括一个变频控制器，也可以包括一个变频控制器与一个工频控制器的集合，直驱电机接入控制单元内部，与控制单元电路连接。柱塞泵包括液力端2.2和动力端2.1，液力端包括若干柱塞，所述的柱塞在动力端的驱动作用下做往复运动，柱塞泵的动力端通过水泵输入轴2.5与直驱电机的电机输出轴连接，柱塞泵入口通过低压输入口2.3与外部喂液泵6的供液管路相连接；柱塞泵的输出端2.4输出至油井注液总管。优选地，在本发明的具体实施例中，直驱电机采用永磁直驱电机，且极数大于十极，输出转速小于750转每分钟。永磁直驱电机无励磁电流，系统运行效率不会随负载率降低而降低。在较宽泛的负载区间，永磁直驱电机的系统效率始终能保持在94％及以上，较异步电机具有明显的能耗优势。同时，本系统采用直驱电机直连的方式驱动柱塞泵，可以避免采用减速机或大小皮带轮传动而造成的能量损失，具有节能减排的显著效果。
在本发明的实际应用中，当单台柱塞泵无法满足注液工艺所需的注液流量时，可采用多个注液单元并联的方式提高注液系统的注液量。具体地，由一个控制单元以及与控制单元相连接的多个注液单元组成的本发明进行实际应用。此时，与多个注液单元相连接的控制单元可以包括一个变频控制器，也可以包括一个变频控制器和多个工频控制器的集合，多个注液单元的多个直驱电机并联接入控制单元内部，与控制单元电路连接，其中，一个变频控制器依次控制多个注液单元的多个直驱电机，在控制单元包括变频控制器和工频控制器的集合的情况下，多个工频控制器分别对应控制多个直驱电机。
本发明通过变频控制器启动直驱电机后，当直驱电机的转速达到额定转速时，断开变频器供电，通过工频控制器继续驱动直驱电机运行，从而完成了直驱电机的变频转工频的控制状态切换。在由一个注液单元组成的注液系统中，本发明的注液系统的控制单元对一个直驱电机进行变频、工频驱动，具体控制过程如下：a.直驱电机的变频启动；外部供电通过变频控制器为直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行。b.直驱电机变频转工频的控制状态切换；当直驱电机运动转速达到额定转速后，变频器供电线路断开，外部供电通过工频控制器继续驱动直驱电机运行。在由多个注液单元组成的注液系统中，本发明的注液系统的控制单元对多个直驱电机分别进行变频、工频驱动，具体控制过程如下：a.第一个注液单元的直驱电机的变频启动；外部供电通过变频控制器为第一个注液单元的直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行。b.第一个注液单元的直驱电机变频转工频的控制状态切换；当第一个注液单元的直驱电机的运动转速达到额定转速后，变频控制器所在的供电线路断开，外部供电通过与第一个注液单元相对应的第一个工频控制器继续驱动直驱电机运行。c.第二个注液单元的直驱电机的变频启动；外部供电通过变频控制器为第二个注液单元的直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行；其中，第一个注液单元的直驱电机保持工频控制状态下的持续运行。d.第二个注液单元的直驱电机变频转工频的控制状态切换；当第二个注液单元的直驱电机的运动转速达到额定转速后，变频控制器供电线路断开，外部供电通过与第二个注液单元相对应的第二个工频控制器继续驱动直驱电机运行。e.第二个注液单元的直驱电机保持工频控制状态下的持续运行，控制单元重复上述控制过程，依次实现其他注液单元的直驱电机的驱动运行。
下面，结合本发明的具体实施例，通过对本发明控制单元的电路工作原理的描述，对本发明控制单元的控制过程做进一步的描述说明。如图3所示，在由两个注液单元构成的本发明的实施例中，本发明的控制单元控制两台直驱电机工作。如图4所示，在由四个注液单元构成的本发明的实施例中，本发明的控制单元控制四台直驱电机工作。其中，图3中1GB、2GB、3GB和4GB为高压开关柜，内部主要由各类高压接触器组成，用于控制高压线路通断，图4中的5GB、6GB、7GB、8GB亦同理。图3中KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6为高压接触器，用于控制高压线路通断，且上述高压接触器置于高压开关柜内。图4中的KM7、KM8、KM9、KM10、KM11、KM12亦同理。图3中K1、K2为中间接触器，用于控制变频控制器与电机之间回路的通断，图4中的K3、K4亦同理。在图3中，外部供电线缆为外部输入的高压电缆。各个直驱电机的工作需要独立的外部线缆供电。本系统启动前，先通过KM2和KM5的高压接触器的闭合，实现本系统的控制单元的供电。
直驱电机M1变频转工频的电路原理说明：KM1、KM4和KM6的高压接触器断开，KM3高压接触器和K1中间接触器闭合，变频控制器接入直驱电机M1，实现直驱电机的变频启动。当直驱电机M1达到额定转速后，K1中间接触器断开的同时，KM1高压接触器闭合。此时，直驱电机M1由外部供电线缆经工频控制器后供电，处于工频运行状态，完成了直驱电机M1变频启动转工频的过程。同时，变频控制器处于闲置状态，准备下一直驱电机(直驱电机M2)的变频启动。
直驱电机M2变频转工频的电路原理说明：在直驱电机M1进入工频运行状态后，KM3高压接触器断开，KM4高压接触器和K2中间接触器闭合，变频控制器接入直驱电机M2，实现直驱电机M2的变频启动。视现场运行工况需要，直驱电机M2可以仅选择变频驱动，当然也可先变频启动直驱电机M2，待直驱电机M2达到额定转速后，K2中间接触器断开的同时，KM6高压接触器闭合。此时，直驱电机M2由外部供电线缆经工频控制器后供电，处于工频运行状态，完成了直驱电机M2变频启动转工频的过程。同时，变频控制器处于闲置状态，准备下一直驱电机(直驱电机M3)的变频启动。因直驱电机M3、直驱电机M4同直驱电机M1、直驱电机M2的变频启动、直驱电机达到额定转速后的变频转工频控制状态的运行切换原理，在此不做重复赘述。综上所述的电路工作原理，本发明的注液系统能够实现对多个注液单元的依次控制，使得多个注液单元协同工作。经现场实测，在相同的注液工况条件下，较原有使用异步电机驱动多级离心泵的方案，本系统总体能效提高20％-30％。使得本发明在大流量、高压力、大功率水泵注液作业的应用中，具有提高注液系统的运行效率以及节能减排的显著优势。
另外，值得说明的是，本系统中柱塞泵内部的工作介质为液体，具体根据应用的实际情况，可以是液态水，也可以是液态气体等，从而提高本系统的适用性。
直驱电机可以采用风冷或水冷方式冷却。风冷或水冷方式均属于电机冷却的常规方法。在本发明的实施例中，如图5、图6所示，直驱电机的散热单元采用的水冷方式散热。具体地，直驱电机外连接冷却塔7，冷却塔通过管路由直驱电机的冷却水进水口1.1流入电机水夹壳中，冷却水流经高温的电机壳后，由直驱电机的冷却水出水口1.2通过管路送回冷却塔中，以此循环往复实现直驱电机的散热。
此外，在如图8所示的本发明柱塞泵的其他实施例中，柱塞泵还可根据需要配有润滑油泵8、润滑油冷却器9、管路及用于管路的过滤、测温、测压的各类传感器。此类均为柱塞泵的常规使用方案，在此不做过多阐述。
Claims (7)
1.一种油井加压注液系统，其特征在于，包括控制单元以及与控制单元相连接的注液单元，所述的注液单元包括与地面固定的系统底架，系统底架上安装有直驱电机、柱塞泵，直驱电机与柱塞泵通过联轴器连接，控制单元包括一个变频控制器，或一个变频控制器与至少一个工频控制器的集合，其中，柱塞泵与外部供液管路连接，直驱电机接入控制单元内部，与控制单元电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种油井加压注液系统，其特征还在于，本系统包括一个控制单元以及与控制单元相连接的多个注液单元，多个注液单元的多个直驱电机并联接入控制单元内部，与控制单元电路连接，其中，一个变频控制器依次控制多个注液单元的多个直驱电机，在控制单元包括变频控制器和工频控制器的集合的情况下，多个工频控制器分别对应控制多个直驱电机。
3.根据权利要求1所述的一种油井加压注液系统，其特征还在于，控制单元的控制过程如下：
a.直驱电机的变频启动；
外部供电通过变频控制器为直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行；
b.直驱电机变频转工频的控制状态切换；
当直驱电机运动转速达到额定转速后，变频器供电线路断开，外部供电通过工频控制器继续驱动直驱电机运行。
4.根据权利要求2所述的一种油井加压注液系统，其特征还在于，控制单元的控制过程如下：
a.第一个注液单元的直驱电机的变频启动；
外部供电通过变频控制器为第一个注液单元的直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行；
b.第一个注液单元的直驱电机变频转工频的控制状态切换；
当第一个注液单元的直驱电机的运动转速达到额定转速后，变频控制器所在的供电线路断开，外部供电通过与第一个注液单元相对应的第一个工频控制器继续驱动直驱电机以额定转速运行；
c.第二个注液单元的直驱电机的变频启动；
外部供电通过变频控制器为第二个注液单元的直驱电机提供启动电源，直驱电机以较低转速启动运行；其中，第一个注液单元的直驱电机保持工频控制状态下的持续运行；
d.第二个注液单元的直驱电机变频转工频的控制状态切换；
当第二个注液单元的直驱电机的运动转速达到额定转速后，变频控制器供电线路断开，外部供电通过与第二个注液单元相对应的第二个工频控制器继续驱动直驱电机以额定转速运行；
e.第二个注液单元的直驱电机保持工频控制状态下的持续运行，控制单元重复上述控制过程，依次实现其他注液单元的直驱电机的驱动运行。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种油井加压注液系统，其特征还在于，直驱电机为永磁直驱电机，且极数大于十极，输出转速小于750转每分钟。
6.根据权利要求5所述的一种油井加压注液系统，其特征还在于，柱塞泵包括液力端和动力端，液力端包括若干柱塞，所述的柱塞在动力端的驱动作用下做往复运动，柱塞泵的动力端通过水泵输入轴与直驱电机的电机输出轴连接，柱塞泵入口通过低压输入口与外部供液管路连接；柱塞泵的输出端输出至油井注液总管。
7.根据权利要求6所述的一种油井加压注液系统，其特征还在于，柱塞泵内部的工作介质为液体，所述的液体包括液态水或液态气体。
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- 2022-03-22 CN CN202210287353.9A patent/CN114607580A/zh active Pending
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