CN116940765A - 用于电动潜水泵的高效功率系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于向电动潜水泵提供电力的系统。该系统包括变频驱动器，该变频驱动器连接到马达。该马达机械地连接到该电动潜水泵。发电机和电池连接到该变频驱动器。该电池的尺寸适当地设计为使得在该电动潜水泵的启动操作期间和发电机维护期间，该电池可以为该变频驱动器供电。该系统包括用于检测何时来自该发电机的功率不足以满足该电动潜水泵的负载需求的装置。当这种情况发生时，该电池向该变频驱动器发送功率以满足该电动潜水泵的负载需求。该系统还包括用于当该电池下降到阈值水平以下时使用该发电机对该电池充电的装置。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年3月12日提交的美国专利申请序列第63/160,026号的优先权。
关于联邦资助的研究或开发的声明
不适用。
参考“序列表”、表格或计算机程序
不适用。
附图说明
附图构成本说明书的一部分并且包括可以以各种形式实施的用于电动潜水泵的高效功率系统的示例性实施例。应理解的是，在一些情况下，本发明的各个方面可能被夸大或放大地示出以便于对本发明的理解。因此，附图可能不是按比例的。
图1是示出通常用于为石油生产井中的电动潜水泵供电的现有技术系统的示意图。
图2描绘了用于为石油生产井中的电动潜水泵供电的新系统并且描述了本发明的一个优选实施例。
图3A是提供现有技术系统与本发明的比较的图表。
图3B是提供现有技术系统与本发明的比较的图表。
图4是提供关于与现有技术系统相比本发明提供的节省的信息的图表。
图5是提供关于与现有技术系统相比本发明提供的主要益处的信息的图表。
图6是提供关于与现有技术系统相比本发明提供的其他益处的信息的图表。
背景技术
石油生产井使用电动潜水泵(ESP)将生产流体提升到地面。如果井位于可以从公用电网获得功率的区域，则可以从电网为ESP供电。然而，许多陆上石油生产井位于电网是不可行选项的偏远地区。类似地，对于海上石油生产井，电网是不可用的。在这些情况下，必须使用其他设备和方法为ESP供电。
本领域技术人员已知ESP优选用于将生产流体泵送到地面。ESP在涉及低气油比、低井底压力、低泡点、低API(美国石油协会)重力流体或高含水率的情况下特别有效。ESP的维护需求也很低。
ESP用途广泛，因为它们可以处理各种各样的流量和提升需求。由于ESP尺寸较小，因此ESP可以安装在较小的井套管中。按每桶成本计算，ESP也被认为是非常经济的。ESP安装在井本身中的井下，减少了暴露在地面上的装备数量。这既美观又能有效降低噪音。另外，放置在套管中可以保护ESP免受天气或入侵者造成的外部损坏。
ESP可以由变频驱动器(VFD)或变速驱动器(VSD)驱动。出于本申请的目的，当使用术语VFD时，也旨在涵盖VSD。
当在远程位置操作时，VFD的功率通常由柴油发电机供应。在当前的现有技术配置中，柴油发电机的尺寸必须设计为使得能够供应启动ESP所需的所有功率。对于通常的ESP，启动时所需的涌入电流将是正常负载下运行马达所需电流的6至8倍。现有技术的柴油发电机还必须具有随着正常操作中流量条件的波动瞬时增加和减少VFD的功率并且进而增加和减少ESP的功率的能力。当ESP操作时，柴油发电机必须一直运行。因为柴油发电机在启动后必须保持在较低的负载下运行(即使当来自ESP的功率需求减少时)，所以这导致了固有的低效率。在较低负载下运行还会导致排放量增加、另外的维护和差的电能质量性能。
所需要的是一种用于向ESP供应功率的系统，所述系统能够在较低负载下高效地供应功率，如果柴油发电机关闭则继续供应功率并且在需要启动和其他较高负载需要时供应较高水平的功率。本发明满足了这些需要。
具体实施方式
如图2所示，用于电动潜水泵的新型高效功率系统将包括电池1，该电池电连接到VFD 2。在图2的特定实施例中，电池1将包括逆变器3。电池1和逆变器3以及发电机4电连接到VFD 2的负载。此新型系统的关键在于使用较小的柴油发电机4在正常负载下运行ESP。当ESP具有更高的负载需要(例如在启动处)时，电池1将供应额外的功率。
在正常负载下运行时，发电机4也会在需要时给电池1充电。该系统将包括用于检测电池1何时低于所需的功率阈值水平并且然后该系统将功率从发电机4引导到电池1以对电池1充电的装置。
VFD 2继而电连接到马达5，马达5机械地连接到ESP 6。在特别优选的实施例中，该系统还将包括紧急连接7。紧急连接7是在电池1和发电机4都不可用的情况下可以供应功率的连接。
在优选实施例中，电池1将能够供应672kW的最大功率，并且以每小时110kW供应三个小时的功率。发电机4将是能够供应150kVA功率的发电机。另外，发电机4将能够向电池1提供适当的电压。系统的电压将由ESP马达和变压器的需要来确定。电池1和发电机4的尺寸将被设计成用发电机4和电池1两者的功率来启动马达5，并且然后使发电机4在ESP 6的正常所需负载下高效地运行。
现在将描述系统的操作。在操作的初始阶段，当启动ESP 6时，发电机4将打开。由于启动时需要更高的涌入电流，电池1和发电机4两者都将向VFD 2供应电力以启动ESP 6的操作。当功率管理系统检测到不再需要电池1来支持ESP 6的负载时，该系统将切断来自电池1的供应给ESP 6的电力。系统将来自发电机4的功率引导到电池1以将电池1充电回所需的电压水平。在正常、持续的操作中，发电机4将继续运行并且以比现有技术系统中发现的更高的、更高效的负载向ESP提供电力，从而节省燃料并且降低总体排放量。
电池1将根据需要继续循环开和关以支持ESP启动需要或其他负载波动。另外，当发电机4离线维护时，来自电池1的功率可以用于给ESP 6供电。具有用于ESP 6的连续、不间断、持续的电源将允许ESP 6更连续的操作。因为启动和停止对ESP来说是有压力的，所以这将增加ESP的运行时间并且由此增加井的产量，并且有利于ESP的寿命。
本发明提供了优于现有技术系统的若干优点。如图5中所示，本发明具有更低的排放量，因为柴油发电机更小并且将在更靠近设计的更高效的负载下运行。另外，电池的尺寸设计为支持发电机维护期间的正常负载。在一个优选实施例中，本发明可以用于消除填补钻机重新定位和永久功率安装之间的时间所需的生产功率的缺口。最后，本发明是一种提供了对寿命终止的生产领域的灵活操作的移动的且可扩展的应用。
在图3的并排比较中示出了本发明优于现有技术系统的另外的优点。新系统中使用的150kVA发电机每小时燃烧15加仑，而当前系统中使用的650kVA发电机每小时燃烧70加仑。如图4中所示，在通常的燃料成本下，这导致每年节省约700,000美元的燃料成本。如图6中所讨论的，本发明将与油罐车加油相关的危险和成本降低了80％，节省了递送成本并且将道路交通安全暴露降低了80％。这还表明，与现有技术相比，本发明在井场仅需要20％的潜在危险燃料处理，从而提高了人员的安全性。
因为新系统中的柴油发电机更小并且在正常运行期间供应ESP的负载的同时在其有效范围内运行，所以O&M成本更低。另外，新系统的O&M成本较低，因为该系统操作效率更高并且不会在导致性能和维护问题(诸如湿堆放等)的情况或低负载下操作。人力需要也将降低，因为与目前需要的关闭和重启ESP相对，如果发电机例行维护期间唯一的停机的部件是发电机，则所需的操作人员和安全人员将减少。
如图3中所示，新系统还将延长ESP使用寿命约50％。更长的使用寿命可以在3年内节省约500,000美元的成本。
新系统具有更少的谐波和更长的维护时间间隔。谐波减少是因为发电机4在适当的负载下更高效地运行并且电池系统将提高电能质量。在现有技术的系统中，因为柴油发电机较大并且在较低负载下运行，所以它们倾向于产生更多的谐波。由此产生的谐波振动会对系统中使用的所有装备造成更多的磨损。
电池价格持续下降，意味着新系统在未来将变得更具经济优势。新系统提供了更好的工作环境和清洁度；并且维护风险有限。当在偏远地区或政治局势不稳定的地区进行钻井或生产操作时，需要考虑人员的安全。当维护人员被派往现场时，维护人员必须由保安人员陪同。因此，维护需要的任何减少都会带来双重益处，因为安全成本已置于维护成本中。
如果需要，新系统还更适合远程监测和控制。最后，较低的总体成本可以通过大幅降低总体操作成本来减缓生产曲线的下降并且延长经济井的生产寿命。
本文具体描述了本发明的主题以满足法定需要。然而，说明书本身不旨在必然限制权利要求的范围。而是，所要求保护的主题可以结合其他当前或未来技术以其他方式来实施以包括与本文档中描述的要素类似的不同要素或要素的组合。
Claims (6)
1.一种用于向电动潜水泵提供电力的系统，所述系统包括：
a.变频驱动器，其电连接到马达；
b.所述电动潜水泵机械地连接所述马达；
c.发电机，其电连接到所述变频驱动器；
d.电池，其电连接到所述变频驱动器，所述电池的尺寸设计为在所述电动潜水泵的启动操作期间和发电机维护期间为所述变频驱动器供电；
e.用于检测何时来自所述发电机的功率不足以满足所述电动潜水泵的负载需求并且然后将功率从所述电池发送到所述变频驱动器以满足所述电动潜水泵的所述负载需求的装置；以及
f.用于当所述电池下降到阈值水平以下时使用所述发电机对所述电池充电的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电动潜水泵用于井下石油生产操作。
3.根据权利要求1所述的系统，其还包括电连接在所述电池和所述变频驱动器中间的逆变器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发电机是150kVA发电机并且所述电池是最大功率为672kW的电池。
5.一种用于向电动潜水泵提供电力的方法，所述方法包括：
a.提供一种系统，所述系统包括：
i.变频驱动器，其电连接到马达；
ii.所述电动潜水泵，其机械地连接所述马达；
iii.发电机，其电连接到所述变频驱动器；
iv.电池，其电连接到所述变频驱动器，所述电池的尺寸设计为在所述电动潜水泵的启动操作期间和发电机维护期间为所述变频驱动器供电；
v.用于检测何时来自所述发电机的功率不足以满足所述电动潜水泵的负载需求并且然后将功率从所述电池发送到所述变频驱动器以满足所述电动潜水泵的所述负载需求的装置；
vi.以及用于当所述电池下降到阈值水平以下时使用所述发电机对所述电池充电的装置；
b.检测何时来自所述发电机的功率不足以满足所述电动潜水泵的负载需求并且然后将功率从所述电池发送到所述变频驱动器以满足所述电动潜水泵的所述负载需求；以及
c.当所述电池下降到阈值水平以下时，使用所述发电机对所述电池充电。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述电动潜水泵用于井下石油生产操作。
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