RU122118U1

RU122118U1 - SUBMERSIBLE WELL PUMP WITH AN AUTONOMOUS VOLTAGE GENERATOR FOR POWER SUPPLY OF MEASURING INSTRUMENTS AND / OR TELEMETRY SYSTEMS

Info

Publication number: RU122118U1
Application number: RU2012107412/03U
Authority: RU
Inventors: Юрий Игоревич Романов
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Когерент"
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-11-20

Abstract

1. Погружной скважинный насос, содержащий расположенные на общем валу погружной электродвигатель, гидрозащиту двигателя и многоступенчатый насос, отличающийся тем, что в состав погружного скважинного насоса введен автономный электрогенератор напряжения для питания измерительных приборов и/или систем телеметрии, находящихся в скважине, соединенный с валом погружного электродвигателя. ! 2. Насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве автономного электрогенератора использована одна из секций многосекционного электродвигателя погружного насоса, работающая в режиме электрогенератора. ! 3. Насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве автономного электрогенератора использован дополнительный электродвигатель от погружного насоса, вал которого через соединительную муфту соединен с валом основного электродвигателя погружного насоса. 1. A submersible borehole pump containing a submersible electric motor located on a common shaft, a hydraulic protection of the engine and a multistage pump, characterized in that an autonomous electric voltage generator is introduced into the submersible borehole pump to power the measuring instruments and / or telemetry systems located in the well, connected to the shaft submersible electric motor. ! 2. The pump according to claim 1, characterized in that one of the sections of the multi-section electric motor of the submersible pump, operating in the mode of an electric generator, is used as an autonomous electric generator. ! 3. The pump according to claim 1, characterized in that an additional electric motor from a submersible pump is used as an autonomous electric generator, the shaft of which is connected through a coupling to the shaft of the main electric motor of the submersible pump.

Description

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к скважинным способам добычи нефти, и может быть использована при разработке современных систем питания скважинных измерительных приборов и/или систем телеметрии, обслуживающих скважину и контролирующих ее основные характеристики.The utility model relates to the oil and gas industry, in particular, to downhole methods of oil production, and can be used in the development of modern power supply systems for downhole measuring instruments and / or telemetry systems serving the well and controlling its main characteristics.

Известно, что качественная и длительная работа нефтяной скважины во многом зависит от использования измерительных приборов и/или аппаратуры телеметрии, обслуживающей данную скважину. Известно также, что характеристики скважины (текущий дебит, устьевое и пластовое давление и т.п.) периодически изменяются. При этом периодическое изменение характеристик скважины требует соответствующего изменения в реальном времени режима работы скважинного насоса. Такой процесс приведения в соответствие основных характеристик скважины и режимов работы скважинного насоса принято называть оптимизацией работы нефтяной скважины. При оптимизированном режиме эксплуатации скважина может работать 1-2 года и более, а при неоптимизированном - от 1 месяца до полугода, после чего выходит из строя скважинный насос. Связано это с тем, что в скважине фактически присутствует не чистая нефть, а газонефтяная смесь (вода, нефть и газ), которая при работе насоса в неоптимальном режиме образует в его межлопаточных каналах газовые каверны, приводящие к разрушению центробежных лопаток. Из этого следует, что желательно в реальном времени и с высокой точностью с помощью систем телеметрии измерять текущий дебит, устьевое и пластовое давление и другие характеристики, по которым рассчитывается и регулируется (оптимизируется) режим работы скважины. В свою очередь, надежность работы скважинных измерительных приборов и/или систем телеметрии в основном зависит от надежности организации их питания в скважине.It is known that high-quality and long-term operation of an oil well largely depends on the use of measuring instruments and / or telemetry equipment serving this well. It is also known that the characteristics of the well (current flow rate, wellhead and reservoir pressure, etc.) are periodically changed. Moreover, a periodic change in the characteristics of the well requires a corresponding change in real time of the operating mode of the well pump. Such a process of matching the basic characteristics of the well and the operating modes of the well pump is commonly called optimization of the oil well. With an optimized operating mode, a well can operate for 1-2 years or more, and with an unoptimized one, from 1 month to six months, after which a well pump fails. This is due to the fact that, in fact, not pure oil is present in the well, but a gas-oil mixture (water, oil and gas), which, when the pump is operating in a non-optimal mode, forms gas caverns in its interscapular channels, leading to the destruction of centrifugal blades. From this it follows that it is desirable in real time and with high accuracy using telemetry systems to measure the current flow rate, wellhead and reservoir pressure and other characteristics by which the well operation mode is calculated and adjusted (optimized). In turn, the reliability of downhole measuring instruments and / or telemetry systems mainly depends on the reliability of their power supply in the well.

Известен скважинный контрольно-измерительный комплекс, в котором питание скважинной телеметрии осуществляется посредством геофизического кабеля (см. патент РФ №2425213, кл. E21B 47/00, 2011 г).A well-known control and measuring complex in which downhole telemetry is supplied by means of a geophysical cable (see RF patent No. 2425213, class E21B 47/00, 2011).

Основным недостатком питания скважинных приборов и/или систем телеметрии посредством геофизического кабеля является низкая надежность. Это связано с тем, что глубина установки скважинного насоса и систем его телеметрии может составлять 1500 м и более. Причем многие скважины могут иметь сложный профиль - нижний участок может искривляться и от вертикального положения переходить в наклонное. Системы телеметрии, обслуживающие погружной насос, закреплены на нем и присоединены к геофизическому кабелю, который вместе со всей сборкой, длина которой может достигать нескольких десятков метров, опускается в скважину. Вероятность повреждения кабеля во время спуска сборки очень велика, что часто приводит к неудаче при установке и требует ее последующего демонтажа и новой установки с заменой поврежденного геофизического кабеля. Технические мероприятия по монтажу и демонтажу сборки - это всегда очень затратные технологические операции, существенно удорожающие эксплуатацию скважины.The main disadvantage of supplying downhole tools and / or telemetry systems via a geophysical cable is low reliability. This is due to the fact that the installation depth of the downhole pump and its telemetry systems can be 1500 m or more. Moreover, many wells can have a complex profile - the lower section can be curved and from a vertical position turn into an inclined one. Telemetry systems serving the submersible pump are mounted on it and connected to the geophysical cable, which, together with the entire assembly, the length of which can reach several tens of meters, is lowered into the well. The probability of cable damage during assembly descent is very high, which often leads to installation failure and requires subsequent dismantling and a new installation with the replacement of a damaged geophysical cable. Technical measures for assembling and disassembling an assembly are always very expensive technological operations that significantly increase the cost of well operation.

Известно устройство для питания электрической энергией скважинной телеметрической системы от размещенного в скважине автономного турбо-электрогенератора (см. Молчанов А.А., Сираев А.Х., «Скважинные автономные системы с магнитной регистрацией», М., Недра, 1979, с.102-103). Для питания аппаратуры предполагается размещение в скважине автономного турбинного агрегата, приводимого в движение потоком проходящей через скважину жидкости. Сам турбинный агрегат состоит из электрогенератора, ротор которого расположен на одном валу с гидротурбиной. Поток проходящей по скважине жидкости вращает турбину агрегата, которая, в свою очередь, вращает ротор электрогенератора и вырабатывает электроэнергию для питания скважинкой аппаратуры.A device is known for feeding electric energy to a downhole telemetry system from an autonomous turbo-electric generator located in the well (see A. Molchanov, A. Siraev, “Borehole Autonomous Systems with Magnetic Recording”, M., Nedra, 1979, p. 102-103). To power the equipment, it is planned to place an autonomous turbine unit in the well, driven by the flow of fluid passing through the well. The turbine unit itself consists of an electric generator, the rotor of which is located on the same shaft with a hydraulic turbine. The flow of fluid passing through the well rotates the turbine of the unit, which, in turn, rotates the rotor of the electric generator and generates electricity to feed the equipment borehole.

Недостатком известного устройства является, во-первых, низкая надежность работы гидротурбины в нефтяной скважине, подвергающейся воздействию газонефтяной смеси, состоящей из воды, нефти, газа, песка и других механических включений. В результате этого турбина может подвергаться одновременному воздействию двух опасных для нее факторов - газовых каверн, образующихся из-за наличия растворенного в смеси газа, а также абразивного воздействия твердых частиц, в основном песка. Известно, что попадание песка и других твердых частиц в зазор между рабочими и направляющими лопатками гидротурбины может привести ее к остановке (заклиниванию).A disadvantage of the known device is, firstly, the low reliability of the hydraulic turbine in an oil well exposed to a gas-oil mixture consisting of water, oil, gas, sand and other mechanical impurities. As a result of this, the turbine can be subjected to the simultaneous action of two factors dangerous to it - gas caverns formed due to the presence of gas dissolved in the mixture, as well as the abrasive action of solid particles, mainly sand. It is known that the ingress of sand and other solid particles into the gap between the working and guide vanes of a hydraulic turbine can cause it to stop (jamming).

Во-вторых, сам электрогенератор агрегата также имеет низкую надежность, что связано со сложностью его конструкции и низкой степенью защиты обмоток от влияния агрессивной жидкой среды скважины (для повышения пластового давления в пласт очень часто закачивают тяжелые рассолы).Secondly, the unit’s generator itself also has low reliability, due to the complexity of its design and the low degree of protection of the windings from the influence of the aggressive liquid medium of the well (heavy brines are often pumped into the formation to increase reservoir pressure).

В-третьих, известное устройство имеет значительные габариты и массу, что существенно затрудняет его монтаж в скважине и последующий демонтаж для ремонта.Thirdly, the known device has significant dimensions and weight, which greatly complicates its installation in the well and subsequent dismantling for repair.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является, взятый в качестве прототипа, погружной скважинный насос, содержащий расположенные на общем валу погружной электродвигатель, гидрозащиту двигателя и многоступенчатый насос, см. Ивановский В.Н. Нефтегазопромысловое оборудование. - М.; «ЦентрЛитНефтеГаз», 2006, с.180-181, рис.4.2.Closest to the claimed technical solution is, taken as a prototype, a submersible borehole pump containing a submersible electric motor located on a common shaft, a hydraulic motor protection and a multi-stage pump, see Ivanovsky V.N. Oil and gas field equipment. - M .; TsentrLitNefteGaz, 2006, p.180-181, Fig. 4.2.

Основным недостатком известного устройства является необходимость комплектовать его геофизическим кабелем для подачи по нему напряжения, необходимого для питания скважинной аппаратуры. Недостатками такого решения, являются высокая вероятность повреждения геофизического кабеля во время спуска сборки в скважину и необходимость последующего демонтажа с заменой поврежденного геофизического кабеля, а также сложность конструкции самой сборки.The main disadvantage of the known device is the need to equip it with a geophysical cable to supply voltage necessary for supplying the downhole equipment. The disadvantages of this solution are the high probability of damage to the geophysical cable during the descent of the assembly into the well and the need for subsequent dismantling with the replacement of the damaged geophysical cable, as well as the complexity of the design of the assembly itself.

В основе данного технического решения лежит задача устранения вышеуказанных недостатков, а именно упрощение конструкции устройства при одновременном повышении его надежности.The basis of this technical solution is the task of eliminating the above drawbacks, namely, simplifying the design of the device while increasing its reliability.

Указанная задача в погружном скважинном насосе, содержащем расположенные на общем валу погружной электродвигатель, гидрозащиту двигателя и многоступенчатый насос, решена тем, что в состав погружного скважинного насоса введен автономный электрогенератор напряжения для питания измерительных приборов и/или систем телеметрии, находящихся в скважине, соединенный с валом погружного электродвигателя.The specified problem in a submersible borehole pump containing a submersible electric motor located on a common shaft, a hydraulic motor protection and a multi-stage pump is solved by the fact that a self-contained voltage generator is introduced into the submersible borehole pump to supply measuring instruments and / or telemetry systems located in the borehole, connected to shaft of a submersible motor.

Целесообразно для упрощения конструкции сборки, качестве автономного электрогенератора использовать дополнительный электродвигатель, вал которого через соединительную муфту соединен с валом основного электродвигателя погружного насоса. Для этой же цели выгодно в качестве автономного электрогенератора использовать одну из секций многосекционного электродвигателя погружного насоса, работающую в режиме электрогенератора.To simplify the assembly design, as an autonomous generator, use an additional electric motor, the shaft of which is connected through a coupling to the shaft of the main electric motor of the submersible pump. For the same purpose, it is advantageous to use one of the sections of a multi-section electric motor of a submersible pump operating in the mode of an electric generator as an autonomous electric generator.

Использование в качестве автономного электрогенератора напряжения дополнительного электродвигателя, например, от погружного насоса, вал которого через соединительную муфту соединен с валом основного двигателя погружного насоса или одной из секций многосекционного электродвигателя погружного насоса позволяет без привлечения дополнительных малонадежных скважинных устройств, типа турбоэлектрогенератора или геофизического кабеля, организовать надежное питание измерительных приборов и/или систем телеметрии, что значительно повышает долговечность функционирования скважины при одновременном снижении затрат на приобретение дополнительного очень дорогого специального скважинного оборудования, его монтаж в скважине и периодическое обслуживание.The use of an additional electric motor as an autonomous electric generator, for example, from a submersible pump, the shaft of which is connected through the coupling to the shaft of the main motor of the submersible pump or one of the sections of the multi-section electric motor of the submersible pump, without organizing additional unreliable downhole devices, such as a turboelectric generator or geophysical cable, to organize reliable supply of measuring instruments and / or telemetry systems, which significantly increases so the durability of a well functioning while reducing costs for the purchase of very expensive special additional downhole equipment, its installation in the borehole and periodic maintenance.

На фиг.1 представлен вариант реализации заявляемого устройства, в котором в качестве автономного электрогенератора напряжения используют одну из секций многосекционного электродвигателя погружного насоса, работающую в режиме электрогенератора, где: 1 - многосекционный электродвигатель, состоящий из секций 1а-1в; 2 - клеммы для отбора переменного напряжения с секции 1в, работающей в режиме электрогенератора; 3 - гидрозащита электродвигателя 1; 4 - многоступенчатый насос, состоящий из входного модуля 4а (предназначен для тонкой очистки и диспергации пластовой жидкости) и непосредственно многоступенчатого насоса 4б.Figure 1 shows an embodiment of the inventive device, in which one of the sections of a multi-section electric motor of a submersible pump operating in the mode of an electric generator is used as an autonomous voltage generator, where: 1 - a multi-section electric motor, consisting of sections 1a-1c; 2 - terminals for the selection of alternating voltage from section 1B, operating in the mode of an electric generator; 3 - hydraulic protection of the electric motor 1; 4 - a multistage pump, consisting of an input module 4a (designed for fine cleaning and dispersion of formation fluid) and directly a multistage pump 4b.

На фиг.2 представлен вариант реализации заявляемого устройства, в котором в качестве автономного электрогенератора напряжения используют дополнительный электродвигатель для погружного насоса, работающий в режиме электрогенератора, при этом валы обоих двигателей соединены между собой посредством соединительной муфты, где: 5 - сборка двигателей, состоящая из основного электродвигателя 6 с приводным валом 7 и дополнительного электродвигателя 8 с приводным валом 9, а также соединительной муфты 10, жестко механически связывающей валы 7 и 9.Figure 2 presents an embodiment of the inventive device, in which an autonomous electric motor for a submersible pump operating in the electric generator mode is used as a stand-alone voltage generator, while the shafts of both engines are interconnected by means of a coupling, where: 5 is an engine assembly consisting of the main electric motor 6 with the drive shaft 7 and the additional electric motor 8 with the drive shaft 9, as well as the coupling 10, rigidly mechanically connecting the shafts 7 and 9.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В качестве электродвигателя многоступенчатого насоса используют многосекционный двигатель 1 (см. фиг.1), секции 1а и 1б которого выполняют свою основную функцию - осуществляют механический привод многоступенчатого насоса 4 (насос, как правило, включает в себя несколько последовательных секций центробежных насосов, которые могут быть сконфигурированы с учетом специфических параметров ствола скважины), а секция 1в функционирует в качестве автономного электрогенератора напряжения. Электродвигатель 1 располагается внизу компоновки, а насос 4 - сверху. Для предотвращения поступления жидкости в электродвигатель 1 и устранения опасности короткого замыкания, сборка имеет систему механических уплотнений (гидрозащиту 3), которая уплотняет проходящий через нее механический вал (на фиг.1 и 2 вал, проходящий через гидрозащиту 3, условно не показан), который, в свою очередь, передает вращение от электродвигателя 1 батарее последовательно установленных центробежных секций, образующих насос 4 (внутренняя структура насоса 4 на фиг.1 и 2 условно не показана). Для питания электродвигателя 1 используется специальный электрический бронированный кабель, который крепится к наружной поверхности насосно-компрессорной трубы (НКТ) и вся компоновка в сборе спускается в скважину. После запуска многосекционного электродвигателя 1, секции 1а и 1б обеспечивают передачу вращения батарее последовательно установленных центробежных секций, образующих насос 4, а секция 1 в начинает работать в режиме автогенератора, т.е. за счет вращения ротора, в обмотках ее статора будет индуцироваться электрический ток, а на клеммах 2 появится переменное напряжение, которое можно будет использовать для обеспечения питанием измерительных приборов и/или систем телеметрии, находящихся в скважине.The inventive device operates as follows. As an electric motor of a multi-stage pump, a multi-section motor 1 is used (see Fig. 1), sections 1a and 1b of which fulfill their main function - they carry out the mechanical drive of the multi-stage pump 4 (the pump, as a rule, includes several successive sections of centrifugal pumps, which can be configured taking into account the specific parameters of the wellbore), and section 1c functions as a stand-alone voltage generator. The electric motor 1 is located at the bottom of the layout, and the pump 4 is at the top. To prevent liquid from entering the electric motor 1 and eliminate the danger of short circuit, the assembly has a mechanical seal system (hydraulic protection 3), which seals the mechanical shaft passing through it (in figures 1 and 2, the shaft passing through hydraulic protection 3 is not shown conditionally), which , in turn, transmits rotation from the electric motor 1 to the battery of sequentially mounted centrifugal sections forming the pump 4 (the internal structure of the pump 4 is not shown conditionally in FIGS. 1 and 2). To power the electric motor 1, a special electric armored cable is used, which is attached to the outer surface of the tubing and the entire assembly is lowered into the well. After starting the multi-section electric motor 1, sections 1a and 1b provide rotation transmission to the battery of sequentially installed centrifugal sections forming the pump 4, and section 1 c starts to work in the mode of an oscillator, i.e. due to the rotation of the rotor, an electric current will be induced in the windings of its stator, and an alternating voltage will appear at terminals 2, which can be used to provide power to measuring instruments and / or telemetry systems located in the well.

Аналогичным образом функционирует в скважине и представленная на фиг.2 сборка, состоящая из основного электродвигателя 6 и соединенного с ним посредством муфты 10 дополнительного электродвигателя 8, работающего в режиме электрогенератора. В данном случае вал 9 электродвигателя 8 передает вращение через гидрозащиту 3 на последовательно установленные секции насоса 4. На клеммах 2 электродвигателя 8 также осуществляют отбор переменного напряжения для обеспечения автономным питанием измерительных приборов и/или систем телеметрии, находящихся в скважине.The assembly consisting of the main electric motor 6 and connected to it by means of the clutch 10 of the additional electric motor 8 operating in the electric generator mode, operates in the well in a similar manner. In this case, the shaft 9 of the electric motor 8 transmits the rotation through the hydroprotection 3 to the sequentially installed sections of the pump 4. At the terminals 2 of the electric motor 8, an alternating voltage is also selected to provide autonomous power to the measuring instruments and / or telemetry systems located in the well.

Для реализации заявляемого варианта устройства, использующего одну из секций многосекционного электродвигателя погружного насоса, работающую в режиме электрогенератора, в качестве электродвигателя могут быть использованы известные многосекционные электродвигатели, описанные, например, в патентах РФ №2277285 и №2380810. Использование одной секции в качестве автономного электрогенератора напряжения способно обеспечить электроэнергией всю установленную в скважине аппаратуру и системы телеметрии.To implement the inventive embodiment of a device using one of the sections of a multi-section electric motor of a submersible pump operating in an electric generator mode, known multi-section electric motors can be used as an electric motor, as described, for example, in RF patents No. 2277285 and No. 2380810. Using one section as an autonomous voltage generator is able to provide electricity to all equipment and telemetry systems installed in the well.

Для реализации другого заявляемого варианта устройства, использующего в качестве автономного электрогенератора напряжения дополнительный электродвигатель, работающий в режиме электрогенератора, могут быть использованы обычные односекционные электродвигатели, применяемые для погружных многоступенчатых центробежных насосов, например, серийно производимые компанией «Новомет» (Россия): см. http://www.novomet.ru/production_catalogue/async_motor.pdf., погружные асинхронные электродвигатели марки «ПЭД», выпускаемые 6-ти габаритов ПЭД: 96, 103, 117, 130, 143 и 185 мм и в одно-, двух- и трехсекционной компоновке. Используя один из двух или один из трех электродвигателей в качестве автономного электрогенератора напряжения, легко получить надежный скважинный автономный источник питания для аппаратуры и/или системы телеметрии.To implement another claimed embodiment of the device, using an additional electric motor operating as an electric generator as an autonomous voltage generator, ordinary single-section electric motors used for submersible multistage centrifugal pumps, for example, commercially produced by Novomet (Russia), can be used: see http : //www.novomet.ru/production_catalogue/async_motor.pdf., submersible asynchronous electric motors of the “PED” brand, produced in 6 sizes of PEM: 96, 103, 117, 130, 143 and 185 mm and in one, vuh- and three-section layout. Using one of two or one of three electric motors as an autonomous voltage generator, it is easy to obtain a reliable borehole autonomous power source for equipment and / or telemetry systems.

Claims

1. A submersible borehole pump comprising a submersible electric motor located on a common shaft, a hydraulic motor protection and a multi-stage pump, characterized in that a self-contained voltage generator is introduced into the submersible borehole pump to power measuring instruments and / or telemetry systems located in the borehole and connected to the shaft submersible motor.

2. The pump according to claim 1, characterized in that as a stand-alone electric generator used one of the sections of a multi-section electric motor of a submersible pump, operating in the mode of an electric generator.

3. The pump according to claim 1, characterized in that as an autonomous electric generator an additional electric motor is used from the submersible pump, the shaft of which is connected through the coupling to the shaft of the main electric motor of the submersible pump.