RU2105866C1

RU2105866C1 - Device for electric heating of oil well

Info

Publication number: RU2105866C1
Application number: RU94038544/03A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Иванов; В.Л. Арзамасов; В.В. Михайлов; В.В. Горчаков; В.Я. Чаронов; М.М. Музагитов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1998-02-27
Also published as: RU94038544A

Abstract

FIELD: oil production industry. SUBSTANCE: this relates to cleaning production strings of oil wells from paraffin deposits. Device for electric heating of oil-withdrawing piping of well has electric power transformer, thyristor-based frequency converter, sensor, current setting unit and regulator. Inputs of regulator are connected to current sensor and setting unit. Current setting unit gives alternating load current of required value and frequency. Current sensor is connected to input of unit for protection from asymmetric mode of operation of frequency converter, and output of protection unit is connected to frequency converter. Protection unit is made in the form of seriesly connected comparator, rectifier and filter. Additionally, device is provided with temperature sensor and temperature regulator with hysteretic characteristic and its output is connected to current setting unit, and input is connected to temperature sensor. EFFECT: higher efficiency. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к средствам очистки эксплуатационных колонн скважин от парафиновых и др. отложений. The invention relates to the oil industry, and in particular to means for cleaning production casing wells from paraffin and other deposits.

Известны устройства механической очистки эксплуатационных колонн нефтескважин от парафиновых отложений [1] Данные устройства требуют дополнительных трудозатрат. Known devices for the mechanical cleaning of production wells of oil wells from paraffin deposits [1] These devices require additional labor.

Наиболее распространенными являются химические способы очистки, включающие закачку подогретого реагента в колонну скважины для организации удаления парафиносодержащих отложений в скважине при периодическом изменении давления [2] Данные способы являются дорогостоящими и требуют дополнительных трудозатрат. The most common are chemical cleaning methods, including the injection of a heated reagent into the well string to organize the removal of paraffin-containing deposits in the well during periodic pressure changes [2] These methods are expensive and require additional labor.

Известны скважинные электронагреватели, предназначенные для разрушения застывших парафинов [3] которые содержат трубчатый корпус с размещенными по опирали на его поверхности длинномерными нагревательными элементами. В верхней части корпуса выполнены отверстия, нагреватель снабжен штыревыми центраторами, четыре из которых установлены на тоководе, герметично соединенном с корпусом, и четыре в центральной части корпуса между витками нагревательного элемента. Электропитание нагревателя осуществляют по грузонесущему кабелю. Well-known electric heaters are known for destroying frozen paraffins [3] which contain a tubular body with long heating elements placed on its surface. Holes are made in the upper part of the casing, the heater is equipped with pin centralizers, four of which are mounted on the current lead sealed to the casing, and four in the central part of the casing between the turns of the heating element. The heater is powered by a load-carrying cable.

Сущность работы нагревателя заключается в том, что нагреватель опускают в колонну, на нагревательный элемент подают напряжение. Тепловая энергия от нагревательного элемента и корпуса передается разрушаемым гидратам, застывшим парафинам. Последние в зоне контакта с нагревателем расплавляются. The essence of the heater is that the heater is lowered into the column, voltage is applied to the heating element. Thermal energy from the heating element and the body is transferred to destructible hydrates, frozen paraffins. The latter are melted in the contact zone with the heater.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является установка "Паратрол" [4]
Данная установка (фиг.1) предназначена для электронагрева нефтеоткачивающей (или насоснокомпрессорной) трубы (НКТ) и тем самым для предотвращения отложения парафина.The closest in technical essence and taken as a prototype is the installation "Paratrol" [4]
This installation (figure 1) is intended for electric heating of the oil pumping (or pump and compressor) pipe (tubing) and thereby to prevent deposition of paraffin.

Сущность заключается в том, что внутренняя нефтеоткачивающая труба (НКТ) соединяется электрически специальным погружным контактом с внешней обсадной трубой скважины, и между указанными трубами пропускают электрический ток от трансформатора 1 через распределительный щит 2. Как правило, этот контакт устанавливается ниже начала зоны парафинообравования, для того чтобы дать возможность протекающей по внутренней (нефтеоткачивающей) трубе нефти нагреться до того, как она попадет в зону парафиноотложения. Чтобы избежать случайного контакта нефтеоткачивающей трубы и обсадной колонны, устанавливаются изоляторы. Электрический ток (до 300 А) получают от трансформатора 1 с отпайками, которыми регулируется величина напряжения и тока на электрической цепи скважины, к которой трансформатор подключается через зажимы 3. Режимы коммутации трансформатора осуществляет распределительный щит 2, который устанавливает циклический или однократный длительный режим работы. Этим обеспечивается температура трубопровода выше температуры помутнения парафина, что предотвращает образование кристаллов парафина и отложение его в трубе. При включенной установке по все длине трубопровода выделяется такое количество тепла, которого достаточно для прогрева участков парафинообразования. Температура в трубопроводе доводится до 36-40^oC, и поднимающаяся по трубе нефть нагревается до указанной температуры, в результате чего происходит расплавление парафина. Для расплавления парафина достаточно (1-8)-дневной работы установки.The essence is that the internal oil pumping pipe (tubing) is electrically connected by a special submersible contact with the external casing of the well, and electric current from the transformer 1 is passed between the pipes through the switchboard 2. As a rule, this contact is set below the beginning of the paraffin dressing zone, for in order to allow the oil flowing through the internal (oil pumping) pipe to warm up before it enters the paraffin deposition zone. To avoid accidental contact between the pumping pipe and casing, insulators are installed. Electric current (up to 300 A) is obtained from transformer 1 with solders, which control the magnitude of the voltage and current on the electric circuit of the well to which the transformer is connected via clamps 3. Switching modes of the transformer are carried out by a switchboard 2, which sets up a cyclic or single continuous operation. This ensures the temperature of the pipeline above the cloud point of paraffin, which prevents the formation of paraffin crystals and its deposition in the pipe. When the unit is turned on, the amount of heat that is sufficient to heat the paraffin-forming areas is generated along the entire length of the pipeline. The temperature in the pipeline is brought to 36-40 ^o C, and the oil rising through the pipe is heated to the specified temperature, resulting in the melting of paraffin. For the melting of paraffin, a (1-8) -day installation operation is sufficient.

Недостатки устройств-прототипов
1. Регулирование напряжения и тока осуществляется дискретно и механически при помощи отпаек на вторичной обмотке трансформатора 1, что усложняет трансформатор, создает неудобство в эксплуатации и снижает эффективность нагрева по мере разогрева трубопровода и увеличения его сопротивления, а также при колебаниях напряжения сети. Это следствие разомкнутой по току системы регулирования.Disadvantages of Prototype Devices
1. Regulation of voltage and current is carried out discretely and mechanically by means of taps on the secondary winding of the transformer 1, which complicates the transformer, creates inconvenience in operation and reduces the heating efficiency as the pipeline heats up and its resistance increases, as well as during mains voltage fluctuations. This is a consequence of an open-loop control system.

2. Учитывая то, что цепь прохождения тока имеет общую длину 1,5-2 км и является длинной линией, она содержит распределенную величину активного К и индуктивного ω_oL сопротивления, пропорциональных этой длине. При этом, т.к. индуктивное сопротивление пропорционально частоте сети/(ω_o), то для создания требуемого значения тока (величина i²R определяет нагрев трубы), необходимо увеличение вторичного напряжения и мощности трансформатора 1. Для снижения мощности трансформатора следует стремиться к тому, чтобы ω_oL ≪ R что практически невозможно в указанной установке, получающей питание от промышленной сети с частотой 50 Гц. Практически при глубине скважины около 800 метров имеем:

3. Перекос (асимметрия) напряжений питающей сети на низкой стороне.2. Given that the current path has a total length of 1.5-2 km and is a long line, it contains a distributed value of the active K and inductive ω _o L resistance proportional to this length. Moreover, since the inductive reactance is proportional to the mains frequency / (ω _o ), then to create the required current value (the value of i ² R determines the heating of the pipe), it is necessary to increase the secondary voltage and power of the transformer 1. To reduce the power of the transformer, it is necessary to ensure that ω _o L ≪ R which is almost impossible in the specified installation, receiving power from an industrial network with a frequency of 50 Hz. Almost at a well depth of about 800 meters we have:

3. Skew (asymmetry) of the supply voltage on the low side.

Указанная сеть образуется при помощи понижающего сетевого трансформатора (обычно 6 кв/380 В) модностью 40-100 кВА (в зависимости от скважины). Асимметрия обусловливается соизмеримой мощностью трансформатора 1 и сетевого, а также тем, что сетевой трансформатор трехфазный, а трансформатор 1 однофазный, что при токах нагрузки до 300 А создает несимметричную нагрузку по фазам сетевого трансформатора. The specified network is formed using a step-down network transformer (usually 6 kV / 380 V) with a modality of 40-100 kVA (depending on the well). The asymmetry is due to the commensurate power of the transformer 1 and the mains, as well as the fact that the mains transformer is three-phase and the transformer 1 is single-phase, which at load currents up to 300 A creates an asymmetric load in the phases of the mains transformer.

4. Отсутствие авторегулирования температуры. 4. Lack of automatic temperature control.

Технический результат заявляемого решения снижение установленной мощности и повышение надежности установки для электронагрева нефтескважины. The technical result of the proposed solution is the reduction of installed capacity and improving the reliability of the installation for electric heating of oil wells.

Технический результат достигается тем, что устройство для электронагрева нефтескважины, содержащее силовой трансформатор и кабель для подачи питания на электрозажимы трубопроводов скважины снабжено тиристорным преобразователем частоты, датчиком и задатчиком тока, регулятором тока, блоком защиты от несимметричной работы преобразователя частоты, датчиком температуры нефти и регулятором температуры с гистерезисной характеристикой, вход которого соединен с выходом датчика температуры, а выход подключен к входу задатчика тока, выход которого и выход датчика тока через регулятор тока подключен к одному из входов тиристорного преобразователя частоты, второй вход которого соединен с выходом датчика тока через блок защиты от несимметричной работы преобразователя частоты, при этом датчик тока соединен с силовым трансформатором и с третьим входом тиристорного преобразователя частоты, выход которого подключен к электрозажимам трубопроводов нефтескважины, причем блок защиты от несимметричной работы преобразователя частоты выполнен в виде последовательно соединенных фильтра, выпрямителя и компаратора, причем вход фильтра является входом блока защиты, а выход компаратора является выходом блока защиты. The technical result is achieved by the fact that the device for electric heating of the oil well, containing a power transformer and a cable for supplying power to the electric clamps of the pipelines of the well, is equipped with a thyristor frequency converter, a sensor and a current regulator, a current regulator, a protection unit against asymmetric operation of the frequency converter, an oil temperature sensor and a temperature regulator with a hysteresis characteristic, the input of which is connected to the output of the temperature sensor, and the output is connected to the input of the current regulator, the output to and the output of the current sensor through the current regulator is connected to one of the inputs of the thyristor frequency converter, the second input of which is connected to the output of the current sensor through the protection unit from the asymmetric operation of the frequency converter, while the current sensor is connected to a power transformer and to the third input of the thyristor frequency converter, the output of which is connected to the electric clamps of the oil well pipelines, and the block of protection against asymmetric operation of the frequency converter is made in the form of series-connected fi liter, rectifier and comparator, moreover, the input of the filter is the input of the protection unit, and the output of the comparator is the output of the protection unit.

Сущность изобретения заключается в том, что снижение установленной мощности установки для электронагрева нефтескважины достигается за счет уменьшения индуктивного сопротивления электрической цепи между нефтеоткачавающей трубой и обсадной колонной нефтескважины. Снижение индуктивного сопротивления осуществляется путем уменьшения частоты протекания тока, что реализуется с помощью тиристорного преобразователя, работающего в режиме регулятора тока с преобразованием частоты. Это позволило существенно уменьшить вторичное напряжение силового трансформатора при неизменном токе, что обеспечивает снижение установленной мощности указанного трансформатора и установки в целом. Введение блока защиты позволило повысить надежность путем контроля симметрии тока на выходе преобразователя. В противном случае (при появлении асимметричного тока) в электрической цепи будет протекать ток с постоянной составляющей (в пределе постоянный ток), что может привести к электролизу и межтрубном пространстве скважины. Последнее обстоятельство может обусловить разрушение труб, разложение попадающей в это пространство воды (на кислород и водород) с возможностью взрыва. Дополнительному повышению надежности способствует введение регулятора температуры нефти (с гистерезисной характеристикой) с воздействием последнего на уставку регулятора тока. The essence of the invention lies in the fact that the reduction of the installed capacity of the installation for electric heating of the oil well is achieved by reducing the inductive resistance of the electric circuit between the oil pumping pipe and the casing of the oil well. The inductive resistance is reduced by decreasing the frequency of the current flow, which is realized using a thyristor converter operating in the mode of a current regulator with frequency conversion. This made it possible to significantly reduce the secondary voltage of the power transformer at a constant current, which reduces the installed power of the specified transformer and the installation as a whole. The introduction of the protection unit has improved reliability by controlling the symmetry of the current at the output of the converter. Otherwise (when an asymmetric current appears), a current with a constant component (in the limit of direct current) will flow in the electric circuit, which can lead to electrolysis and annular space of the well. The latter circumstance may cause the destruction of pipes, decomposition of water falling into this space (into oxygen and hydrogen) with the possibility of explosion. An additional increase in reliability is facilitated by the introduction of an oil temperature regulator (with a hysteresis characteristic) with the effect of the latter on the current regulator setting.

Повышение надежности обеспечивается также применением трехфазного трансформатора и преобразованием 3-фазного напряжения с помощью преобразователя частоты в 2-фазное определенной частоты, что обеспечивает равномерную загрузку сети по фазам, исключает асимметрию напряжения в питающей сети, тем самым обеспечивается одновременная безаварийная работа остального оборудования, обслуживающего нефтескважину. Частоты выходного тока преобразователя выбирается безопасной из условия исключения электролиза (5-10 Гц). Improving reliability is also ensured by the use of a three-phase transformer and the conversion of a 3-phase voltage using a frequency converter to a 2-phase of a certain frequency, which ensures uniform loading of the network by phases, eliminates voltage asymmetry in the supply network, thereby ensuring the simultaneous trouble-free operation of other equipment servicing the oil well . The frequency of the output current of the converter is selected safe from the condition of exclusion of electrolysis (5-10 Hz).

На фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения: 1 трехфазный силовой трансформатор, 2 тиристорный преобразователь частоты, 3 электрические зажимы трубопроводов скважины, 4 - датчик тока, 5 регулятор тока, 6 задатчик тока. В простейшем случае это - генератор синусоидального сигнала, с независимой регулировкой амплитуды и частоты, 7 блок защиты, 8 компаратор с порогом U₀, 9 выпрямитель, 10 фильтр, например, апериодическое звено, 11 регулятор температуры, 12 - датчик температуры, 13 нефтескважина, i_з- сигнал задания тока, f_о частота сети, f заданная частота тока.In FIG. 2 shows a diagram of the inventive device, where the following notation is adopted: 1 three-phase power transformer, 2 thyristor frequency converter, 3 electric clamps of the pipelines of the well, 4 - current sensor, 5 current regulator, 6 current regulator. In the simplest case, it is a sinusoidal signal generator with independent amplitude and frequency adjustment, 7 protection unit, 8 comparator with threshold U ₀ , 9 rectifier, 10 filter, for example, an aperiodic link, 11 temperature regulator, 12 - temperature sensor, 13 oil well, i _s - signal for setting the current, f _{about the} frequency of the network, f the set frequency of the current.

В предлагаемом устройстве трансформатор 1 подключен к тиристорному преобразователю частоты 2, который соединен с электрическими защитами 8 нефтескважины и датчиком 4 тока, вход преобразователя частоты подключен к регулятору 5 тока, входы которого соединены с датчиком 4 и задатчиком 6 тока. In the proposed device, the transformer 1 is connected to a thyristor frequency converter 2, which is connected to the electric shields 8 of the oil well and the current sensor 4, the input of the frequency converter is connected to the current controller 5, the inputs of which are connected to the sensor 4 and the current regulator 6.

Вход блока 7 защиты соединен с датчиком 4 тока, а выход с преобразователем 2 частоты, при этом блок содержит последовательно соединенные компаратор 8, выпрямитель 9 и фильтр 10; задатчик 6 тока соединен с регулятором 11 температуры, вход которого подключен к датчику 12 температуры. The input of the protection unit 7 is connected to the current sensor 4, and the output to the frequency converter 2, while the unit contains a comparator 8, a rectifier 9, and a filter 10 connected in series; a current setter 6 is connected to a temperature controller 11, the input of which is connected to a temperature sensor 12.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Задатчиком 6 устанавливается заданное значение переменного тока, которое поступает на регулятор 5 тока. В результате на выходе преобразователя 2 появляется переменный ток с заданными действующим значением и частотой f, например, 300 А, 10 Гц. Данный ток поступает в электрическую цепь скважины через зажимы 3. Величина тока поддерживается на заданном уровне при изменении различных дестабилизирующих факторов (температура, напряжение сети, внутренние дрейфы электроники и т.д.), что достигается наличием отрицательной обратной связи по току. The setter 6 sets the set value of the alternating current, which is supplied to the current regulator 5. As a result, an alternating current appears at the output of converter 2 with a given effective value and frequency f, for example, 300 A, 10 Hz. This current enters the borehole electrical circuit through clamps 3. The current value is maintained at a given level when various destabilizing factors (temperature, network voltage, internal electronics drifts, etc.) change, which is achieved by the presence of negative current feedback.

Контроль синусоидальности выходного тока преобразователя 2 осуществляется блоком защиты 7. При появлении несимметрии (например, если одна из полуволн тока окажется больше по площади) усредняющий фильтр 10 выделяет среднее значение сигнала обратной связи по току, в которой будет присутствовать постоянная составляющая какого-либо знака. Пройдя через выпрямитель 9, последняя поступает на вход компаратора 8 с зоной нечувствительности U_О.The sinusoidality of the output current of the converter 2 is controlled by the protection unit 7. When an asymmetry occurs (for example, if one of the half-waves of the current is larger in area), the averaging filter 10 selects the average value of the current feedback signal, in which a constant component of any sign will be present. After passing through the rectifier 9, the latter enters the input of the comparator 8 with a dead zone U _About .

При симметричной синусоиде постоянная составляющая равна нулю, при асимметричной не равна нулю. При определенной несимметрии она превысит порог U₀, что приведет к срабатыванию компаратора 8, снятию управляющих импульсов и запиранию преобразователя 2.With a symmetric sinusoid, the constant component is equal to zero, with an asymmetric one it is not equal to zero. With a certain asymmetry, it will exceed the threshold U ₀ , which will lead to the operation of the comparator 8, the removal of control pulses and locking of the transducer 2.

Таким образом, в течение определенного времени, например, (1-3)- суток производится разогрев нефтеоткачивающей трубы скважины, в результате расплавляются парафиносодержащие фракции и удаляются вместе с нагретой нефтью из скважины. Устройством предусмотрен также режим нагрева с контролем по температуре нефти при помощи регулятора 11 и датчика температуры 12. Регулятор при этом имеет гистерезисную характеристику: при достижении температуры нефти, например, 38-40^oC, он срабатывает (первое положение) и воздействует на снижение уставки тока задатчика 6. В результате ток в скважине уменьшается, температура снижается, например, до 30-34^oC. При достижении температуры нефти этой величины, регулятор 11 переходит во второе положение и задатчик 6 выдает первоначальную повышенную установку тока в скважине. Происходит увеличение температуры до З8-40^oC с повторением указанного цикла. Спустя цикл заданного общего времени нагрева (1-3-суток), установка отключается. Задание времени работы установки производится либо оператором, либо автоматически таймером.Thus, during a certain time, for example, (1-3) days, the oil pumping pipe of the well is heated, as a result, the paraffin-containing fractions are melted and removed together with the heated oil from the well. The device also provides a heating mode with oil temperature control using the controller 11 and temperature sensor 12. The controller also has a hysteresis characteristic: when the oil temperature is reached, for example, 38-40 ^o C, it works (first position) and affects the setpoint reduction the current of the setter 6. As a result, the current in the well decreases, the temperature decreases, for example, to 30-34 ^o C. When the oil temperature reaches this value, the regulator 11 switches to the second position and the setter 6 issues an initial increased setting new current in the well. There is an increase in temperature to Z8-40 ^o C with the repetition of the specified cycle. After a cycle of a given total heating time (1-3 days), the installation is turned off. The installation time is set either by the operator or automatically by a timer.

Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с прототипом являются:
1. Снижение установленной мощности электрооборудования электроустановки для нагрева скважины.The advantages of the proposed device compared to the prototype are:
1. Decrease in installed capacity of electrical equipment for heating a well.

2. Исключение несимметрии напряжения сети, что обеспечивает равномерную загрузку фаз общего сетевого трансформатора скважины; тем самым исключается его перегрев и негативное влияние на совместно работающее другое оборудование, получающие питание от указанного сетевого трансформатора. 2. The exception of the asymmetry of the mains voltage, which ensures uniform loading of the phases of the common network transformer of the well; thereby eliminating its overheating and negative impact on co-operating other equipment receiving power from the specified mains transformer.

3. Стабильно поддерживается заданный ток и температура независимо от разогрева трубы и колебаний напряжения. 3. The set current and temperature are stably maintained regardless of the heating of the pipe and voltage fluctuations.

4. Повышается надежность и эффективность нагрева за счет регулятора температуры и защиты. 4. Increases the reliability and efficiency of heating due to the temperature controller and protection.

Указанный эффект заявляемого устройство достигается за счет применения трехфазного трансформатора, подключенного через тиристорный преобразователь частоты о регуляторами тока и температуры к электрическим зажимам скважины; при этом устройство оснащено блоком защиты от несимметричного режима преобразователя частоты, исключающее аварийный режим в нефтескважине. The indicated effect of the claimed device is achieved through the use of a three-phase transformer connected through a thyristor frequency converter about current and temperature controllers to the electrical clamps of the well; the device is equipped with a protection unit from the asymmetric mode of the frequency converter, which excludes emergency operation in the oil well.

Claims

1. A device for electric heating of an oil well, comprising a power transformer and a cable for supplying power to the electric clamps of the well pipelines, characterized in that it is equipped with a thyristor frequency converter, a sensor and a current regulator, a current regulator, a protection unit against asymmetric operation of the frequency converter, an oil temperature sensor and a temperature regulator with a historecision characteristic, the input of which is connected to the output of the temperature sensor, and the output is connected to the input of the current regulator, the output of which is the output a current sensor through a current regulator is connected to one of the inputs of the thyristor frequency converter, the second input of which is connected to the output of the current sensor through the protection unit from the asymmetric operation of the frequency converter, while the current sensor is connected to a power transformer and to the third input of the thyristor frequency converter, the output of which is connected to electrical clamps of oil well pipelines.

2. The device according to claim 1, characterized in that the protection unit from the asymmetric operation of the frequency converter is made in the form of a series-connected filter, rectifier and comparator, the filter input being the input of the protection unit, and the output of the comparator being the output of the protection unit.