RU2702493C2 - Способ и система для развертывания электрического нагрузочного устройства в стволе скважины - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электрическим погружным насосам и может быть использовано для размещения и подачи электрической энергии на электродвигатель погружного насоса в скважине. Техническим результатом является упрощение спуска насоса в скважину с одновременным повышением прочности силового кабеля. В частности, предложен способ развертывания насосной системы в стволе скважины, включающий в себя соединение насосной системы с одним концом герметизированного трубкой кабеля. Кабель протягивают в ствол скважины, пробуренный через подземный флюидный продуктивный пласт. Герметизированный трубкой кабель имеет внешнюю трубку, продолжающуюся по существу непрерывно от конца его, соединенного с насосной системой, до наземного конца кабеля. Внешнюю трубку изготавливают из материала, выбираемого из условия исключения вхождения флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки. Кабель включает в себя по меньшей мере один электрический проводник, расположенный внутри внешней трубки, при этом нормированный нагрузочный ток по меньшей мере одного электрического проводника выбирают так, чтобы по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, превышал нормированный ток по меньшей мере одного электрического проводника. 3 н. и 28 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Это раскрытие относится к области электрических погружных насосов, системам электрических погружных насосов и способам развертывания таких насосных систем в подземных скважинах. Более конкретно, раскрытие относится к развертыванию электрического погружного насоса с использованием конструкции нового вида, в которой энергия подводится к системе электрического погружного насоса с использованием герметизированного трубкой кабеля (ГТК), расположенного на выпуске флюида электрического погружного насоса, при этом герметизированный трубкой кабель преднамеренно эксплуатируют при более высоких плотностях тока, чем это принято в сложившейся практике выбора электрических кабелей, для минимизации диаметра кабеля, веса, стоимости, размера кабельного барабанного оборудования, сложности выполнения работы и/или вытекающих из этого капитальных затрат.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Хорошо известно, что использование электрических погружных насосов (ЭПН) является выгодным при насосно-компрессорной добыче нефти и газа из стволов скважин и при удалении воды (откачке) из газовых скважин наряду с другими применениями. В способах развертывания электрических погружных насосов, например, в колонне соединенных на резьбе подъемных труб небольшого диаметра (трубопроводе, имеющем относительно небольшой диаметр для повышения скорости перемещения добываемых флюидов на поверхность) необходимо использовать оборудование для подъема труб из ствола скважины, такое как установка для технологических работ в скважине, и затраты на развертывание могут быть значительными, а в случае небольших скважин это может препятствовать разработке залежей.

Разработаны способы развертывания электрического погружного насоса, частично без использования буровой установки, включающие присоединение к трубопроводу без прекращение его работы, так что электрический погружной насос может быть развернут на неэлектрическом кабеле, а электрическое соединение выполнено в скважине при использовании специального соединителя, ранее установленного на скважинной насосно-компрессорной колонне, но для таких способов все же требуется специально оборудованная насосно-компрессорная колонна. Для такого соединения необходимо использовать установку для технологической работы в скважине или буровую установку, чтобы подготовить скважину для исключения любого повреждения соединения с трубопроводом в скважине, кабеля и пенетратора на устье скважины.

Считается желательным развертывание доработанных электрических погружных насосов на кабеле источника питания, однако доказано, такое развертывание является непрактичным при использовании обычных электрических погружных насосов и кабеля электрического погружного насоса, например, бронированного снаружи электрического кабеля. По кабелю источника питания электрического погружного насоса передается необходимая электрическая энергия от источника питания к двигателю (двигателям) электрического погружного насоса, расположенному в стволе скважины. Кабель источника питания электрического погружного насоса обычно является специально сконструированным трехфазным силовым кабелем, специально рассчитанным для использования в условиях подземной скважины. Кабель источника питания электрического погружного насоса, используемый в способах и системах развертывания электрического погружного насоса, известных в данной области техники, скрепляют ободьями на внешней поверхности продуктивной насосно-компрессорной колонны или прикрепляют к ней, начиная с низа наземного блока клапанов управления, соединенного с верхом обсадной колонны скважины и продуктивной насосно-компрессорной колонны (на устье скважины), и кончая системой электрического погружного насоса. Такой кабель не рассчитан на поддержание своего собственного веса.

Кабель, используемый для развертывания системы электрического погружного насоса, должен иметь соответствующую прочность на растяжение для поддержания собственного веса, веса системы электрического погружного двигателя с учетом допуска на дополнительный натяг (натяжение, прикладываемое к кабелю сверх номинального предела рабочего натяжения кабеля, обусловленный весом и глубиной с прибавлением веса системы электрического погружного насоса, возникающего в результате действия трения и других механизмов, вследствие которых кабель и электрический погружной насос застревают в стволе скважины, и коэффициента безопасности.

Размер электрических проводников в электрическом силовом кабеле электрического погружного насоса оказывает существенное влияние на внешние размеры кабеля, вес кабеля и стоимость его. Размер электрических проводников выбирают, используя принципы расчета, известные в данной области техники, путем определения суммарной силы электрического тока, необходимой для по существу непрерывной работы двигателя (двигателей) и других приводимых в действие электричеством компонентов системы электрического погружного насоса, и используя справочные таблицы отраслевых стандартов для электрического оборудования (примеры представлены ниже) для выбора соответствующего размера электрических проводников из числа большей частью стандартных размеров электрических проводников. Обычно размер электрических проводников основан на полном нагрузочном рабочем токе двигателя электрического погружного насоса, однако в электрических погружных насосах обычно используют асинхронные двигатели, и в этом случае пусковой ток может быть существенно важным фактором при выборе пропускной способности по току (и получающегося в результате размера) проводников электрического силового питающего кабеля.

Одним фактором, который считается важным при образовании описанных выше справочных таблиц отраслевых стандартов для электрических проводников, является ограничение потерь электрической энергии в кабеле вследствие электрического сопротивления. Обычно приемлемым пределом является ограничение потерь до порядка от 2% до 5% мощности, подаваемой с поверхности. Одним приемлемым стандартом являются практические рекомендации (ПР) 11S4 Американского нефтяного института, опубликованные Американским нефтяным институтом, Вашингтон, D.C. API RP 11S4, которыми устанавливается, что при максимальном падении напряжения на 5% на всем протяжении длины кабеля от источника питания до электрического погружного насоса будет гарантироваться приемлемая эффективность работы. Падение напряжения зависит от длины кабеля, то есть, глубины погружения его в ствол скважины, сопротивления проводников кабеля, отнесенного к единице длины, и суммарного тока, отбираемого системой электрического погружного насоса (будь то ток при полной рабочей нагрузке или при пуске). В обычных установках электрических погружных насосов при фиксированном или ограниченном напряжении на поверхности на длинном кабеле может создаваться такое падение напряжения, что напряжение на двигателе будет недостаточным. Поэтому необходимо выбирать проводники большего размера. При наличии трансформатора в наземном источнике питания напряжение на наземном конце кабеля можно повышать, чтобы компенсировать падение напряжения на кабеле для поддержания адекватного напряжения на двигателе. Следовательно, 5%-ное падение напряжения не будет ограничивающим фактором.

В дополнение к потере энергии между источником питания и электрическим погружным насосом, для компенсации которой требуется дополнительная энергия от наземного источника питания, чтобы обеспечивать требуемую электрическую мощность в системе электрического погружного насоса, резистивные потери вызывают нагрев электрического силового питающего кабеля. Чрезмерный нагрев может приводить к старению изоляции кабеля и в конечном счете кабель может стать непригодным для использования. Чтобы определять допустимую температуру проводника при применении его, можно использовать карту допустимой токовой нагрузки силового кабеля в амперах (допустимая токовая нагрузка кабеля в амперах связана с температурой кабеля).

Стандартом 1018-2013 «Практические рекомендации по специфицированию кабеля электрического погружного насоса с этиленпропиленовой резиновой изоляцией» института инженеров по электротехнике и электронике, опубликованным институтом инженеров по электротехнике и электронике, 3 Park Avenue, Нью-Йорк 10016-5997, США, предоставляется руководство по определению допустимой токовой нагрузки в амперах электрического кабеля для электрического погружного насоса с включением справочных таблиц стандартов.

Кроме того, вследствие высокой стоимости кабеля и больших затрат на размещение технические условия на электрические проводники кабеля обычно являются очень заниженными, то есть, выбирают электрический кабель, имеющий значительно большую допустимую токовую нагрузку кабеля в амперах, чем достаточную для передачи требуемой электрической мощности с поверхности к системе электрического погружного насоса. В практических рекомендациях 11S4 Американского нефтяного института отмечается, что при использовании проводников большего размера повышается срок службы кабеля за счет снижения внутреннего нагрева, создаваемого электрическим током, протекающим по кабелю.

Следствием приведенных выше рассмотрений может быть спецификация кабеля, в соответствии с которой он является относительно крупным, сложным, тяжелым и дорогим. Для достижения заданных значений сопротивления истиранию и прочности на растяжение электрические силовые кабели, известные в данной области техники, имеют броню из множества стальных или иных высокопрочных слоев металлической проволоки, намотанных по спирали вокруг внешней поверхности кабеля. Такая броня может ограничивать минимальный достижимый радиус изгиба электрического силового кабеля и может усложнять уплотнение электрического силового кабеля, когда его пропускают через клапаны и связанную с ними установку на наземном конце ствола скважины (на устье скважины) для соединения с наземным источником питания и связанной с ним системой управления. Для обеспечения дополнительной защиты некоторые армированные электрические кабели включают в себя свинцовую оболочку, как например, в патенте США №5414217 (Neuroth и соавторы). Можно полагать, что электрический силовой кабель с этими характеристиками непригоден для использования в сочетании с установками для развертывания, такими как используемое оборудование для спуска на кабеле в скважинного инструмента при технологической работе и приборов при исследованиях (включая лебедки и уплотнения, герметичные при повышенном давлении, позволяющие кабелю проходить через устье скважины при поддержании уплотнения, герметичного при повышенном давлении).

В данной области техники известны многие устройства, которыми разрешаются различные стороны проблем, касающихся требований к электрическим кабелям, развертываемым в стволе скважины. Например, в патенте США №5086196 (Brookbank и соавторы) при рассмотрении уровня техники поясняется, что для подвешиваемых на кабеле систем электрических погружных насосов из предшествующего уровня техники требуются специально разработанные кабели, поскольку обычный трехфазный электрический силовой кабель не имеет достаточной прочности на растяжение, чтобы выдерживать вес системы электрического погружного насоса. Такие электрические силовые кабели электрических погружных насосов, известные из предшествующего уровня техники, при применении согласно настоящему раскрытию могут иметь структурные поддерживающие элементы в дополнение к электрическим проводникам. Некоторые электрические силовые кабели, известные в данной области техники, трудно использовать и обслуживать вследствие сложности конструкции кабеля, трудностей при сращивании и наличия тенденции к разрыву кабеля при снижении давления газа. Прежние попытки развертывания систем электрических погружных насосов часто заканчивались повреждением и отказом кабеля. Разработанные в последнее время свободно подвешиваемые электрические силовые питающие кабели представляют собой еще более сложные кабели с использованием формованных «позвонков».

Дальнейшее рассмотрение касается развертывания электрической установки, такой как скважинная насосная система, в действующем стволе скважины, то есть, в стволе скважины, находящемся в сообщении по флюиду с продуктивным подземным флюидным пластом. На наземном соединении (на устье скважины) в таких стволах скважин электрический силовой кабель подвергается воздействию силы, которая зависит от давления скважинного флюида на устье скважины и площади поперечного сечения скважинного силового кабеля. Специальные меры принимают для противостояния силам, являющимся следствием давления скважинного флюида, действующего на обычный электрический кабель относительно большого размера, что может повышать затраты на размещение и сложность размещения.

Еще одна проблема, встречающаяся при использовании электрического кабеля для развертывания систем электрических погружных насосов, является газовая закупорка вследствие быстрой разгерметизации кабеля после растворения газов в эластомерных материалах, используемых в конструкции силового кабеля. Быстрая разгерметизация может возникать в случае, когда силовой кабель извлекают из скважины, имеющей значительное давление флюида. Один способ, известный в данной области техники, предназначенный для решения проблемы закупоривания, заключается в покрытии изолированных электрических проводников силового кабеля оплеткой, состоящей из двух слоев переплетенной проволоки из гальванизированной стали. Кабель такой конструкции оказывается предрасположенным к образованию петель при разматывании вследствие теплового расширения эластомерной электрической изоляции и материала оболочки, взаимодействующего со стальной армирующей проволокой, которая окружают оплетку.

Brookbank и соавторы в патенте '196 рассматривают еще одну проблему, связанную с электрическими силовыми кабелями, и описывают электромеханический кабель, предназначенный для использования в развертываемой на кабеле насосной системы, который включает в себя слой оболочки, окружающий жилу кабеля и выполненный с возможностью ограничения расширения жилы по радиусу наружу при допущении расширения в продольном направлении.

Имеются другие способы упрощения конструкции электрического силового кабеля, предназначенного для использования в подземном стволе скважины. Например, в патенте США № 4928771 (Vandevier) раскрыта система, в которой однофазное электропитание переменного тока подается с поверхности по изолированному электрическому проводнику, при этом возврат тока осуществляется по скважинной обсадной колонне. Преобразователь числа фаз преобразует в скважине однофазное электропитание переменного тока в трехфазное электропитание переменного тока для приведения в движение двигателя насоса. При этом упрощается кабель, но требуется скважинное устройство силовой электроники, что придает дополнительную сложность и появляется риск низкой надежности.

Упомянутые выше электрические кабели не рассчитаны на развертывание системы электрического погружного насоса с использованием лебедочного оборудования, предназначенного для спуска на кабеле скважинного инструмента, поскольку они имеют следующий свойства, которые делают их непригодными для такого развертывания: кабели могут быть слишком тяжелыми для типичной лебедки, предназначенной для спуска на кабеле скважинного инструмента; кабели меньшего размера и более легкие могут иметь недостаточную прочность на растяжение, чтобы выдерживать необходимую нагрузку (вес кабеля с добавлением веса насосной системы, с добавлением потерь на трение при перемещении, с добавлением изменений натяжения вследствие манипуляций с инструментом в стволе скважине); минимальный радиус изгиба кабелей, имеющих достаточную прочность на растяжение, может быть слишком большим для типичного барабана лебедки, предназначенного для спуска на кабеле скважинного инструмента; и минимальный внешний диаметр таких кабелей может быть слишком большим для перемещения системы электрического погружного насоса в ствол скважины, имеющий давление флюида на поверхности, когда ствол скважины является статическим (флюид не протекает). В данной области техники известно лебедочное оборудование для спуска на кабеле, предназначенное для развертывания измерительных устройств и устройств других видов для внутрискважинных работ, приводимых в действие электричеством, в подземных стволах скважин на конце бронированного электрического кабеля. Внешние диаметры таких бронированных кабелей могут быть в пределах от около 0,1 дюйма (6 мм) до около 0,5 дюйма (13 мм). Кроме того, бронированные электрические кабели, известные в данной области техники, включающие спирально намотанную внешнюю проволоку, неизбежно имеют шероховатую внешнюю поверхность вследствие наличия такой армирующей проволоки на внешней поверхности, что делает их, вероятно, неподходящими для создания долговечного барьера для давления на устье скважины, который необходим при развертывании насоса.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспект или вариант осуществления относится к способу развертывания электрического нагрузочного устройства в стволе скважины. Способ может содержать электрическое и механическое соединение электрического нагрузочного устройства с герметизированным трубкой кабелем, расположенным на лебедке, и протягивание герметизированного трубкой кабеля и электрического нагрузочного устройства в ствол скважины.

Герметизированный трубкой кабель может содержать внешнюю трубку, которая исключает вхождение флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки. Герметизированный трубкой кабель может включать в себя по меньшей мере один электрический проводник, расположенный внутри внешней трубки, при этом электрическое нагрузочное устройство отбирает по существу непрерывный электрический ток, больший, чем номинальный ток по меньшей мере одного электрического проводника.

Способ может содержать протягивание герметизированного трубкой кабеля и электрического нагрузочного устройства в ствол скважины, пробуренный через подземный флюидный продуктивный пласт.

Площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника может быть выбрана так, чтобы имелся по меньшей мере один электрический проводник с номинальным током, который ниже, чем по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством.

Площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника может быть выбрана на основании по меньшей мере одной из скорости флюида в стволе скважины, теплоемкости флюида, температуры флюида и теплопроводности кабеля.

Площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника может быть самое большее 0,0808 дюйм² (2,05 мм²).

Площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника может быть самое большее 0,1019 дюйм² (2,59 мм²).

Способ может содержать протягивание герметизированного трубкой кабеля и электрического нагрузочного устройства в ствол скважины, пробуренный через подземный флюидный продуктивный пласт, при этом площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника может быть выбрана на основании скорости флюида, перемещаемого в стволе скважины из флюидного продуктивного пласта на поверхность, теплоемкости флюида и/или температуры флюида, входящего в ствол скважины из флюидного продуктивного пласта.

Внешняя трубка может быть изготовлена из материала, выбираемого из условия исключения вхождения флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки.

Электрическое нагрузочное устройство может содержать электродвигатель. Электродвигатель может представлять собой двигатель с постоянными магнитами или может содержать такой двигатель. Электрический двигатель может работать при частоте вращения по меньшей мере 5400 об/мин.

Электрическое нагрузочное устройство может содержать скважинную насосную систему, содержащую насос, приводимый в движение электродвигателем. Внешний диаметр скважинной насосной системы может быть самое большее 4,5 дюйма (114,3 мм). Электродвигатель может быть установлен выше насоса. Насос может быть по меньшей мере одним из центробежного насоса, поршневого насоса прямого вытеснения и насоса с поступательным движением полости или может содержать один их этих насосов.

Внешний диаметр герметизированного трубкой кабеля может быть самое большее 0,55 дюйма (14 мм).

Внешняя трубка может быть изготовлена из нержавеющей стали.

Внешняя трубка может иметь толщину стенки самое большее 0,068 дюйма (1,73 мм).

По существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, может составлять по меньшей мере 125% номинального тока по меньшей мере одного электрического проводника. По существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, может составлять по меньшей мере 300% номинального тока по меньшей мере одного электрического проводника.

По существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, может быть по меньшей мере 6 А на квадратный миллиметр площади поперечного сечения проводника. По существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, может быть по меньшей мере 10 А на квадратный миллиметр площади поперечного сечения проводника.

Напряжение, прикладываемое к наземному концу герметизированного трубкой кабеля, может быть по меньшей мере 600 В. Напряжение, прикладываемое к наземному концу герметизированного трубкой кабеля, может быть по меньшей мере 3000 В.

Электрическое нагрузочное устройство может быть соединено с первым концом герметизированного трубкой кабеля.

Герметизированный трубкой кабель может быть протянут по существу непрерывно начиная от первого конца его и кончая наземным концом герметизированного трубкой кабеля.

Площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника может быть выбрана исходя из условия, что повышение температуры по меньшей мере одного электрического проводника в воздухе, являющееся следствием действия по существу непрерывного электрического тока, приводит к по меньшей мере одному из:

(i) падения предела упругости по меньшей мере одного электрического проводника ниже растягивающего напряжения, приложенного к нему;

(ii) окисления по меньшей мере одного электрического проводника; и

(iii) тепловой деградации изоляции на по меньшей мере одном электрическом проводнике.

Аспект или вариант осуществления относится к скважинной системе, содержащей скважинное электрическое нагрузочное устройство, предназначенное для размещения в стволе скважины, и наматываемый на барабан герметизированный трубкой кабель, электрически и механически соединенный со скважинным электрическим нагрузочным устройством. Герметизированный трубкой кабель может содержать внешнюю трубку, которая исключает вхождение флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки. Герметизированный трубкой кабель может включать в себя по меньшей мере один электрический проводник, расположенный внутри внешней трубки, при этом по меньшей мере один электрический проводник может иметь номинальный ток, который ниже, чем по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством.

Аспект или вариант осуществления относится к наматываемому на барабан, герметизированному трубкой кабелю, электрически и механически соединяемому со скважинным электрическим нагрузочным устройством. Герметизированный трубкой кабель может содержать внешнюю трубку, которая исключает вхождение флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки при развертывании в стволе скважины. Герметизированный трубкой кабель может содержать по меньшей мере один электрический проводник, расположенный внутри внешней трубки, при этом по меньшей мере один электрический проводник может иметь номинальный ток, который ниже, чем по существу непрерывный электрический ток, отбираемый присоединенным электрическим нагрузочным устройством.

Признаки, описанные в одном аспекте или варианте осуществления, могут быть представлены в сочетании с любым другим аспектом или вариантом осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах:

фиг. 1 - иллюстрация развертывания системы электрического погружного насоса (ЭПН) с использованием герметизированного трубкой кабеля (ГТК), перемещаемого с помощью лебедки в подземный ствол скважины посредством лебедочной установки для спуска на кабеле скважинного инструмента, согласно примеру варианта осуществления;

фиг. 2А и 2В - виды герметизированного трубкой кабеля согласно примерам вариантов осуществления; и

фиг. 3-6- примеры соединения, предназначенного для присоединения герметизированного трубкой кабеля к корпусу скважинного инструмента.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

1. Общие принципы развертывания и работы скважинной насосной системы.

Способы развертывания и установки согласно настоящему раскрытию применимы к электрическому нагрузочному устройству, включающему, но без ограничения, скважинные флюидные насосы, приводимые в движение электродвигателями с постоянными магнитами. Способы развертывания и установки согласно настоящему раскрытию могут быть эффективными для скважинных флюидных насосов, которые работают при более высокой частоте вращения, чем частота вращения обычного скважинного флюидного насоса, составляющая приблизительно 3600 оборотов в минуту (об/мин).

Электродвигатели с постоянными магнитами могут обладать преимуществами перед типовыми асинхронными двигателями, обычно используемыми вместе со скважинными флюидными насосами, включая, но без ограничения, более значительную мощность, создаваемую при конкретном размере (диаметре) двигателя, более высокий электрический коэффициент полезного действия двигателя, отсутствие необходимости в пусковом токе двигателя, существенно превышающем рабочий ток, и лучшую пригодность для более высоких частот вращения. При использовании надлежащей конструкции некоторыми или всеми упомянутыми выше признаками может обеспечиваться меньший по размерам, более легкий узел скважинного флюидного насоса, удовлетворяющий любым конкретным требованиям к скорости нагнетания флюида насосом. В результате использования двигателей с постоянными магнитами в скважинной насосной системе может требоваться меньший электрический ток для работы по сравнению со скважинными насосными системами с асинхронными двигателями.

Чтобы минимизировать вес, размер и стоимость электрического кабеля, используемого для развертывания скважинного насоса согласно настоящему раскрытию, электродвигатель, используемый для приведения в движение насоса, может работать при более высоком электрическом напряжении, чем обычные скважинные системы электрических погружных насосов. Электрическая мощность является произведением тока и напряжения, так что требуемую электрическую мощность можно подводить при меньшем токе, если использовать более высокое напряжение. При меньшем токе уменьшается требуемый размер проводника.

Когда скважинная насосная система имеет достаточно малый вес, для развертывания насосной системы в подземном стволе скважины можно использовать кабель. Такой кабель может быть меньшего диаметра и более легким, чем силовые кабели электрических погружных насосов, известные в данной области техники, может иметь иную конструкцию, чем силовые кабели электрических погружных насосов, известные в данной области техники. Такая конструкция кабеля может позволять иметь наземное оборудование другого уровня, используемое с достижением существенных преимуществ в части затрат и эксплуатации. Например, лебедочную систему, используемую для развертывания спускаемых в подземный ствол скважины на кабеле измерительных приборов и/или инструментов для технологической работы в скважине, можно использовать для развертывания скважинной насосной системы.

Чтобы в способах и системах согласно настоящему раскрытию обеспечить реализацию эффекта от развертывания кабеля иной конструкции, размер проводников кабеля может быть умышленно занижен. То есть, например, электрические проводники в кабеле могут иметь номинальный допустимый ток ниже непрерывного электрического тока, отбираемого двигателем насоса, с чем должны согласиться специалисты в данной области техники, чтобы считать приемлемой практику расчета непрерывной работы развертываемых в стволе скважины электрических нагрузочных устройств. В данной области техники известно использование электрических проводников для пропускания большего тока, чем номинальный ток, в течение периодов ограниченного регулируемого времени. См., например, публикацию №2013/0214928 заявки на патент США (Kuittinen и соавторы), однако неизвестно непрерывное использование электрических проводников при токе, превышающем номинально допустимый ток.

Относительно небольшой вес электрических нагрузочных устройств, таких как скважинная насосная система, и относительно небольшой вес самого электрического силового кабеля, являются результатом использования электрических проводников уменьшенного размера (по сравнению с соответствующим общепринятой практике расчета). В настоящем контексте электрические проводники уменьшенного размера означают электрические проводники, имеющие меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с площадью поперечного сечения, используемой для выбранной величины электрического тока согласно общепринятой практике расчета. Использование электрических проводников уменьшенного размера (или в то же время перегруженных) может позволять уменьшать предел прочности на растяжение электрического силового кабеля в противоположность скважинным насосам и кабелям, известным в данной области техники, вследствие меньшего веса такого умышленно перегруженного электрического кабеля.

Электрическое нагрузочное устройство согласно настоящему раскрытию, например электрическая насосная система и электрический силовой кабель, может быть герметизированным трубкой кабелем (ГТК) или может включать его. Герметизированный трубкой кабель может включать в себя один или несколько электрических проводников, которые индивидуально электрически изолированы. Один или несколько электрических проводников и связанные с ними изолирующие слои могут быть окружены герметизирующей трубкой. Герметизирующая трубка может создавать непроницаемый барьер для защиты одного или нескольких электрических проводников и изоляции от скважинного флюида. Герметизированный трубкой кабель, используемый в этой заявке в различных примерах вариантов осуществления, отличается от гибкой насосно-компрессорной колонны, имеющей электрические проводники, тем, что герметизирующую трубку располагают, чтобы исключать вхождение любого флюида во внутреннее пространство трубки. См., например, патент США №5285008 (Sas-Jaworsky) с описанием гибкой насосно-компрессорной колонны, имеющей электрические проводники. Такая гибкая насосно-компрессорная колонна имеет внутреннюю трубу, которую можно использовать как флюидную трубу для перемещения флюида от наземного конца в ствол скважины и/или изнутри ствола скважины к наземному концу гибкой насосно-компрессорной колонны. Герметизированный трубкой кабель, используемый в этой заявке, не имеет такой флюидной трубы.

Дополнительная отличительная особенность заключается в том, что гибкая насосно-компрессорная колонна, известная в отрасли промышленности, имеет внешний диаметр от 19,05 мм (0,75 дюйма) до 114,3 мм (4,5 дюймов), при этом типовым размером при использовании является внешний диаметр около 50,8 мм (2 дюймов). В примерах, в которых электрический кабель вводится в гибкую насосно-компрессорную колонну, электрический кабель не заполняет весь внутренний объем гибкой насосно-компрессорной колонны, и флюид или расходный материал может вводиться в остающуюся полость или в ином случае полость может оставаться незаполненной. См., например публикацию №2014/0190706 заявки на патент США (Varkey и соавторы). Термин «герметизированный трубкой кабель», используемый в этом раскрытии, означает конструкцию кабеля, в которой гладкая стенка пустотелой трубки плотно прилегает к внешней стороне электрической изоляции на одном или нескольких электрических проводниках, заключаемых в трубку во время процесса изготовления электрического кабеля.

Герметизирующая трубка в герметизированном трубкой кабеле может быть изготовлена из нержавеющей стали, сплава, продаваемого под товарным знаком инконель (зарегистрированным товарным знаком Huntington Alloys Corporation, Хантингтон, Западная Виргиния), или другого по существу непроницаемого для флюида материала. Герметизирующий материал может быть выбран исходя из придания значительной прочности на растяжение герметизированному трубкой кабелю и может иметь по существу гладкую внешнюю поверхность, которая улучшает герметизацию при пропускании через герметизирующее оборудование, расположенное на земной поверхности (на устье скважины), во время развертывания, извлечения и в течение добычи флюида из геологической среды при работе скважинной насосной системы.

Герметизирующие трубки герметизированных трубкой кабелей из ряда материалов, с различными внешними диаметрами и толщинами стенок, позволяющими создавать эффективный, дешевый электрический силовой кабель, являются широко доступными.

Электрический силовой кабель может иметь один или несколько электрических проводников с некруговым поперечным сечением, что позволяет минимизировать общий размер кабеля в части, касающейся площади поперечного сечения электрических проводников. Такой относительно небольшой размер электрического силового кабеля может позволять получать силовой кабель, имеющий меньший минимальный радиус изгиба, что может облегчать обращение с кабелем на поверхности с помощью простого облегченного лебедочного оборудования, например, типа используемого при операциях спуска на кабеле, описанных выше.

При меньшей площади поперечного сечения электрического силового кабеля может облегчаться развертывание скважинной насосной системы в действующем стволе скважины, то есть в стволе скважины, находящемся в сообщении по флюиду с подземным продуктивным флюидным пластом. В таких стволах скважин электрический силовой кабель подвергается воздействию силы, которая зависит от действия давления скважинного флюида на устье скважины и площади поперечного сечения скважинного силового кабеля. Например, электрический силовой кабель с внешним диаметром 0,375 дюйма (приблизительно 9,5 мм), изготовленный в соответствии с настоящим раскрытием, имеет площадь поперечного сечения около 0,11 дюйм² (приблизительно 71 мм²) в отличие от типичного кабеля скважинной насосной системы, известного в данной области техники, имеющего диаметр 1 дюйм (приблизительно 25 мм). Площадь поперечного сечения такого типичного электрического силового кабеля, известного в данной области техники, составляет около 0,786 дюйм² (приблизительно 507 мм²) или примерно в семь раз больше, чем площадь поперечного сечения герметизированного трубкой кабеля, которому приданы размеры согласно настоящему раскрытию. Электрический силовой кабель меньшего диаметра может позволять выполнять развертывание скважинной насосной системы путем протягивания электрического силового кабеля с насосной системой на конце для перемещения в находящийся под давлением ствол скважины под действием собственного веса. Для транспортировки скважинной насосной системы при использовании силового кабеля с большим внешним диаметром, как в приведенном выше примере, требуется дополнительное наземное оборудование, такое как инжектор, для проталкивания подвешенной скважинной насосной системы и электрического силового кабеля в скважину против действия давления на устье скважины.

Размер (и соответствующая пропускная способность по току) электрических проводников в электрическом силовом кабеле определяется по существу непрерывным электрическим током, пропускаемым по электрическому кабелю, и используемым номинальным коэффициентом. В способах и системах согласно настоящему раскрытию электрический ток, необходимый для работы электродвигателя в скважинной насосной системе, можно уменьшать использованием двигателя с постоянными магнитами, а не асинхронного двигателя. Кроме того, размер электрического проводника можно уменьшать использованием электрического проводника меньшего размера, чем размер, определяемый в соответствии с принципами расчета, известными в данной области техники. Такие принципы расчета описаны, например, в опубликованных практических рекомендациях 11S4 стандарта Американского нефтяного института, изложенных в этой заявке в разделе «Уровень техники», и в стандарте 1018 института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Упомянутые выше стандарты относятся к:

а) минимизации потерь в силовом кабеле и следовательно, к эксплуатационным затратам,

b) регулированию нагрева кабеля (особенно в сухой кольцевой части) и влиянию его на ухудшение диэлектрических характеристики вследствие повышенных температур и

с) обеспечению приемлемого пускового момента двигателя, когда при установке оборудования на глубине, при высоких потерях в силовом кабеле к двигателю будет прикладываться низкое напряжение и поэтому будет создаваться низкий пусковой момент двигателя. До использования приводов с переменной скоростью (ППС) пуск электрических погружных насосов осуществлялся непосредственно от линии и падение напряжения на силовом кабеле могло исключать надежный пуск двигателей.

Рассеяние электрической энергии вследствие резистивного нагрева часто является нежелательным, особенно в случае потерь при передаче электрической энергии по силовым линиям и силовым кабелям. При использовании повышенного напряжения и пониженного тока можно уменьшать резистивные потери энергии благодаря снижению тока при любой выбранной величине электрической мощности.

Резистивный нагрев связан с мощностью и током, проходящим по силовому кабелю, выражением P=I²R, где Р обозначает электрическую мощность (энергию в единицу времени), преобразуемую в тепловую энергию. R является сопротивлением силового кабеля и I является током, протекающим через сопротивление R. Как можно определить на основании приведенных выше двух промышленных стандартов для выбора размера проводника, обычно минимизируют сопротивление, предпочтительно до значения, при котором явно отсутствует эффект нагрева.

В способах и системах согласно настоящему раскрытию ток, пропускаемый по электрическому силовому кабелю, можно снижать при использовании более высокого напряжения, чем обычно используемое для скважинных насосных систем, чтобы передавать необходимую электрическую энергию. В некоторых вариантах осуществления напряжение может быть по меньшей мере 600 В. В некоторых вариантах осуществления напряжение может быть по меньшей мере 3000 В.

В способах и системах согласно настоящему раскрытию пропускная способность по току электрического кабеля, определяемая стандартами, такими как стандарт 11S4 Американского нефтяного института, упомянутый выше, а именно номинальный ток электрического силового кабеля может быть намеренно выбран меньшим, чем непрерывный ток, проходящий по электрическому кабелю при работе электродвигателя скважинной насосной системы. В некоторых вариантах осуществления ток, проходящий по существу непрерывно по электрическому силовому кабелю при работе двигателя скважинного насоса (ток двигателя), может составлять по меньшей мере 125% номинального тока. В некоторых вариантах осуществления ток двигателя может составлять по меньшей мере 150% номинального тока. В некоторых вариантах осуществления ток двигателя может составлять по меньшей мере 200% номинального тока. В некоторых вариантах осуществления ток двигателя может составлять по меньшей мере 300% номинального тока. В любом конкретном варианте осуществления ток двигателя может превышать номинальный ток на величину, зависящую от температуры флюида, входящего в скважину из флюидного продуктивного пласта, теплоемкости флюида и скорости потока флюида, когда он перемещается на поверхность при работе скважинной насосной системы. В настоящем контексте «по существу непрерывно» означает, что в то время, когда оператор скважины желает использовать скважинную насосную системы для перемещения флюида из геологической среды на поверхность, скважинная насосная система работает по существу непрерывно (то есть, работает непрерывно все время в течение таких периодов времени). Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, время, в течение которого оператор скважины может иметь намерение работать со скважинной насосной системой, может зависеть от давления флюида и проницаемости подземного пласта, вертикальной глубины пласта и общей плотности флюида, добываемого из подземного пласта. Некоторые скважинные насосные системы могут включать в себя автоматические устройства, поясняемые ниже, которые могут включать и выключать скважинную насосную систему на основании измерений уровня жидкости в стволе скважины, чтобы исключать быстрое опорожнение скважины, когда скважинная насосная система выкачивает флюид на поверхность быстрее, чем происходит поступление флюида из подземного пласта и наступает последующее падение уровня жидкости в стволе скважины.

В одном примере варианта осуществления скважинная насосная система может иметь электродвигатель, который отбирает ток, для которого в соответствии с американским сортаментом проводов (АСП) требуются электрические проводники 8 размера, если следовать стандарту 11S4 Американского нефтяного института. В таком примере варианта осуществления электрические проводники 12 размера согласно американскому сортаменту проводов, можно использовать в герметизированном трубкой кабеле. При использовании электрических проводников такого размера можно развертывать скважинную насосную систему, используя в герметизированном трубкой кабеле трубку с внешним диаметром (ВД) 0,375 дюйма (9,5 мм). Герметизированные трубкой кабели, имеющие трубку с таким внешним диаметром, и электрические проводники такого размера можно получить от Draka Cableteq USA, Inc., 22 Joseph E/Warner Blvd., Норт-Дайтон, Массачусетс 02764. Для трубки с таким внешним диаметром рекомендован шкив диаметром 48 дюймов (1219 мм). Такой радиус изгиба легко обеспечивается лебедочным оборудованием для спуска на кабеле скважинного инструмента, описанным в этой заявке выше.

В вариантах осуществления способа и системы согласно настоящему раскрытию обычно учитываются чрезмерные потери вследствие резистивного нагрева и принимаются во внимание при расчетах электрической эффективности скважинной насосной системы. Поскольку скважинную насосную систему развертывают в стволе скважины на конце электрического силового кабеля типа герметизированного трубкой кабеля, в вариантах осуществления способа и системы согласно настоящему раскрытию электрический силовой кабель оказывается погруженным в протекающий скважинный флюид, который может охлаждать электрический силовой кабель, чтобы исключать повреждение электрического силового кабеля и/или теплочувствительных частей электрического силового кабеля, таких как электрическая изоляция электрических проводников. В одном примере варианта осуществления, в котором скважинный насос располагают в стволе скважины на (измеренной) глубине ствола скважины около 5000 футов (1524 м):

а. Используют промышленный стандарт (например, 1018 института инженеров по электротехнике и электронике);

Проводники 8 размера согласно американскому сортаменту проводов диаметром 0,1285 дюйма (3,26 мм)

Сопротивление 0,6282 Ом/1000 футов (305 м)

Номинальный ток 24 А (2,9 А/мм²)

Падение напряжения при токе 24А на протяжении 5000 футов (1524 м) составляет 175 В.

b) Используют плотность намеренно установленного выше номинального тока в электрических проводниках меньшего размера:

Проводники 12 размера согласно американскому сортаменту проводов диаметром 0,0808 дюйма (2,05 мм)

Сопротивление 1,588 Ом/1000 футов (305 м)

Номинальный ток 9,3 А (2,8 А/мм²)

Падение напряжения при токе 24 А на протяжении 5000 футов (1524 м) составляет 442 В.

В соответствии с принятой нормой электрического проектирования, такой как стандарт 1018 института инженеров по электротехнике и электронике, упомянутый выше, для обеспечения непрерывного тока 24 А, отбираемого, например, системой электрического погружного насоса, требуются электрические проводники 8 размера согласно американскому сортаменту проводов. Повышенное падение напряжения и более значительный резистивный нагрев в случае использования описанных электрических проводников 12 размера согласно американскому сортаменту проводов по сравнению с электрическим силовым кабелем такой же длины следует считать противоречащим принятой практике проектирования. Следует ожидать, что эффект резистивного нагрева при использовании электрических проводников меньшего размера (проводников 12 размера согласно американскому сортаменту проводов) будет примерно в 2,5 раза сильнее эффекта резистивного нагрева при электрических проводниках большего размера (проводниках 8 размера согласно американскому сортаменту проводов) для случая показанных для примера тока и длины кабеля. Однако в вариантах осуществления, раскрытых в этой заявке, кабель охлаждается добываемым флюидом, протекающим в контакте с кабелем по всей длине кабеля от двигателя до поверхности, и этим обеспечивается значительно большее охлаждение, чем считающееся обеспечивающим безопасность, и это соображение основано на том, что по меньшей мере часть кабеля окружена газообразной (не жидкой) средой. Таким образом, использование электрических проводников со значительно меньшим поперечным сечением позволяет создавать кабель как герметизированный трубкой кабель, который к тому же позволяет осуществлять эффективный способ развертывания при использовании описанного легкого наземного оборудования. В некоторых вариантах осуществления можно использовать электрические проводники 10 размера согласно американскому сортаменту проводов (диаметром 0,1019 дюйма (2,59 мм)).

В случае крупной мощной насосной системы эксплуатационные расходы при повышенных потерях электрической энергии в кабеле, обусловленные плотностью тока (электрическим током на единицу площади поперечного сечения проводников кабеля), будут неприемлемыми, а дополнительное тепловое действие тока не будет регулируемым. В любом случае простое уменьшение размера крупного кабеля имеет ограниченное значение, поскольку способ развертывания должен оставаться неизменным. Однако в некоторых менее крупных системах, в которых сочетаются пониженная мощность (ПМ) и небольшой ток (вследствие более высокого напряжения), величина потерь может быть намного меньше, вследствие чего затраты снижаются в абсолютных значениях (по сравнению с процентными), а система может быть рассчитана в предположении этих проявлений неэффективности, что позволит использовать герметизированный трубкой кабель с получением преимуществ представленного примера способа развертывания благодаря исключению требований к установкам для технологических работ в скважинах.

Частота вращения электродвигателя переменного тока с постоянными магнитами связана с частотой энергии переменного тока, подводимой к двигателю. Напряжение, необходимое для работы таких двигателей, связано с частотой в общем виде определенным соотношением между напряжением и частотой. В некоторых вариантах осуществления развертываемый на поверхности источник электропитания переменной частоты с повышающим выходным трансформатором может использоваться для получения регулируемых частоты и напряжения для возбуждения электродвигателя. При использовании такого источника питания с повышающим трансформатором выходное напряжение источника питания может дополнительно повышаться при надлежащем расчете трансформатора для компенсации дополнительного падения напряжения на протяжении любого выбранного отрезка электрического силового кабеля, работающего при повышенной плотности тока, и тем самым гарантирования адекватного напряжения на электродвигателе, используемом для приведения в движение скважинного насоса.

В одном примере варианта осуществления герметизирующая трубка в герметизированном трубкой кабеле может быть изготовлена из нержавеющей стали 316. В таком примере варианта осуществления герметизирующая трубка может иметь стандартный размер, например, внешний диаметр 0,375 дюйма (9,5 мм) и иметь стенку толщиной 0,049 дюйма (1,25 мм). Такая трубка имеет номинальный рабочий предел прочности на растяжение приблизительно 5000 фунт-сила (22241 Н). В некоторых вариантах осуществления при коэффициенте запаса 20% номинального рабочего предела прочности на растяжение герметизирующей трубки к герметизированному трубкой кабелю можно безопасно прикладывать рабочую растягивающую силу 4000 фунт-сила (17993 Н). В некоторых вариантах осуществления может использоваться герметизирующая трубка аналогичного размера, изготовленная из описанного выше сплава инконель, и этим будут повышаться упомянутые выше безопасный и максимальный пределы прочности на растяжение герметизированной трубкой кабеля приблизительно на 20%. В представленном примере варианта осуществления скважинная насосная система может иметь максимальный внешний диаметр (ВД) 3,5 дюйма (89 мм) и может иметь вес около 950 фунтов (430 кг). Описанная выше трубка из нержавеющей стали 316 длиной 5000 футов (1524 м) имеет изолированные электрические проводники 12 размера согласно американскому сортаменту проводов, протянутых в по существу вертикальную скважину, имеет вес на земной поверхности около 250 фунтов на каждые 1000 футов (113 кг на каждые 304,8 м), вследствие чего общий вес насосной системы с герметизированным трубкой кабелем составляет 2196 фунтов (996 кг). Таким образом, раскрытый герметизированный трубкой кабель с использованием трех изолированных медных проводников 12 размера согласно американскому сортаменту проводов является достаточно прочным для поддержания веса герметизированного трубкой кабеля и скважинной насосной системы и в то же время по существу непрерывного подведения достаточной электрической энергии к электродвигателю скважинной насосной системы.

Герметизированный трубкой кабель разработан с возможностью противостояния условиям во многих подземных стволах скважин, включая погружение в скважинный флюид при давлениях до 20000 фунт/дюйм² (13790 кПа), при температурах до 300°С при использовании герметизированного трубкой кабеля с трубкой описанного выше размера из нержавеющей стали 316 и подходящего электрического изоляционного материала. Установлено, что электрические проводники в таком герметизированном трубкой кабеле могут надежно работать без повреждения по существу непрерывно при токе больше чем 300% номинального тока, когда герметизированный трубкой кабель погружен в протекающий скважинный флюид, перемещаемый к поверхности скважиной насосной системой.

Кроме того, перегрузка электрических проводников в герметизированном трубкой кабеле может быть определена в виде по существу непрерывного тока нагрузки на единицу площади поперечного сечения электрических проводников. В некоторых вариантах осуществления по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, составляет по меньшей мере 6 А на квадратный миллиметр площади поперечного сечения проводника. В некоторых вариантах осуществления по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, составляет по меньшей мере 10 А на квадратный миллиметр площади поперечного сечения проводника.

Возможные положительные стороны развертывания электрической установки, такой как скважинная насосная система на герметизированном трубкой кабеле согласно настоящему раскрытию, могут включать в себя одну или несколько из следующих. Прежде всего, установка для спуска на кабеле типа лебедки может обеспечивать необходимые транспортировку и развертывание кабеля. Герметизированный трубкой кабель может иметь внешний диаметр, выбираемый из условия минимального радиуса изгиба, достаточного для размещения на установке для спуска на кабеле типа барабана лебедки. Герметизированный трубкой кабель можно без труда вводить в ствол скважины и извлекать из него посредством хорошо известной установки спуска на кабеле с регулированием давления на устье скважины.

Установку для спуска на кабеле с регулированием давления на устье скважины можно без труда приспособить для использования в случае герметизированного трубкой кабеля, имеющего гладкую поверхность, при этом после небольших модификаций дополнительно снижаются сложность и затраты на установку, работу и удаление для технического обслуживания и/или замены скважинной насосной системы.

Преимущества, которые могут быть получены при использовании скважинной насосной системы и способов развертывания согласно настоящему раскрытию, могут включать в себя легкость развертывания, которое является результатом использования легкого герметизированного трубкой кабеля. Такое преимущество может перевешивать затраты, связанные с уменьшенной электрической эффективностью вследствие потерь энергии на всем протяжении герметизированного трубкой кабеля, когда электрические проводники работают при токе, превышающем их номинальный ток. Вышесказанное противоречит принятой практике задания технических условий на электрические силовые кабели. При наличии возможности использования менее габаритных, менее дорогих установок для развертывания, например лебедочных систем для спуска в ствол скважины на кабеле, предложенные примеры способов развертывания можно экономично использовать на скважинах, которые в противном случае будут экономически нежизнеспособными.

2. Примеры вариантов осуществления

После пояснения общих положений способа выбора размеров герметизированного трубкой кабеля для развертывания и работы скважинной насосной системы согласно настоящему раскрытию теперь с обращением к различным чертежам будут описаны примеры вариантов осуществления.

На фиг. 1 показан для примера вид ствола 10 скважины, пробуренного через подземные пласты, в том числе через продуктивный пласт 14. В продуктивном пласте 14 могут иметься углеводороды и вода, и когда давление в стволе 10 скважины ниже, чем давление флюидов в продуктивном пласте 14, углеводороды и вода в различных количествах могут выходить в ствол 10 скважины. Ствол 10 скважины может иметь зацементированную на месте защитную трубу или обсадную колонну 12, которая продолжается от устья 16 скважины на поверхности 31. Отрезок трубы меньшего диаметра или насосно-компрессорная колонна 18 может продолжаться от устья 16 скважины до выбранной глубины в стволе 10 скважины, обычно, хотя необязательно, выше глубины продуктивного пласта 14. Насосно-компрессорная колонна 18 может быть расположена для повышения скорости флюида, перемещающегося из продуктивного пласта 14 к устью 16 скважины. Кольцевое пространство между насосно-компрессорной колонной 18 и обсадной колонной 12 может быть закрыто для сообщения по флюиду кольцевым уплотнением или пакером 22. Обсадная колонна 12 может включать в себя перфорации 24 на глубине, соответствующей глубине продуктивного пласта 14.

Электрическое нагрузочное устройство, которое в представленном примере варианта осуществления может быть скважинной насосной системой 40, может быть соединено с одним концом герметизированного трубкой кабеля (ГТК) 20. Скважинная насосная система 40 может включать в себя высокооборотный электродвигатель 44 переменного тока с постоянными магнитами, соединенный с насосом 42, таким как центробежный насос. Электродвигатель 44 переменного тока с постоянными магнитами может быть выполнен с возможностью работы при высокой частоте вращения, например, по меньшей мере при 5400 оборотах в минуту (об/мин). Соответственно, насос 42 может быть выполнен с возможностью работы при таком числе оборотов. В некоторых вариантах осуществления скважинная насосная система 40 может включать в себя любой подходящий уплотнительный элемент, например дистанционно регулируемое надувное кольцевое уплотнение 48, для закрытия сообщения по флюиду между впуском насоса 42 и выпуском 46 флюида насоса, расположенным в насосно-компрессорной колонне 18. В других вариантах осуществления кольцевое уплотнение 48 может уже находиться на месте в насосно-компрессорной колонне 18 или в обсадной колонне 12. В других вариантах осуществления насосно-компрессорная колонна 18 может не использоваться; ствол 10 скважины может быть закончен при использовании только обсадной колонны. Как пояснялось выше, в некоторых вариантах осуществления скважинная насосная система 40 может иметь максимальный внешний диаметр 3,5 дюйма (89 мм). Как также пояснялось выше, в некоторых вариантах осуществления герметизированный трубкой кабель 20 может иметь максимальный внешний диаметр 0,375 дюйма (9,5 мм). Различные примеры соединений между скважинной насосной системой 40 и герметизированным трубкой кабелем 10 будут пояснены в дальнейшем с обращением к фиг. 3-6.

В других вариантах осуществления герметизированный трубкой кабель 20 может иметь максимальный внешний диаметр 0,55 дюйма (приблизительно 14 мм).

В других вариантах осуществления насос может быть поршневым насосом прямого вытеснения. В других вариантах осуществления насос 42 может быть насосом с поступательным движением полости.

Герметизированный трубкой кабель 20 может храниться на лебедке 30 для спуска кабеля и развертываться с нее. Для перевозки лебедка 30 для спуска кабеля может устанавливаться на транспортное средство 20. В других вариантах осуществления лебедка 30 может быть установленным в скиде блоком, предназначенным для использования в установках для проведения работ в шельфовых скважинах. Герметизированный трубкой кабель 20 может быть протянут в ствол 10 скважины по соответствующим образом расположенным шкивам 26, обычно используемым при развертывании спускаемых на кабеле скважинных измерительных инструментов или аварийных инструментов.

Головка 32 регулирования давления на кабель может быть связана с верхней частью устья 16 скважины. В отрасли промышленности головка 32 регулирования давления на кабель может быть известна как сальник. Головка 32 регулирования давления на кабель может включать в себя гидравлически сжимаемый уплотнительный элемент 34, расположенный в камере 36. Камера 36 может быть раздуваемой гидравлическим давлением камерой при использовании оборудования (непоказанного), известного из уровня техники для решения такой задачи. Уплотнительный элемент 34 может иметь внутреннее отверстие, которому придан размер, обеспечивающий уплотнение внешней поверхности герметизированного трубкой кабеля 20 для предотвращения выхода флюида под давлением, когда скважинную насосную систему 40 и герметизированный трубкой кабель 20 опускают в ствол 10 скважины или извлекают из ствола 10 скважины. Кроме того, уплотнительный элемент 34 может по существу предотвращать выход флюида по внешней стороне герметизированного трубкой кабеля 20 во время работы скважинной насосной системы 40.

На фиг. 2А показан один пример варианта осуществления герметизированного трубкой кабеля 20 согласно настоящему раскрытию. Герметизированный трубкой кабель 20 может включать в себя внешнюю трубку 25, по существу непрерывной длины, изготовленную из материалов, указанных выше, и имеющую размеры, указанные выше. В настоящем варианте осуществления три электрических проводника 23, каждый из которых покрыт слоем изоляционного материала 21, могут быть расположены внутри внешней трубки 25. В представленном примере варианта осуществления внешняя трубка 25 может быть соединена с верхней частью скважинной насосной системы (40 на фиг. 1), чтобы исключить вхождение любого флюида в ствол скважины (10 на фиг. 1) с внутренней стороны внешней трубки 25. В примере варианта осуществления, показанном на фиг. 2А, электрические проводники 23 имеют круговое поперечное сечение, как и их соответствующие изолирующие слои 21.

В другом примере варианта осуществления, показанном на фиг. 2В, электрические проводники 23А и соответствующие изолирующие слои 21А могут иметь некруговое поперечное сечение, например, могут иметь вид сегментов окружности, чтобы электрические проводники 23А могли занимать дополнительную часть внутреннего поперечного сечения внешней трубки 25.

Приведенные выше примеры герметизированного трубкой кабеля, имеющего три изолированных электрических проводника, не предполагаются ограничивающими объем настоящего раскрытия. В других примерах вариантов осуществления герметизированный трубкой кабель может иметь больше или меньше электрических проводников и может включать в себя одно или несколько оптических волокон. В некоторых вариантах осуществления герметизированный трубкой кабель может иметь только один изолированный электрический проводник внутри внешней трубки, а внешняя трубка может использоваться в качестве электрического проводника, если она изготовлена из электропроводного материала. В таких вариантах осуществления, как показанных на фиг. 2В, при решении задачи выбора площади поперечного сечения площадь поперечного сечения электрического проводника некругового поперечного сечения может быть эквивалентна площади поперечного сечения электрического проводника круглого поперечного сечения. Как пояснялось выше, такая площадь поперечного сечения может выбираться так, чтобы по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электродвигателем (44 на фиг. 1), составлял по меньшей мере 125% номинального тока электрического проводника. В других вариантах осуществления площадь поперечного сечения может выбираться так, чтобы непрерывный ток двигателя превышал номинальный ток электрического проводника (проводников) на величину, зависящую от длины герметизированного трубкой кабеля от поверхности до осевого положения (глубины ствола скважины) насосной системы, температуры флюида, входящего в ствол скважины из продуктивного пласта, и скорости перемещения флюида к поверхности из продуктивного пласта. При выполнении испытания было показано, что по существу непрерывный ток, отбираемый электродвигателем (44 на фиг. 1), может составлять до 300% допустимого номинального тока электрических проводников в герметизированном трубкой кабеле (20 на фиг. 1).

В рамках объема настоящего раскрытия находится выбор площади поперечного сечения одного или нескольких электрических проводников в герметизированном трубкой кабеле исходя из условия, что по существу непрерывный электрический ток, отбираемый приводимой в действие электричеством установкой, например системой электрического погружного насоса, может быть таким, что в случае расположения герметизированного трубкой кабеля полностью в воздухе повышение температуры одного или нескольких электрических проводников может быть достаточным для получения одного или нескольких из следующих неблагоприятных эффектов. Во-первых, предел упругости электрических проводников может падать ниже растягивающего напряжения, приложенного к ним вследствие развертывания герметизированного трубкой кабеля в стволе скважины вместе с электрической установкой на конце герметизированного трубкой кабеля. Во-вторых, электрическая изоляция электрических проводников может повреждаться под действием наведенного тепла. Наконец, один или несколько электрических проводников могут подвергаться воздействию наведенного температурой окисления и впоследствии повреждаться.

На фиг. 3 показан пример соединения, которое может использоваться в некоторых вариантах осуществления для связи герметизированного трубкой кабеля со скважинной насосной системой (40 на фиг. 1). Внутреннее сжимающее соединительное приспособление 50 может иметь элементы, образованные на внешней поверхности его, так что, когда герметизированный трубкой кабель 20 сжимается по оси, трубка герметизированного трубкой кабеля, как показано на фиг. 3, деформируется по радиусу с посадкой в элементы. Осевое сжатие может быть создано при использовании внешнего сжимающего соединительного приспособления 52. В представленном примере варианта осуществления внешнее сжимающее соединительное приспособление 52 может быть прикреплено к верхней части скважинной насосной системы (40 на фиг. 1).

На фиг. 4 показан еще один вариант осуществления, подобный варианту осуществления, показанному на фиг. 3, при этом отличие заключается в том, что внутреннее сжимающее соединительное приспособление 50А может иметь витки 50В резьбы на одном продольном конце, а не элементы для посадки со сжатием на герметизированный трубкой кабель 20. Витки 50В резьбы могут входить в зацепление с соответствующими витками резьбы (непоказанными) в скважинной насосной системе (40 на фиг. 1).

На фиг. 5 показано сжимающее соединительное приспособление 56 еще одного вида, которое может использоваться в некоторых вариантах осуществления. Сжимающее соединительное приспособление 56 может включать в себя коническую внутреннюю поверхность, которая включает в себя внутренние витки резьбы для сцепления с сжимающей гайкой 54. Сжимающую гайку 54 можно перемещать по внешней поверхности герметизированного трубкой кабеля 20 и навинчивать для затягивания сжимающей гайки 54 в сжимающем соединительном приспособлении 56. В некоторых вариантах осуществления можно использовать уплотнительную втулку для улучшения герметизации между сжимающим соединительным приспособлением и герметизированным трубкой кабелем 20. Для иллюстрации положения уплотнительной втулки 58 на фиг. 6 показан увеличенный вид сжимающего соединительного приспособления.

Хотя изобретение было описано относительно ограниченного числа вариантов осуществления, специалистам в данной области техники, имеющим выгоду от этого раскрытия, должно быть понятно, что другие варианты осуществления, могут быть разработаны без отступления от объема изобретения, раскрытого в этой заявке. Соответственно, объем изобретения должен ограничиваться только прилагаемой формулой изобретения.

Claims (38)

1. Способ развертывания электрического нагрузочного устройства в стволе скважины, содержащий этапы, на которых:

электрически и механически соединяют электрическое нагрузочное устройство с герметизированным трубкой кабелем, расположенным на лебедке; и

протягивают герметизированный трубкой кабель и электрическое нагрузочное устройство в ствол скважины;

причем герметизированный трубкой кабель содержит внешнюю трубку, которая исключает вхождение флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки, причем герметизированный трубкой кабель включает в себя по меньшей мере один электрический проводник, расположенный внутри внешней трубки, при этом электрическое нагрузочное устройство отбирает по существу непрерывный электрический ток, больший, чем номинальный ток по меньшей мере одного электрического проводника.

2. Способ по п. 1, содержащий протягивание герметизированного трубкой кабеля и электрического нагрузочного устройства в ствол скважины, пробуренный через подземный флюидный продуктивный пласт.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника выбирают так, чтобы снабдить по меньшей мере один электрический проводник номинальным током, который ниже, чем по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством.

4. Способ по п. 3, в котором площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника выбирают на основании по меньшей мере одного из: скорости флюида в стволе скважины, теплоемкости флюида, температуры флюида и теплопроводности кабеля.

5. Способ по любому предшествующему пункту, в котором площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника составляет самое большее 0,0808 дюйм² (2,05 мм²).

6. Способ по любому предшествующему пункту, в котором площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника составляет самое большее 0,1019 дюйм² (2,59 мм²).

7. Способ по любому предшествующему пункту, содержащий протягивание герметизированного трубкой кабеля и электрического нагрузочного устройства в ствол скважины, пробуренный через подземный флюидный продуктивный пласт, причем площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника выбирают на основании скорости флюида, перемещаемого в стволе скважины из флюидного продуктивного пласта на поверхность, теплоемкости флюида и температуры флюида, входящего в ствол скважины из флюидного продуктивного пласта.

8. Способ по любому предшествующему пункту, в котором внешнюю трубку изготавливают из материала, выбираемого с условием исключения вхождения флюида в ствол скважин с внутренней стороны внешней трубки.

9. Способ по любому предшествующему пункту, в котором электрическое нагрузочное устройство содержит электродвигатель.

10. Способ по п. 9, в котором электродвигатель представляет собой двигатель с постоянными магнитами.

11. Способ по п. 9 или 10, в котором электродвигатель работает при частоте вращения по меньшей мере 5400 об/мин.

12. Способ по любому предшествующему пункту, в котором электрическое нагрузочное устройство содержит скважинную насосную систему, содержащую насос, приводимый в движение электродвигателем.

13. Способ по п. 12, в котором внешний диаметр скважинной насосной системы составляет самое большее 4,5 дюйма (114,3 мм).

14. Способ по п. 12 или 13, в котором электродвигатель устанавливают выше насоса.

15. Способ по любому одному из пп. 12-14, в котором насос представляет собой центробежный насос.

16. Способ по любому одному из пп. 12-14, в котором насос представляет собой поршневой насос прямого вытеснения.

17. Способ по любому одному из пп. 12-14, в котором насос представляет собой насос с поступательным движением полости.

18. Способ по любому предшествующему пункту, в котором внешний диаметр герметизированного трубкой кабеля составляет самое большее 0,55 дюйма (14 мм).

19. Способ по любому предшествующему пункту, в котором внешнюю трубку изготавливают из нержавеющей стали.

20. Способ по любому предшествующему пункту, в котором внешняя трубка имеет толщину стенки самое большее 0,068 дюйма (1,73 мм).

21. Способ по любому предшествующему пункту, в котором по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, составляет по меньшей мере 125% номинального тока по меньшей мере одного электрического проводника.

22. Способ по любому предшествующему пункту, в котором по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, составляет по меньшей мере 300% номинального тока по меньшей мере одного электрического проводника.

23. Способ по любому предшествующему пункту, в котором по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, составляет по меньшей мере 6 А на квадратный миллиметр площади поперечного сечения проводника.

24. Способ по любому предшествующему пункту, в котором по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством, составляет по меньшей мере 10 А на квадратный миллиметр площади поперечного сечения проводника.

25. Способ по любому предшествующему пункту, в котором напряжение, прикладываемое к наземному концу герметизированного трубкой кабеля, составляет по меньшей мере 600 В.

26. Способ по любому предшествующему пункту, в котором напряжение, прикладываемое к наземному концу герметизированного трубкой кабеля, составляет по меньшей мере 3000 В.

27. Способ по любому предшествующему пункту, в котором электрическое нагрузочное устройство соединяют с первым концом герметизированного трубкой кабеля.

28. Способ по любому предшествующему пункту, в котором герметизированный трубкой кабель проходит по существу непрерывно от его первого конца к наземному концу герметизированного трубкой кабеля.

29. Способ по любому предшествующему пункту, в котором площадь поперечного сечения по меньшей мере одного электрического проводника выбирают исходя из условия, что повышение температуры по меньшей мере одного электрического проводника в воздухе, являющееся результатом действия по существу непрерывного электрического тока, приводит к по меньшей мере одному из: (i) падению предела упругости по меньшей мере одного электрического проводника ниже растягивающего напряжения, приложенного к нему, (ii) окислению по меньшей мере одного электрического проводника и (iii) тепловой деградации изоляции на по меньшей мере одном электрическом проводнике.

30. Скважинная система, содержащая:

скважинное электрическое нагрузочное устройство, предназначенное для размещения в стволе скважины; и

наматываемый на барабан герметизированный трубкой кабель, электрически и механически соединенный со скважинным электрическим нагрузочным устройством, причем герметизированный трубкой кабель содержит внешнюю трубку, которая исключает вхождение флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки, при этом герметизированный трубкой кабель включает в себя по меньшей мере один электрический проводник, расположенный внутри внешней трубки, причем по меньшей мере один электрический проводник имеет номинальный ток, который ниже, чем по существу непрерывный электрический ток, отбираемый электрическим нагрузочным устройством.

31. Наматываемый на барабан герметизированный трубкой кабель для электрического и механического соединения со скважинным электрическим нагрузочным устройством, при этом герметизированный трубкой кабель содержит:

внешнюю трубку, которая исключает вхождение флюида в ствол скважины с внутренней стороны внешней трубки при развертывании в стволе скважины; и

по меньшей мере один электрический проводник, расположенный внутри внешней трубки, при этом по меньшей мере один электрический проводник имеет номинальный ток, который ниже, чем по существу непрерывный электрический ток, отбираемый присоединенным электрическим нагрузочным устройством.

Images