RU2808792C1

RU2808792C1 - Electrical complex for autonomous power supply of well pumping units for oil production

Info

Publication number: RU2808792C1
Application number: RU2023101892A
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Бельский; Алексей Игоревич Замятин
Filing date: 2023-01-30
Publication date: 2023-12-05

Abstract

FIELD: electrical engineering; oil and gas.

SUBSTANCE: electrical complex for autonomous power supply of downhole pumping units for oil production includes a wind-electric installation, a rectifier unit, a battery pack, a DC bus, and a control unit for the electrical complex. The output of the ground DC bus is connected via a DC power electric cable to the input of the motor control unit, namely the power contacts of IGBT transistors, which is located directly at the submersible brushless DC motor in the well. The outputs of the electrical complex control unit are connected to the inputs of the microprocessor device of the wind turbine control cabinet, the engine control cabinet and the input of the battery pack, which are designed for installation on the surface. The output of the contacts of the microprocessor device of the surface motor control cabinet is connected to the input of the submersible motor control unit, namely to the control contacts of the IGBT transistors. The contact output of the microprocessor device of the wind turbine control cabinet is connected to the wind turbine input.

EFFECT: improved energy efficiency of the electrical complex for autonomous power supply of downhole pumping units for oil production by reducing electricity losses during its conversion and transmission.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для электроснабжения изолированных нефтепромысловых участков. Изобретение направлено на увеличение энергетической эффективности нефтедобывающего комплекса за счет уменьшения потерь электроэнергии при её преобразовании и передачи.The invention relates to the oil and gas industry and can be used to supply power to isolated oil field areas. The invention is aimed at increasing the energy efficiency of the oil production complex by reducing electricity losses during its conversion and transmission.

Известна система автономного электротехнического комплекса на основе ветро-, дизельного генератора для электроснабжения отдаленных изолированных потребителей (патент RU 2 588 613 C1, опубл. 10.07.2016 г.), включающий в себя, по меньшей мере, один ветрогенератор, один дизель-генератор, два выпрямительно-зарядных устройства, аккумуляторную батарею и инвертор, при этом всём выходы генераторов системы подключены ко входам выпрямительно-зарядных устройств, образующие шину постоянного тока. Система распределения электроэнергии и сами потребители же подключены к шине переменного тока, которая связана с шиной постоянного тока через инвертор.There is a known system of an autonomous electrical complex based on a wind and diesel generator for power supply to remote isolated consumers (patent RU 2 588 613 C1, published on July 10, 2016), which includes at least one wind generator, one diesel generator, two rectifier-chargers, a battery and an inverter, with all the outputs of the system generators connected to the inputs of the rectifier-chargers, forming a DC bus. The power distribution system and the consumers themselves are connected to the AC bus, which is connected to the DC bus through an inverter.

Недостатком данного комплекса является необходимость в установке дополнительного оборудования в виде частотного преобразователя для потребителя, где необходима регулировка частоты сети, что ведет к дополнительным потерям энергии на преобразовательных устройствах, а также установка устройств для компенсации реактивной мощности у потребителя.The disadvantage of this complex is the need to install additional equipment in the form of a frequency converter for the consumer, where it is necessary to adjust the network frequency, which leads to additional energy losses on the converter devices, as well as the installation of devices for reactive power compensation at the consumer.

Известна скважинная насосная установка для добычи нефти (патент RU 2103557 C1, опубл. 27.01.1998), состоящая из погружного центробежного насоса с электродвигателем, электрического кабеля питания, трансформатора, преобразователя частоты и колонны подъемных труб, отличающаяся тем, что для питания электродвигателя используется однопроводный электрический кабель, а питающее рабочее напряжение подается по нему к погружной части установки в виде постоянного тока, для чего инвертор конструктивно выведен из схемы преобразователя частоты и расположен в скважине в зоне подвески электродвигателя, а трансформатор, обеспечивающий необходимое для работы двигателя напряжение, установлен на входе в преобразователь.A well known well pumping installation for oil production (patent RU 2103557 C1, published on January 27, 1998), consisting of a submersible centrifugal pump with an electric motor, an electric power cable, a transformer, a frequency converter and a string of lifting pipes, characterized in that a single-wire motor is used to power the electric motor. electric cable, and the supply operating voltage is supplied through it to the submersible part of the installation in the form of direct current, for which the inverter is structurally removed from the frequency converter circuit and is located in the well in the area of the electric motor suspension, and a transformer that provides the voltage necessary for engine operation is installed at the input to the converter.

Недостатком данного комплекса является электрохимическая коррозия колонны подъемных труб из-за их использования в качестве проводника для питания электродвигателя, что приводит к разрушению самих труб и значительному уменьшению межремонтного периода эксплуатации скважины. The disadvantage of this complex is the electrochemical corrosion of the riser pipe string due to their use as a conductor to power the electric motor, which leads to the destruction of the pipes themselves and a significant reduction in the overhaul period of the well.

Известно электрооборудование для подъема пластовой жидкости на кусте скважин и способ управления им (патент RU 2554692 C1, опубл. 27.06.2015), состоящее из установки погружных электронасосов по числу скважин, связанные через кабель, и повышающий трансформатор с соответствующей наземной станцией управления прямого пуска, подключенной к питающей сети. Электрооборудование дополнительно снабжено управляющим контроллером, по меньшей мере, одной станцией управления с преобразователем частоты, подключенной через дополнительный повышающий трансформатор к питающей сети, и блоком управляемых контакторов. Электродвигатели насосов выполнены синхронными с постоянными магнитами на роторе. Electrical equipment for lifting formation fluid on a well cluster and a method for controlling it are known (patent RU 2554692 C1, published on June 27, 2015), consisting of the installation of submersible electric pumps according to the number of wells, connected via a cable, and a step-up transformer with a corresponding ground-based direct start control station, connected to the power supply. The electrical equipment is additionally equipped with a control controller, at least one control station with a frequency converter connected through an additional step-up transformer to the supply network, and a block of controlled contactors. The electric motors of the pumps are made synchronous with permanent magnets on the rotor.

Недостатком данного комплекса является установка дополнительного повышающего трансформатора после станции управления с преобразователем частоты, а также использование трехфазного силового кабеля для электроснабжения электродвигателей, что ведет к дополнительным потерям электроэнергии.The disadvantage of this complex is the installation of an additional step-up transformer after the control station with a frequency converter, as well as the use of a three-phase power cable to supply electric motors, which leads to additional electricity losses.

Известен электротехнический комплекс (патент RU 2688143 C1, опубл. 20.05.2019), состоящий из входного трансформатора с соединённой треугольником первичной обмоткой и с расщеплённой вторичной обмоткой, получающего электрическое питание от источника питания трёхфазного переменного напряжения по линии электропередачи, выходы вторичных обмоток входного трансформатора присоединены к входам двух полупроводниковых выпрямителей, собранных по схеме Ларионова, к выходам которых подключено распределительное устройство постоянного тока. К шинам постоянного тока подключен по меньшей мере один автономный инвертор напряжения, подающий переменное напряжение на подключенного к нему потребителя, система автоматического управления измеряет напряжение и ток на входе и выходе инвертора и управляет периодом и скважностью импульсов напряжения, генерируемых автономным инвертором напряжения. Автономный инвертор напряжения имеет по меньшей мере один индивидуальный конденсатор, который параллельно подключен к автономному инвертору напряжения и к шинам постоянного тока распределительного устройства постоянного тока. An electrical engineering complex is known (patent RU 2688143 C1, published on May 20, 2019), consisting of an input transformer with a triangle-connected primary winding and a split secondary winding, receiving electrical power from a three-phase alternating voltage power supply via a power line, the outputs of the secondary windings of the input transformer are connected to the inputs of two semiconductor rectifiers assembled according to the Larionov circuit, to the outputs of which a DC switchgear is connected. At least one autonomous voltage inverter is connected to the DC buses, supplying alternating voltage to the consumer connected to it; the automatic control system measures the voltage and current at the input and output of the inverter and controls the period and duty cycle of the voltage pulses generated by the autonomous voltage inverter. The autonomous voltage inverter has at least one individual capacitor, which is connected in parallel to the autonomous voltage inverter and to the DC buses of the DC distribution device.

Недостатком данного комплекса является установка дополнительного оборудования в виде выпрямителя и инвертора перед трансформатором с расщепленной обмоткой для возможности использования комплекса в автономной системе с возобновляемыми источниками энергии, что ведет к дополнительным потерям электроэнергии.The disadvantage of this complex is the installation of additional equipment in the form of a rectifier and an inverter in front of the split-winding transformer to make it possible to use the complex in an autonomous system with renewable energy sources, which leads to additional losses of electricity.

Известен прототип устройство электропитания с использованием солнечной энергии и энергии ветра в качестве приводной энергии насосной установки (патент CN 201667545 U, опубл. 08.12.2010), включающее в себя установку для выработки солнечной энергии и энергии ветра, шину постоянного тока, преобразователь частоты, двигатель, насосную установку и контроллер, где все части соединены проводами и управляются контроллером для подачи энергии. A prototype power supply device using solar and wind energy as the drive energy of a pumping unit is known (patent CN 201667545 U, published on 12/08/2010), which includes an installation for generating solar and wind energy, a DC bus, a frequency converter, and a motor. , pumping unit and controller, where all the parts are connected by wires and controlled by the controller to supply energy.

Недостатком данного комплекса является установка дополнительного оборудования в виде компенсирующего устройства перед двигателем для обеспечения надлежащего качества электроэнергии и уменьшения потребления реактивной мощности. The disadvantage of this complex is the installation of additional equipment in the form of a compensating device in front of the engine to ensure proper quality of electricity and reduce reactive power consumption.

Техническим результатом является повышение энергоэффективности автономной системы электроснабжения кустовых скважин.The technical result is to increase the energy efficiency of the autonomous power supply system for cluster wells.

Технический результат достигается тем, что выход шины постоянного тока наземного исполнения через силовой электрический кабель постоянного тока соединен со входом блока управления двигателя, а именно силовыми контактами IGBT-транзисторов, который находится непосредственно у погружного вентильного электродвигателя в скважине. Выходы блока управления электротехническим комплексом соединены со входами микропроцессорного устройства шкафа управления ВЭУ, шкафа управления двигателем и входом блока аккумуляторных батарей, которые выполнены в наземном исполнении. Выход контактов микропроцессорного устройства шкафа управления двигателя наземного исполнения соединен со входом погружного блока управления двигателя, а именно с управляющими контактами IGBT-транзисторов, а выход контактов микропроцессорного устройства шкафа управления ВЭУ соединен с входом ВЭУ. The technical result is achieved by the fact that the output of the ground-based DC bus is connected through a DC power electric cable to the input of the motor control unit, namely the power contacts of IGBT transistors, which is located directly at the submersible valve motor in the well. The outputs of the electrical complex control unit are connected to the inputs of the microprocessor device of the wind turbine control cabinet, the engine control cabinet and the input of the battery pack, which are made in a ground version. The output of the contacts of the microprocessor device of the ground motor control cabinet is connected to the input of the submersible engine control unit, namely with the control contacts of IGBT transistors, and the output of the contacts of the microprocessor device of the wind turbine control cabinet is connected to the input of the wind turbine.

Электротехнический комплекс для автономного электроснабжения скважинных насосных установок для добычи нефти поясняется следующими фигурами:The electrical complex for autonomous power supply of downhole pumping units for oil production is illustrated by the following figures:

фиг. 1. – общая схема электротехнического комплекса для автономного электроснабжения скважинных насосных установок для добычи нефти, где:fig. 1. – general diagram of the electrical complex for autonomous power supply of downhole pumping units for oil production, where:

1 – ветроэлектрическая установка (ВЭУ);1 – wind power plant (WPP);

2 – выпрямительное устройство;2 – rectifier device;

3 – блок аккумуляторных батарей;3 – battery pack;

4 – шина постоянного тока;4 – DC bus;

5 – блок управления двигателем;5 – engine control unit;

6 – погружной вентильный электродвигатель;6 – submersible valve electric motor;

7 – шкаф управления двигателем;7 – engine control cabinet;

8 – шкаф управления ВЭУ;8 – wind turbine control cabinet;

9 – блок управления электротехническим комплексом.9 – control unit for the electrical complex.

Комплекс для автономного электроснабжения скважинных насосных установок для добычи нефти состоит из ветроэлектрической установки (ВЭУ) 1, выход которой соединен с входом выпрямительного устройства 2 через силовой кабель переменного тока. Выпрямительное устройство 2 выполнено по схеме Ларионова. Выходы блока аккумуляторных батарей 3, выпрямительного устройства 2 соединены с шиной постоянного тока 4 с помощью зажимов кабелей на шину. Один конец двухжильного кабеля постоянного тока соединен с шиной постоянного тока 4 , а второй конец через клеммную колодку соединен с блоком управления двигателя 5, который выполнен на управляемых IGBT-транзисторах. Выход блока управления двигателя 5 соединен с входом погружного вентильного электродвигателя 6. Вход блока управления двигателя 5 соединен электрическим кабелем с выходом шкафа управления двигателя 7 наземного исполнения. Вход ВЭУ 1 через электрический кабель соединен с выходом шкафа управления ВЭУ 8 наземного исполнения. Входы блока аккумуляторных батарей 3, шкафа управления ВЭУ 8 и шкафа управления двигателя 7 соединены с выходом блока управления электротехническим комплексом 9.The complex for autonomous power supply of downhole pumping units for oil production consists of a wind power unit (WPP) 1, the output of which is connected to the input of the rectifier device 2 via an AC power cable. Rectifier device 2 is made according to the Larionov scheme. The outputs of the battery pack 3, the rectifier device 2 are connected to the DC bus 4 using cable clamps to the bus. One end of the two-core DC cable is connected to the DC bus 4, and the second end is connected through the terminal block to the motor control unit 5, which is made using controlled IGBT transistors. The output of the engine control unit 5 is connected to the input of the submersible valve motor 6. The input of the engine control unit 5 is connected by an electric cable to the output of the surface engine control cabinet 7. The input of wind turbine 1 is connected through an electric cable to the output of the control cabinet of wind turbine 8 of ground version. The inputs of the battery pack 3, the wind turbine control cabinet 8 and the engine control cabinet 7 are connected to the output of the control unit of the electrical complex 9.

Электротехнический комплекс работает следующим образом. При достаточных ветровых условиях ВЭУ 1 начинает вырабатывать переменный ток. Выпрямительное устройство 2, подключенное к ВЭУ, преобразует переменный ток в постоянный и передает его на шину постоянного тока 4, куда также поступает постоянный ток от блока аккумуляторных батарей 3. Блок аккумуляторных батарей 3 используется для стабилизации напряжения и резервирования электроснабжения комплекса.The electrical complex works as follows. Under sufficient wind conditions, wind turbine 1 begins to produce alternating current. The rectifier device 2, connected to the wind turbine, converts alternating current into direct current and transmits it to the direct current bus 4, which also receives direct current from the battery pack 3. The battery pack 3 is used to stabilize the voltage and back up the power supply of the complex.

С шины постоянного тока 4 общая мощность посредствам силового двухжильного кабеля постоянного тока попадает на блок управления двигателя 5. Блок управления двигателя 5 преобразует постоянный ток в импульсные сигналы необходимой частоты и уровня напряжения для работы погружного вентильного электродвигателя 6.From the DC bus 4, the total power via a two-wire DC power cable goes to the motor control unit 5. The motor control unit 5 converts the DC into pulse signals of the required frequency and voltage level for the operation of the submersible valve motor 6.

К блоку управления двигателя 5 на устье скважины подключен шкаф управления двигателя 7, выполненный в наземном исполнении, и позволяющий настраивать и управлять режимами работы электродвигателя. Таким образом, появляется возможность эксплуатации малодебитной нефтяной скважины в периодическом режиме.Connected to the engine control unit 5 at the wellhead is an engine control cabinet 7, made in a ground version, which allows you to configure and control the operating modes of the electric motor. Thus, it becomes possible to operate a low-yield oil well in a periodic mode.

Шкаф управления ВЭУ 8 позволяет настроить и управлять режимами работы ВЭУ. The wind turbine control cabinet 8 allows you to configure and control the operating modes of the wind turbine.

Для контроля исправной работы комплекса, перераспределения генерируемой электроэнергии между ВЭУ 1 и блоком аккумуляторных батарей 3 и согласованием режима работы погружного вентильного электродвигателя с режимом работы ВЭУ 1 используется блок управления электротехническим комплексом 9. To monitor the proper operation of the complex, redistribute the generated electricity between the wind turbine 1 and the battery unit 3 and coordinate the operating mode of the submersible valve motor with the operating mode of the wind turbine 1, the control unit of the electrical complex 9 is used.

За счет построения системы электроснабжения комплекса на постоянном токе достигаются сокращение потерь энергии на преобразовательных устройствах, сокращение потерь в кабельных линиях, повышение экономичности комплекса за счет уменьшение металлоемкости распределительных сетей и отсутствия необходимости компенсации реактивной мощности у удаленных потребителей. С помощью управления вентильным двигателем малодебетную нефтяную скважину можно эксплуатировать в периодическом режиме работы, позволяя сохранять нефтепластовое давление на необходимом уровне. By constructing a DC power supply system for the complex, a reduction in energy losses on converting devices, a reduction in losses in cable lines, and an increase in the efficiency of the complex due to a reduction in the metal consumption of distribution networks and the absence of the need for reactive power compensation for remote consumers are achieved. By controlling a valve motor, a low-yield oil well can be operated in a periodic operating mode, allowing the oil reservoir pressure to be maintained at the required level.

Claims

An electrical complex for autonomous power supply of downhole pumping units for oil production, including a wind-electric installation, a rectifier unit, a battery pack, a DC bus and a control unit for the electrical complex, characterized in that the output of the surface DC bus is connected through a DC power cable to By the input of the engine control unit, namely the power contacts of IGBT transistors, which is located directly at the submersible valve electric motor in the well, the outputs of the control unit of the electrical complex are connected to the inputs of the microprocessor device of the wind turbine control cabinet, the engine control cabinet and the input of the battery pack, which are made in the ground execution, the output of the contacts of the microprocessor device of the ground-mount engine control cabinet is connected to the input of the submersible engine control unit, namely, to the control contacts of IGBT transistors, and the output of the contacts of the microprocessor device of the wind turbine control cabinet is connected to the input of the wind turbine.