Разработка и исследование преобразователей частоты для установок электронагрева нефтескважин

На правах рукописи

Арзамасов Владислав Леонидович

разработкА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛей ЧАСТОТЫ

для УСТАНОВок ЭЛЕКТРОНАГРЕВА

НЕФТЕСКВАЖИН

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Чебоксары - 2013

Работа выполнена в департаменте силовой электроники ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством» (г. Чебоксары)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Иванов Александр Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Титов Владимир Георгиевич

кандидат технических наук, доцент

Малинин Григорий Вячеславович

Ведущая организация: ЗАО «ЧЭАЗ», г. Чебоксары

Защита диссертации состоится 22 марта 2013 г. в 15:00 ч. в зале Ученого совета на заседании диссертационного совета Д212.301.02 при ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова» (428034, г. Чебоксары, ул. Университетская, д. 38, библиотечный корпус, третий этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 428015, г. Чебоксары, Московский пр-т, д. 15 на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «____» февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.301.02

доктор технических наук, доцент Охоткин Г.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования

Подавляющее большинство (87%) российских нефтескважин в настоящее время эксплуатируется насосным способом. Высокодебитные (15-30 тонн/сутки) скважины оснащаются преимущественно бесштанговыми установками с погружными электроцентробежными насосами (УЭЦН). При меньшем дебите скважины оборудуются штанговыми насосными установками (ШНУ). На долю ШНУ приходится 60 % нефтескважин в России, с их помощью добывается приблизительно 20 % нефти.

Одна из самых распространенных причин отказов оборудования нефтескважин, оснащенных УЭЦН и ШНУ - образование значительных асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) на поверхностях оборудования (на внутренней поверхности насосно-компрессорных труб, поверхности насосных штанг, в проточных каналах устьевой запорной арматуры), контактирующих со скважинной жидкостью, что приводит к значительному сужению проходных сечений, возрастанию гидравлического сопротивления (вплоть до полного прекращения подачи жидкости вследствие образования парафиновых пробок). При этом снижается дебит нефтескважины, увеличиваются расходы электроэнергии при откачке жидкости, сокращается период между подземными ремонтами скважин (ПРС) и, как следствие, повышается себестоимость добываемой нефти. Основными составляющими АСПО являются парафины (20-70 %) и асфальтосмолистые соединения (20-40 % по массе).

Электронагрев выкачиваемой скважинной жидкости является одним из эффективных способов борьбы с АСПО, а также снижает вязкость добываемой нефти, что способствует увеличению дебита нефтескважин. Применение в установках прямого электронагрева силовой электроники, а именно преобразователей частоты (ПЧ), позволяет обеспечить оптимальную частоту переменного тока электронагрева, его плавное регулирование, высокую надежность и экономичность системы депарафинизации нефтескважин. Поэтому разработка и исследование ПЧ для установок электронагрева является весьма актуальной задачей.

Развитие рынка оборудования для депарафинизации нефтегазовых скважин и трубопроводов (по итогам маркетингового исследования московского аналитического Агенства «БизнесМонитор» в октябре 2007 г.) имеет ярко выраженную положительную тенденцию, что в первую очередь связано с активным развитием нефтегазодобывающей отрасли, как в нашей стране, так и за рубежом. Укрепляющаяся тенденция добычи углеводородного сырья в районах Крайнего Севера и освоение месторождений «тяжелой» (сверхвязкой) нефти также оказывает положительное влияние на развитие рассматриваемого рынка. В среднесрочной и долгосрочной перспективе прогнозируется усиление воздействия на исследуемый рынок со стороны производителей как «дальнего», так и «ближнего» зарубежья. Одним из наиболее перспективных способов депарафинизации в маркетинговом исследовании признан электронагревательный.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование энергосберегающего и экономичного ПЧ для прямого электронагрева нефтескважины с целью депарафинизации и снижения вязкости нефти.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1 Определение оптимальных электрических параметров ПЧ для прямого электронагрева нефтескважины с учетом частотнозависимых параметров электрической цепи скважины и требований минимальной мощности и выходного напряжения установки электронагрева.

2 Анализ и разработка структур регулирования установок электронагрева и схемотехнических решений силовой части ПЧ.

3 Разработка и исследование системы управления ПЧ с автономным инвертором напряжения (АИН).

4 Разработка и исследование динамических свойств системы автоматического регулирования (САР) «ПЧ - электрическая цепь нефтескважины».

Методы исследования

Решение поставленных задач производилось с использованием методов теории электрических цепей, преобразовательной техники, автоматического регулирования, экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. При проведении расчетов и моделировании использовались программные продукты MATHCAD и MATLAB.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Методика определения оптимальных электрических параметров ПЧ для прямого электронагрева нефтескважины.

2 Разработка и исследование источников тока на базе ПЧ для прямого электронагрева нефтескважин, в том числе разработка методики расчета уравнительного реактора (УР) в 12-пульсных преобразователях и исследование компьютерных моделей ПЧ с АИН.

3 Разработка и исследование динамических свойств САР «ПЧ - электрическая цепь нефтескважины».

4 Результаты экспериментальных исследований и внедрения на нефтепромыслах установок прямого электронагрева.

Степень достоверности результатов проведенных исследований обеспечивается корректным использованием методов теории электрических цепей, преобразовательной техники, автоматического регулирования и подтверждается экспериментальными исследованиями, компьютерным моделированием и опытно-промышленной эксплуатацией установок прямого электронагрева на нефтепромыслах ОАО «Татнефть».

Новизна полученных результатов:

1 Предложена новая методика определения оптимальных электрических параметров ПЧ для прямого электронагрева нефтескважины, отличающаяся тем, что обосновывается частота выходного тока в диапазоне (1-2) Гц с учетом частотнозависимых параметров электрической цепи скважины и требований минимальной мощности и выходного напряжения установки электронагрева.

2 Предложены новый принцип построения и алгоритм широтного регулирования ПЧ с АИН низкой частоты, отличающиеся тем, что не требуется накопитель энергии (батарея конденсаторов) в звене постоянного тока.

3 Проведен анализ электромагнитных процессов и предложена новая методика расчета УР в полупроводниковых преобразователях на большие токи с 12-пульсными источниками напряжения, отличающаяся тем, что известные методики применимы только в системах с 6-пульсными источниками напряжения.

4 Разработана и исследована динамическая модель САР «ПЧ - электрическая цепь нефтескважины», отличающаяся тем, что учитывает электротепловые процессы в скважине.

Практическая значимость результатов, изложенных в диссертации:

1 Предложенная методика определения оптимальных электрических параметров ПЧ для прямого электронагрева нефтескважины позволяет сократить трудозатраты при проектировании и повысить качество и надежность установки электронагрева, а также обеспечить ресурсо- и энергосбережение при нефтедобыче.

2 Новый принцип построения и алгоритм широтного регулирования ПЧ с АИН без использования накопителя энергии в звене постоянного тока упрощают ПЧ и могут быть использованы при разработке преобразователей низкой частоты в различных отраслях промышленности.

3 Предложенная методика расчета УР в 12-пульсных схемах диодных и тиристорных мостовых полупроводниковых выпрямителей позволяет упростить разработку преобразователей на большие токи.

4 Разработанные автором автоматизированные установки прямого электронагрева нефтескважин на базе непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), защищенные тремя патентами РФ на изобретение, были успешно внедрены в опытно - промышленную

эксплуатацию на нефтепромыслах ОАО «Татнефть». Установки на основе предложенного ПЧ с АИН являются новым, более совершенным и перспективным техническим решением, ожидающим своего внедрения.

Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных автором

По теме диссертации автором опубликовано 14 научных трудов, из них 1 монография, 6 статей в научных изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 7 патентов РФ на изобретения, 2 патента РФ на полезную модель.

Основные положения и результаты работы были изложены на Международном симпозиуме «Энергосберегающие технологии добычи, транспортировки и переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых» (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы» (г. Альметьевск, 2001 г.), VII и VIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 2010 и 2012 г.г.).

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации

Автор разработал методику определения параметров ПЧ для установки прямого электронагрева, участвовал в создании более совершенных низкочастотных ПЧ на базе АИН и разработке инженерной методики расчета УР в полупроводниковых преобразователях на большие токи, выполнил компьютерное моделирование предложенного ПЧ с АИН низкой частоты без накопителя энергии, провел аналитическое исследование динамических свойств САР «ПЧ с АИН - электрическая цепь нефтескважины», принимал непосредственное участие в разработке и внедрении в опытно-промышленную эксплуатацию установок электронагрева.

Объем и структура диссертации

Диссертация объемом 151 с. состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 100 наименований и 4 приложений. Работа содержит 69 иллюстраций, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель диссертационной работы, формулируются задачи, решаемые в соответствии с этой целью, показаны методы их решения, представлены основные положения, выносимые на защиту, рассмотрены новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены сведения о полноте изложения материалов диссертации в работах, опубликованных соискателем, и личном участии автора в получении результатов, а также о структуре и объеме диссертации.

В первой главе рассмотрены достоинства и недостатки современных способов борьбы с АСПО в нефтескважине. Одним из наиболее эффективных является электронагревательный способ, который кроме своего основного назначения – депарафинизации, обеспечивает также снижение вязкости нефти, что уменьшает расход электроэнергии при ее откачке. В этой главе проводится обзор установок электрического нагрева для депарафинизации.

Прямой резистивный электронагрев (далее по тексту прямой электронагрев) по сравнению с другими методами электронагрева является универсальным, т.е. принципиально может работать со всеми способами подъема нефти. Метод заключается в том, что в скважине создается электрическая цепь, элементами которой являются колонна насосно-компрессорных труб (НКТ) и обсадная колонна (ОК), соединенные погружным электрическим контактом на глубине примерно на 30 метров ниже начала зоны парафиноотложения. При пропускании по цепи электрического тока происходит разогрев НКТ за счет выделения в ней активной мощности, при этом парафин размягчается и откачивается вместе с нефтью наверх. Межтрубное пространство должно быть свободным от проводящих флюидов, таких как соленая вода. В скважинах, в которых динамический уровень проводящей жидкости находится выше места установки погружного контакта, жидкость должна быть оттеснена дистиллятом или товарной нефтью ниже уровня контакта.

Внедрение установок прямого электронагрева нефтескважин обеспечивает:

- увеличение дебита скважины вследствие отсутствия отложений АСПО и уменьшения вязкости нефти;

- сохранение эксплуатационных качеств пласта нефти;

- экологическую безопасность при откачке нефти;

- очистку НКТ одновременно с подъемом нефти без остановки ШНУ;

- низкие эксплуатационные затраты на очистку по сравнению с другими методами;

- снижение общих расходов по обслуживанию скважины.

По сравнению с косвенным кабельным электронагревом прямой электронагрев имеет меньшую трудоемкость и себестоимость.

Прямой электронагрев нефтескважин для очистки от АСПО начал использоваться в США в двадцатых годах прошлого века. Современным примером промышленного применения прямого электронагрева является установка «Paratrol» с выходной частотой тока 60 Гц фирмы «Production Technologies International Incorporation». В СССР прямой электронагрев для депарафинизации подъемных труб в нефтяных скважинах был впервые применен в 1934 г. на бакинских промыслах. Широко применялся в 1943–1948 г.г. прямой электронагрев на острове Сахалин для очистки скважин с сильнопарафинистой нефтью. Объективные условия (значительные расстояния между скважинами, слаборазвитые и маломощные промысловые электросети, низкая квалификация персонала) не позволили в то время широко внедрить этот метод в СССР.

Схему замещения электрической цепи нефтескважины с распределенными параметрами можно привести к простой электрической цепи с последовательно соединенными активным сопротивлением Rскв и индуктивным сопротивлением Xскв:

; ,

где - циклическая частота тока в электрической цепи, = 2fскв, fскв – частота тока в электрической цепи; Lскв – индуктивность электрической цепи. Величины R, X, L зависят от частоты и величины тока, а также от глубины установки погружного контакта. В коаксиальном стальном трубопроводе «НКТ-ОК» прохождение переменного тока сопровождается поверхностным эффектом и эффектом близости.

Полное сопротивление электрической цепи скважины:

.

При скв 0 величина Zскв приближается к активному сопротивлению на постоянном токе Rскв(0), т. к. Zскв(0) = Rскв(0).

Полная мощность в электрической цепи скважины:

,

где: Pскв, Qскв – активная и реактивная мощности в скважине.

При скв 0 величина Sскв приближается к активной мощности на постоянном токе Pскв(0), а напряжение в электрической цепи нефтескважины Uскв при заданной Pскв также будет минимальным и близким к напряжению на постоянном токе:

.

Таким образом, с уменьшением выходной частоты преобразовательного устройства снижается напряжение, подводимое к электрической цепи скважины, уменьшается полная мощность силового трансформатора, увеличивается коэффициент мощности установки электронагрева. Снижение напряжения в устье скважины при уменьшении выходной частоты упрощает требования по электроизоляции к изоляторам-центраторам, устанавливаемым на НКТ, и повышает надежность работы установки.

Очевидно, что самым выгодным режимом по затратам электроэнергии является режим нагрева постоянным током. Однако в этом случае происходит ускоренная электрохимическая коррозия металла труб скважины. При одинаковой плотности тока скорость электрохимической коррозии металла на постоянном токе более чем в 16 раз превосходит скорость коррозии на частоте 1 Гц. Кроме того, при протекании через НКТ и ОК постоянного тока большой величины в межтрубном пространстве возможен электролиз воды с образованием гремучего газа и опасностью взрыва.

С 1994 по 2000 г.г. ОАО «ВНИИР» и ОАО «Татнефть» проводили совместные исследования по очистке скважин от АСПО методом прямого нагрева на низкой частоте выходного тока (1-4 Гц) и осуществляли опытно-промышленную эксплуатацию установок электронагрева и депарафинизации нефтескважин (УЭНДС) на основе НПЧ. Температура подогретой нефти в устье скважины составляет 17-40°С (в зависимости от режима нагрева и окружающей температуры) и достаточна для очистки НКТ от АСПО. Величина тока в электрической цепи составляет 400-500 А, что соответствует полезной мощности, выделяемой в НКТ, 40-50 кВт. Цикл очистки НКТ от парафина составляет 3-5 суток в месяц. Установки УЭНДС выполняются в передвижном и стационарном исполнении.

Обобщенная структура комплекса оборудования УЭНДС, состоящего из наземной и подземной частей, показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - УЭНДС с питанием от трехфазного трансформатора

Во второй главе определяются оптимальные электрические параметры ПЧ для прямого электронагрева нефтескважины с учетом частотнозависимых параметров электрической цепи скважины, требований минимизации полной мощности силового трансформатора установки электронагрева и минимизации выходного напряжения для повышения надежности электроизоляции электрической цепи скважины. Программа расчета параметров электрической цепи нефтескважины в зависимости от величины и частоты тока в электрической цепи, геометрических размеров НКТ и ОК, глубины установки погружного контакта приведена в приложении к диссертационной работе. Из расчетов следует, что для обеспечения требуемой для очистки от АСПО активной мощности в НКТ величина тока на частотах 1-4 Гц должна быть примерно в 2 раза больше, чем на частоте 50 Гц.

Однако при токах, соответствующих требуемой активной мощности в НКТ, на низких частотах по сравнению с частотой 50 Гц значительно ниже:

- напряжение в устье скважины Uскв (рисунок 2,а), что увеличивает надежность и электро- безопасность установки;

- полная мощность в скважине Sскв (рисунок 2,б), что уменьшает потребление электроэнергии.