автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование преобразователей частоты для установок электронагрева нефтескважин

005048097

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 - 2012

005048097

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 8 февраля 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 « » декабря 2012 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 электроцептробежными 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 асфальтосмолопарафиновьтх 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 (2070 %) 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 МАТНСАО и МАТЬАВ.

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 АПН 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 накопигеля 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 изложении материалов диссертации п 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 VIH 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 АНН 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 151с. 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 аэтора 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 элекгронагревз 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 элеюронагрев 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 электропагрев на острове Сахалин для очистки скважин с сильнодарафинистой 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 Дси> и индуктивным сопротивлением Хскв:

R^ = R^ + ; Ха, = Х„„ + Хт = fi>t„ • (¿„„ + £„„) = ■ , где i«CKJ - циклическая частота тока в электрической цепи, соса = 2я/<кв, /сы — частота тока в электрической цепи; /.скв - индуктивность электрической цепи. Величины R, X, L зависят от частоты и величипы 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:

(«с ) = )Р + К, , ' ¿ск„ (®с„ )Р •

При юсга —► 0 величина ZcltB приближается к активному сопротивлению на постоянном токе йси(0), т. к. Zcra(0) = R СКВ (0).

Полная мощность в электрической цепи скважины:

•<иО='Лп„(<у„,)Р + [&„kJf ,

где: /'сю, (2ска - активная и реактивная мощности в скважине.

При шсы> —> 0 величина SCKB приближается к активной мощности на постоянном токе _РСкв(0), а напряжение в электрической цепи нефтескважины Ucm при заданной Рт также будет минимальным и близким к напряжению на постоянном токе:

(О) = V/>cra(0) •*„,((>) •

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 опытио-промышлелную 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.

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 искв (рисунок 2,а), что увеличивает надежность и электробезопасность установки;

- полная мощность в скважине 5СИ (рисунок 2,6), что уменьшает потребление электроэнергии.

Согласно расчетам, по сравнению с частотой 50 Гц полная мощность в скважине на частотах 0,5 и 1 Гц снижается в 1,4 раза, а напряжение в устье скважины - в 2,8 раз. Оптимальный диапазон выходных частот ПЧ составляет (1-2) Гц, исходя из следующего:

- при частоте ниже 1 Гц параметры электрической цепи скважины остаются такими же или незначительно изменяются, но одновременно возрастает скорость электрохимической коррозии труб и увеличивается опасность электролиза в межтрубном пространстве;

- при частоте 2 Гц и выше увеличивается полная мощность вследствие возрастания потребляемой реактивной мощности, а также повышается напряжение в устье скважины, что уменьшает надежность и электробезопасность установки.

: ): :: 1 ■ ■р^-'Х"'-:

Г

1 ;

|

--

1

<!—— V. ' Ь Т 1 Г

1 г

» 15 30 21

Д) Цй'

-■

г мм

- - !ЖА. -.-«С* ■ - .КЕА -«НА.

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость напряжения ис„, в устье скважины (а) И ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ Ьскн в скважине (б) от величины и частоты тока в электрической цепи скважины при глубине погружного контакта 1000 м

Правильность аналитического расчета параметров электрической цепи нефтескважины была подтверждена на физической модели, выполненной в виде коаксиального трубопровода из отрезков НКТ и ОК дайной 3 м с наружными диаметрами 73 мм и 146 мм, внутренними диаметрами 62 и 127 мм соответственно, а также электрическими измерениями на американской установке «РагаЬго!» с выходной частотой 50 Гц на скважине № 8572 ОАО «Татнефть» с погружным контактом на глубине 800 м. При токе 245 А напряжение в устье нефтескважины составило 240 В, что совпадает с расчетом.

В третьей главе рассмотрены структуры регулирования установок электронагрева, вопросы построения силовой части, системы управления и компьютерного моделирования ПЧ, разработки инженерной методики расчета УР в ПЧ большой мощности.

Для автоматизации прямого электронагрева нефтескважин предложены следующие структуры регулирования:

1) одноконтурная структура с обратной связью по току ПЧ;

2) двухконтурная структура с обратными связями по току ПЧ и температуре откачиваемой нефти;

3) двухконтурная структура с обратными связями по току ПЧ и току электродвигателя откачивающего насоса или потребляемой им мощности.

. Недостатками первой структуры являются отсутствие автоматического контроля температуры выходящей из скважины нефти и излишний расход электроэнергии на нагрев из-за приближенной оценки качества очистки скважины. Недостаток второй структуры -косвенная и приближенная оценка качества очистки от АСПО и достижения необходимой

вязкости нефти по температуре выходящей из скважины нефти, которая зависит от места расположения датчика температуры, температуры окружающей среды, а также от состава и температуры плавления АСПО в конкретной скважине.

Последняя структура (рисунок 3) представляется наиболее рациональной и экономичной.

Рисунок 3 - Двухконтурная структура регулирования с обратными связями по току ПЧ и току электродвигателя откачивающего насоса

К входу регулятора тока подключается релейный элемент (К) с гистерезисной регулировочной характеристикой «вход-выход», вход которого соединен с выходом датчика нагрузки электродвигателя (ЭД) откачивающего насоса. Датчик нагрузки может быть выполнен в виде датчика тока или датчика мощности электродвигателя (на рисунке 3 показан датчик тока ДТ2 с выходным напряжением (Удгс). ПЧ включается и осуществляет электрзнагрев НКТ при возрастании нагрузки на электродвигатель насоса выше заданного, например, номинального значения и отключается при ее соответствующем снижении. Таким образом, предложенная структура регулирования обеспечивает:

- повышение качества очистки НКТ от парафина;

- снижение вязкости нефти;

- увеличение дебита нефтескважины за счет более качественной очистки НКТ;

- экономию электроэнергии при откачке нефти за счет оптимизации режимов включения и отключения ПЧ.

По патентной заявке № 20126332 от 22.06.2012 на полезную модель по данной структуре нами получено положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности от 20.08.2012.

Для согласования входных и выходных параметров, а также для гальванической развязки от питающей сети в УЭНДС применяется трехфазный силовой трансформатор.

Низковольтный вариант, при котором первичная обмотка трехфазного силового трансформатора УЭНДС подключается к вторичной обмотке скважинного трансформатора предпочтительнее с точки зрения удобства подсоединения, но при этом требуется достаточный запас типовой мощности скважинного трансформатора.

Использование однофазного трансформатора (как в установке «РаШго1») приводит к неравномерной загрузке питающей сета и ассиметрии в выходном напряжении скважинного трансформатора, что негативно отражается на работе скважинного асинхронного двигателя.

Применение высоковольтного трехфазного силового трансформатора УЭНДС с сопутствующим высоковольтным оборудованием (выключателем, разъединителем) удорожает установку и усложняет ее техническое обслуживание.

Реализация источника тока низкой частоты может быть выполнена двумя путями: на основе НПЧ или на основе ПЧ с использованием схемы «выпрямитель - автономный инвертор».

Мостовая схема, несмотря на вдвое большее количество тиристоров, имеет типовую мощность силового трансформатора в 1,3 раза меньшую по сравнению с нулевой схемой и поэтому более экономична для применения в НПЧ. Наилучший коэффициент использования мощности источника питания получается при прямоугольной форме тока, которую можно получить в НПЧ схемотехнически наиболее просто и с наименьшими искажениями. При равенстве действующих значений синусоидальной и прямоугольной формы токов амплитудное

значение синусоидальною тока в раз больше максимального тока прямоугольной формы. Следовательно, при заданном значении действующего тока максимальное напряжение НПЧ в -У2 раз меньше максимального синусоидального напряжения, что повышает надежность УЭНДС за счет уменьшения вероятности пробоя изоляторов на НКТ.

Существенным недостатком ПЧ на основе автономных инверторов является необходимость увеличения сглаживающего фильтра при снижении выходной частоты, что приводит к увеличению массо-габаритных показателей и стоимости установки. Это обусловлено большими величинами конденсаторов фильтра в АИН, необходимых при регулировании тока для приема выпрямителем реактивной энергии, запасенной в индуктивности нагрузки, а также конденсаторов и сглаживающего реактора в автономных инверторах тока (АНТ). Поэтому применение стандартных АИН и АИТ при низкой частоте/ большом токе нагрузки (до 500 А) и большой электромагнитной постоянной времени Т„ цепи, что характерно для нелинейной электрической цепи скважины, технически нецелесообразно. Например, емкость конденсаторов фильтра в стандартном однофазном мостовом АИН при широтном регулировании равна:

где и^ - среднее значение выпрямленного напряжения; Дис - допустимое повышение напряжения на конденсаторах фильтра; Т = И/ - период выходного напряжения; Тн = 1„ /Ля - постоянная времени цепи нагрузки. При /= 1 Гц (Г = 1 с), Д„ - 0,2 Ом, Г„ = 40 мс, Дис = 0,1 г/, получим:

что дает Сф = 620000 мкФ.

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) емкость в звене постоянного тока ПЧ также достаточно велика. По литературным источникам (например, фирма «Триол» и др.) при ШИМ с несушей частотой более 1 кГц емкость конденсаторов в звене постоянного тока рекомендуется выбирать из расчета (50-100) мкФ на 1 кВт активной мощности нагрузки для напряжения сети ¡7С = 380 В.

Новый принцип построения и алгоритм широтного регулирования ПЧ с АИН без использования накопителя энергии в звене постоянного тока предложены нами и защищены четырьмя патентами на изобретение и двумя патентами на полезную модель.

ПЧ (рисунки 4, 5) содержит выпрямитель (В) и АИН, выполненный на транзисторах ЮВТ УТ\... УТЛ и антипараллельных диодах УО1, У02. К выходу АИН подключается ^¿-нагрузка в виде электрической цепи скважины. Управление силовыми ключами осуществляется системой управления (СУ), содержащей генератор тактовых импульсов (ГТИ) с выходными противофазными тактовыми импульсами (ТИ1, ТИ2) с частотой/ управляющий орган (УО) и два идентичных канала управления (КУ1, КУ2), в каждом из которых имеются формирователь импульсов (ФИ1) с запускающим входом и формирователь импульсов (ФИ2) с двумя входами -запускающим и управляющим. Формирователь импульсов ФИ1 вырабатывает импульсы длительностью г,, формирователь импульсов ФИ2 - импульсы длительностью г,. Запускающие

•ф

входы ФИ1, ФИ2 в каждом КУ соединены между собой и подключены соответственно к первому и второму противофазным выходам ГТИ, выходы ФИ1, ФИ2 подсоединены к соответствующим входам силовых ключей, выход УО подключён к управляющим входам ФИ2 в каждом канале.

Рисунок 4 - Структурная схема предложенного ПЧ с АИН на транзисторах ЮВТ

Величина выходного напряжения АИН изменяется в функции управляющего сигнала £/у, определяющего длительность ц.

Действующее значение напряжения на нагрузке:

и.

и и = иж

где т2 - регулируемая длительность импульса ФИ2 в радианах; г2 = т2 / ж — относительная длительность импульса ФИ2. Активная мощность, выделяемая в нагрузке, равна

Я Я

При выходной частоте инвертора 1 Гц действующий ток нагрузки равен

К = 0,917

где 1та. - максимальное значение тока нагрузки на интервале (г2 -/[).

А1111 Г..............."п п

л а) с

| 4 ■ ■ £ у ; 4 V ^ V. .......+ V,

1 '•« у. 5 г. , ЛТ» ; , ( 6)

Г* . ж; * 1.Л., »г-» 5 :

1 13-1 1 П1 1 >тг ! 1Г4 | п>! ] 1 1« т пи т (ух го ш го т >

{¡№1 ИП « ! и) {

1 ! М 1

• ОЙ; КН ' 1 г

«т» ................ Г) г

1 1

(«иг'ку; \ !

а)

Рисунок 5 - Временные диаграммы предложенного ГГЧ с АИН на транзисторах ЮВТ

Форма тока в АИН близка к трапецеидальной. При равенстве действующих значений синусоидального тока и тока АИН амплитудное значение синусоидального тока в 0,917- Л = 1,3 раза больше максимального тока АПН. Отсюда следует, что при заданном значении действующего тока максимальное напряжение С/М1кс АИН в 1,3 раза меньше максимального синусоидального напряжения, что повышает надежность УЭНДС, т.к. уменьшается вероятность пробоя изоляторов на НКТ.

В качестве силовых элементов могут использоваться или только транзисторы ЮВТ, или по два транзистора КВТ и по два однооперационных тиристора. Система управления во всех вариантах предложенного ПЧ имеет свою специфику с сохранением общего принципа работы.

Применение НПЧ позволяет получать более широкий диапазон частот, т.к. в нем ток спадает значительно быстрее из-за наличия противо-ЭДС инвергорного режима. Однако в данном случае такой диапазон частот не требуется.

По сравнению с Н11Ч предложенный ПЧ с АИН имеет меньшее число управляемых силовых элементов, проще в наладке, имеет лучший cos q> и может быть рекомендован для применения в современных установках электронагрева и депарафинизации нефтескважин.

Теоретические расчеты 174 на основе АИН проверены с помощью компьютерного моделирования в среде Simulink-Matlab. В стандартном ПЧ отчетливо наблюдаются броски напряжения на нагрузке U„ и на выходе выпрямителя Ud при переключении транзисторов. Только при емкости фильтра 620000 мкФ превышение напряжения в нагрузке и на выходе выпрямителя составляет не более 0,1 Ud ■

Модель предложенного нами ПЧ на транзисторах IGBT без конденсатора в звене постоянного тока показана на рисунке 6. Временные диаграммы тока /н и напряжения Е/н нагрузки, а также напряжение на выходе выпрямителя Ud в предложенном ПЧ приведены на рисунке 7.

Рисунок 6 - Модель предложенного ПЧ на транзисторах 1GBT

Рисунок 7 - Временные диаграммы предложенного ПЧ

В установках электронагрева большой мощности для снижения искажений сети целесообразно применять мостовые 12-пульсные схемы выпрямления, выполненные на базе трехобмоточных трехфазных трансформаторов с соединением вторичных обмоток в звезду и треугольник, выходы которых подключаются к выпрямительным мостам, имеющим одинаковые линейные напряжения. При параллельном соединении выходов выпрямительных мостов через уравнительный реактор (УР) осуществляется удвоение тока в цепи нагрузки. Такое построение источника тока в установках электронагрева нефтескважин позволит обойтись без принудительного охлаждения силовых элементов, что важно для повышения надежности работы в полевых условиях. Для установок прямого электронагрева на базе НПЧ используются реверсивные управляемые выпрямители на тиристорах, для установок на базе Г1Ч с АИН могут применяться нереверсивные диодные выпрямители.

В общем случае задача может быть сведена к определению индуктивности УР при работе управляемого выпрямителя с углами регулирования 0 < а < 90 ° эл. Исходя из разработанной инженерной методики, можно рассчитать индуктивность УР при различных углах а при частоте сети 50 Гц:

и 25,7со5а1\ + Ш^а /-

Ь = к—а- [мГн], к=—--^--— = 0,082cosayl + 36tg-a ,

^УР 1т 314

где £/я - линейное напряжение на входе моста; 1упт - амплитуда основной гармоники уравнительного тока.

В четвертой главе рассмотрены и исследованы динамические свойства САР «преобразователь частоты - электрическая цепь нефтескважины (НС)» на основе функциональных схем (рисунок 8) и динамической модели (рисунок 9).

а) б)

Рисунок 8 - Функциональная схема САР с НПЧ (а) и с ПЧ на АИН (б)

ttrn у»

1............ îSVj

Г

W .Ш

Т7.....1 к-

mJp'} V

_______I i

K»t>r~

s zi

Рисунок 9 - Динамическая модель САР «НПЧ-электрическая цепь НС»

Полученные теоретические положения позволяют синтезировать САР на базе УВ (в режиме НПЧ) и электрической цепи нефтескважины с учетом электротепловых процессов в системе. JIA4X для НПЧ можно привести к характеристике «технического оптимума» с частотой среза ис = 1/Г0 и частотой сопряжения 2сос- В этом случае перерегулирование переходного процесса в контуре температуры при реакции на скачок входного воздействия составляет а = 4,3 %, время регулирования в «малом» tp~ 2,1/<ас.

По сущности регулирования САР на базе АИН отличается от САР на базе НПЧ только видом силового преобразователя и значением несущей частоты, на которой он работает. Основой преобразователя НПЧ является УВ, работающий от сети /0 = 50 Гц и имеющий период дискретности выходного тока нагрузки для трехфазной мостовой схемы (с пульсностью m = 6) Т = 1 / ш/о = 3,33 мс. В системе на базе АИН в качестве преобразователя используется система «выпрямитель - АИН» с принятой частотой коммутации выходного тока f2 ~ 1 Гц. Частота среза системы с АИН ограничивается значением сос < 1/2Г2 = 1 [рад/с], является максимально возможной и уточняется в соответствии с «разгонной» характеристикой при нагреве нефтескважины. Максимальная частота среза/с [Гц], соответствующая ю0: fc = 1/2я ~ 0,16 Гц.

В обоих вариантах САР обеспечена устойчивость. Система на базе НПЧ обладает более высоким быстродействием в контуре регулирования тока по сравнению с системой на основе АИН. Однако последняя проще, надежнее и экономичнее.

В пятой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований и внедрения УЭНДС в НГДУ «Актюбанефть» и «Азнакаевнефть» ОАО «Татнефть».

УЭНДС выполнены на основе трехфазного реверсивного тиристорного преобразователя типа ЭПУ1-2-4827, работающего в режиме НПЧ (1...4) Гц, и защищены тремя патентами на изобретение.

Основные узлы УЭНДС: силовой трансформатор Т, генератор частоты Г и гиристорный преобразователь ТП с силовым блоком СБ, системой управления СУ, регулятором тока РТ, регулятором температуры Рг, устройством зашиты УЗ, датчиком тока ДТ, датчиком температуры

задатчиком тока ЗТ. Генератор частоты Г вырабатывает задающие сигналы низкой частоты прямоугольной формы, которые через ЗТ поступают на вход РТ, Система регулирования замкнута по току ТП через ДТ. Регулятор РТ позволяет ограничить на заданном уровне величину максимального тока. Регулятор температуры Рг обеспечивает поддержание и ограничение температуры нефти на выходе скважины.

В 1994 г. стационарная УЭНДС была поставлена в опытную эксплуатацию в НГДУ «Актюбанефть» ОАО «Татнефть» на нефтескважгае № 18645. Достигнутая температура скважинной жидкости в устье скважины (+ 40 °С в летнее время при токе 350А) выше, чем в установке «Рага1го1».

Первая передвижная установка УЭНДС в 1996 г, была установлена на скважине № 18564 (рисунок 10). Установка смонтирована в конструктиве комплектной трансформаторной подстанции КТППН, состоящей из трех отсеков: отсека высоковольтного ввода с разъединителем и предохранителем, отсека с высоковольтным трансформатором и отсека со шкафом управления. При токе (300...400) А температура в устье НЬСТ в зависимости от времени года составляла +(17...28) "С, качество очистки хорошее.

Рисунок 10 - Передвижная установка УЭНДС на скважине № 18564

В 1997-1999 г.г. были изготовлены 8 установок УЭНДС и оснащены подземным оборудованием, разработанным ОАО «ВНИИР», 11 нефтескважин НГДУ «Азнакаевнефть» (М» 1842, 3765, 6032, 8342, 8343, 8374, 8436, 8572, 18565, 18692, 29019). В результате внедрения установок электронагрева на указанных скважинах значительно уменьшилось количество подземных ремонтов, повысился дебит скважин. По сравнению с американской установкой «Рага«-о1» УЭНДС имеет ряд таких преимуществ, как более высокие энергетические показатели, наличие автоматического регулирования тока и температуры нефти, уменьшенные затраты электроэнергии на процесс депарафинизации.

В 1999-2000 г.г. была разработана новая установка УЭНДС (рисунок 11), обеспечивающая возможность подключения через блок связи (БС) к системе телеметрического контроля работы нефгекачалок (СТК РНК), предназначенной для телеуправления нефтяных скважин с использованием ЛЭП напряжением 6 (10) кВ в качестве физических линий связи на расстояние до 30-40 км (рисунок 12). Станция управления контролируемого пункта (СУКИ) связывается с диспетчерским пунктом (ДП) через устройства присоединения (УПКП, УПЦ) и может управлять одновременно работой регулируемого электропривода станка-качалки нефти (РЭП СКН) и установкой УЭНДС.

В приложениях к диссертационной работе приведены основные характеристики специального подземного оборудования нефтескважины для прямого электронатрева, обобщенные результаты опытно-промышленной эксплуатации УЭНДС в ОАО «Татнефть», а также расчет экономической эффективности УЭНДС.

Рисунок 12 — Структурная схема СТК РНК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе выполненных исследований в диссертации получены следующие результаты:

1 Предложена новая методика определения оптимальных электрических параметров ПЧ для прямого электронагрева нефтескважины, учитывающая чаетотнозависимые параметры электрической цепи скважины. Обоснована частота выходного тока 114 в диапазоне (1-2) Гц, что обеспечивает по сравнению с частотой 50 Гц уменьшение мощности установки электронагрева в 1,4 раза и снижение напряжения в устье скважины в 2,8 раз.

2 Проведена разработка и исследование установок электронагрева нефтескважин на базе ПЧ. Предложены принципиально новые ПЧ низкой частоты на основе АИН, а также алгоритмы и системы управления ими. Технические решения защищены 7-ю патентами РФ на изобретение (№№ 2105866, 2109927, 2117135, 1Ш 2421870 С1, 1Ш 2438225 C1.RU 2444111 С1, ли 2461950 С1) и 2-мя патентами РФ на полезную модель (№№ 1Ш 98650 Ш, 1Ш 116288 Ш).

3 На основании анализа электромагнитных процессов в полупроводниковых преобразователях на большие токи с 12-пульсными источниками напряжения предложена новая методика расчета УР в этих преобразователях.

4 Проведены исследования динамической модели САР «ПЧ-электрическая цепь нефтескважины», учитывающей электротепловые процессы в скважине.

5 Предложена двухконтурная структура регулирования установки прямого электронагрева с обратными связями по току ПЧ и току электродвигателя откачивающего насоса или потребляемой им мощности. По патентной заявке № 20126332 на полезную модель по данной структуре получено положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности от 20.08.2012.

6 Результаты диссертационной работы использованы при опытно-промышленной эксплуатации установок прямого электронагрева на нефтепромыслах ОАО «Татнефть». Экспериментальные исследования подтверждают достоверность теоретических выводов, полученных в работе.

Публикации по основным положениям диссертации

Научная монография:

I Чаронов В.Я., Иванов А.Г., Михайлов В.В., Арзамасов В.Л., Музагитов М.М., Заикин В.А. Автоматизированная система электронагрева и депарафинизации нефтескважин / под ред. В. Я. Чаронова и А. Г. Иванова. Альметьевск: Изд-во ОАО «Татнефть», 1998. 93 с.

Публикации в научных изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ:

1 Чаронов В.Я., Музагитов М.М., Иванов А.Г., Горчаков В.В., Арзамасов B.JT., Михайлов

B.В. Проблема электронагрева нефтескважин при очистке их от отложений парафина // Электротехника. 1995. № 12. С.46-48.

2 Чаронов В.Я., Музагитов М.М., Иванов А.Г., Горчаков В.В., Гаврилов А.Н., Леонов Ю.К., Арзамасов В.Л., Михайлов В.В., Скворцов Ю.Г. Современная технология очистки нефтескважин от парафина // Нефтяное хозяйство. 1998. № 4. С.55-57.

3 Миронов Ю.М., Иванов А.Г., Арзамасов B.JT., Михайлов В.В. Оптимизация установок электронагрева для депарафинизации нефтескважин // Электричество. 2001. № 6. С.56-62.

4 Yu.M. Mironov, A.G. Ivanov, V.L. Aramasov, V.V. Mikhailov. Optimization of the parameters of electric heating installations for the deparaffination of oil wells // Electrical Technology Russia. 2001. №2. P.135-147.

5 Иванов А.Г., Арзамасов B.JI. Применение силовой электроники в установках депарафинизации нефтескважин // Электротехника. 2011. № 12. С.42-47.

6 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Электросиловые установки для электронагрева и депарафинизации нефтескважин // Электричество. 2012. № 4. С.28-33.

Публикации в других научных изданиях:

1 Иванов А.Г., Гаврилов А.Н., Леонов Ю.К., Арзамасов В.Л., Михайлов В.В., Чаронов В,Я., Евсеев А.Н. Разработки ОАО «ВНИИР» и АО «Татнефть» в области управляемого электронагрева нефтескважин и битумных пластов // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. Чебоксары, 2000. № 2. С.28-32.

2 Чаронов В.Я., Иванов А.Г., Арзамасов В.Л., Михайлов В.В. Электронагрев нефтескважин и битумных пластов // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы». Том 2. Альметьевск, 2001. С. 155-160.

3 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Определение параметров уравнительного реактора в 12-пульсных преобразователях // Силовая электроника. 2008. № 2. С.100-102.

4 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Инженерная методика расчета уравнительного реактора в 12-пульсных вентильных преобразователях для электропривода // Приводная техника. 2008, № 6.

C.37-41.

5 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Динамические электротепловые процессы в системе «НПЧ -электрическая цепь нефтескважины» // Материалы VII Всероссийской научно-технической конференции ИТЭЭ-2010 «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». Чебоксары, 2010. С.Ш-116.

6 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Динамические свойства САР с преобразователями частоты в установках электронагрсва нефтескважин // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции ИТЭЭ-2012 «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». Чебоксары, 2012. С.79-90.

7 Арзамасов В.Л., Сергеев А.Г. Моделирование низкочастотных АИН с различными алгоритмами управления // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции ИТЭЭ-2012 «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». Чебоксары, 2012. С.142-149.

Патенты РФ па изобретения и полезные модели:

1 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л., Михайлов В.В., Горчаков В В., Чаронов В.Я., Музагигов М.М. Устройство для электронагрева нефтескважины. Патент на изобретение № 2105866. Бюл. № 6, 1998.

2 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л ., Михайлов В.В ., Чаронов В.Я. Устройство для управления электронагрсвом нефтескважин. Патент на изобретение № 2109927. Бюл. № 12, 1998.

3 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л., Михайлов В.В., Чаронов В.Я. Устройство для электронагрева нефтескважины и очистки се от парафина. Патент на изобретение № 2117135. Бюл. № 22,1998.

4 Иванов А.Г ., Арзамасов В.Л . Автономный инвертор напряжения. Патент на полезную модель RU 98650 U1. Бюл. № 29, 2010.

5 Иванов А.Г ., Арзамасов В.Л . Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (варианты). Патент на изобретение RU 2421870 С1. Бюл. № 17,2011.

6 Иванов А.Г Арзамасов В.Л . Автономный инвертор напряжения ( варианты). Патент на изобретение RIJ 2438225 С1. Бюл. № 36, 2011.

7 Иванов А.Г ., Арзамасов В.Л . Однофазный инвертор напряжения ( варианты). Патент на изобретение RU 2444111 С1. Бюл. № 6, 2012.

8 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Автономный низкочастотный инвертор. Патент на полезную модель RU 116288 U1. Бюл. № 14,2012.

9 Иванов А.Г., Арзамасов В.Л. Низкочастотный преобразователь. Патент на изобретение RU 2461950 С1. Опубликовано 20.09.2012.

Подписано к печати 21.12.2012 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем I п.л.. Тираж 100 экз. Заказ № 902.

Отпечатано в типографии Чувашского госуниверситета. 428015, Чебоксары, Московский просп., 15

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством»

На правах рукописи

АРЗАМАСОВ ВЛАДИСЛАВ ЛЕОНИДОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОНАГРЕВА НЕФТЕСКВАЖИН

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Г**-

^ Диссертация на соискание ученой степени

со кандидата технических наук

Ю т; 00 8

ю

О я

СО Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Иванов А.Г.

Чебоксары - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................................. 4

ГЛАВА 1 ОБЗОР УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА НЕФТЕСКВАЖИН ДЛЯ ДЕПАРАФИНИЗАЦИИ

И СНИЖЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЕФТИ............................................................ 11

1.1 Основные способы депарафинизации нефтескважин............................ 11

1.2 Устройства косвенного электронагрева.................................................. 13

1.3 Устройства прямого электронагрева....................................................... 18

1.4 Выводы по главе 1..................................................................................... 28

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ НЕФТЕСКВАЖИНЫ

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ................................................................. 30

2.1 Аналитический расчет параметров электрической цепи нефтескважины.......................................................................................... 30

2.2 Физическое моделирование электрической цепи

нефтескважины.......................................................................................... 38

2.3 Выводы по главе 2..................................................................................... 40

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

ДЛЯ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОНАГРЕВА НЕФТЕСКВАЖИН................... 41

3.1 Анализ структур регулирования установок

электронагрева с преобразователями частоты............................ 41

3.2 Исследование принципов построения силовой части преобразователей частоты ............................................................ 45

3.3 Разработка системы управления преобразователя частоты

на основе АИН........................................................................................... 59

3.4 Компьютерное моделирование преобразователя частоты

на основе АИН........................................................................................... 70

3.5 Применение 12-пульсных схем выпрямления

в преобразователях частоты большой мощности................................... 74

3.6 Выводы по главе 3..................................................................................... 86

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

НЕФТЕСКВАЖИНЫ»...................................................................................... 87

4.1 Аналитическое исследование САР на основе

непосредственного преобразователя частоты......................................... 87

4.2 Аналитическое исследование САР на основе

преобразователя частоты с АИН............................................................ 97

4.3 Выводы по главе 4...................................................................................... 101

ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ УСТАНОВОК

ЭЛЕКТРОНАГРЕВА НЕФТЕСКВАЖИН

НА БАЗЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ.............................................. 102

5.1 Особенности построения и результаты внедрения

опытных образцов установок на нефтепромыслах Татарстана..........................102

5.2 Выводы по главе 5............................................................................................................................................................................110

Заключение................................................................................................................................................................................................................111

Литература..................................................................................................................................................................................................................113

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Специальное подземное оборудование

нефтескважины..................................................................... 122

Приложение Б Программа расчета параметров

электрической цепи нефтескважины....................................................................126

Приложение В Обобщенные результаты опытно-промышленной

эксплуатации УЭНДС в ОАО «Татнефть»....................................138

Приложение Г Расчет экономической эффективности УЭНДС................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Подавляющее большинство российских нефтескважин (87 %) 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), в состав которых входят штанговый глубинный насос и станок-качалка с электроприводом или штанговый винтовой насос и наземный электропривод с редуктором. На долю ШНУ приходится 60 % нефтескважин в России, с их помощью добывается приблизительно 20 % нефти. Такое широкое распространение штанговых установок объясняется тем, что этот способ является наиболее экономичным и гибким в отношении регулирования отбора жидкости [57].

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, содержание которых изменяется по массе от 20 до 70 %, и асфальтосмолистые соединения - от 20 до 40 % (по массе) [59].

Состав АСПО зависит от состава нефти и термодинамических условий, при которых формируются отложения. Интенсивность образования парафиновых отложений на поверхностях оборудования скважин в значительной степени зависит от динамических параметров газожидкостного потока, процентного содержания в нефти воды и механических примесей. Основными условиями, способствующими парафинообразованию, являются снижение давления, температуры и разгазирование нефти.

Большой вклад в исследование механизмов образования и способов борьбы с АСПО внесли советские и российские ученые Галонский П.П., Гуськова И.А., Каплан JI.C., Ковригин J1.A., Люшин С.Ф., Мехтиев Ш.Ф., Мирзаджанзаде А.Х., Мищенко И.Т., Непримеров H.H., Персиянцев М.Н., Репин H.H., Рогачев М.К., Тронов В.П., Шайдаков В.В., Хабибуллин З.А. и многие другие.

В настоящее время эксплуатационные расходы на электроэнергию и обслуживание энергетического комплекса в стоимости нефти доходят до 4550 % [57]. Острота проблемы парафинизации технологического оборудования подтверждается на примере ОАО "Татнефть", где различными методами борьбы с АСПО охвачено около 11 тысяч скважин, что составляет почти половину действующих нефтескважин. При этом до 40 % дорогостоящих ПРС выполняется вследствие запарафинирования НКТ [81].

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

Активное участие во внедрении в ОАО «Татнефть» в 1993-2000 г.г. прямого электронагрева нефтескважин принимали главный инженер ОАО «Татнефть» Тахаутдинов Ш.Ф., главный энергетик ОАО «Татнефть» Чаронов В.Я., сотрудники НГДУ «Азнакаевнефть» Заикин В.А., РНУ «СНЭРС» Музагитов М.М., сотрудники ОАО «ВНИИР» Иванов А.Г., Гаврилов А.Н., Леонов Ю.К., Михайлов В.В., Скворцов Ю.Г.

Развитие рынка оборудования для депарафинизации нефтегазовых скважин и трубопроводов (по итогам маркетингового исследования, выполненного московским аналитическим Агенством «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 нефтескважин 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 МАТНСАР и МАТЪАВ.

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.

ГЛАВА 1 ОБЗОР УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА НЕФТЕСКВАЖИН ДЛЯ ДЕПАРАФИНИЗАЦИИ И СНИЖЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЕФТИ

1.1 Основные способы депарафинизацни нефтескважин

В настоящее время известно множество способов предотвращения и удаления из скважин АСПО, основными из которых являются: химический, паротепловой, механический, футеровочный, магнитный, акустический, электронагревательный.

Наиболее распространен химический способ предотвращения отложений парафина с применением ингибиторов и химических реагентов. На практике часто химический способ удаления парафиновых отложений применяется в сочетании с паротепловым и механическим. Большинство импортных и отечественных химических реагентов помимо предотвращения и удаления АСПО способствует также предупреждению образования или разрушению устойчивых водонефтяных эмульсий.

Паротепловой способ представляет собой периодическую обработку скважины паром, горячей нефтью или водой с добавкой или без добавки поверхностно-активных веществ, деэмульгаторов или ингибиторов.

Недостатками химического и паротеплового способов являются необходимость большой частоты промывок (до 6 и более промывок на одной скважине в год), высокие затраты на очистку, несовместимость с эксплуатационным режимом и экологическое загрязнение окружающей среды в окрестности скважины.

При механическом способе очистка НКТ от парафина осуществляется при помощи пластмассовых скребков, приваренных к насосным штангам, и штанго вращателя. Основны�