CC BY
58
ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ
О.В. Хвощан, Ю.И. Курашко, В.В. Литвинов
К ВОПРОСУ УМЕНЬШЕНИЯ МАССОГАБАРИТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-А, г. Николаев, 54018, Украина, iipt a iipt.com.Ha
Введение
Электрогидроимпульсные технологии достаточно широко используются в различных отраслях промышленности как Украины, так и других стран ближнего и дальнего зарубежья благодаря гибкости регулирования энергосиловых характеристик, концентрированному мощному воздействию на объект обработки, экологичности и достаточно высокой эффективности [1]. Одно из направлений, интенсивно развивающихся в последние годы вследствие острого дефицита энергоресурсов, - применение электрогидравлического эффекта для интенсификации притока нефти, газа, воды в скважины. Особенностью разработанных и действующих в настоящее время электроразрядных установок, базирующихся на использовании этого эффекта, является необходимость применения многоступенчатого преобразования энергии, что обусловлено, с одной стороны, удаленным расположением объекта обработки (призабойной зоны пласта) от источника питания, с другой - крайне ограниченным рабочим пространством скважины. Такие установки представляют собой электротехнический комплекс, состоящий из наземной части (источника питания), погружной части, располагающейся в зоне обработки при проведении ремонтных работ, и соединяющего их кабеля [2-5].
Обоснование и постановка задачи
Анализ литературных источников, патентных исследований, представленной на web-ресурсах информации показал наличие ряда разработок, касающихся создания электроразрядного погружного оборудования. Так, в нефтедобывающей отрасли широко используются разработки Института импульсных процессов и технологий (ИИПТ) НАН Украины (устройства «Скиф-100») [3] и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова (г. Санкт-Петербург, Россия), передавшего права на изготовление и распространение электрогидроимпульсных установок «Приток-1М» компании NOVAS Energy Services (г.Москва, Россия) [4]. Следует также отметить некоторые сведения о присутствии на рынке нефтедобычи объединения БИНАР и общества с ограниченной ответственностью «Геокарт» (г. Саров, Россия), предлагающих скважинный электрогидравлический источник ЭГИС-5 для интенсификации добычи нефти и газа и ведения детальной сейсморазведки [5]. Сравнительные характеристики выпускающихся в настоящее время электроразрядных установок для увеличения притока нефти в скважины приведены в табл. 1 (блок-схема дана на рис. 1).
Наземная часть
380 В ~ 50 Гцс^
Выпрямитель
Фильтр
Инвертор напряжения
Р егулирующий тр анс ф орматор
С □ единительный кабель
Электродная система Разрядник Конденсатор Выс OK OB о льтный выпрямитель — Высоковольтный 7 трансформатор -
Погружная часть j
Рис. 1. Блок-схема погружной электроразрядной установки
© Хвощан О.В., Курашко Ю.И., Литвинов В.В., Электронная обработка материалов, № 4, С. 87-92.
Основным недостатком существующего в настоящее время оборудования являются высокие массогабаритные показатели погружной части комплекса (в частности, в устройстве «Скиф-100» длина составляет 6-7 м при весе порядка 170-180 кг) при низких удельных энергетических характеристиках.
Цель настоящей работы - разработка электроразрядного высоковольтного скважинного комплекса с уменьшенными массогабаритными показателями и улучшенными эксплуатационными свойствами.
Таблица 1. Сравнительные характеристики электроразрядных установок
Характеристики установки "Приток-1М" "Скиф-100" ЭГИС-5
Питание Сеть переменного тока, напряжение 220 В, частота 50 Гц
Потребляемая мощность, кВт/ч (не более) 1,0 2,0 Нет сведений
Запасаемая энергия, кДж 1,0 1,0 От 1,0 до 5,0
Зарядное напряжение, кВ от 2,5 до 3 30 35
Частота напряжения, передаваемого по кабелю, Гц 400 1000 Нет сведений
Частота разрядных импульсов, имп/мин 2 12 От 6 до 10
Габаритные размеры погружной части, мм: - диаметр, - длина в сборе 102 2740 102 6000 102 От 2700 до 7500
Рабочая температура, К (не более) 358 373 373
Гидростатическое давление, МПа (не более) 30 50 50
Методика и результаты исследований
Электроразрядный погружной комплекс состоит из трех основных частей: наземной (источника питания); погружной, опускаемой непосредственно в зону обработки; грузонесущего геофизического кабеля, соединяющего наземную часть комплекса с погружной. Специфика создаваемого устройства состоит в необходимости размещения погружаемого в скважину оборудования в крайне ограниченном объеме, определяемом диаметром скважины. Так, диаметр цилиндрического корпуса погружной части комплекса составляет величину порядка 0,1 м, что требует тщательного подхода к выбору конструкции, проектированию и расчету высоковольтных блоков установки.
С учетом низкого (1 кВ) значения рабочего напряжения геофизического кабеля целесообразно использовать зарядную схему с многоступенчатым преобразованием энергии при передаче по кабелю в погружную часть напряжения повышенной частоты, сочетающую высокую эффективность передачи энергии в емкостный накопитель при удовлетворительных габаритных размерах погружной части комплекса [6].
Принципиальная схема наземной части комплекса (силовой части источника питания) представлена на рис. 2. Источник работает от сети промышленного напряжения (380 В, 50 Гц). Выпрямитель, выполненный на диодах УБ1-УБ6, преобразует сетевое напряжение в постоянное 510 В, а инвертор напряжения на транзисторах УТ1-УТ4 формирует ток и напряжение повышенной частоты. Выходной трансформатор ТУ1 регулирует величину напряжения, передаваемого в погружную часть комплекса через соединительный трехжильный геофизический кабель длиной до 5 км.
В Ф ин
Погружная часть зарядного контура - зарядный блок - содержит высоковольтный трансформатор и выпрямитель, выполненный по несимметричной схеме удвоения (рис. 3).
Проведенные исследования [7, 8] позволили определить оптимальные схему и параметры зарядной цепи погружного электроразрядного устройства. Определение оптимальных параметров производилось с использованием программы расчета переходных процессов Р8рюе (погрешность 0,1 %). Соединительной линией был выбран достаточно часто встречающийся в эксплуатации геофизический кабель КГ3-60-90 ГОСТ 6020-82 [9] с параметрами: Дж=28,5 Ом/км, ¿о=3,1-10-3 Ф/км, С0=0,102-10-6 Ф/км. Кабель представлен в виде цепной схемы замещения, состоящей из десяти Т-образных звеньев (погрешность представления не превышает 0,1%).
Рис. 3. Принципиальная схема зарядного блока
Согласно [7] наивысшие значения КПД передачи энергии в накопитель достигаются при применении в качестве выпрямителя диодного моста, однако необходимость снижения коэффициента трансформации высоковольтного трансформатора погружной части устройств для уменьшения его габаритов приводит к желательному использованию схем удвоения напряжения, что на 10-50% снижает эффективность передачи в зависимости от частоты передачи энергии.
Для выбранной схемы теоретически были рассчитаны режимы в зарядной цепи (содержащей линию с распределенными параметрами), оптимизированные по передаваемой мощности и промежуточной частоте преобразования энергии [8]. Были найдены основные параметры элементов, определяющие оптимальный режим работы зарядного устройства высоковольтной погружной установки и позволяющие уменьшить массогабаритные показатели погружной части комплекса:
- промежуточная частота передаваемого напряжения (рис. 4), при которой отношение пиковой мощности, потребляемой комплексом, к средней мощности минимально - 3 кГц (увеличение частоты в 3 раза сравнительно с аналогом - устройством «Скиф-100» - наряду с применением современных сердечников из нанокристаллического железа в качестве магнитопровода высоковольтного трансформатора позволило уменьшить его габариты более чем в 3 раза);
- коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора - 36;
- емкость схемы удвоения - конденсатор КВИ-3 (470 пФ, 20 кВ);
- выходное напряжение регулирующего трансформатора - (350-750) В.
Рассчитанные параметры зарядной цепи погружного скважинного устройства позволяют производить заряд накопительной емкости 2,4-10-6 Ф до напряжения 3-104 В за 5 с (запасаемая накопителем энергия - 1 кДж, мощность заряда - 200 Вт).
1,4 1,3 1,2 1,1 1,0
0 1 2 3 4 5 6
Т, кГц
Рис. 4. Зависимость отношения пиковой мощности, потребляемой комплексом, к средней мощности от промежуточной частоты
Важным вопросом является определение температурного режима работы погружной части комплекса в целом и зарядного блока в частности. Теоретический анализ тепловых режимов работы
зарядного блока проводился с помощью программы для расчета различного рода физических полей Femlab 3.1, позволяющей, в частности, моделировать переходные характеристики и стационарную тепловую картину одно-, дву- и трехмерных конфигураций методом конечных элементов с достаточно высокой точностью.
Температурные поля были рассчитаны отдельно для каждого элемента зарядного блока: трансформатора и выпрямителя [10, 11]. Предварительно рассчитывались потери в элементах зарядного блока и выбиралась их конструкция (составлялись трехмерные модели). Наименьшей рабочей температурой обладает материал магнитопровода трансформатора (1200С). На рис. 5 изображено температурное поле трансформатора, откуда следует, что перегрев магнитопровода по отношению к температуре внешней среды при работе комплекса не превышает 10"С.
лТ ТГ
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_
0 0,02 0,04 0,06 0,08
Радиальный размер, м
Рис. 5. Температурное поле высоковольтного трансформатора
Было проведено экспериментальное измерение температуры в макете зарядного блока термодатчиками, размещенными на поверхности его элементов. На основании проведенных исследований был сделан вывод о возможности определения температурных полей в погружных установках с использованием программы Femlab при учете лишь механизма теплопроводности в блоках с малым объемом теплоизолирующей жидкости (трансформаторного масла, полиметилсилоксановой жидкости). При малых размерах тепловыделяющих элементов и значительном объеме теплоизолирующей жидкости следует учитывать конвективный теплообмен. С учетом сложных температурных условий функционирования погружной части зарядной цепи была выбрана элементная база зарядного блока с рабочей температурой от 393 К и выше. При этом погружная часть комплекса стабильно функционирует при температуре окружающей среды до 373 К.
Выполненные расчеты легли в основу создания нового малогабаритного электроразрядного погружного комплекса «Скиф-100М». Источник питания (наземная часть) комплекса и блоки его погружной части, размещенные в цилиндрическом стальном корпусе диаметром 0,102 м, изображены на рис. 6.
В табл. 2 представлены габаритные размеры отдельных модулей и удельная энергия (отношение запасаемой энергии к объему погружной части) разработанного электроразрядного погружного комплекса «Скиф-ЮОМ» и устройства «Скиф-100».
Рис. 6. Источник питания (наземная часть) и блоки погружной части электроразрядного погружного комплекса «Скиф-100М»
Модуль «Скиф-100» «Скиф-100М»
Количество, шт. Длина, м Удельная энергия, Дж/м3 Количество, шт. Длина, м Удельная энергия, Дж/м3
Зарядный блок 1 1,25 1 0,65
Конденсатор 3 1,15 1 1,65
Разрядник 1 0,7 1 0,7
Электродная система 1 0,35 1 0,35
Муфта 4 0,06 2 0,06
Всего 6,0 2-104 3,5 3,43-104
Разработанный и испытанный в лабораторных условиях зарядный блок имеет практически в 2 раза меньшие массогабаритные показатели сравнительно с предыдущей разработкой (устройством «Скиф-100»).
Комплекс содержит цилиндрический конденсатор с пленочным диэлектриком [12], неуправляемый разрядник, электродную систему «острие-плоскость» открытого либо закрытого типа [13].
Механическое и электрическое соединение грузонесущего кабеля и погружной части установки осуществляется посредством соединительной головки, а конденсатора с зарядным блоком и разрядником - при помощи муфт.
Таким образом, в результате проведенных исследований был разработан новый электроразрядный погружной комплекс с уменьшенной в 1,7 раза длиной погружной части сравнительно с аналогом предыдущего поколения и массой ~ 90 кг, что позволило повысить удельные энергетические характеристики комплекса и соответственно улучшить его эксплуатационные свойства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гулый Г.А. Научные основы разрядно-импульсных технологий / Г.А. Гулый. Киев: Наукова думка, 1990. 208 с.
2. Пат. 4345650 США, МКИ Е 21 В 43/25. Способ и устройство для электрогидравлической добычи нефти / Ричард Уэсли (США). - №139438; заявл. 11.04.80; опубл. 24.08.82.
3. А.с. 1694874 СССР, МКИ5 Е 21 В 43/25. Устройство для воздействия на призабойную зону скважины / С И. Заславский, Ю.И. Курашко, А.Н. Руденко (СССР). № 4721989; заявлено 20.07.89; опубл. 30.11.91. Бюл. № 44. 3 с.
4. Сайт компании НОВАС [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://novas-energy .ru.
5. Сайт компании БИНАР [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.binar.ru.
6. Пат. №33365 Украша, МПК (2006) Е 21 В 43/25, Н 03 К 3/53 (2008.01). Генератор iмпульсних струмiв заглибного свердловинного пристрою / Ю. Курашко, О. Хвощан, В. Литвинов (Украша) № u 2007 14484; заявлено 21.12.2007; опубл. 25.06.2008. Бюл. №12. 3 с.
7. Курашко Ю.И. Анализ схем зарядных цепей генераторов импульсных токов установок погружного типа / Ю.И. Курашко, О.В. Хвощан, И.С. Швец // Вюник Нацюнального техшчного ушверситету "Харювський полтехшчний шститут". Тематичний випуск "Електроенергетика i перетворююча тех-шка". 2006. №17. С. 127-137.
8. Щерба А.А. Оптимизация режимов в зарядных цепях высоковольтных электроразрядных погружных систем для электроимпульсной обработки нефтяных скважин / А.А. Щерба, О.В. Хвощан, Ю.И. Курашко, И.С. Швец, Н.Н. Климанский // Техшчна електродинамша. Тематичний випуск "Про-блеми сучасно! електротехшки ". 2006. Ч. 5. С. 98-101.
9. ГОСТ 6020-82. Кабели грузонесущие геофизические. М.: Изд-во стандартов, 1985. 5 с.
10. Хвощан О.В. Особенности анализа температурного режима работы погружных скважинных устройств / О.В. Хвощан, Ю.И. Курашко, В.В. Литвинов // Материалы XIII Международной научной школы-семинара «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах». Николаев, 2007. С.148-149.
11. Хвощан О.В. Оптимизация габаритных размеров высоковольтного трансформатора погружных электроразрядных устройств повышенной мощности / О.В. Хвощан, Ю.И. Курашко, В.В. Литвинов,
Ю.И. Мельхер // Вюник Нацiонального техшчного унiверситету "Харювський полiтехнiчний шсти-тут". Тематичний випуск "Техшка i електрофiзика високих напруг". 2007. № 34. С. 112-118.
12. Гребенников И.Ю. О повышении удельных энергетических характеристик и ресурса высоковольтных импульсных конденсаторов / И.Ю. Гребенников, В.И. Гунько, А.Я. Дмитришин, Л.И. Онищенко, И.С. Швец // Электронная обработка материалов. Кишинев: Штиинца, 2004. № 5. С. 70-73.
13. Жекул В.Г. Электроразрядные погружные установки со стабилизированными рабочими параметрами / В.Г.Жекул, С.Г.Поклонов, И.С.Швец // Нефтяное хозяйство. 2006. № 2. С. 89-91.
Поступила 07.04.09
Summary
A new electro-bit submersible complex for treatment of oil-wells with diminished in 1,7 times sizes comparative with an operating industrial prototype («Skif-100») is developed.
