Патент на изобретение №2237807

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2237807 (13) C2
(51) МПК 7
E21B47/12, E21B47/06, F04D13/08
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 18.02.2011 – может прекратить свое действие

(21), (22) Заявка: 2002116660/03, 25.06.2002

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

25.06.2002

(43) Дата публикации заявки: 20.12.2003

(45) Опубликовано: 10.10.2004

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
ГРАЧЕВ Ю.В., ВАРЛАМОВ В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. – М.: Недра, 1968, с. 22-49, 291-297. SU 630409 А, 22.09.1978. RU 2099522 C1, 20.12.1997. SU 1652525 А1, 30.05.1991. SU 1101546 А, 07.07.1984. SU 402162 А, 19.02.1974. SU 1640389 А2, 07.04.1991. SU 1087082 A, 15.04.1984. GB 2352150 A, 17.01.2001.

Адрес для переписки:

618703, Пермская обл., Добрянский р-н, п. Полазна, а/я 25, ЗАО “Нефтяная электронная компания”

(72) Автор(ы):

Кузнецов П.А. (RU),
Сидоров В.В. (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Закрытое акционерное общество “Нефтяная электронная компания” (RU)

(54) СПОСОБ ПИТАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПОГРУЖНОГО БЛОКА СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УСТАНОВКИ ПОГРУЖНОГО НАСОСА И УСТАНОВКА ПОГРУЖНОГО НАСОСА (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Группа изобретений относится к эксплуатации скважин и может быть использована при измерении давления на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации электродвигателя погружного насоса. Осуществляют питание и передачу информации пропусканием по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле, при этом частота тока питания отличается от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз. Установка содержит электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор и высокочастоный генератор. В каждом блоке высокочастотный генератор соединен с первой обмоткой его разделительного трансформатора, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена с кабелем питания электродвигателя и подключена к двум фазам питания электродвигателя. Погружной блок установлен в головке электродвигателя и содержит цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации погружного насоса. Изобретение направлено на уменьшение габаритов погружного блока, его рациональное размещение в установке и подключение к кабелю питания. 3 н.п.ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к насосным установкам с электрическим приводом, работающим в погруженном состоянии, и может быть использована при измерении давления на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации электродвигателя.

Известен способ питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии установки погружного насоса переменным однофазным током, реализуемый при работе устройства для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса (авт. свид. SU №1652525, Мкл.5 Е 21 В 47/06, опубл. 1991 г.), предусматривающий передачу информации по кабелю токами, частота которых превышает промышленную частоту 50 Гц, например, в 500 раз.

При таком способе питания и передачи информации погружной блок системы телеметрии имеет большие диаметральные габариты (определяемые размерами трансформатора, рассчитанного на ток промышленной частоты). Большие габариты погружного блока приводят к необходимости его установки в герметичном корпусе и соединения его кабелем (длина составляет ~6 м) с узлом электропитания двигателя, что усложняет монтаж и эксплуатацию установки и снижает ее надежность из-за возможного нарушения контакта в соединении кабеля.

Известен также способ питания и передачи информации погружного блока, реализуемый скважинным устройством для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса (патент RU №2099522, Мкл.6 Е 21 В 47/06, опубл. 1997 г.). Для питания погружного блока используется переменный однофазный ток промышленной частоты 50 Гц. Для передачи информации используется сложный частотно модулированный сигнал, несущий одновременно информацию о текущих значениях давления на приеме насоса и температуры обмоток погружного электродвигателя, измеренных соответственно измерительными преобразователями давления и температуры.

Установка со скважинным устройством (патент RU №2099522, Мкл.6 Е 21 В 47/06, опубл. 1997 г.), принятая в качестве прототипа установки, заявляемой в п.2 формулы изобретения, содержит электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с кабелем питания электродвигателя.

Параллельное получение информации о текущих значениях давления и температуры и использование для передачи информации сложного частотно-модулированного сигнала повышает достоверность контроля давления и температуры и быстродействие системы.

Однако погружной блок системы телеметрии имеет также большие диаметральные габариты (определяемые размерами разделительного трансформатора, рассчитанного на питающее напряжение промышленной частоты 50 Гц). При монтаже погружной блок необходимо установить в герметичном корпусе и соединить кабелем (длина составляет ~ 6 м) с узлом электропитания двигателя, что усложняет монтаж и эксплуатацию установки и снижает ее надежность из-за увеличения длины установки и возможного нарушения контакта в соединении кабеля.

Для передачи информации погружной блок (разделительный трансформатор) подключен к тяжелодоступной нулевой точке статорной обмотки погружного электродвигателя, что также ухудшает условия его монтажа и эксплуатации.

Известна установка погружного электродвигателя с системой контроля температуры (авт. свид. SU №1101546, Мкл.3 Е 21 В 47/06, опубл. 1984 г.), содержащая передающее устройство – погружной блок, установленный в нижней части погружного электродвигателя и соединенный кабелем с узлом электропитания двигателя, к которому подключен кабель-токоподвод.

Необходимость установки погружного блока в герметичном корпусе увеличивает его габариты, а его соединение кабелем (длина составляет ~6 м) с узлом электропитания двигателя усложняет монтаж и эксплуатацию установки и снижает ее надежность из-за возможного нарушения контакта в соединении кабеля с узлом электропитания двигателя.

Известен способ питания и передачи информации датчика системы телеметрии установки погружного насоса (Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. – М.: Недра, 1968, с. 47-49), принятый в качестве прототипа способа и предусматривающий пропускание по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле.

Питание и передача информации погружного блока токами, частота которых определяется пределами, указанными выше, позволяет использовать в погружном блоке разделительный трансформатор и конденсатор с небольшими диаметральными размерами, что уменьшает габариты погружного блока.

Однако для реализации такого способа необходимо обеспечивать надежное разделение сигналов, что предъявляет высокие требования к входному фильтру.

Известна установка погружного насоса с системой телеметрии ИТУ-ДС, содержащая электродвигатель с головкой и систему телеметрии с погружным блоком (Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. – М.: Недра, 1968, с.291, рис. 169, 171). Погружной блок размещен в специальном герметичном корпусе, расположенном в корпусе электродвигателя.

Расположение погружного блока в специальном герметичном корпусе, расположенном в корпусе электродвигателя, повышает надежность эксплуатации за счет непосредственного соединения погружного блока с узлом электропитания двигателя.

Однако, как и в установке, описанной выше, погружной блок располагается в герметичном корпусе, что усложняет конструкцию за счет необходимости изготовления корпуса погружного блока и повышает габариты этого узла.

Наиболее близкой к заявляемой в 3-м пункте формулы и принятой в качестве прототипа является установка погружного насоса с системой телеметрии, содержащая электродвигатель и систему телеметрии с погружным блоком (втулочными трансформаторами), расположенным в головке электродвигателя.

В такой установке нет необходимости в герметичном корпусе для втулочного трансформатора.

Однако такая установка имеет ограниченные возможности, что объясняется ограниченными возможностями ее погружного блока – втулочных трансформаторов, кроме того, для датчика, расположенного отдельно, необходим герметичный корпус, что усложняет монтаж и эксплуатацию установки.

Задачей изобретения является создание способа питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии и установки погружного насоса с системой телеметрии, обеспечивающих улучшение условий монтажа и эксплуатации установки за счет уменьшения диаметральных габаритов погружного блока, его рационального размещения в установке и подключения к кабелю питания электродвигателя.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии установки погружного насоса пропусканием по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле, частота тока питания может отличаться от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз.

Выбранное соотношение частот токов питания и передачи информации обеспечивает надежное разделение сигналов, что снижает требования к входному фильтру.

Использование токов такой частоты позволяет обеспечить подключение погружного блока не к нулевой точке, а к двум фазам кабеля питания, что упрощает монтаж и эксплуатацию системы.

Поставленная задача решается также усовершенствованием установки погружного насоса, содержащей электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с кабелем питания электродвигателя, при этом погружной блок содержит высокочастотный генератор, соединенный с первой обмоткой его разделительного трансформатора.

Это усовершенствование заключается в том, что наземный блок снабжен высокочастотным генератором, соединенным с первой обмоткой его разделительного трансформатора, при этом вторичная обмотка каждого трансформатора подключена к двум фазам питания электродвигателя.

Снабжение наземного блока высокочастотным генератором, соединенным с первой обмоткой его разделительного трансформатора, и подключение при этом вторичной обмотки каждого трансформатора к двум фазам питания электродвигателя позволяет упростить монтаж установки, исключив необходимость подключения к труднодоступной нулевой точке.

Во втором варианте установки поставленная задача решается также за счет того, что в установке погружного насоса с системой телеметрии, содержащей электродвигатель и систему телеметрии с погружным блоком, расположенным в головке электродвигателя, погружной блок содержит цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного элктродвигателя и вибрации погружного насоса.

Выполнение погружного блока содержащим цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного элктродвигателя и вибрации погружного насоса позволяет расширить возможности погружного блока и все его элементы выполнить без герметичного корпуса, что уменьшает его размеры и упрощает изготовление, а также расположить погружной блок в непосредственной близости к узлу электропитания двигателя, расположенному в его головке.

Заявляемые способ и установки объединены единым изобретательским замыслом, так как совокупность их признаков позволяет улучшить условия монтажа и эксплуатации установки за счет уменьшения диаметральных габаритов погружного блока, его рационального размещения в установке и подключения к кабелю питания электродвигателя.

Предлагаемая группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная электрическая схема установки с системой телеметрии, на фиг.2 – установка (погружной блок 4 показан условно), на фиг.3 – головка электродвигателя с установленным погружным блоком.

Установка содержит погружной электродвигатель 1, соединенный кабелем 2 с системой телеметрии, в которую входит наземный блок 3 и погружной блок 4. В состав наземного блока 3 входит: разделительный конденсатор 5, разделительный трансформатор 6, разделительный дроссель 7, входной фильтр 8 и преобразователь сигнала 9, состоящий в приведенном варианте из преобразователя интерфейса 10 и цифрового программируемого арифметико-логического устройства 11, соединенный с входом управляемого высокочастотного генератора 12. Выход генератора 12 соединен с первой обмоткой разделительного трансформатора 6.

В состав погружного блока 4 входит: разделительный конденсатор 13, разделительный трансформатор 14, защитный стабилитрон 15, преобразователь интерфейса 16, цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 17, соединенное с высокочастотным генератором 18, датчик давления температуры, вибрации 19 и блок питания 20. Высокочастотный генератор 18 соединен с первой обмоткой разделительного трансформатора 14.

Погружной блок 4 установлен в головке 21 электродвигателя 1. Вторичные обмотки разделительных трансформаторов 6 и 14 подключены к двум фазам 22 и 23 питания электродвигателя 1. Погружной блок 4 связан с наземным блоком 3 линией питания и передачи сигнала, которыми служит кабель 2 (его жилы, подключенные к фазам 22 и 23).

При монтаже установки погружной блок 4 располагается в головке 21, соединяется электрически с узлом питания электродвигателя 1, и в собранном виде электродвигатель 1 с установленным в его головке 21 погружным блоком 4 опускается в скважину на требуемую глубину.

При работе установки подают питание на наземный блок 3, при этом цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 11 начинает плавно повышать выходное напряжение высокочастотного генератора 12 до появления сигнала от датчика 19 (данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации погружного электродвигателя 1). При появлении данных на входе цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 11 останавливает подъем напряжения и передает принятые данные в цифровой интерфейс к управляющей ЭВМ (не показаны). Высокочастотное напряжение питания, достаточное для устойчивой работы схемы от генератора 12 передается по кабелю 2 (фазам 22 и 23) на погружной блок 4 и, проходя через конденсатор 13 и разделительный трансформатор 14, подается на цифровое программируемое арифметико-логическое устройство 17. Устройство 17 выполняет опрос датчика 19 и передачу данных выработанным генератором 18 высокочастотным током через преобразователь интерфейса 16, разделительный трансформатор 14, разделительный конденсатор 13 к кабелю 2 (фазам 22 и 23). Так как погружной блок 4 установлен в головке 21 электродвигателя 1, полученный сигнал от погружного блока 4 непосредственно передается через узел электропитания двигателя 1 на кабель 2, по которому передается к наземному оборудованию 3.

Пример конкретного выполнения.

Питание погружного блока 4 системы телеметрии установки погружного насоса, расположенного на глубине порядка 3 км, осуществляли переменным током частотой 20 кГц, что превышает резонансную частоту электрической системы установки, которая составляет около 5 кГц, и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле (свыше 300 кГц). Передачу информации осуществляют токами, частота которых 200 кГц также находится в заданных пределах и отличается от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз, что обеспечило надежное разделение сигналов, снизило требования к входному фильтру 8.

Таким образом, обеспечивается питание и передача информации погружного блока 4 токами высокой частоты, что позволяет уменьшить габариты разделительного трансформатора 14, а следовательно, и погружного блока 4.

Использование предлагаемой группы изобретений позволило улучшить условия монтажа и эксплуатации установки за счет уменьшения диаметральных габаритов погружного блока 4 до 20 мм, его рационального размещения в головке 21 электродвигателя 1 и подключения к двум фазам питания электродвигателя 1.

Кроме того, погружной блок 4, установленный в головке 21, позволяет определить температуру самой теплонагруженной части электродвигателя 1.

Формула изобретения

1. Способ питания и передачи информации погружного блока системы телеметрии установки погружного насоса пропусканием по кабелю переменных токов, частота которых превышает резонансную частоту электрической системы установки и не превышает частоту затухания колебаний в кабеле, отличающийся тем, что частота тока питания отличается от частоты тока передачи информации не менее чем в 10 раз.

2. Установка погружного насоса, содержащая электродвигатель и систему телеметрии с погружным и наземным блоками, каждый из которых содержит разделительный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с кабелем питания электродвигателя, при этом погружной блок содержит высокочастотный генератор, соединенный с первой обмоткой его разделительного трансформатора, отличающаяся тем, что наземный блок снабжен высокочастотным генератором, соединенным с первой обмоткой его разделительного трансформатора, при этом вторичная обмотка каждого трансформатора подключена к двум фазам питания электродвигателя.

3. Установка погружного насоса с системой телеметрии, содержащая электродвигатель и систему телеметрии с погружным блоком, расположенным в головке электродвигателя, отличающаяся тем, что погружной блок содержит цифровое программируемое арифметико-логическое устройство, преобразователь интерфейса, высокочастотный генератор, блок питания и датчик данных о давлении на приеме насоса, температуры обмоток погружного электродвигателя и вибрации погружного насоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Categories: BD_2237000-2237999