用于井底设备的动力传送系统 |
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| 申请号 | CN200880022606.8 | 申请日 | 2008-05-02 | 公开(公告)号 | CN101784744B | 公开(公告)日 | 2014-06-11 |
| 申请人 | 活力恐龙有限公司; | 发明人 | C·诺伊豪斯; A·基妮格; R·德东科; | ||||
| 摘要 | 用于井孔中的井底设备的动 力 传送系统，包括位于地面上提供DC电力供应的电源和井底的DC/DC转换器，该转换器通过双 导线 电缆 连接到该电源，并以该DC 电压 供应作为输入，提供不同电压的输出DC供应，为该井底设备提供DC电力供应。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于井孔中的井底设备系统，包括动力传送系统，该动力传送系统包括位于地面上提供DC电力供给的电源和井底的DC/DC转换器，该井底的DC/DC转换器通过双导线电缆连接到电源上，还包括将第一电压DC电源转换成AC电源的转换器，还包括带有电机的井底设备，其位于井孔中并连接到动力传送系统上，其中，该动力传送系统以第二电压DC电力供给作为输入，提供不同电压的输出DC电力供给，为井底设备提供DC电力供给；所述第二电压高于第一电压；将第一电压DC电源转换成AC电源以操作电机。 |
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| 说明书全文 | 用于井底设备的动力传送系统技术领域背景技术[0002] 在油井应用中，存在许多井底利用电力操作进行向下打眼的设备。典型地以三相AC电流提供电力。然而，这可能导致某些限制。由于需要采用三导线电缆，长电缆的总重量可能非常大，从而导致电缆长度的有效上限因机械强度的限制仅为5-7km。这样的系统的最大操作电压受到限制于小于约5kV，这意味着如果需要高功率的话，将需要采用大的电流。 [0003] ESP众所周知用于从井孔中泵油。它们位于井底位置，并具有通过沿着井或井孔铺设的电缆从地面提供的电力。这样的系统可能出现的问题基于如下事实：典型地以AC形式提供电力，且大多数电力电子设备的控制是在地面上执行的，这意味着如果在泵中存在高的物理阻力的话(例如，由于粘性的油、堆积物的累积等)，ESP的启动不能得到有效控制，并潜在地导致电机的烧毁。为避免部分这些问题，先前提出采用DC电力供应。这样的例子可以在WO2005/111484、EP1316672和US5744877中找到。 [0004] SRM为需要采用电力源进行电机驱动的设备提供动力，这是众所周知的。它们的优点得到了很好的记载。已经提出将它们用于井底泵的地面驱动(例如参见CA2270017和CA2509180)。 [0005] 本发明的目的在于提供动力传送系统，其避免了与现有的AC系统相关的一些问题，并允许有效使用电机(例如SRM)驱动井底设备，例如ESP。本发明基于井底设备使用中压DC井底电源。 发明内容[0006] 本发明的第一方面提供一种用于井孔中的井底设备系统，包括动力传送系统，该动力传送系统包括位于地面上提供DC电力供给的电源和井底的DC/DC转换器，该转换器通过双导线电缆连接到电源上，并以DC电压供给作为输入，提供不同电压的输出DC电力供给，为井底设备提供DC电力供给；和包括电机的井底设备，(例如电潜泵(ESP))，其位于井孔中并连接到动力传送系统上。 [0007] 特别优选地，设置感应电机或开关磁阻电机(SRM)，用于驱动所述井底设备。 [0011] 本发明特别优选的一个实施例包括一系列电机模块，每个可操作地驱动所述井底设备。每个电机模块可以包括带有相关DC/AC转换器的转子和定子装置，所述转子连接到驱动轴上以驱动所述设备。设置单个DC/DC转换器用于所有的电机模块。DC导电条最好延伸穿过连接每个模块的所述电机。 [0012] 该模块化设计允许所述电机在电机部分之间铰接。最好在铰接头周围设置膜壳。 [0013] 如果需要，可以设置用于使每个转子在其相关定子中轴向移动的装置。 [0015] 本发明的第二方面提供一种对根据本发明第一方面的系统进行操作的方法，包括： [0016] 在井底DC/DC转换器的输出处设置低压DC电源； [0017] 将该低压DC电源转换为AC电源；和 [0018] 采用AC电源操作电机。 [0019] 该方法优选包括监控所述井底设备的一个或多个性能，例如其温度，并采用这些性能的值控制电机的操作，例如通过控制向电机提供的电流以使监控温度保持在预定限度内。 [0020] 系统的操作可以包括周期性地使电机的操作方向反向以清洗井底设备。另外，当设备不使用时，要求操作电机从而以非常低的速度操作该设备。这可以防止泵等的堵塞，并且通过合适的传感器，或者通过监控由电机吸收的电动负载，上述方法可以被用于确定被泵送流体的粘性。 [0021] 本发明的第三方面提供一种用于井孔中的井底设备的动力传送系统，其包括位于地面上提供DC电力供给(最好是中压供给)的电源和井底DC/DC转换器，该转换器通过双导线电缆连接到电源上，并以经由电缆提供的DC电压作为输入，提供不同电压的输出DC电力供给，用于提供给井底设备。 [0022] 该电缆可以是同轴电缆，或并行对(并排)，或绞合对。该电缆可以包含用于发送指令或控制目的附加电导管。其可以包含一个或多个附加的流动导管，用于向电机、控制系统和被驱设备传送绝缘和/或润滑油，以补偿泄漏损失。该电缆可以通过一层或多层由线股制成的护甲包围。在所述护甲中采用的线可以是钢、另一种金属、或人造纤维。在任意电缆中的护甲可以由许多不同的材料制成。 [0023] 在电缆中的导线可以是铜或钢、或铝、或其他导电材料。当导线由杨氏模量值与护甲的大致相同的材料制成时，所述导线有助于电缆的强度。所述电缆可以被用于在下放到井中时支撑电缆自重及悬挂在该电缆上的电机、电子设备和设备。如果需要，电缆可以被用于从井中回收设备。在某些情形下，当在井中操作设备时，设备可以支撑在井边上，并且在从井中回收该电机、电子设备和被驱设备时，电缆中的张力可能大于这些装置的总重，因为有不同的摩擦力作用于电缆、电机、电子设备和设备上。 [0024] 采用中压DC避免了使用重的三导线电缆提供AC到井底的需要。输出电压优选小于从地面供给的中压。 [0025] 所述中压DC电力供给典型地在10kV附近，所述低压电力供给典型地小于约1kV。 [0026] 电源包括提供低压AC供给的三相电源和AC/DC转换器，该转换器以低压AC供给作为输入并输出中压DC供给。 [0027] 所述DC/DC转换器可以包括一系列在输入端串联连接且在输出端并联连接的DC/DC转换器模块。在一个实施例中，每个模块具有约400V的输入电压和约700-800V的输出电压。每个模块可以包括单相主动桥，其包括输入反相器部分、变压器部分和输出整流器部分。所述输入反相器部分和输出整流器部分优选分别包括输入和输出电容以消除电流脉动。作为主动桥的替代，可以采用谐振转换器或者三相拓扑。附图说明 [0028] 图1表示根据本发明一个实施例的动力传送系统的示意图； [0029] 图2表示用于如图1所示系统中的模块化DC/DC转换器的示意图； [0030] 图3表示用于如图2所示转换器的DC/DC转换器模块的电路拓扑图； [0031] 图4表示为AC感应设备供电的井底系统的结构图； [0032] 图5表示采用了SRM的根据本发明实施例的系统； [0033] 图6表示三相开关磁阻电机的横截面图； [0034] 图7-9表示非对称半桥转换器的开关状态； [0035] 图10表示用于SRM的非对称半桥转换器；和 [0036] 图11表示包含ESP的本发明的实施例。 具体实施方式[0037] 图1示意性地表示了根据本发明实施例的传送系统是如何构造的。三相电源10设置在井孔(未示出)的地面上。其将典型地提供50Hz约400V的低压AC供给。AC/DC转换器12被用于将其转换为10kV的中压DC传送供给。后者可以通过单相双导线电缆14通到井底。该相对较高的传送电压(10kV)意味着可以使用相应较低的电流以满足井底功率需要，这进而导致沿电缆有较低的功率损失。这样，可以采用相对较轻、较小的电缆用于传送，避免了三相AC系统的一些物理限制。 [0038] DC/DC转换器16在井底位于电缆14的端部。该转换器的目的在于将电缆上10kV的中压DC供应转换为能够供井底设备18使用的电平。在本例中，该DC/DC转换器16将电压降到800V。为实现该降压，模块化的结构被用于转换器，如图2所示。设置一系列转换器模块16a、16b、…、16n。这些模块的输入一起串联连接到电缆14的输出上。这些模块的输出并联连接到负载(井底设备，典型地为ESP)18上。每个模块16a、16b、…、16n将400V的输入电压转换为800V的输出电压。从而，通过串联连接25个模块的输入，10kV的输入电源得到处理(25×400V＝10kV)。这些模块输出处的串联连接确保可以保持800V的电平。 [0039] 每个转换器模块16a、16b、…、16n具有称为“单相主动桥”的拓扑结构。基本的电路拓扑如图3所示，包括输入电容20、由四个MOSFET设备组成的反相器部分22、变压器24、由四个二极管组成的输出整流器和输出电容28。反相器部分22在变压器24的输入处产生矩形AC电压。该电压通过变压器24(线圈比＝1/2)升压并在输出处通过整流器26整流。输入和输出电容20、28用于平稳电压并减小电流脉动。 [0040] 转换器16的输出提供低压DC，本发明实施例利用其为AC井底设备供电，如图4所示。转换器16的输出被提供给DC/AC转换器30，后者进而提供AC低压输出(例如在400V-600V附近)，以用于感应动力设备。 [0041] 本发明的另一实施例将来自转换器16的输出提供给由开关磁阻电机(SRM)提供动力的设备。SRM具有许多众所周知的优点。然而，到目前为止，它们在井底的应用还是未知。图5表示使用SRM的根据本发明实施例的系统的构造。在本例中，DC/DC转换器16的输出被提供给低压SRM转换器34，后者用于为SRM供电以为ESP提供动力。图6表示三相开关磁阻电机的横截面图，包括四个凸角转子38，安装用于在六个凸角的定子40中进行旋转。定子40的每个凸角具有电线圈42，相对的凸角A、A’；B、B’和C、C’串联互联以限定出三个电机相。为一组相对的凸角提供能量引起转子旋转，直至转子的一对凸角与得到供能的凸角对齐，使得转子和定子中的磁通量具有最小的磁阻(磁阻＝在磁路中的磁阻抗)。图6表示转子38处于与相C、C’对齐，为由白线44指示的磁路提供能量。向其他凸角对顺序开关增能随后导致转子38在移动到使其凸角与定子40得到供能的那些凸角对对齐时旋转，以减小磁阻。从图6的位置，向凸角A、A’然后向B、B’开关增能将引起转子逆时针方向旋转。通过选择转子和定子上适当数目的凸角，可以获得一定的冗余，从而即使一对凸角失效时也可以继续操作。 [0043] 温度控制可能在井底应用中是个问题。为此，可以在线圈内设置冷却通道。另外，转子38的轴46可以是空心的，其中的中心通道48允许冷却流体的流通。 [0044] 不同的开关技术可以用于SRM。由于产生的转矩独立于电流方向，因此可以采用简单的技术，非对称半桥转换器是优选的。图7-9表示非对称半桥转换器的开关状态。图7和9的开关状态允许SRM的一相磁化和去磁。在图8的开关状态，一相被短路。可以采用这些开关状态进行磁滞流控。 [0045] 表1表示非对称半桥的激发状态(1＝设备传导电流，0＝设备为零电流)。 [0046] 表一 [0047]开关状 性能 T0 Tu D0 Du Uph 态 图7 磁化 1 1 0 0 Udc 图8 惯性转动 0 1 0 1 0 (相短路) 1 0 1 0 0 图9 去磁 0 0 1 1 -Udc [0048] 图10表示用于SRM的非对称半桥转换器。可以看到，转换器相是互相解耦和字面独立的。如果转换器的一相有错误，SRM可以暂时地在剩余相上降级操作而无需关闭整个系统。 [0049] 图11表示包括ESP的本发明的实施例。该实施例包括模块化DC/DC转换器50，后者包括多个转换器模块52(参见图2和3)。该转换器50为模块化电机部分54供电，后者包括两个SRM 56a、56b，它们安装在共同轴60上的轴承58中。每个SRM 56a、56b具有带合适的开关电子设备的相应低压SRM DC/AC转换器62a、62b，以驱动SRM。轴60直接驱动ESP 64而无需任何齿轮箱(如果必要，可以提供一个，这取决于ESP和SRM的操作性能)。 [0050] 电机部分54的模块化属性允许在轴中SRM 56a、56b之间设置铰接接头，这意味着整个布置可以位于曲折的井孔中。这样的接头可以具有膜壳，以允许挠曲，同时保持系统内与井孔环境隔离。 [0051] 尽管在图11中显示了两个SRM，但是该数目可以根据ESP 64的动力需要和单个SRM 56的额定功率而进行选择。当具有多个电机模块时，可以提供DC导电条，以沿着通道行进在模块中并将阵列连接在一起。 [0052] 由于SRM控制器62位于靠近相应的SRM 56的地方，所以可以对SRM的操作施加更精确的控制。例如，当ESP启动并受到高阻力时，能够精确地控制起始过程从而限制可能发生的过热量。在一个实施例中，该系统可以包括温度传感器，其可以将数据反馈到SRM控制器中以限制电流，进而限制过热和潜在的烧毁。 [0053] 为确保可靠性，热管理可能是重要的。电气元件最好容纳在耐压耐温壳中，并且可以填充有流体冷却剂，该冷却剂可以流通以防止热累积。该冷却剂还可以布置成在转子和定子的冷却通道中流通，并通过SRM轴的中心。 [0054] 由于通过使用SRM提供控制角度，因此可以采用非标准的操作模式。例如，当泵没有主动泵送井中流体时，其可以以非常低的速度(怠速)旋转。这样具有的优点是减小阻塞或泵腔中固体积累的可能性，后者可能阻碍或阻止泵的重启。通过描述泵的速度和动力消耗，并知晓其尺寸，可以说明其在低速下的动力消耗，以确定井中流体的粘性。另外，泵的操作方向有时可以反转以清除堵塞。 [0055] 还可以将SRM的转子布置为在定子中可轴向移动以适应操作或安装需要，因为定子实质上是被动的，不具有操作所需的配线。 [0056] 在本发明范围内可以进行其他改变。例如，可以采用除SRM以外的电机。一种优选的形式是感应(鼠笼式)电机。另一种是永磁体电机。这样的电机可以使用上述技术的改编而操作。也可以采用稍微高于马达额定电压的电缆电压，而无需DC/DC变压器。 [0058] 在上述的实施例中，冷却流体流通通过电机。然而，流通导管，例如静止的非旋转管或者流通导管，可以放置在转子中心内，冷却流体在位于转子和管道之间的环面中流通，从而减小密封问题。管道可以被用于允许流体流过电机的中心。例如，在生产井中，生成的流体可以流过转子的中心；在注入井中，注入的流体可以流过转子的中心；在采用井底隔离的情形下，注入和生成的流体可以流过转子的中心；在直接流通钻进中(钻进流体向下泵入中心，切削和钻进流体向上泵回环面)，钻进流体(气体或液体或混合)可以向下流过转子；而在反向流通钻进中，钻进流体和钻屑可以向上流过转子。 [0060] 由于冷却润滑流体会泄漏到井中，尤其是通过包围旋转驱动轴的密封，因此存储器可以构建在电机电子设备壳体中用于容纳多余的流体，以补偿这样的泄漏。该存储器可以是皮囊或活塞，其承受井压中，该皮囊或活塞设计为相对于井中的压力在壳体中维持一个微小的过压。流通风扇或泵可以用于提供这样的过压。在一些情形下，来自地面或井中其他地方的充满流体的管路可以用于供给另外的流体，以补偿这样的泄漏。 [0061] 其他改变将是显而易见的。 |
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