Электроснабжение электротехнического комплекса с забойными электротепловыми генераторами для добычи высоковязкой нефти
Зырин Вячеслав Олегович,
кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Россия занимает лидирующее место в мире по объему добычи нефти, что является гарантией энергетической безопасности страны, позволяет удовлетворять как внутренние потребности страны в углеводородном сырье, так и осуществлять импорт ресурса в другие страны.
Добыча нефти в России в 2012 году составила 256,1 млн.т [1]. Удержание темпа добычи на таком уровне является достаточно трудной задачей, обусловленной рядом причин. Увеличение глубины залегания пластов, ухудшение коллекторов, усложнение геологического строения является следствием тенденции добывающих предприятий России к разработке крупных месторождений с лучшими запасами. Месторождения со сложными геологическими условиями или с тяжелой нефтью считаются нерентабельными и разрабатываются в последнюю очередь.
Дальнейший рост производительности месторождений и стабилизация добычи невозможны без решения основной задачи – увеличения нефтеотдачи пластов, в особенности с высоковязкой и тяжелой нефтью. Огромным ресурсом для повышения уровня нефтедобычи является фонд месторождений высоковязкой нефти, малорентабельных малых и мельчайших месторождений, месторождений с трудноизвлекаемыми запасами.
В Горном университете разработаны и запатентованы различные конструкции забойных электропарогенераторов и нагревателей [3], мощностью до 2 МВт, на основе которых создан уникальный электротермический комплекс, позволяющий производить паротепловую обработку призабойных скважин, а также использоваться для гидроразрыва пласта и осуществлять технологии: импульсно-дозированного теплового воздействия, пароциклического воздействия, воздействия горячей водой.
Рассмотрим электроснабжение комплекса. На расчётной схеме (рис. 1) показан куст добычных скважин 1-6, в центре которого размещена нагнетательная скважина 7. Такая семиточечная система разработки применяется при добыче тяжёлой нефти на Усинском месторождении. Силовой трансформатор мощностью 10-16 МВА и напряжением 35–110/6–10 кВ с обмотками, соединёнными по схеме звезда/звезда с заземлённой нейтралью вторичной обмотки, по воздушным линиям питает электроэнергией куст скважин 1-6. Высоковольтное и низковольтное электрооборудование (рис. 2) размещено в передвижных контейнерах K1-K6.
Воздушные линии выполнены изолированными проводами, установленными на деревянных переносных опорах с полиэтиленовыми изоляторами. Такие опоры широко применяются на открытых горных работах и позволяют сооружать по нескольку километров линий электропередач в день при малых трудовых затратах. Скважинные электротермические устройства (ЭПГ, СЭН) получают питание по схеме «фаза – 3 жилы погружной линии параллельно – НКТ, обсадная колонна-нейтраль». Такие системы широко применяются для электроснабжения специальных установок (электрифицированные железные дороги, где по этой схеме питаются электровозы напряжением 3 кВ на постоянном токе и 25 кВ – на переменном). На каждой скважине также устанавливается высоковольтный тиристорный регулятор мощности для управления током нагревательного элемента.
Предполагается, что к добычным скважинам 1-6 подана электроэнергия напряжением 0,4 кВ. В передвижных контейнерах К1-К6 размещены высоковольтная ячейка 1 с однополюсным вакуумным выключателем или однополюсный выключатель нагрузки или разъединитель при выполнении электроснабжения участка по упрощённой схеме, тиристорный преобразователь частоты 2 для питания регулируемого электропривода питательного насоса, распределительного устройства низкого напряжения 3, высоковольтного тиристорного регулятора тока ЭПГ и шкафа управления, в котором размещены пульт управления режимами электротермического комплекса, регуляторы тока ЭПГ и расхода питательного насоса, приборы контроля (напряжения, тока, мощности, давления, расхода питательного насоса), приборы учёта расхода электрической энергии и котловой воды, релейная токовая защита ЭПГ (СЭН).
Рис. 1. Принципиальная схема электроснабжения электротермического участка: 1-6 – добычные скважины; 7 – нагнетательная скважина; K1-K6 – передвижные контейнеры.
Рис. 2. Размещение оборудования в передвижном контейнере: 1 – высоковольтная ячейка, 2 – тиристорный преобразователь частоты, 3 – распределительное устройство нужного напряжения, 4 – тиристорный регулятор тока, 5 – насосный агрегат, 6 – шкаф управления, приборов контроля, учёта и защит.
Управление мощностью, подаваемой на электроды ЭТГ, сводится к управлению группами тиристоров, включенных встречнопараллельно, или симисторами.
Существуют два варианта управления величиной мощности, подаваемой на забой:
1. Фазовое управление, заключающееся в формировании каждого периода кривых напряжения и тока нагревательного элемента посредством управления углом открытия тиристоров.
2. Целочисленное управление, при котором происходит регулирование мощности посредством исключения целых периодов напряжения и тока.
Фазовое управление. Этот способ управления обладает следующими преимуществами: подходит для любых типов нагрузки; плавность и непрерывность выходного сигнала; минимальное отклонение температуры в комплекте с ПИД-регулятором. Недостатки: высокая стоимость; помехи при переключении.
Целочисленное управление. Этот способ управления обладает следующими преимуществами [4]: низкая стоимость аппаратуры управления; простая структура управления; нет помех, создающихся третьей гармоникой при включении.
Недостатки: значительные разрывы в выходном сигнале; нестабильная мощность в нагрузке для потребителей с низкой нагрузкой; применяется только для потребителей с постоянной резистивной нагрузкой.
Полный период управления включает в себя N-циклов проводимости (количество периодов напряжения питания за время прохождения тока через нагревательный элемент) в рамках целого числа циклов (количество периодов напряжения питания в полном цикле регулирования) М. Величина средней мощности, подводимой к нагрузке, регулируется посредством регулирования величины соотношения N/M. В качестве основы для проведения анализа Фурье (гармонического анализа) период повторяемости формы кривой тока или напряжения необходимо принять равным M×f, где f – это частота напряжения питания.
Данный тип управления является источником появления субгармоник и промежуточных гармоник, однако не является источником высших гармоник основной составляющей сигнала. Из-за отсутствия высших гармоник в основном спектре при работе на активную нагрузку, целочисленное управление тиристорными регуляторами является наиболее энергоэффективным способом. Регулирование величины тока необходимо, т.к. путем регулирования тока совместно с изменением производительности питающего насоса возможна реализация одного из основных режимов работы электротермического комплекса: воздействие горячей водой, импульсно-дозированное воздействие, паротепловое воздействие.
Литература
1. Концепция государственного управления рациональным использованием запасов нефти / ОАО«Зарубежнефть», ОАО «ВНИИнефть», ОАО «Сибур». – М.: ОАО «ВНИИнефть», 2005. – 121 с.
2. Аметов И.М. Добыча тяжелых и высоковязких нефтей / И.М. Аметов, Ю.Н. Байдиков, Л.И. Рузин, Ю.А. Спиридонов // М.: Недра, 1995. –205 с.
3. Загривный Э.А. Перспективы использования забойных электротермических комплексов для повышения нефтеотдачи пластов с тяжелой высоковязкой нефтью / Э.А. Загривный, А.Е. Козярук, В.И. Маларев, Е.Е. Мельникова // Электротехника. – 2010. - №1. - С.50-56.
4. Ханзелка З. Управление целочисленными периодами тиристорных переключателей / Збинев Ханзелка, Анжей Бьень // Энергосбережение. - 2005 - № 6. – С. 80 – 84.
Поступила в редакцию 22.05.2014 г.