Володимир Павленко, к.т.н., ген. директор ТОВ «РІТЕК-ІТЦ», Матвій Гінзбург, заст. генерального директора ТОВ «РІТЕК-ІТЦ»
Установки заглибних відцентрових насосів є одним з основних видів техніки видобутку нафти в Росії. За останні роки якість російських електропогружних установок істотно підвищилося і наблизилося до рівня провідних світових виробників.
Однак і сьогодні вони мають потребу в подальшому технічному вдосконаленні, яке дозволило б забезпечити зростання ефективності їх використання в нафтовій галузі.
В установках заглибних відцентрових насосів (УЕЦН) як привід використовується асинхронний електродвигун ПЕД.
При експлуатації УЕЦН з таким електродвигуном в певних режимах відбору рідини з свердловини виникають деякі технологічні проблеми, які призводять до істотного зниження ресурсу обладнання. Практично вичерпані можливості подальшого підвищення енергетичної ефективності роботи УЕЦН з асинхронними ПЕД.
Які функції приводів ЕЦН потребують подальшого вдосконалення?
Робота в це області, як нам представляється, повинна вестися в трьох основних напрямках:
- Поліпшення функціональних характеристик приводів для підвищення добивних можливостей УЕЦН і УЕВН;
- Підвищення ресурсу приводів;
- Підвищення енергетичних характеристик приводів.
Розглянемо кожне з цих напрямків.
Поліпшення функціональних характеристик приводів заглибних насосів
Підбір обладнання до свердловини, проведений навіть за найдосконалішою програмі, не забезпечує максимальну відповідність системи «пласт-насос» з ряду причин.
По-перше, сам алгоритм підбору заснований на певних припущеннях, по-друге, у розрахунках використовуються емпіричні коефіцієнти, по-третє, вихідні характеристики свердловини продукції не завжди точні. Крім того, кількість ступенів у подібному насос не розрахункове, а найближчим у нього, встановлене в стандартній насосної секції.
На практиці відхилення кількості щаблів у насосі може відрізнятися від розрахункового ще більше, якщо насоси та насосні секції вибираються з наявності, яка не завжди містить повний набір секцій. Необхідно також врахувати зміну характеристики свердловини продукції в часі і те, що характеристики насосів мають розкид параметрів продуктивності та напору в межах поля допуску.
У цих умовах часто після запуску свердловини потрібно коректування режиму відбору, яка найбільш ефективно вирішується регулюванням частоти обертання. Таке коригування частоти обертання погружного асинхронного двигуна можна зробити за допомогою спеціального регулятора частоти, що випускається як у вигляді окремого блоку, так і вбудованого в спеціальну станцію управління. Однак широкого поширення регулятори частоти обертання ПЕД в Росії до цього часу не отримали, хоча вони, за рахунок оптимізації режиму відбору, можуть дати приріст видобутку.
Регулятор частоти обертання може забезпечити плавний запуск установки, а також форсувати роботу насоса при зниженні напору і подачі в результаті його зносу. Причини обмеженого застосування регуляторів пов'язані з високою ціною таких систем, придбання яких не планується бюджетом нафтових компаній, що орієнтуються на закупівлю основного комплекту устаткування.
Таким чином, завдання створення регульованого приводу, який знайде дійсно широке застосування, бачиться в тому, що можливість регулювання повинна бути невід'ємною характеристикою приводу, а ціна такої додаткової можливості повинна бути компенсована іншими додатковими перевагами, яких немає в приводах з частотним регулюванням асинхронних двигунів.
Підвищення ресурсу приводів
Ресурс приводу залежить від багатьох факторів: конструкції, застосовуваних матеріалів і технології виготовлення. Основною причиною виходу з ладу двигуна є пробою і зниження ізоляції. Тому зусилля розробників двигунів спрямовані на підвищення електричної і механічної міцності, використовуваної в обмотці і у вивідних кінцях. Однак повністю використовувати міцнісні характеристики ізоляції у двигуні не вдається з-за перегріву.
Серйозним недоліком асинхронних приводів є необхідність забезпечення необхідної швидкості охолодження двигуна. Ці обмеження вимагають при освоєнні свердловин після їх ремонту зупиняти двигун через кожну годину роботи на дві години для охолодження, що затягує процес освоєння.
Високий перегрів двигуна не дозволяє успішно експлуатувати свердловини з малою і нестабільною подачею.
Особливо небезпечна для двигуна його робота при течі в трубах або при роботі без подачі, коли в результаті відсутності потоку рідини відносно корпусу двигуна він перегрівається і відбувається пробій ізоляції.
Завдання: для підвищення ресурсу заглибних двигунів необхідно максимально можливо знизити величину його перегріву в процесі роботи.
Іншою причиною пробою ізоляції є порушення в роботі струмового захисту. У деяких випадках, коли асинхронний ПЕД недовантажений, різниця в струмі холостого ходу і робочого струму настільки незначна, що не вдається правильно налаштувати захист за мінімальним току. У результаті в різних нештатних режимах (вплив газу, злам валу і ін) установка не відключається і через деякий час відбувається пробій ізоляції.
Завдання: для підвищення ефективності струмового захисту необхідний привід з малою величиною струму холостого ходу.
Необхідно вирішити проблему збільшення ресурсу асинхронного приводу УЕЦН при їх експлуатації в періодичному режимі. Пуск асинхронного електродвигуна супроводжується істотним зростанням струмових і динамічних навантажень на двигун, кабель, зчленування вузлів установки. Це призводить до передчасного виходу з ладу електрообладнання і навіть аварійним «польотів» установки або її вузлів.
Пускові струми негативно впливають на стан електричних мереж, особливо при одночасному запуску установок. Застосування спеціальних станцій управління з плавним пуском електродвигуна для свердловин з УЕЦН, що працюють в періодичному режимі експлуатації, всіх проблем цього режиму експлуатації не вирішує. Залишається проблема ефективного охолодження двигуна, так як основний обсяг відкачуваної рідини потрапляє на прийом насоса не з пласта, а з рівня, встановленого режимом експлуатації. Ці недоліки знижують ресурс устаткування УЕЦН, тому періодичний спосіб експлуатації свердловин установками УЕЦН застосовувати не рекомендується. Однак періодичний режим експлуатації свердловин зі слабким притоком іноді буває єдино можливим способом одержання продукції з свердловин.
Завдання: для підвищення ефективності експлуатації свердловин в періодичному режимі необхідний привід з регульованим плавним пуском, допускати тривалу роботу двигуна без його інтенсивного охолодження потоком відкачуваної з пласта рідини.
Підвищення енергетичних характеристик приводів
Широке впровадження енергозберігаючих технологій в розвинених країнах і певні економічні і політичні рішення призводять до періодичних і різких змін світових цін на нафту і нафтопродукти. У цих умовах актуалізується проблема зниження витрат при видобутку.
Одним із напрямків зниження цих витрат є створення та впровадження в галузі обладнання з високими показниками енергетичної ефективності.
Слід зазначити, що до останнього часу питання зниження енергоспоживання не були пріоритетними як при створенні нового обладнання, так і при його експлуатації в багатьох галузях економіки країни. Нафтова галузь не є винятком. Проте в нинішніх умовах потрібні кардинальні зміни у питанні підходу до задачі зниження енергоспоживання. Тарифи на електроенергію безперервно зростають. Згідно з прогнозами до 2015 р. вони зростуть в 3,7 рази в порівнянні з чинними, тому частка витрат на електроенергію в загальних витратах на виробництво нафти і нафтопродуктів буде безперервно зростати.
Федеральної цільової програмою «Енергозбереження Росії», затвердженої постановою Уряду Російської Федерації від 24 січня 1998р. № 80, в цілому по економіці країни планується на найближчу перспективу знизити енергоспоживання на 3-4%. У нафтовій галузі ця задача повинна вирішуватися як за рахунок численних локальних завдань по кожному технологічному процесу та обладнання, так і шляхом створення та широкого використання обладнання нового покоління зі значно більш високими технологічними та енергетичними параметрами.
Об'єктами вдосконалення в першу чергу має бути обладнання, яке споживає значну кількість електроенергії. До такого обладнання відносяться обладнання нафтовидобутку: установки заглибних відцентрових насосів, установки штангових насосів та інше обладнання з річним споживанням електроенергії в 15-20 млрд кВт-годин. Тому зниження енергоспоживання цих видів обладнання є істотним чинником зменшення витрат на видобуток нафти.
У структурі прямих витрат на видобуток нафти УЕЦН витрати на електроенергію складають 20-30%, тому підвищення енергетичних характеристик електропогружних установок є важливим резервом зниження собівартості видобутку.
Розглядаючи завдання створення більш ефективного приводу для погружних насосів, слід відзначити і необхідність створення приводу заглибних насосів на частоту обертання 250-500 об. / хв., Яка дозволить істотно підвищити ресурс УЕВН і довести його до рівня ресурсу гвинтових насосів з поверхневим приводом, що працюють , в основному, в цьому діапазоні частоти обертання.
Проте створення заглибних асинхронних двигунів з частотою обертання менше 1000 об. / хв. практично неможливо, та й двигун з частотою обертання 1000 об. / хв. вдалося створити потужністю лише 16 кВт, тому що більша потужність вимагає переходу на секційні двигуни, що збільшує їх вартість і знижує надійність. Тому основним двигуном для приводу гвинтових насосів залишається 4-хполюсний двигун з частотою обертання 1500 об. / хв. В останні роки за кордоном і в Росії ведуться роботи зі зниження частоти обертання двигуна за рахунок установки редуктора.
Технічно це завдання знайшла рішення, однак, на наш погляд, залишаються проблеми ціни, ресурсу, можливості їх обслуговування і ремонту.
Для підвищення ефективності роботи заглибних гвинтових електронасосів необхідно створити двигун з регульованою частотою обертання в діапазоні 250-1000 об. / хв.
Поставлені завдання найбільш успішно вирішені створенням установок заглибних відцентрових насосів з приводами на основі вентильних електродвигунів (рис. 1).
Вентильні електродвигуни не є винаходом останніх років, тим не менше їх широке використання стало можливим тільки на базі останніх досягнень в області мікроелектроніки, силової електроніки та програмних засобів управління.
У нафтовидобувному обладнанні приводи на основі вентильного електродвигуна до останнього часу не використовувалися.
У результаті спільної роботи фахівців ВАТ «ЛУКОЙЛ» і ВАТ «РІТЕК» створений і поставлений на виробництво новий тип приводу заглибних відцентрових насосів, який має кращі в порівнянні з серійними асинхронними електродвигунами функціональними, ресурсними і енергетичними характеристиками.
Привід складається з погружного електродвигуна типу ВД (рис. 2) і спеціальній станції управління (див. рис. 1).
Привід працює в комплекті з насосами, кабельними лініями і трансформаторами, використовуваними в складі УЕЦН з асинхронними погружнимі електродвигунами типу ПЕД.
Діапазон регулювання частоти обертання електродвигуна - 500 ÷ 3500 об. / хв.
Технічні характеристики КП ЕЦН-ВД представлені в табл. 1.
| Табл. 1. Технічні характеристики КП ЕЦН-ВД | |||||
| Тип приводу | Потужність номінальна, кВт | Напруга номінальна, В | Струм номінальний, А | ККД,% | cos φ |
| КП ЕЦН-ВД16-117В5 | 16 | 800 | 14,5 | 89,7 | 0,95 |
| 01КП ЕЦН-ВД24-117В5 | 24 | 1200 | 14,5 | 89,7 | 0,95 |
| 08КП ЕЦН-ВД24-117В5 | 24 | 850 | 20 | 89,7 | 0,95 |
| 02КП ЕЦН-ВД32-117В5 | 32 | 1150 | 20 | 89,7 | 0,95 |
| 09КП ЕЦН-ВД32-117В5 | 32 | 900 | 25,5 | 90 | 0,95 |
| 03КП ЕЦН-ВД40-117В5 | 40 | 1400 | 20,5 | 89,7 | 0,95 |
| 10КП ЕЦН-ВД40-117В5 | 40 | 1150 | 25,5 | 89,2 | 0,95 |
| 04КП ЕЦН-ВД48-117В5 | 48 | 1350 | 25,5 | 90,2 | 0,95 |
| 11КП ЕЦН-ВД48-117В5 | 48 | 1050 | 33,5 | 90,2 | 0,95 |
| 05КП ЕЦН-ВД56-117В5 | 56 | 1600 | 25,5 | 90,2 | 0,95 |
| 12КП ЕЦН-ВД56-117В5 | 56 | 1200 | 34 | 90,2 | 0,95 |
| 06КП ЕЦН-ВД64-117В5 | 64 | 1800 | 25,5 | 90,2 | 0,95 |
| 13КП ЕЦН-ВД64-117В5 | 64 | 1400 | 34 | 90,2 | 0,95 |
Занурювальні електродвигуни типу ВД
Вентильний занурювальний електродвигун типу ВД представляє собою синхронну електричну машину, у якої ротор 1 виконаний на постійних магнітах, а живлення обмотки статора 2 здійснюється за певним алгоритмом від знаходиться на поверхні спеціального станції керування типу «Рітекс».
Електродвигун ВД має високу ступінь уніфікації з електродвигуном типу ПЕД. У ньому застосовані матеріали, комплектуючі вироби і відпрацьовані технічні рішення, які використовуються в асинхронних електродвигунах ПЕД.
Технічні характеристики вентильних електродвигунів типу ВД при частоті обертання 3000 об. / хв. представлені в табл. 2.
У табл. 3 вказані переваги приводів на основі вентильних електродвигунів і їх параметри, за рахунок яких забезпечуються ці переваги.
Можливості створеного вентильного приводу можуть бути реалізовані:
при експлуатації УЕЦН, підібраних з учeтом характеристик насоса при номінальній частоті обертання 2910 об. / хв.;
при експлуатації УЕЦН з обраної частотою обертання.
Номінальна частота обертання насоса 2910 об. / хв. в серійній УЕЦН визначена частотою обертання працює в складі установки погружного асинхронного 2-хполюсного електродвигуна типу ПЕД. Проте ця частота обертання не для всіх умов експлуатації є оптимальною. Для деяких свердловин більше близькі до оптимальних значень робочих показників подачі, напору, потужності, напрацювання на відмову, ККД та ін можна досягти при роботі установки з частотою обертання, що відрізняється від номінальної частоти 2910 об. / хв.
Регульований вентильний привід дозволяє також спочатку вибрати частоту обертання насоса, при якій буде забезпечена більш ефективна робота ЕЦН в свердловинах з низьким пластовим тиском, високим газовим фактором, високою в'язкістю продукції, великим вмістом механічних домішок та інших ускладнюють факторах. Нова частота обертання може знизити ймовірність виникнення резонансних явищ в установці, є одній з причин самовільного їх розчленування в процесі роботи.
Якщо у використовуваній на підприємстві програмі або методиці не передбачений алгоритм підбору ЕЦН, що працює при новій частоті обертання, то підбір насоса проводиться з використанням параметрів, розрахованих для насосів, що працюють з частотою обертання 2910 об. / хв., З подальшим перерахуванням на нову частоту обертання .
При перерахунку використовуються відомі залежності подачі, напору, потужності і очікуваного ресурсу від частоти обертання насоса:
Qn = Q29 n/2910 (1),
Hn = H29 (n/2910) 2 (2),
Nn = N29 (n/2910) 3 (3),
де:
Qn, Hn, Nn - подача, напір, потужність при частоті обертання n;
Q29, H29, N29 - подача, напір, потужність при номінальній частоті обертання 2910 об. / хв.
При виборі нової частоти обертання насоса слід керуватися умовою:
nmin <n <nmax (4),
де:
nmin - частота обертання менше номінальної, нижнє значення якої обмежується конструктивної та економічною доцільністю використання в конкретній свердловині насосів із збільшеною кількістю ступенів;
nmax - частота обертання більше номінальної, верхнє значення якої обмежується припустимою величиною зниження ресурсу деталей проточної частини насоса, що працює при підвищених частотах обертання.
Орієнтовне значення очікуваного ресурсу деталей проточної частини насоса при новій частоті обертання n:
Rn = R29 (2910 / n) 3 (5),
де Rn - очікуваний ресурс при частоті обертання n;
R29 - середнє значення ресурсу деталей проточної частини насоса в даній свердловині при номінальній частоті обертання 2910 об. / хв.
Вентильний привід дозволяє експлуатувати УЕЦН в широкому діапазоні частот обертання. Для практичного використання прийнятий:
Робочий діапазон частот обертання насосів:
2500 <n <3500 об. / хв. (6).
Рекомендований діапазон частот обертання насосів:
2700 <n <3100 об. / хв. (7).
Вентильні електродвигуни для комплектації насосів, які планується експлуатувати при різних частотах обертання n, вибираються з умови забезпечення необхідної потужності, ресурсу, ККД і модифікації за номінальній напрузі.