CC BY
27
Нурбосынов Д. Н.
D. N.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Электро-и теплоэнергетика», ГБОУ ВО «Альметьевский государственный нефтяной институт», г. Альметьевск, Российская Федерация
УДК 621.313-57
Табачникова Т. В. Tabachnikova Т. V.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электро-и теплоэнергетика», ГБОУ ВО «Альметьевский государственный нефтяной институт», г. Альметьевск, Российская Федерация
Швецкова Л. В. Shvetskova L. V.
кандидат технических наук, ассистент кафедры
«Электро-и теплоэнергетика», ГБОУ ВО «Альметьевский государственный нефтяной институт», г. Альметьевск, Российская Федерация
АНАЛИЗ РЕЖИМА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ ПРИ ПРОВАЛАХ УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ И УМЕНЬШЕНИИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОЙ ТРУБЫ
Проведено исследование режима работы электротехнического комплекса добывающей скважины, оборудованного винтовой насосной установкой с поверхностным приводом, индивидуальной компенсирующей установкой и скважинным нагревателем. Разработана математическая модель электротехнического комплекса добывающей скважины, отличающаяся от известных тем, что в ней учитывается математическая модель формирования дополнительного момента сопротивления на валу электропривода этого комплекса, обусловленного осаждением на внутренней стенке насосно-компрессорной трубы асфальтос-молопарафиновых отложений. В работе определяется рациональный уровень напряжения для автоматической стабилизации с помощью регулятора под напряжением силового трансформатора с учётом и без учёта индивидуальных компенсирующих установок в промысловой распределительной электрической сети. Для проверки выполнения всеми добывающими скважинами своей технологической задачи осуществляется моделирование пуска и самозапуска асинхронного электропривода электротехнического комплекса добывающей скважины, самой удалённой от центра питания. Данная скважина оборудована винтовой насосной установкой с поверхностным электроприводом. Моделируется возникновение таких возмущающих факторов, как провал напряжения в питающей сети до 40 % от номинального значения длительностью до 3 с, а также уменьшение просвета поперечного сечения насосно-компрессорной трубы из-за увеличения толщины асфальтосмолопарафиновых отложений. Разработана методика определения граничных значений уровня напряжения, автоматически стабилизируемого в центре питания, провала напряжения, динамических составляющих электромеханического момента. При моделировании определены граничные значения режимных параметров питающей сети электротехнического комплекса добывающей скважины, при превышении которых самозапуск его электропривода может не осуществиться. Дополнен аналитическими зависимостями известный метод расчета энер-
гетических параметров электропривода в установившихся и переходных процессах. Новые аналитические зависимости определяют дополнительный момент сопротивления на валу асинхронного электропривода винтовой насосной установки и затраты активной мощности на его преодоление, которые возникают при изменении просвета поперечного сечения насосно-компрессорных труб при осаждении в них асфальтосмолопарафиновых отложений.
Ключевые слова: электротехнический комплекс добывающей скважины, винтовая насосная установка с поверхностным приводом, провал напряжения, асфальтосмолопара-финовые отложения, изменение поперечного сечения насосно-компрессорной трубы.
ANALYSIS OF THE MODE OF OPERATION OF THE ELECTRIC SYSTEM DRIVE OF A PRODUCTION WELL AT VOLTAGE DIPS AND REDUCTION OF THE TRANSECTION OF A PUMPING COMPRESSOR TUBE
Having been carried out the investigation of the electrical system of the production well equipped with screw-shaped pumping unit with surface drive individual compensation installation and the downhole heater. Having been developed a mathematical model of electrotechnical complex of producing well, which differs from the known ones in that it takes into account mathematical model of formation of an additional moment of resistance on the shaft of electric drive of this complex, caused by deposition of asphaltic and resin paraffin deposits on inner wall of tubing. The work determines rational voltage level for automatic stabilization with help of a regulator under voltage of a power transformer with and without consideration of individual compensating installations in distribution system. For performance verify of all production wells its technological task is modeled the start-up and self-starting of the asynchronous electric drive of electrical complex of producing well remotely located from power center. This well is equipped with a screw-type pumping unit with a surface electric drive. The emergence of such disturbing factors as voltage drop in supply network up to 40 % of nominal value for up to 3 seconds, as well as decrease in clearance of cross section of tubing due to increase in thickness of asphalt-tar-paraffin deposits, is modeled. Having been developed the method of determining boundary values of voltage level, automatically stabilized in a power center, voltage dip, and dynamic components of electromechanical moment. During simulation are defined limiting values of regime parameters of supply network of electrotechnical complex of producing well, at which excess the self-starting of its electric drive can not be realized. A well-known method for calculating parameters of energy in steady-state and transient processes is improved, by introducing new analytic dependencies. New analytical dependencies are determine an additional moment of resistance on shaft of an asynchronous electric drive of a screw pump installation and the costs of active power to overcome it, which arise when the lumen of the cross section of tubing changes when depositing asphalt and paraffin deposits on their inner wall.
Key words: electrical system of the production wells, screw-shaped pumping unit with surface drive, voltage fall, asphalt pitch deposits, change the cross-section of tubing.
Целью данной работы является исследование совместного режима работы электротехнического комплекса добывающей скважины (ЭКДС), оборудованного винтовым насосом с поверхностным электроприводом (ВНУ с 1111) и скважинным нагревателем, в части обеспечения гарантированного пуска и самозапуска электропривода комплекса при возникновении таких факторов, как провал уровня напряжения и уменьшение поперечного сечения насосно-компрессор-ной трубы (НКТ). Также определяются гра-
Электротехнические и информационные комплексы
ничные значения параметров этих факторов, при превышении которых самозапуск может не осуществиться.
Добыча нефти при эксплуатации нефтяных месторождений с вязкой и высоковязкой нефтью требует новых технологий с применением современных насосных агрегатов с энергосберегающим приводом. Иногда замена традиционных технологий на новые приводит к изменению режима работы оборудования добывающей скважины. При традиционной технологии добычи нефти,
- 53
и системы. № 4, т. 13, 2017
согласно экспериментальным данным, после 118,5 ч скважина останавливается для очистки насосно-компрессорной трубы от асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО). Рассмотрен случай замены штанговой скважинной насосной установки со станком-качалкой на винтовую насосную установку с поверхностным приводом. При этом возвратно-поступательные движения элементов добычного оборудования заменяются на вращательное, а циклический режим работы его электропривода — на длитель-
А :
.—J— : 1
h\ /lix" ié-
СН_АД
а)
В схеме электрических соединений учтены следующие параметры: Ь — воздушная питающая линия электропередачи; Т — силовой трансформатор; ¡р 12, ¡3 — кабельные линии; АД — асинхронный электродвигатель; СН — скважинный нагреватель, который дискретно распределен по длине НКТ в местах фазового перехода АСПО из аморфного состояния в кристаллическое; УПЕК — индивидуальная установка поперечной емкостной компенсации.
По схеме замещения получены аналитические зависимости, разработана математическая модель, которая позволяет оценить потери мощности в ЭКДС и исследовать зависимость этих потерь в установившихся и переходных режимах работы этого комплекса. Отложение парафинов на внутренней
ный. Режим работы электропривода осуществляется с помощью станции управления. В качестве первичных датчиков, контролирующих режим работы электропривода, являются датчики уровня добываемой нефти и таймер, при помощи которого включается скважинный нагреватель и насосная установка.
На рисунке 1 представлена схема электрических соединений электротехнического комплекса добывающей скважины, оборудованного ВНУ с ПП и его схема замещения.
стенке НКТ уменьшает просвет (а), по которому поднимается нефтяная эмульсия (рисунок 2, в). Данный факт приводит к повышению гидравлического давления жидкости и сопротивления в НКТ. При этом существенно возрастает сопротивление на валу электропривода насосной установки, что приводит к увеличению потребления электрической энергии (ЭЭ).
В ранее выполненных работах [1, 2] при определении суммарного момента сопротивления насосного агрегата не учитывался дополнительный момент сопротивления, возникающий при сужении внутреннего диаметра НКТ за счет осаждения АСПО, а также не учитывались дополнительные затраты мощности на его преодоление.
б)
Рисунок 1. Схема электрических соединений электротехнического комплекса добывающей скважины с ВНУ (а) и его схема замещения (б)
б) в)
Рисунок 2. Схема осаждения парафиновых отложений на внутренней стенке НКТ: объемный вид (а), продольное сечение (б), поперечное сечение (в)
На рисунке 2 приведены следующие параметры: д — толщина парафиновых отложений в НКТ на устье скважины; а — просвет между штангой и внутренней стенкой НКТ; Ь — расстояние от поверхности земли до места начала отложения АСПО в НКТ; г=(г—д) — изменяющийся верхний радиус усечённого конуса; I — длина участка НКТ от точки подвеса насоса до границы начала осаждения АСПО.
Толщина осаждения АСПО определяет геометрические размеры полого конуса в верхней части НКТ, т.е. того пространства, по которому поднимается нефтяная эмульсия. Выведена зависимость объёмного количества добываемой нефтяной эмульсии от толщины АСПО в НКТ:
при осаждении АСПО, которая относится ко времени работы насоса:
ДО)оп=
V -V V -V
эмщип. эм.конуса _ эм.цил. эм.конуса (2)
/е
эм.конуса
2. При осаждении АСПО на внутренней стенке НКТ появляется дополнительный момент сопротивления на валу электропривода, Нм:
р^-Н-АОг
АМдоп =
'доп
<*>л„
(3)
эм.конуса
= -71
3 и
2 + Г1-г2+Г22)+
2
гит'
(1)
Учитывая данную зависимость, параметры режима работы винтового насоса можно определить следующим образом.
1. Потеря подачи насоса, м3/с, определяется разностью между объемом добываемой эмульсии в зависимости от объёма конуса
где р — плотность добываемой эмульсии; g — ускорение свободного падения; Н — напор, развиваемый насосом; ш, цн — угловая скорость вращения и КПД винтового насоса.
3. При увеличении момента сопротивления определяется дополнительная потребная мощность электропривода, Вт:
АРдоп=Шдоп-пЛ03/9549, (4) где п — частота вращения насоса.
Известные методы расчетов энергетических параметров в установившихся и переходных процессах [3-5] дополнены аналитическими зависимостями, которые определяют дополнительный момент сопротивления на валу АД и затраты активной мощности на его преодоление, которые возникают при изменении поперечного сечения НКТ при осаждении АСПО.
Согласно схеме замещения (рисунок 1) получена система алгебраических и диффе-
ренциальных уравнений, которые после ряда преобразований приведены к форме Коши:
^ = (5)
dl,
dt ЪХ^
d\J
СУ
dt
dt ¿Vi .у dt dV2.x dt dy2 .y dt
U,
Ai -A 1 -A „
(6)
'(7)
ds 1
— = —m, -dt T c
TmX'2
сопротивление обмотки ротора;
j1 _ V да. " щи. ) ' . *г m I t и
величина механической
1 "с у
= U,x - GW! + к2 + ЮоУ! -, , (8)
= Ucy -(BoVi.^ij +a0\\i2.ySklk2 -ю0\|/1л:, (9)
= + ®oVl.xsk2kl +«0^2.;;. (10)
= -G>oV2.A2 "«Wz*' (11)
где — напряжение на зажимах статора на участке Ьс; ис — напряжение на зажимах УПЕК; у, у2 — потокосцепления обмоток статора и ротора соответственно.
Система дифференциальных уравнений дополняется функцией, описывающей ступенчатое изменение напряжения, а также уравнением движения:
u{t) =\(t)-k \{t к \{t -t2), (12) • Vix -Vu-ViЛ (13)
где t — момент снижения уровня напряжения; t — момент восстановления уровня напряжения; k — коэффициент, характеризующий степень снижения уровня напряжения; ^ — скольжение; к1 — коэффициент связи
статора; Х'2 — переходное индуктивное
постоянной вращающихся масс в относительных единицах; J и J — моменты
7 дв. шт.
инерции АД и штанги соответственно; Ттб — базовое значение механической постоянной, М — номинальный момент.
5 н
Дополнительный момент сопротивления АМ'доп, возникающий из-за осаждения АСПО, должен быть учтён в моменте сопротивления насосного агрегата:
mc={VM'c+Mt'don).(\-s)\ (14) где SМ'с — момент сопротивления насосного агрегата с учетом коэффициента фактической загрузки.
Численное решение данной системы уравнений осуществлено методом Эйлера. С использованием полученной системы дифференциальных уравнений в Microsoft Excel произведено моделирование запуска и самозапуска электропривода винтового насоса с целью анализа его режимных параметров. В результате имитационного моделирования режима работы ЭКДС получены зависимости тока, частоты вращения двигателя, динамического момента и скольжения (рисунки 3-6) при условиях, когда скважинный нагреватель при помощи таймера включается за 30 мин до включения ВНУ с ПП, суммарный момент сопротивления при этом равен ~ 0,7 о.е., стабилизированное входное напряжение U0 равно 1,00 о.е.
Переменные параметры варьируются в следующих пределах: провал напряжения
4,5
4,0
3,5
3,0
. 2.5 и 6
S 2,0 я
1.5
1,0 -
0,5
0,0
1
1
I
1 \ \
V V ^uo(t)
\ — V »._
\
\ J(t)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
1, С.
Рисунок 3. Графики зависимостей тока и напряжения в функции времени
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 : 0,4 : 0,3 0,2 ОД 0,0 -0,1 "0,2
0,0
0,5
\Uo(t)
fiMD
j A
1,0
2,5
3,0 3,5
Рисунок 4. Зависимости частоты вращения двигателя и напряжения от времени
дипр = (0,37...0,39) о.е., дополнительный момент сопротивления АМ'доп = (0...0,1719) о.е. Полученные параметры установившегося процесса представлены в таблице 1.
На рисунках 3-6 представлены результаты моделирования при следующих условиях: и = 1 о.е., т - 0,7 о.е., ди = 0,39 о.е.,
пп
ЬМ'ьоп =
Анализ полученных графиков показал, что при возникновении дополнительного
момента сопротивления, возникающего в результате осаждения АСПО на внутренней стенке НКТ, электропривод ЭКДС работает устойчиво при возникающем провале напряжения дипр = 0,37 о.е., а при одновременной работе СН и УПЕК работать устойчиво он будет при уровне провала напряжения дир = 0,39 о.е. Дальнейшее увеличение уровня провала напряжения приводит к опрокидыванию электропривода ЭКДС (рисунок 7).
Таблица 1. Энергетические параметры установившегося процесса ЭКДС с ВНУ
Уровень входного напряжения и, о.е. Провал напряжения ди , о.е. пр 7 Дополнительный момент сопротивления АМ'доп, о.е. I, о.е. ш2, о.е. М, о.е. э' 5, о.е.
1,00 0,37 0,1719 0,937 0,318 0,787 0,045
0,39 0 (работает СН) 0,743 0,322 0,645 0,033
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
Ч 0.5 в
¿0,4 3 0,3 0,2 ¿-0,1 0,0 -од -0,2 "0,3 -0,4
\
\uoft)
1
А, ¿Пдин(0
Ям. ммр
л
\
V
Г, с.
Рисунок 5. Графики зависимостей динамического момента и напряжения в функции времени
1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 3 0,8 £ 0,7 3
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
ш(г)
У- кх-
V - Ьр
С
Рисунок 6. Графики зависимостей скольжения и напряжения в функции времени
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
Ч 0.5 о
¿0,4 3 0,3 ^0,2
0,0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4
\
[
71ДИН
к 0)
1 ПкШг, \
НИР*
\
0,0
0,5
1.0 1.5 . 2.0 2.5 3.0 3.5
г, с.
Рисунок 7. Графики зависимостей динамического момента и напряжения в функции времени при и0 =1 о.е.,
т
0,7 о.е., ди =0,4 о.е., АМ^„ = 0 о.е.
:
В установившемся режиме в момент времени I = 3,5 с использование СН приводит к улучшению значений рассматриваемых параметров, т.е. уменьшаются значения тока на 19 %, электромагнитного момента на 14 %, скольжения на 0,012 о.е., а частота вращения двигателя увеличивается на 0,4 %. Полученные результаты исследования свидетельствуют об эффективности использования электротехнического оборудования ЭКДС при рекомендованной компоновке.
Выводы
1. Разработаны математические модели электротехнического комплекса добывающей скважины, которая учитывает параметры скважинного нагревателя дискретно-распределенного по длине НКТ в местах фазового перехода АСПО из аморфного
Список литературы
1. Сидоркин Д.И. Совершенствование методов расчета штангового привода винтовой насосной установки: дис. ... канд. тех. наук. Уфа, 2006. 129 с.
2. Давыдов А.Ю. Оценка влияния крутильных колебаний штанговой колонны на работу винтовой насосной установки: дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2002. 121 с.
3. Нурбосынов Д.Н., Табачникова Т.В., Швецкова Л.В. Повышение эксплуатационно-энергетических характеристик электротехнического комплекса добывающей скважины при добыче вязкой и высоковязкой нефти // Промышленная энергетика. 2015. № 8. С. 18-22.
4. Нурбосынов Д.Н., Табачникова Т.В., Швецкова Л.В. Оптимизация электромагнитного момента пуска и самозапуска электропривода добывающей скважины при добыче вязкой и высоковязкой нефти // Промышленная энергетика. 2015. № 10. С. 25-29.
5. Коновалов Ю.В. Математическое моделирование процесса пуска электродвигателей переменного тока // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 1 (68). С. 146-149.
состояния в кристаллическое и индивидуальной установки поперечной емкостной компенсации.
2. Получены новые аналитические зависимости дополнительных момента сопротивления и мощности, которые можно использовать в известном методе расчета энергетических параметров ЭКДС.
3. По результатам имитационной модели режима работы винтовой насосной установки определены основные параметры, которые оказывают существенное влияние на процесс пуска и самозапуска его электропривода, установлена эффективность использования электротехнического оборудования данного комплекса при рекомендованной компоновке.
References
1. Sidorkin D.I. Sovershenstvovanie meto-dov rascheta shtangovogo privoda vintovoy nasosnoy ustanovki: dis. ... kand. tekh. nauk. Ufa, 2006. 129 s.
2. Davydov A.Yu. Otsenka vliyaniya krutil'nykh kolebaniy shtangovoy kolonny na rabotu vintovoy nasosnoy ustanovki: dis. ... kand. tekhn. nauk. Ufa, 2002. 121 s.
3. Nurbosynov D.N., Tabachnikova T.V., Shvetskova L.V. Povyshenie ekspluatatsionno-energeticheskikh kharakteristik elektrotekhnich-eskogo kompleksa dobyvayushchey skvazhiny pri dobyche vyazkoy i vysokovyazkoy nefti // Promyshlennaya energetika. 2015. № 8. S. 18-22.
4. Nurbosynov D.N., Tabachnikova T.V., Shvetskova L.V. Optimizatsiya elektromagnit-nogo momenta puska i samozapuska elektrop-rivoda dobyvayushchey skvazhiny pri dobyche vyazkoy i vysokovyazkoy nefti // Promyshlennaya energetika. 2015. № 10. S. 25-29.
5. Konovalov Yu.V. Matematicheskoe modelirovanie protsessa puska elektrodvigate-ley peremennogo toka // Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2012. № 1 (68). S. 146-149.
