CC BY
141
Хакимьянов М.И. Сираев Р.М.
Khakimyanov M.I. Siraev R.M.
кандидат технических наук, студент ФГБОУ ВО «Уфимский
доцент кафедры «Электротехника и государственный нефтяной тех-
электрооборудование предприятий» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа
нический университет», Россия, г. Уфа
Крылов А.О. ^у^ Л.й.
студент ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа
УДК 681.5:502:622.276
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ СКВАЖИННЫХ НАСОСОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ
Скважинная механизированная добыча является самым энергоемким технологическим процессом на нефтедобывающих предприятиях. В современных экономических условиях нефтедобывающие компании вынуждены оптимизировать потребление электроэнергии на технологические процессы добычи. Для этого необходимо иметь методики, позволяющие рассчитывать энергопотребление всего нефтедобывающего оборудования.
Потери энергии происходят во всех элементах установки электроцентробежного насоса: в самом насосе, погружном электродвигателе, электрическом кабеле, трансформаторе и станции управления. Существуют аналитические выражения, позволяющие найти потребление мощности во всех элементах насосной установки. Однако потребление энергии зависит от многих технологических и эксплуатационных параметров, таких как плотность, вязкость и обводненность скважинной жидкости, содержание газа, температура в скважине.
Авторы провели исследования о влиянии на потребление электроэнергии различных технологических и эксплуатационных параметров.
Потери мощности в электрическом кабеле зависят от его температуры. Однако определение средней температуры кабеля является достаточно сложной задачей, так как температура скважины изменяется по глубине, происходит самонагрев кабеля от протекающего тока, теплообмен через оболочку со скважинной жидкостью, нагрев жидкости теплотой, выделяемой работающим насосным агрегатом.
Была исследована зависимость энергопотребления от вязкости скважинного флюида. Известно, что от вязкости меняются такие характеристики насоса, как напор, подача и КПД.
Использование частотно-регулируемого привода является одним из основных способов снижения энергоемкости технологических процессов механизированной добычи нефти. В статье получен график зависимости удельного потребления электроэнергии скважинным насосом от частоты питающего напряжения. При регулировании производительности насоса изменяется депрессия пласта, а соответственно, и нефтеотдача скважины. Поэтому определить оптимальную производительность насоса для конкретной скважины расчетным путем достаточно проблематично. Связь между депрессией пласта и изменением притока сква-жинной жидкости может быть определена по данным гидродинамических исследований скважины.
Результаты проведенных исследований могут быть полезны специалистам нефтедобывающих предприятий при разработке мероприятий по оптимизации потребления энергии.
Ключевые слова: электроцентробежный насос, погружной электродвигатель, вязкость, плотность,
частотно-регулируемый электропривод, удельное энергопотребление, энергоэффективность.
RESEARCH OF INFLUENCE ENERGY CONSUMPTION FOR WELL PUMPS TECHNOLOGICAL AND OPERATIONAL PARAMETERS
Downhole artificial lift is the most energy-intensive process at the oil companies. In the current economic conditions, the oil companies are forced to optimize the power consumption for production processes. To do this, you must have a methodology for calculating the energy consumption of all oil-producing equipment.
Energy losses occur in all parts of the electrical submersible pump: in the pump units: submersible motors, electrical cables, transformers and control station. There are analytical expressions that allow finding the power consumption in all elements of the pumping unit. However, the energy consumption depends on many process and operating parameters, such as density, viscosity, water content wellbore fluid, gas content, temperature in the borehole.
The authors conducted a study on the impact on the power consumption of various technological and operational parameters. The power loss in the electrical cable depends on its temperature. However, determining the average temperature of the cable is quite a challenge, as the temperature varies with depth of the well, there is a self-heating cable from the current flow, heat transfer through the shell with the well fluid, the fluid is heated, the heat developed operating the pump unit.
The dependence of energy on the viscosity of the borehole fluid. It is known that the viscosity of the changing characteristics such as pump pressure, flow and efficiency.
The use of a variable frequency drive is one of the main ways to reduce the energy intensity of the mechanized process of oil production. The paper obtained plot of the specific energy consumption of the borehole pump from frequency ofthe supply voltage. When adjusting the pump performance varies depression and reservoir, respectively, and the oil recovery wells. Therefore, to determine the optimal performance of the pump for the payment by a particular well is problematic. The relationship between the formation and the depression change inflow borehole fluid can be determined according to well testing.
The results of these researches can be useful to specialists in the development of the oil-producing enterprises of measures to optimize energy consumption.
Key words: electric submersible pump, submersible motor, viscosity, density, variable frequency drive, energy intensity, energy efficiency.
Сложные экономические условия, нестабильные цены на нефть и непрерывный рост тарифов на электрическую энергию заставляют нефтедобывающие предприятия заниматься оптимизацией своих затрат, планированием потребления энергоресурсов. Известно, что самым энергоемким технологическим процессом на нефтедобывающих предприятиях является скважинная механизированная добыча [1, 2].
Потребляемая установками электроцентробежных насосов (ЭЦН) энергия расходуется на подъем скважинной жидкости, а также на потери во всех элементах установки: насосе, предвклю-ченном устройстве, протекторе, погружном электродвигателе, кабельной линии, трансформаторе, станции управления, также в сетевом и входном фильтрах [3].
Несмотря на то, что потребление мощности в любом из элементов установки ЭЦН можно рассчитать по известным аналитическим выражениям, задача определения удельного энергопотребления для каждой конкретной скважины является достаточно сложной. Это связано с тем, что на энергопотребле-
ние влияет множество технологических и эксплуатационных параметров, таких как плотность, вязкость и обводненность скважинной жидкости, содержание газа, градиент температуры по стволу скважины и других.
Например, температура в стволе скважины влияет на сопротивление жил кабеля, по которому подводится напряжение к погружному электродвигателю, следовательно, и на потери в них:
1даФ-ь^[1+а(тКАБ-20)]-12
АРКЛ =
■ , CD
где р - удельное сопротивление материала кабеля, Ом-м (для меди р = 0,019510 -6 Ом-м); а - температурный коэффициент расширения меди (для меди а = 0,0041); LКДБ - длина кабеля, м; ТКАБ - средняя температура кабеля, оС; I - рабочий ток, Д; F - площадь поперечного сечения жилы, м2.
Однако определение средней температуры кабеля является достаточно сложной задачей, так как температура скважины изменяется с глубиной в соответствии с геотермическим градиентом, происхо-
дит самонагрев кабеля протекающим током, теплообмен через оболочку со скважинной жидкостью, нагрев жидкости теплотой, выделяемой работающим насосным агрегатом.
Интерес представляет зависимость удельного энергопотребления от вязкости скважинного флюида. Известно, что от вязкости меняются такие характеристики насоса, как напор, подача, КПД насоса [4, 5]. Эти изменения задаются с помощью соответствующих коэффициентов:
=I-4,95V'85-Q-;;'57.
К = 1 -1,95 •
v
Qc
(2) (3)
KHV=1-
1,07-v0'6 -q.
| 0,57 -oB
(4)
где Кду - коэффициент изменения подачи от вязкости; К^ - коэффициент изменения КПД от вязкости; К - коэффициент изменения напора от вязкости; п - эффективная вязкость смеси, м2/с; QоВ - оптимальная подача насоса на воде (по паспорту насоса), м3/сут; qПp - относительная подача на входе в насос.
На рисунке 1 приведена зависимость удельного энергопотребления установки ЭЦН от вязкости жидкости для скважины № 718. Видно, что для вязкости 0.. Л,4-10-3 м2/с удельное энергопотребление будет изменяться от 3,76 до 3,96 кВт-ч/м3.
0.6 0.8 1 1.2 1.4
V, м2/с х 10"3
Рис. 1. Зависимость объемного удельного энергопотребления установки ЭЦН от вязкости скважинной жидкости
6
5.5
У
4.5
„ 4
3.5
2.5
0.2 0.4 0.6 0.8
1 1 р=1130кг/м: ^ \
ip =1030 кг/ii3
........71................:................
p=930 кг/м3 j^-—\ ;
---
i p =830 Kri'M3 i
i i
1.2 1.4
х 10 3
Рис. 2. Зависимость объемного удельного энергопотребления установки ЭЦН от вязкости скважинной жидкости при различных значениях плотности
На рисунке 2 приведены кривые зависимостей зависит от скорости отбора жидкости. В результате
удельного энергопотребления от вязкости при раз- регулирования производительности насоса изменя-
личных плотностях скважинного флюида. Видно, ется депрессия пласта, что обуславливает изменение
что с увеличением вязкости и плотности жидкости притока жидкости. Необходимые данные могут быть
удельное энергопотребление повышается. Трехмер- получены после проведения гидродинамических ис-
ный график зависимостей удельного энергопотре- следований скважины, в частности, снятия кривых
бления от вязкости при различных плотностях сква- восстановления давления и уровня [6, 7]. жинного флюида приведен на рисунке 3. График зависимости удельного энергопотребле-
Известно, что использование частотно- ния от частоты питающего напряжения приведен на
регулируемого привода является одним из основных рисунке 4. Из графика видно, что для данной сква-
способов снижения энергоемкости технологических жины минимального энергопотребления можно до-
процессов механизированной добычи нефти. На се- стичь при частоте питающего напряжения 28 Гц.
годняшний день в большинстве случаев оптималь- При меньших частотах наблюдается увеличение
ные производительность насоса и скорость враще- энергопотребления из-за уменьшения количества
ния приводного двигателя определяются опытным извлекаемой жидкости, а при больших - из-за роста
путем - перебором с определенным шагом. Расчет- потребляемой мощности погружного электродвига-
ное определение оптимальной производительности теля. затрудняется тем, что нефтеотдача скважины также
Рис. 3. Трехмерный график зависимости энергопотребления установки ЭЦН от вязкости скважинной
жидкости при различных значениях плотности
5
4.8
Ь Гц
Рис. 4. Зависимость объемного удельного энергопотребления установки ЭЦН с ЧРП от частоты питающего напряжения
Следует отметить, что режим эксплуатации скважины с наименьшим удельным энергопотреблением не всегда является рациональным с экономической точки зрения. В условиях дорогой нефти и дешевой электроэнергии предприятиям выгодно обеспечивать максимальный дебит при любых энергетических затратах, так как цена дополнительно добытой нефти перекрывает все затраты.
Таким образом, по проведенным исследованиям были сделаны следующие выводы:
1. Для точного определения удельного энергопотребления установок скважинных насосов необходимо учитывать целый ряд технологических и эксплуатационных параметров: плотность, вязкость и обводненность скважинной жидкости, среднюю температуру кабеля, содержание газа и других.
2. На потребляемую насосным агрегатом мощность значительное влияние оказывают потери в кабеле, которые зависят от его температуры. Определение средней температуры кабеля является достаточно сложной задачей, так как она зависит от градиента температуры вдоль ствола скважины, нагрева жил кабеля протекающим током, нагрева жидкости теплом, выделяемым работающим насосным агрегатом.
3. Плотность и вязкость скважинного флюида оказывают весьма существенное влияние на удельное энергопотребление, значения вязкости значительно изменяют характеристики насоса относительно паспортных данных по подаче, напору и КПД.
4. При регулировании производительности насоса изменяется депрессия пласта, а соответственно, и нефтеотдача скважины. Поэтому определить оптимальную производительность насоса для конкретной скважины расчетным путем достаточно проблематично. На практике производительность насоса определяют опытным путем, регулируя ее с определенным шагом.
5. Связь депрессии пласта и изменения притока скважинной жидкости можно определить по данным гидродинамических исследований скважины, в частности, по снятию кривых восстановления давления и уровня.
6. Наиболее оптимальным способом повышения эффективности работы скважинного насосного оборудования является внедрение частотно-регулируемого электропривода.
Список литературы
1. Хакимьянов М.И. Методические основы расчета потребления электроэнергии электроприводами дожимных и кустовых насосных станций [Текст]
/ М.И. Хакимьянов, Б.В. Гузеев, Л.А. Рябишина // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014. - Т. 10. - № 3. - С. 15-20.
2. Хакимьянов М.И. Оптимизация режимов работы электроприводов в нефтедобывающей промышленности: монография. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2013. - 77 с.
3. Хакимьянов М.И. Анализ потребления электроэнергии при механизированной добыче нефти электроцентробежными насосами [Текст] / М.И. Хакимьянов, И.Н. Шафиков // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. -Т. 9. - № 3. - С. 37-41.
4. Ивановский В.Н. Скважинные насосные установки для добычи нефти [Текст] / В.Н. Ивановский, В.И. Дарищев, A.A. Сабиров, В.С. Каштанов, С.С. Пекин. - М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - 824 с.
5. Ивановский В.Н. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти [Текст] / В.Н. Ивановский, С.С. Пекин, A.A. Сабиров. - М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. - 2002. - 256 с.
6. МедведевА.И. Обоснование новых правил исследования нефтяных и газовых эксплуатационных скважин [Текст] / A.H Медведев, В.Н. Боганик // Вестник ЦКР. - 2011. - № 5. - С. 21-26.
7. Добрынин В.М. Петрофизика: учеб. для вузов [Текст] / В.М. Добрынин, Б.Ю. Вендельштейн, ДА. Кожевников. - М.: Недра, 1991. - 368 с.
Refrences
1. Hakimjanov M.I. Metodicheskie osnovy rascheta potreblenija jelektrojenergii jelektroprivodami dozhimnyh i kustovyh nasosnyh stancij [Tekst] / M.I. Hakim'janov, B.V. Guzeev, L.A. Rjabishina // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2014. - Т. 10. - № 3. - S. 15-20.
2. Hakim'janovM.I. Optimizacija rezhimov raboty jelektroprivodov v neftedobyvajushhej promyshlennosti: monografija. - Ufa: RIC UGNTU, 2013. - 77 s.
3. Hakim'janov M.I. Analiz potreblenija jelektrojenergii pri mehanizirovannoj dobyche nefti jelektro-centrobezhnymi nasosami [Tekst] / M.I. Hakim'janov, I.N. Shafikov // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2013. - Т. 9. - № 3. - S. 37-41.
4. Ivanovskij V.N. Skvazhinnye nasosnye ustanovki dlja dobychi nefti [Tekst] / V.N. Ivanovskij, V.I. Darishhev, A.A. Sabirov, V.S. Kashtanov, S.S. Pekin.-M.: GUP Izd-vo «Neft' i gaz» RGU nefti i gaza im. I M. Gubkina, 2002. - 824 s.
5. Ivanovskij VN.Ustanovki pogruzhnyh centrobezhnyh nasosov dlja dobychi nefti [Tekst] / V.N.
Ivanovskij, S.S. Pekin, A.A. Sabirov. - M.: GUP Izd-vo "Neft' i gaz" RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina. - 2002. - 256 s.
6. Medvedev A.I. Obosnovanie novyh pravil issledovanija neftjanyh i gazovyh jekspluatacionnyh
skvazhin [Tekst] / A.I. Medvedev, V.N. Boganik // Vestnik CKR. - 2011. - № 5. - S. 21-26.
7. Dobrynin V.M. Petrofizika: ucheb. dlja vuzov [Tekst]/ V.M. Dobrynin, B.Ju. Vendel'shtejn, D.A. Kozhevnikov. - M.: Nedra, 1991. - 368 s.
Кушнир В.Г. Kushnir V.G.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины, тракторы и автомобили», Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
Кошкин И.В. Koshkin I. V.
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электроэнергетика и физика», Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
Гайфуллин Г. З. GaifuШn G.Z.
доктор технических наук, профессор кафедры «Технический сервис», Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова, Казахстан, г. Костанай
УДК 621.365.22
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЕЧЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В МЕТОДОМ АППРОКСИМАЦИИ ДАННЫХ
В научной работе представлен анализ метода определения точек экстремума, эмпирической функции для расчета сечения линий электропередачи. Проведено исследование методов определения сечения проводников по нормативным документам электротехники. Для экономического обоснования оценки эффективности выбора сечения проводника использован метод минимума приведенных затрат.
По данному методу капитальные вложения на сооружение линии электропередачи расчетного сечения пятипроводного исполнения пересчитывают в эквивалентную годовую стоимость с помощью специальной дисконтной ставки, а затем прибавляют к эксплуатационным расходам за год. Результатом является полученная сумма ежегодных приведенных затрат.
Для математической обработки множества решения выбран метод систематизации и использования статистических данных для научных и практических выводов и технико-экономических расчетов объекта электроснабжения с заданной нагрузкой сети напряжением до 1000 В. Произведен расчет отклонения значений годовых затрат от значений представленных сечений проводника в системе уравнений. Решение системы уравнения определяется методом Гаусса. Метод предполагает последовательное исключение переменных, когда с помощью преобразований система уравнений приводится к равносильной системе ступенчатого вида, из которого последовательно, начиная с последних переменных, находятся все остальные переменные.
Представлен график зависимости приведенных затрат от сечения проводника линии электропередачи. Определена среднеквадратическая ошибка, допустимая при вычислении приведенных годовых затрат, с помощью полученного аппроксимирующего многочлена, находящаяся в диапазоне менее 1%. Разработан-
