К вопросу оптимизации закона движения выходного звена привода скважинной штанговой насосной установки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН

УДК 622.323

В.Н. Ивановский, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой;

Н.В. Садчиков, кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности;

А.С. Улюмджиев, кафедра теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

К ВОПРОСУ ОПТИМИЗАЦИИ ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА ПРИВОДА СКВАЖИННОЙ ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Обоснована возможность использования вентильного электродвигателя в качестве привода скважинной штанговой насосной установки. Описана методика расчета момента сопротивления на ведомом валу станка-качалки. Предложена математическая модель для расчета схемы замещения вентильного электропривода. Поставлены задачи оптимизации закона регулирования работы скважинной штанговой насосной установки. Приведены результаты численного моделирования.

В настоящее время ярко выражена тенденция возрастания добычи нефти механизированными способами эксплуатации скважин. Лидирующее положение на данный момент занимают установки штанговых глубинных насосов (ШГН) и центробежных насосов (УЭЦН).

Ни для кого не секрет, что УЭЦН уделяется все больше и больше внимания. Сейчас ими оборудовано более 50% от общего фонда нефтяных скважин и добывается более 75% нефти нашей страны. Однако в связи с изменением структуры разведанных отечественных запасов нефти в сторону более вязкой и тяжелой нефти установки ЭЦН будут малоэффективны, так как в таких условиях они будут иметь низкий КПД. Таким образом, установки штанговых насосов могут вновь стать востребованными.

В силу того, что наиболее энергоемкими направлениями в добыче нефти являются процессы механизированной добычи нефти (рис. 1), и в связи с тем, что последнее время в России постоянно повышаются тарифы на электроэнергию, одним из наиболее острых вопросов стал вопрос политики энергосбережения. Для этого необходимо проводить работы по экономии электроэнергии при добыче нефти. В частности, учитывая значительное число скважинных штанговых

насосных установок, уже находящихся в эксплуатации (около 40% общего числа нефтяных скважин), очень актуально проводить модернизацию этого имеющегося в наличии оборудования. Одним из таких способов модернизации является использование регулируемого привода штанговых насосных установок. Его применение обуславливается рядом причин. Во-первых, в начальный период эксплуатации скважины должен быть установлен оптимальный режим отбора жидкости, обусловленный геологическими и технико-экономическими факторами. Для установления такого режима необходимо плавно изменять частоту качаний балансира, соответственно меняя темпы отбора жидкости из скважины и определяя ее дебит при каждом новом положении динамического уровня. Во-вторых, в течение времени по мере использования насоса производительность скважины начинает уменьшаться, все больше отклоняясь от оптимальной. Длительная работа скважины в оптимальном режиме может быть обеспечена при применении регулируемого электропривода.

Как правило, скважину останавливают и извлекают из нее насос для ремонта при отсутствии подачи или при уменьшении коэффициента его подачи в 2 раза по

сравнению с начальным значением. При регулируемом электроприводе возможно увеличение межремонтного периода работы насоса и сокращение времени простоев скважины, обусловленных необходимостью смены насоса. В-третьих, имеются такие скважины, на которых необходимо постепенно увеличивать частоту качаний после пуска скважины для увеличения дебита и выноса механических примесей с откачиваемой жидкости.

Имеется и четвертая причина, связанная с характером движения точки подвеса штанг, колонны штанг и плунжера штангового насоса. Результатом закона движения точки подвеса штанг при нерегулируемом приводе являются большие динамические нагрузки, которые приводят к снижению энергоэффективности и увеличению вероятности отказов оборудования.

Поэтому достаточно актуальной является задача вывода закона регулирования скорости вращения вала двигателя для оптимизации работы установки. В данном случае под оптимальной работой установки стоит понимать такой режим, при котором значения «дополнительных» нагрузок (в рассматриваемом случае -инерционные и вибрационные)стремятся к нулю. При этом график работы

штанговой насосной установки будет стремиться к идеальному.

В настоящее время режим работы штанговых насосов регулируется изменением длины хода плунжера насоса путем перестановки пальцев на кривошипе или изменением числа ходов заменой сменных шкивов на валу приводного электродвигателя. Это повышает трудоемкость работ и требует остановки станка-качалки, что приводит к снижению производительности, а в ряде случаев при длительных остановках -к образованию песчаных пробок, заклиниванию плунжера и другим нежелательным последствиям. Кроме того, при таком изменении режима откачки жидкости часто нарушается уравновешенность станка-качалки.

В качестве регулируемого привода можно использовать систему «тиристорный преобразователь напряжения

- асинхронный двигатель» или «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», позиционируя последнюю как более надежную и рациональную. Частотно-регулируемый электропривод обладает высокими энергетическими показателями, гибкой настройкой параметров и режимов работы электропривода, простотой и удобством в эксплуатации, высоким качеством статических и динамических характеристик; обеспечивает плавный пуск, реверсивное торможение, защиту электрического и электромеханического оборудования, высокую производительность управляемых машин. Также все большее распространение в промышленных масштабах получает вентильный привод. Вентильные двигатели (ВД) сочетают в себе преимущества машин постоянного тока, имеющих разнообразные механические характеристики и хорошие регулировочные свойства, и бесконтактность асинхронных машин.

В нефтяной отрасли вентильные электродвигатели с роторами на постоянных магнитах находят все более широкое применение в нефтедобыче благодаря целому ряду достоинств. В настоящее время они используются в основном в приводах установок электроцентро-бежных насосов, поскольку обладают определенными преимуществами по сравнению с регулируемыми асинхронными погружными электродвигателями [1]. В настоящее время ВЭП наиболее перспективны для регулируемых электро-

приводов малой и средней мощности. По мнению ряда специалистов, вентильный электропривод весьма перспективен в нефтегазовой промышленности, в ближайшем будущем ожидается значительное увеличение его доли в отрасли. Это объясняется рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ двигателя по сравнению с иными типами электрических машин. Достоинства вентильных двигателей в части их применения в приводах ШСНУ сводятся к следующим особенностям этих машин [1]:

• Отсутствие электрических потерь в роторе.

• Абсолютно жесткая механическая характеристика. Вентильные двигатели имеют гибкую характеристику с практически не зависящим от частоты вращения крутящим моментом, что позволяет использовать этот вид привода в сложных скважинах с высокой температурой пластового флюида и с нестабильным притоком.

• Большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно до 5 и более).

• Высокое быстродействие.

• Высокие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности - ^ ф) и их стабильность при изменении нагрузки. Показатели КПД вентильных двигателей превышают 90% и очень мало меняются при изменении нагрузки двигателя по мощности и при колебаниях напряжения питающей сети, в то время как у асинхронных электродвигателей максимальный КПД составляет не более 86% и зависит от изменений нагрузки. Коэффициент мощности со$ф вентильных двигателей свыше 0,95, у асинхронных электродвигателей соэф меньше 0,86.

• Минимальные значения токов холостого хода и рабочих токов, что также снижает энергопотребление. Существенная зависимость рабочего тока от нагрузки двигателя дает возможность достаточно точно измерять нагрузку на привод и оптимизировать режим его работы.

• Практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения и возможность регулирования частоты вращения по различным законам, что существенно повышает технологические возможности при эксплуатации ШСНУ.

• Более простая схема преобразователя по сравнению с асинхронным частотнорегулируемым электроприводом.

• Низкий перегрев вентильного электродвигателя, что увеличивает срок службы электропривода. Этот же фактор позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах со значительными перегрузками.

• Минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях, меньший вес активных материалов.

• Большой срок службы (наработка на отказ составляет 10 тыс. часов и более) в связи с ростом ресурса изоляционных материалов, работающих при более низких температурах. Ресурс электродвигателя и всего агрегата увеличивается также за счет возможности оптимизации режимов работы по скорости и нагрузке.

• Эффективная работа с переменными нагрузками в связи с наличием сильного потока возбуждения при невысокой индуктивности цепи якоря.

Для теоретического обоснования использования той или иной системы с частотно-регулируемым электроприводом необходимо построение математической модели основных элементов.

2,3% 1,2% ’

□ Добыча жидкости механическим способом □ Закачка воды

□ Подготовка и транспорт нефти □ Ком премирование газа

■ Транспорт газа ■ Водозабор

■ Прочие производственные нужды □ Административно-управленческие расходы

Рис. 1. Потребление электроэнергии по технологическим процессам

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ эксплуатация скважин \\ 87

эксплуатация скважин

Используемые математические модели должны отвечать ряду требований, следует отметить некоторые из них. Например, очевидно, что любая модель должна достаточно адекватно отражать физические процессы, происходящие в моделируемом объекте. Решающую роль при выборе математической модели играют представления исследователя о том, какие именно процессы существенны для рассматриваемой задачи, а какими можно пренебречь, не внося заметных искажений в получаемые результаты. Таким образом, выбор модели всегда имеет определенную степень субъективности. Разумеется, любая модель не может полностью описать все процессы, происходящие в исследуемом объекте, а отражает только ряд наиболее существенных особенностей.

Более подробные модели могут отразить большее число процессов или же описать их с более высокой точностью. Однако не всегда более подробная модель является самой подходящей. Также стоит учитывать возможность информационного обеспечения расчетов. Следует ориентироваться на данные, которые можно взять из каталогов оборудования, поскольку они доступны и обычно отличаются высокой степенью точности и достоверности. Стоит избегать включения в расчеты тех переменных величин, которые сложно измерить или точность численного значения которых вызывает сомнение.

Еще одним фактором, оказывающим влияние на создание или выбор модели, служит удобство алгоритмизации модели.

В данном расчете уделено внимание особенностям конструкции наземной и подземной частей оборудования штанговой скважинной насосной установки, разности нагрузок, приложенных к точке подвеса штанг и, соответственно, возникаемых на валу электродвигателя, учтены некоторые виды потерь. Поскольку частота вращения напрямую зависит от момента на валу электродвигателя, основным является расчет момента сопротивления на ведомом валу редуктора станка-качалки.

в предлагаемом расчете выли приняты СЛЕДУЮЩИЕ ДОПУЩЕНИЯ:

• считается, что скважина вертикальная, поэтому не учитываются силы механического и жидкостного трения;

• КПД всех элементов системы принят равным единице;

• движение колонны штанг рассматривается как движение упругой линейной инерционной системы;

• уравновешивающий груз на кривошипе расположен симметрично относительно кривошипа;

• скважина состоит из колонны штанг одного диаметра.

Момент сопротивления рассчитан по известной формуле, подробно описанной в [1]. Приведенные в расчете формулы отличаются своей универсальностью и описывают случаи использования как одноплечих, так и двуплечих станков-качалок. Предлагается несколько изменить алгоритм расчета привода станка-качалки с учетом методики, разработанной на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина:

Мс=2*г*Р*С0Б|а-^ |-Мур*51пф" , где

г - радиус кривошипа;

Р - нагрузка в точке подвеса штанг; а - угол между радиусом кривошипа и шатуном;

Мур - уравновешивающий момент; ф''- угол между радиальным направлением центра вращающихся масс и вертикалью.

Приведенные в расчете формулы отличаются своей универсальностью и описывают случаи использования как одноплечих, так и двуплечих станков-качалок.

Значение нагрузки в точке подвеса штанг при ходе вверх и вниз различна, предлагается рассчитывать ее следующим образом:

Р =Р + Р + Р + Р *

1 вверх 1 шт~' жид”1 ин.вверх”1 виб.вверх'

Р =Р +Р

■ сим? ■ шт ■

+Рв

Ржид - это нагрузка, создаваемая жидкостью:

Р =(Р *п*Н +Р ^ где

1 жид V жид У 1 ‘дин 1 1 зат/ 1 нас г 1 Н4-

Ндин - динамический уровень;

Рзат - затрубное давление;

Fнас - площадь насоса.

^ин.вверх 0,5*я,-*ти*(а.

2*ЯШ

;

;

Р =0 5*а,*т *(&,----------------!У1^*Р ;

ГИН.ВНИЗ 11'со \и| Г фуи ) ГШТ ;

■^тах

РВи6,верх=аТ*П1ш*У(«Т*¥ск-^)*РшТ*Р,кид ;

^тах

Рвиб.вниз=а1*тш*/(а;* УсТ V )*Р^*Р*“д;

т„

ар а4, а,, а4 - уточняющие кинематические коэффициенты станка-качалки при ходе вверх и вниз;

\|/ск - коэффициент относительного удлинения колонны штанг

вниз шт ин.вниз виб.вниз

Здесь под Ршт подразумевается вес штанг в жидкости. Для случая колонны штанг одного диаметра:

Ршт=Чшт*ьшт*д*(1-^<И4) , где

Ишт

qшT - вес одного метра колонны штанг; Цшт - длина колонны штанг; ржид - плотность добываемой жидкости;

ршт - плотность материала штанг.

Хшт, - удлинение колонны штанг и труб

при начале хода вверх и вниз.

Перед вычислением уравновешивающего момента необходимо предварительно определить величину крутящего момента уравновешивания. В зависимости от длины хода ТПШ выбирается формула с определенными коэффициентами [2]. Так, например, при длине хода 3 м

Мкр.у.=1^30*(Ршт+^|^)-9,4*103 .

Исходя из этого значения, определяется масса и расстояние расположения от центра вращения кривошипа противовесов.

Значение уравновешивающего момента считается по элементарной формуле:

Мур=(мкр+м„)*д*^ , где

мкр - масса кривошипа; мп - масса противовесов;

13с - радиус вращения центра масс системы «кривошип - противовесы». Подставив полученные значения в приведенную ранее формулу момента сопротивления (Мс), получаем его зависимость от угла поворота кривошипа, т.е. знаем его значение в любой промежуток времени работы станка-качалки.

Следует отметить, что потребность в вентильных электродвигателях пока невелика, в первую очередь из-за недостаточного опыта эксплуатации этих двигателей в сочетании со станциями управления. Тем не менее, по мнению многих специалистов, данный вид привода весьма перспективен в нефтегазовой промышленности, и увеличение его доли в данной отрасли - лишь вопрос времени.

Что касается привода штанговой скважинной насосной установки, общая теория вентильного привода на сегодняшний день разработана достаточно полно, однако разработка математических моделей этих объектов остается весьма актуальной задачей. Так, актуальна разработка достаточно простой, но адекватной модели вентильного привода.

В качестве модели вентильного электродвигателя предлагается использовать его эквивалентное кажущееся сопротивление Zв..

вд

В вентильном двигателе ЭДС, возникающая в статорных обмотках, наводится магнитным потоком высококоэрцитивных постоянных магнитов ротора. В связи с тем что величина магнитного потока постоянна во времени, ЭДС статора зависит только от скорости ротора, причем линейно. Данная ЭДС может изменяться независимо от изменения напряжения питающей сети. Таким образом, для вентильного электродвигателя невозможно поставить в соответствие конкретному значению скорости ротора значение некоторого эквивалентного сопротивления. Этот факт вынуждает прибегнуть к искусственному приему

- организации итерационного процесса подбора значений 7вд по аналогии с тем, как это предложено для построения простой электромеханической модели синхронного привода [4].

В случае одномассовой модели привода его движение описывается одним дифференциальным уравнением:

3^-Мв(П)-Мс(П).

(1)

Механическая характеристика рабочего механизма - зависимость Мс(Я) - описывается полиномом целой степени:

Мс(О)=М0+(Мн-М0).

£2

п0] .

(2)

В этих формулах и далее приняты следующие обозначения:

О - суммарный момент инерции привода, кг.м2;'

Ц - угловая скорость привода, рад/с; Ц0 - синхронная угловая скорость двигателя, рад/с;

Мд - двигательный момент, Н.м;

Мс - момент сопротивления рабочего механизма, Н.м;

М0 - момент трогания рабочего механизма, Н.м;

Мн - номинальный момент рабочего механизма, Н.м;

у - показатель степени характеристики рабочего механизма.

Уравнение равновесия напряжений фаз статорной обмотки вентильного электродвигателя с межкоммутационным периодом, равным уз , имеет вид

Ш+0,52к0рФша й=и.

(3)

Момент двигателя [5, 6] определяется электромагнитной мощностью РЭ=ЕЕ1 и угловой скоростью ротора

М=а = о1=а52корф'/'а.

(4)

Таким образом, выражения (1-4) достаточно полно описывают математическую модель вентильного привода для случая электромеханических переходных процессов.

Так как объектом исследования является вентильный электродвигатель с роторами на постоянных магнитах, очевидно, что создаваемый ими магнитный потокФ постоянен во времени и произведение 0,52к0рФ^ - величина постоянная для каждого конкретного двигателя. Обозначим ее константой С.

В системе уравнений (5) оценке подлежат значение активного сопротивления К статорной обмотки двигателя и константа С.

11*+СЯ=и;

Ма=С1;

0^=М8-Мс;

Мс=М0+(Мн-М0)-(^)2

(5)

Величину К можно найти из уравнения (3) в момент пуска при Ц = 0, зная значения пускового тока двигателя 1п и номинального напряжения ин:

WWW.NEFTEGAS.INFO

ЗАЩИТНЫЕ

ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

АКРУС® - НАДЕЖНЫЕ СТРАТЕГИИ ЗАЩИТЫ

Российский разработчик и производитель противокоррозионных защитных лакокрасочных материалов марки АКРУС®, специального и промышленного назначения.

МЫ ПРОИЗВОДИМ ТОЛЬКО ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ

Это позволяет нам концентрироваться на особенностях их изготовления и потребления.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:

Нефтехимическая индустрия Нефтегазодобывающая промышленность Судостроение Машиностроение Мостостроение Гражданское строительство

117420, г. Москва, ул. Намёткина, д. 10Б

Тел./факс: +7(495) 363-56-69

[email protected]

илллм.акгиа-а kz.ru

шилм.акрус.рф

эксплуатация скважин

HfrT

-1

Рис. 2. Момент сопротивления на ведомом валу редуктора

Л >r L________________________________________________________I__________________________________________________I_________________________________________________і__________________________________________________I_____________________________________________________________________________________________________

О І 4 6 9 ID 13

ірін

Рис. 3. Соответствие моментов на ведомом валу редуктора и на валу электродвигателя; график угловой скорости вала электродвигателя

Константу С можно рассчитать также из уравнения (3) после нахождения активного сопротивления статорной обмотки К, подставляя известные из каталожных данных значения номинального тока 1н и номинальной скорости двигателя Цн:

Г МнИ Пн

В данной системе неизвестными величинами являются значение тока статора I, скорость ротора Ц, момент электродвигателя Мд ,момент сопротивления рабочего механизма Мс. В алгоритме расчета значения этих неизвестных переменных рассчитываются на каждом шаге счета по времени.

Выведенные графики достаточно полно отражают физические процессы, протекающие в вентильном электродвигателе в переходных режимах. Соответствие результатов моделирования физическому описанию рассматриваемых переходных режимов подтверждает адекватность предложенной электромеханической модели вентильного электродвигателя. Представление вентильного электродвигателя эквивалентным кажущимся сопротивлением и достаточно простое математическое описание данной модели позволяют интегрировать ее в алгоритмы расчета режимов и процессов промышленных ЭТС.

На основании описанной математической модели нами был произведен расчет на примере привода скважинной штанговой насосной установки (СШНУ) СК5-3-2500.

Изначально была получена зависимость момента сопротивления на ведомом валу

электродвигателя от угла поворота кривошипа, исходя из заданных нагрузок, прикладываемых к точке подвеса штанг при работе станка-качалки.

Из следующего графика можно заметить равенство момента сопротивления и момента двигателя, что говорит о возможности совместного использования предложенных математических моделей станка-качалки и вентильного электродвигателя. Также была

построена функция скорости от угла поворота.

Из представленных рисунков несложно заметить резкие скачки как момента на валу двигателя, так и скорости, которые приходятся на конец хода плунжера вверх и вниз. Очевидно, что такой режим работы нежелателен, поскольку это отрицательно сказывается на сроке эксплуатации наземного и подземного оборудования штанговой установки.

Литература:

1. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике нефтегазовой промышленности. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 478 с.

2. Чичеров Л.Г., Молчанов Г.В., Рабинович А.М. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1987. - 422 с.

3. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов В.С., Пекин С.С. Скважинные насосные установки для добычи нефти - М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - 824 с.

4. Горшков Р.Г., Кротков Е.А., Сигова О.Б. Аппроксимация тока нагрузки электропривода установки штангового скважинного насоса // Вестник Самарского государственного технического университета, 2010, № 4 (27).

5. Егоров А.В., Постнов С.П., Улюмджиев А.С. Анализ электромеханических свойств вентильного электропривода// Территория НЕФТЕГАЗ, 2011, №5.

6. Сигова О.Б. Система оптимального управления электроприводом станка-качалки// Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2010, Т. 12. № 4 (3).

ВЫСТАВКА

2-5

октября 2012

Алматы • Казахстан КЦДС «Атакент»

КОНФЕРЕНЦИЯ

4-5

Approved

Event

KIOGE

20-я КАЗАХСТАНСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ

НЕФТЬ И ГАЗ

октября 2012

Алматы • Казахстан

ВЕДУЩЕЕ НЕФТЕГАЗОВОЕ МЕРОПРИЯТИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ

ITE GROUP PLC

+44 (0) 207 596 5000 [email protected]

ОРГАНИЗАТОР

ITE MOSCOW

І ЇМН® I +7(495)935 7350,788 5585

[email protected]

ГРУППА КОМПАНИЙ