CC BY
47
УДК 622.276:621.311
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАНКОВ-КАЧАЛОК КУСТА НИЗКОДЕБИТНЫХ СКВАЖИН
П. Н. Цылёв, Е. М. Огарков, И. Н. Щапова, А. Д. Коротаев
Пермский государственный технический университет
Рассматриваются преимущества применения на станках-качалках низкодебитных скважин дугостаторных асинхронных электродвигателей, а также вопросы, связанные с оптимизацией параметров электрооборудования системы электроснабжения куста скважин с дугостаторным электроприводом.
Количество низкодебитных скважин с производительностью менее 5 тонн в сутки непрерывно возрастает. Причинами такой негативной тенденции являются переход месторождений нефти в завершающую стадию разработки, открытие и эксплуатация ряда относительно новых месторождений, содержащих низкопродуктивные пласты, расконсервирование ранее законсервированных низкодебитных скважин.
Добыча нефти из низкодебитных скважин осуществляется преимущественно станками-качалками. Возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг в станках-качалках достигается с помощью электрического двигателя и кинематической цепи, в состав которой входят клиноременная передача, редуктор, кривошипно-шатунный механизм, балансир и тросовая подвеска. В качестве электрических двигателей используются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, имеющие, по сравнению с другими типами электрических машин, ряд неоспоримых преимуществ [1]. В эксплуатации
на станках-качалках находятся асинхронные электродвигатели с номинальной мощностью 30 кВт, 22 кВт, 17 кВт и синхронной частотой вращения соответственно 1500 об./мин, 1000 об./мин, 750 об./мин. Совместно с системой сменных шкивов клиноременной передачи и редуктором асинхронные электродвигатели с указанными параметрами позволяют получить 5-12 качаний балансира в минуту. В условиях низкого дебита скважин такое количество качаний балансира обуславливает необходимость перехода от непрерывного режима работы скважин к циклическому с присущими для него серьезными недостатками [2]. Укажем на основные из этих недостатков: снижение объемов добываемой жидкости, завышенная мощность электродвигателя, значительные динамические нагрузки на звенья кинематической цепи, преждевременный выход из строя сальников, установленных на устье скважины.
Для обеспечения непрерывного режима работы низко-дебитных скважин необходимо получать 0,8-4 качания балансира в минуту, сохраняя при этом по возможности неизменной конструкцию и параметры звеньев кинематической цепи и те преимущества, которые дает использование на станках-качалках асинхронных электродвигателей без специальных устройств регулирования частоты вращения.
Снижение количества качаний балансира станков-качалок низкодебитных скважин до желаемого значения целесообразно производить за счет уменьшения синхронной частоты вращения асинхронного электродвигателя до величины 450-100 об./мин. Однако промышленностью такие асинхронные электродвигатели не выпускаются. Поэтому на практике в ряде случаев для обеспечения непрерывного режима работы низкодебитных скважин прибегают к включению находящихся в эксплуатации асинхронных электродвигателей через преобразователи частоты [3]. Однако в условиях медленно изменяющегося во времени дебита
скважин регулирование частоты на значительных временных интервалах не требуется, и преобразователи частоты, на покупку и эксплуатацию которых затрачиваются значительные средства, используются малоэффективно.
Перспективным направлением по обеспечению непрерывного режима работы низкодебитных скважин является применение дугостаторных асинхронных электродвигателей [4]. Такие электродвигатели совместно с существующей кинематической цепью станков-качалок позволяют получить 0,8-4 качания балансира в минуту без использования специальных средств регулирования частоты вращения.
Дугостаторные асинхронные электродвигатели состоят из тех же узлов, что и асинхронные электродвигатели традиционного исполнения, отличие заключается лишь в конструкции статора, который выполняется не круговым, а имеет форму дуги. Следовательно, применение дугостаторных асинхронных электродвигателей позволяет сохранить все достоинства, присущие асинхронным электродвигателям с круговым статором.
Номинальная частота вращения ротора дугостаторного асинхронного электродвигателя рассчитывается по формуле
n = 1910,83 • — (1 - s Ъ
ном ' Fl ном
Р
где т - полюсное деление, м;
Dp - диаметр ротора, м;
sH0M - номинальное скольжение, o.e.
Так, если изготовить электродвигатель с т=0,06 м, Dp=0,60 м, sHOM=0,04 и установить его на станке-качалке с общим передаточным числом клиноременной передачи и редуктора /=160, то получим 1,15 качаний балансира в минуту. Выполнив электродвигатель с параметрами т=0,10 м, Dp=0,50 м, sHOM=0,04 и установив его на этом же станке-качалке, будем иметь 2,3 качания балансира в минуту.
В процессе эксплуатации скважины её дебит со временем изменяется. В этих условиях поддержание оптимального режима отбора жидкости из скважины может быть обеспечено регулированием передаточного отношения клиноремен-ной передачи, например, заменой диаметра шкива, посаженного на вал ротора дугостаторного электродвигателя. Указанный прием ступенчатого регулирования количества качаний балансира известен и применяется на практике при добыче жидкости станками-качалками.
Известно, что при неизменном динамическом уровне жидкости в скважине момент нагрузки на валу электродвигателя остается постоянным. Из формулы
Р
М = 9550 • р,
п
где М, Р, п - момент, активная мощность и частота вращения, следует, что постоянство момента на валу электродвигателя предполагает постоянство отношения активной мощности к частоте вращения. Очевидно, чем меньше частота вращения ротора, тем меньше должна быть активная мощность двигателя. Присвоив параметрам, относящимся к дугоста-торному электродвигателю, индекс «д», а параметрам, характеризующим асинхронный электродвигатель традиционной конструкции, индекс «к», получим равенство
Р= р. п.,
я К пк
при котором выполняется условие МД=МК. Согласно приведенной формуле замена на станках-качалках низкодебитных скважин асинхронных электродвигателей традиционной конструкции дугостаторными асинхронными электродвигателями позволяет не только осуществлять переход от циклического режима к непрерывному, но и одновременно
уменьшить установленную мощность двигателя в (пк/пд) раз. К примеру, если Рк=30 кВт, пк=1460 об./мин., пд=146 об./мин., то Рд=3 кВт.
Снижение установленной мощности электродвигателей станков-качалок куста низкодебитных скважин приводит к необходимости совершенствования его системы электроснабжения. Предстоит осуществить оптимизацию параметров проводов высоковольтной линии электропередач, питающей электрооборудование куста, пересчитать мощность понижающего трансформатора, установленного на кусте, и подобрать тип новой комплектной трансформаторной подстанции, определиться с сечением кабелей, проложенных от распределительного устройства низкого напряжения трансформаторной подстанции до шкафов управления работой станками-качалками, подобрать новую коммутационную и защитную аппаратуру. Возможен вариант перехода от радиальной схемы питания электрооборудования куста к магистральной.
Решение перечисленных выше задач позволяет существенно уменьшить стоимость электрооборудования, затраты на создание системы электроснабжения куста и эксплутаци-онные расходы. Положительный эффект особенно значим при разработке системы электроснабжения куста новых нефтяных месторождений с низкопродуктивными пластами.
Следует также отметить, что перевод куста скважин с циклического режима работы на непрерывный, обусловленный переходом станков-качалок на дугостаторный электропривод, приводит к выравниванию графика нагрузки куста, а уменьшение мощности электродвигателей - к снижению потребляемой мощности. Все это способствует снижению максимума нагрузки узла системы электроснабжения, от которого осуществляется питание электрооборудования куста, и уменьшению расходов за электроэнергию по первой ставке тарифа.
В декабре 2004 года на скважине № 292 Кокуйского месторождения нефти и газа ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» были начаты промысловые испытания экспериментального образца дугостаторного асинхронного электродвигателя, разработанного на кафедре «Электротехника и электромеханика» Пермского государственного технического университета.
Перед началом испытаний была произведена замена находившегося в эксплуатации асинхронного электродвигателя с номинальной частотой вращения 1460 об./мин и номинальной мощностью 30 кВт на дугостаторный электродвигатель с номинальной частотой вращения 68 об./мин и номинальной мощностью 1,4 кВт. Такая замена позволила перейти от циклического режима работы скважины № 292 (128 часов в месяц) к непрерывному режиму эксплуатации.
Наблюдения за работой скважины № 292 в течение практически двух лет показали, что среднесуточная добыча жидкости возросла в 3 раза при одновременном снижении энергозатрат. Малая частота вращения дугостаторного электродвигателя благоприятно отразилась на уменьшении динамических нагрузок на звенья кинематической цепи. Увеличился срок службы сальников, установленных на устье скважины, и межремонтный период.
Положительные результаты, полученные в ходе промысловых испытаний экспериментального образца дугостаторного электродвигателя, потребовали проведения более масштабного эксперимента. В этой связи по заказу ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» ХК ОАО «Привод» (г. Лысьва) в 2006 году изготовила опытную партию дугостаторных электродвигателей, которые в настоящее время проходят заводские испытания. На конец текущего года запланировано включение дугостаторных электродвигателей в работу в производственных подразделениях ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь».
Список литературы
1. Пантюшин В. С. Электротехника: учеб. пособие для вузов / 1 авт. - М.: Высш. школа, 1976. - 560 с.
2. Асинхронные электродвигатели для привода станков-качалок низкодебитных скважин / Е. М. Огарков [и др.]. // Наука - производству. - 2006. - № 1. - С. 39-40.
3. Ивановский В. Н. Скважинные насосные установки для добычи нефти / 3 авт. - М.: Нефть и газ, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002. - 824 с.
4. Повышение эффективности добычи нефти из низкодебитных скважин / Е. М. Огарков [и др.]. // Нефтегазовое и горное дело. Вестник ПГТУ. - 2005. - Вып. 6. - С. 172-175.
Получено 04.12.06.
