Новий високоефективний привід для погружних відцентрових і гвинтових насосів

Володимир Павленко, к.т.н., ген. директор ТОВ "РІТЕК-ІТЦ», Матвій Гінзбург, заст. генерального директора ТОВ "РІТЕК-ІТЦ»

Установки погружних відцентрових насосів є одним з основних видів техніки видобутку нафти в Росії. За останні роки якість російських електропогружних установок істотно підвищилася і наблизилася 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 погружних 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 приводять 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 цей області, як нам видається, 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 погружних насосів

Підбір обладнання до свердловини, проведений навіть за самою досконалою програмою, 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 до нього, встановлене в стандартній насосної секції.

На практиці відхилення кількості щаблів в насосі може відрізнятися від розрахункового ще більше, якщо насоси і насосні секції вибираються з наявності, яке не завжди містить повний набір секцій. Необхідно також врахувати зміна характеристики свердловини продукції в часі і те, що характеристики насосів мають розкид параметрів продуктивності та напору в межах поля допуску.

В цих умовах часто після запуску свердловини потрібне коригування режиму відбору, яка найбільш ефективно вирішується регулюванням частоти обертання. Таку коректування 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 розповсюдження 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 тиску 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 обладнання.

Таким чином, завдання створення регульованого приводу, що 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 привода залежить від багатьох факторів: конструкції, застосовуваних матеріалів і технології виготовлення. Основною причиною виходу з ладу двигуна є пробою і зниження ізоляції. Тому зусилля розробників направлені двигунів на підвищення електричної та механічної міцності, що використовується в обмотці і в вивідних кінцях. Однак повністю використовувати міцнісні характеристики ізоляції у двигуні не вдається через перегрів.

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 малої 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 погружних двигунів необхідно максимально можливо знизити величину його перегріву в процесі роботи.

Інший 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 струмом. В 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 у періодичному режимі експлуатації, всіх проблем цього режиму експлуатації не вирішує. Залишається проблема ефективного охолодження двигуна, тому що основний обсяг відкачуємо 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 припливом іноді буває єдино можливим способом одержання продукції з свердловин.

Завдання: для підвищення ефективності експлуатації свердловин в періодичному режимі необхідний привід з регульованим плавним пуском і допускають тривалу роботу двигуна без його інтенсивного охолодження потоком відкачуємо з шару рідини.

Підвищення енергетичних характеристик приводів

Широке впровадження енергозберігаючих технологій в розвинених країнах і певні економічні і політичні рішення призводять до періодичних і різким змінам світових цін на нафту та нафтопродукти. У цих умовах актуалізується проблема зниження витрат при видобутку.

Одним з напрямків зниження цих витрат є створення та впровадження в галузі обладнання з високими показниками енергетичної ефективності.

Слід відзначити, що до останнього часу питання зниження енергоспоживання не були пріоритетними як при створенні нового обладнання, так і при його експлуатації у багатьох галузях економіки країни. Нафтова галузь не є винятком. Однак у нинішніх умовах потрібні кардинальні зміни у питанні підходу до задачі зниження енергоспоживання. Тарифи на електроенергію безперервно зростають. Згідно із прогнозами до 2015 р. вони зростуть у 3,7 рази в порівнянні з чинними, тому частка витрат на електроенергію в загальних витратах на виробництво нафти і нафтопродуктів буде невпинно зростати.

Федеральної цільовою 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 і 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 повинно бути обладнання, споживаюче значну кількість електроенергії. До такого обладнання належить обладнання нафтовидобутку: установки погружних 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.

В структурі прямих витрат на видобуток нафти УЕЦН витрати на електроенергію становлять 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 погружних гвинтових насосів на частоту обертання 250-500 об./хв., яка дозволить суттєво підвищити ресурс УЕВН і довести його до рівня ресурсу гвинтових насосів з поверхневим приводом, працюють, в основному, в цьому діапазоні частоти обертання.

Однак створення погружних асинхронних двигунів з частотою обертання менше 1000 об./хв. практично неможливо, та і двигун з частотою обертання 1000 об./хв. вдалося створити тільки потужністю 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 по зниженню частоти обертання двигуна за рахунок встановлення редуктора.

Технічно це завдання знайшла рішення, однак, на наш погляд, залишаються проблеми ціни, ресурсу, можливості їх обслуговування і ремонту.

Для підвищення ефективності роботи погружних гвинтових електронасосів необхідно створити двигун з регульованою частотою обертання в діапазоні 250-1000 об./хв.

Поставлені завдання найбільш успішно вирішені створенням установок погружних відцентрових насосів з приводами на основі вентильних електродвигунів (рис. 1).        

        

    

Вентильні електродвигуни не є винаходом останніх років, проте їх широке використання стало можливим тільки на базі останніх досягнень в галузі мікроелектроніки, силової електроніки та програмних засобів керування.

В нафтовидобувному обладнанні приводи на основі вентильного електродвигуна до останнього часу не використовувалися.

В результаті спільної роботи фахівців ВАТ «ЛУКОЙЛ» і ВАТ «РІТЕК" створений і поставлений на виробництво новий тип приводу погружних відцентрових насосів, який має кращі в порівнянні з серійними асинхронними електродвигунами функціональними, ресурсними та енергетичними характеристиками.

Привод складається з погружного електродвигуна типу ВД (рис. 2) і спеціальної станції управління (див. рис. 1).

Привод працює в комплекті з насосами, кабельними лініями і трансформаторами, використовуваними у складі УЕЦН з асинхронними зануреними електродвигунами типу ПЕД.

Діапазон регулювання частоти обертання електродвигуна - 500