Анализ применения комплектных приводов на основе вентильных погружных двигателей в НГДУ «РИТЭКнефть»

эксплуатация скважин

А.А. ваньков, зам. генерального директора ОАО «РИТЭК», начальник НГДУ «РИТЭКнефть»; р.г. нургалиев, главный инженер; Е.А. гапченко, ведущий инженер ПТО, ОАО « РИТЭК» НГДУ «РИТЭКнефть»

анализ применения комплектных приводов на основе вентильных погружных двигателей в нгду «ритэкнефть»

При эксплуатации УЭЦН с асинхронным погружным электродвигателем и даже с частотным преобразователем, при определенных режимах отбора жидкости из скважин возникают некоторые технологические проблемы, которые приводят к существенному снижению ресурса оборудования. Практически исчерпаны возможности дальнейшего повышения энергетической эффективности погружных асинхронных электродвигателей.

В последние годы во всем мире интенсивно развивается более прогрессивное направление работ по созданию регулируемых электроприводов - привода на основе вентильных (с постоянными магнитами и индукторные) электродвигателей. В основу таких приводов заложены новые возможности в области силовой электроники, элементной базы, микропроцессорной техники и программных средств управления.Это техника, которую сегодня принято называть продуктом высоких технологий. В 1995 году по заказу ОАО «ЛУКОЙЛ» ОАО «Аэроэлектрик», имевший большой опыт создания различных типов приводов, в том числе и вентильных, для аэрокосмической техники, начал разработку приводов на основе вентильных электродвигателей для установок погружных центробежных насосов. В 2000 году на базе специалистов ОАО «Аэроэлектрик» В ОАО «РИТЭК» был создан Инновационно-технологический центр с функцией разработчика и изготовителя новых типов приводов для нефтяной отрасли. В марте 2001 года были успешно завершены промысловые приемочные испытания вентильных приводов, и уже с декабря того же года было начато их серийное производство.

Вентильные привода обладают, по сравнению с асинхронными, более высокими функциональными,ресурсными и энергетическими характеристиками, поэтому их применение в нефтяном оборудовании, особенно в таком массовом,как установки погружных центробежных насосов, обеспечит повышение эффективности этого вида техники добычи нефти.

Вентильный привод состоит из электродвигателя, ротор которого выполнен на постоянных магнитах, и станции управления, которая питает обмотку статора по специальному алгоритму. Вентильные электродвигатели имеют возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне. ООО «РИТЭК-ИТЦ» разработал и выпускает привод с диапазоном частоты вращения 500 4- 3500 об/мин, что позволяет использовать его в составе УЭЦН с серийными насосами и гидрозащитой. В конструкции вентильного электродвигателя применены материалы,комплектующие изделия и отработанные технические решения, которые в настоящее время используются в лучших конструкциях асинхронных погружных электродвигателей типа ПЭД. Вентильный электродвигатель имеет присоеди-

нительные размеры, обеспечивающие использование в его комплекте гидрозащиты и подсоединение кабельных муфт, применяемых в серийных ПЭД. Ремонт двигателей ВД может проводиться на имеющемся на ремонтных базах технологическом оборудовании. В НГДУ «РИТЭКнефть» внедрение вентильных двигателей производства ООО «РИТЭК-ИТЦ» было начато в 2002 г. и продолжается в настоящее время. В данное время 70% фонда скважин УЭЦН оборудовано ВД с основными типоразмерами: ЭЦН-25,30,45,60,80. Наработка ЭЦН с КП ВД на 01.08. 2010 года составила 603 суток, наработка по УЭЦН 511 суток.

10% от скважин, оборудованных КП ВД, эксплуатируются в «левой» зоне работы насоса, что объясняется невозможностью корректно подобрать установку в процессе ремонта скважины либо изменением пластовых условий. Также имеют место отказы по причине снижения изоляции двигателя и кабельной линии, но они в основном связаны с тяжелыми условиями эксплуатации ВД, то есть с работой на низких подачах и соответственно недостаточным охлаждением двигателя. До 2008 года имели место отказы (до 40%) по причине разруше-

ния пакетов ротора (Б12) вентильных двигателей, но с начала применения модернизированных пакетов ротора (Б20) отказы по данной причине имеются в единичных случаях. На месторождениях НГДУ «РИТЭКнефть» внедряются УЭЦН с ВД с блоком телеметрии, позволяющей автоматически регулировать частоту вращения ротора ПЭД в зависимости от значений необходимых параметров(давления на приеме насоса, температуры двигателя, температуры окружающей среды и вибрации корпуса). Основное преимущество таких установок перед обычными вентильными установками в том, что станция может работать в автоматическом режиме в зависимости от требуемых установок, задаваемых вручную: поддерживать необходимую частоту вращения, температуру двигателя, давление на приеме насоса, то есть поддерживая требуемую величину давления на приеме насоса установка самостоятельно может менять скорость вращения ротора ПЭД, тем самым достигается максимальная эффективность работы системы пласт - УЭЦН. Кроме того, данная установка

Таблица 1. Технические характеристики вентильных электродвигателей ВД. Частота вращения 3000 об/мин

Тип электро- Мощ- Напря- Ток, А КПД, % № ф Диаметр, мм Длина, мм Масса, кг

двигателя ность, кВт жение, В 1н I,,,,, не более

ВД16-117В5 16 800 14,5 1,5 91 1717 117

ВД24-117В5 24 1150 2097 146

ВД32-117В5 32 1100 21,0 2,0 92 2477 169

ВД40-117В5 40 1400 0,99 117 2857 196

ВД48-117В5 48 1300 25,5 3237 227

ВД56-117В5 56 1550 25,0 2,5 93 3617 249

ВД64-117В5 64 1750 3997 278

ВД125-117В5 125 2000 39,0 93,5 7037 506

ВД12-103В5 12 624 14 90,5 1271 65

ВД16-103В5 16 923 12 1618 85

ВД22-103В5 22 1234 12,5 91,5 1965 105

ВД28-103В5 28 1086 18,5 2312 125

ВД32-103В5 32 1290 17 4 2659 145

ВД40-103В5 40 1529 18,5 0,99 103 3006 165

ВД45-103В5 45 1740 18,5 92 3353 185

ВД55-103В5 55 1541 25 4047 225

ВД65-103В5 65 1844 25 4741 265

ВД75-103В5 75 1711 31 92,5 5435 305

ВД90-103В5 90 1975 32 6129 345

ВД16-92В5 16 600 21,0 90,0 2445 227

ВД24-92В5 24 800 22,5 2,0 0,99 92 3163 249

ВД32-92В5 32 1050 23,0 89,5 3881 278

70

60

50

в. 40

30

74

55

39 41

2002 2003 2004

2005 2006 2007 2008 2009

2010

Рис. 1. Внедрение ВД в НГДУ «РИТЭКнефть» по годам

позволяет осуществлять мониторинг во времени всех измеряемых параметров путем снятия информации специальным устройством (блок съема информации) и дальнейшей обработки ее на компьютере.

На основании собранной информации по работе системы КП ВД и анализа отказов ВД следует отметить, что наименее надежным компонентом системы КП ВД на сегодняшний день является станция управления.

эксплуатация скважин

Таблица 2. Сравнительные характеристики ВД и ПЭД. Показатели энергетической эффективности приводов

Тип привода КП эи Н-ВД ПЭД Ток, А Снижение потерь мощности в кабеле, %

КПД, % Мощность, кВт КПД, % COSф ВД ПЭД

КП ЭЦН-ВД16-117В5 89,0 0,95 16 84,0 0,85 14,5 18,5 39

КП ЭЦН-ВД24-117В5 89,0 22 84,5 14,5 24,0 63

КП ЭЦН-ВД32-117В5 90,0 32 85,0 0,86 21,0 26,0 35

КП ЭЦН-ВД40-117В5 90,0 40 84,5 21,0 27,0 40

КП ЭЦН-ВД48-117В5 91,0 45 25,5 28,0 17

КП ЭЦН-ВД56-117В5 91,0 56 25,0 31,5 31

КП ЭЦН-ВД64-117В5 91,0 63 85,0 0,85 25,0 25,0 -

КП ЭЦН-ВД125-117В5 92,0 125 84,5 0,86 39,0 51 41

Таблица 3. Тепловые характеристики ВД и ПЭД

ПОКАЗАТЕЛЬ ВД ПЭД

Предельно длительно допустимая температура обмотки статора, °С 140 140

Скорость охлаждающей жидкости, м/с, не менее 0,04 0,08

Превышение температуры обмотки статора при минимальной скорости охлаждающей жидкости, °С 25 40

Удельное тепловыделение на ед. поверхности электродвигателя, кВт/м2 1,69 3,85

ПРИ ЭТОМ ОТМЕЧЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ НЕДОСТАТКИ:

• имеют место отказы СУ, связанные с работой в периоды с большой влажностью и при суточных перепадах температур;

• имеют место отказы СУ, связанные с транспортировкой непосредственно до месторождения, скважины;

• некоторые причины отказов СУ на скважине (в полевых условиях) не определяются, что вызывает необходимость их замены.

В связи с этим, основным предложением по повышению эффективности ком-

плектных приводов с использованием вентильных двигателей является повышение надежности и функциональных возможностей СУ.

Таким образом, хотим отметить, что применение вентильных двигателей является наиболее перспективным и важным направлением в работе механизированного фонда скважин. В НГДУ «РИТЭКнефть» на Курраган-ском месторождении в 2009 году в промысловых условиях был проведен эксперимент по сравнению энергопотребления асинхронного и вентильного двигателей с помощью счетчика

энергопотребления «Меркурий 230». Суть эксперимента состояла в том, что на одной и той же скважине при подаче 30 м3/сут за один период времени (две недели) были проведены замеры энергопотребления асинхронного ПЭД-32 (ЭЦН-30) и вентильного ВД-32 (ЭЦН-30). В результате эксперимента было установлено, что энергопотребление вентильного двигателя на 28% меньше.

Среднее значение тока у ВД по сравнению с асинхронными установками ниже на 28,3%, как следствие и потребляемая мощность ниже на 28,3%.

Б я /

/

—1 Л у V- /

/ /

/ / 1 а

/ 1

/ V

А V

У

Л

- *

/

/

Частота вращения-3000 об/мин

Нагрузочный момент-100%

Рис. 2. Нагрузочные характеристики вентильных электродвигателей ВД-117

Рис. 3. Счетчик энергопотребления «Меркурий 230»

Таблица 4. Преимущества приводов на основе вентильных электродвигателей

№ п\п Преимущества приводов ЭЦН на основе вентильных электродвигателей КП ЭЦН ВД Параметры вентильных электродвигателей

Возможность регулирования частоты вращения Высокий КПД Высокий СОБ ф Незначительное иизменение КПД и «б ф при снижении нагрузки Низкие значения токов Низкий перегрев обмоток статора Низкие значения требуемых минимальных скоростей охлаждающей жидкости

рабочих пусковых холостого хода

1. Функциональные характеристики

1.1. Регулирование подачи насоса

1.2. Возможность работы в скважинах с малым отбором и нестабильной подачей

1.3. Возможность плавного запуска УЭЦН

1.4. Возможность освоения скважин после ремонта без остановки УЭЦН для охлаждения двигателя

1.5. Возможность эксплуатации скважин в периодическом режиме с высоким ресурсом электрооборудования

2. Ресурсные характеристики

2.1. Повышение ресурса электродвигателя и гидрозащиты

2.2. Повышение ресурса кабеля

2.3. Повышение ресурса насоса

3. Снижение энергопотребления

Таблица 5. снижение энергозатрат при замене в УЭЦН асинхронных электродвигателей ПЭД вентильными ВД

№ П/П ПОКАЗАТЕЛЬ ТИП ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

ВД32-117 ПЭД32-117

1 Номинальная мощность, кВт 32 32

2 Номинальный ток, А 21 26

3 КПД, % 92,0 85,0

4 ^ ф 0,99 0,86

5 Потребление электроэнергии с учетом потерь в кабеле, кВт 38,87 43,67

6 Снижение потребляемой мощности, кВт 4,8

7 Снижение энергопотребления на одну скважину с КП ЭЦН ВД32, кВт*ч/год 39105

8 Снижение затрат на электроэнергию (при средней стоимости электроэнергии по м/р НГДУ «РИТЭКнефть» 2,97 руб./кВт*ч), тыс. руб. • на одну скважину • на 74 скважины по всему фонду скважин с УЭЦН, оборудованных ВД, в НГДУ «РИТЭКнефть» 35,2 2590

эксплуатация скважин

Таблица 6. Анализ энергопотребления вентильного и асинхронного двигателей на скважинах НГДУ «РИТЭКнефть»

ЭЦН30-ВД

Скважина, пласт ГНО Qж Обв, Qh, Ток Обороты

м3/сут, % т/сут А

107Л БВ8 ЭЦН-30вд/1900 56,0 2,4 46,2 16 3150

519 АС9 ЭЦН-30вд/1657 45,0 63,0 14,0 15,00 3200

526 БС1 ЭЦН-30вд/2000 36,1 93,0 2,1 16,00 2900

782 Ач3 ЭЦН-30вд/2278 34,8 14,0 25,2 9,00 2750

432 АЧ3 ЭЦН-30вд/2000 32,1 5,0 25,7 12,00 2900

203 ЮВ1 ЭЦН-30вд/2000 32,0 58,7 11,2 16,00 3200

516БС1,АС9 ЭЦН-30вд/1992 31,3 29,0 18,7 11,00 2900

426 Ач3 ЭЦН-30вд/2000 30,6 8,0 23,7 13,00 3000

772 Ач3 ЭЦН-30вд/2100 30,0 4,0 24,3 15,00 2800

485 Ач3 ЭЦН-30вд/2100 28,5 10,0 21,6 13,00 2800

655 Ач-1 ЭЦН-30вд/2200 27,0 17,0 18,7 11,00 2850

495 Ач3 ЭЦН-30вд/2003 26,9 43,0 12,9 10,00 2900

129 БВ8 ЭЦН-30вд/2000 26,6 37,4 14,1 16,00 2800

638 Ач-1 ЭЦН-30вд/2100 26,0 0,6 21,6 11,00 2800

515 АС9 ЭЦН-30вд/1700 25,9 16,0 18,3 15,00 3000

797 Ач-3 ЭЦН-30вд/2152 23,0 5,0 18,4 14,00 2800

494 Ач3 ЭЦН-30вд/1700 22,9 3,0 18,7 13,00 2900

792 АЧ3 ЭЦН-30вд/1940 19,7 6,0 15,6 9,00 3000

777 Ач3 ЭЦН-30вд/2020 17,0 10,0 12,9 13,00 2800

Среднее значение 30,1 22,4 19,2 12,9

ЭЦН-30ПЭД

Скважина, пласт ГНО Qж Обв, Qh, Ток

м3/сут, % т/сут А

491 Ач3 ЭЦН-30/2000 53,3 9,2 40,9 20

779 Ач3 ЭЦН-30/2450 48,3 28,1 29,4 20

773 Ач3 ЭЦН-30/2200 40,3 4 32,6 21

682 Ач-1 ЭЦН-30/1900 39,0 1,8 32,0 17

647 Ач-1 ЭЦН-30/1900 31,9 67,5 8,8 19

661 Ач-1 ЭЦН-30/1900 31,6 7 24,8 21

12Р ЮВ 1 ЭЦН-30/2100 30,0 68,4 8,0 22

201 Ач1 ЭЦН-30/1900 29,2 3,8 23,8 18,2

211 АЧ1 ЭЦН-30/2000 29,0 0,9 24,0 16

423 АЧ3 ЭЦН-30/2000 27,2 4 22,0 17

401 Ач1 ЭЦН-30/2100 25,9 3,5 21,1 17,5

126 БВ8 ЭЦН-30/1900 23,6 79,8 0,0 20

404 Ач 1 ЭЦН-30/1700 22,1 13 16,2 17

406 Ач1 ЭЦН-30/1900 21,7 40,2 11,0 20

102 БВ8 ЭЦН-30/1900 21,0 0,8 17,4 17

109 ЮВ1 ЭЦН-30/2040 21,0 93,9 1,1 19,5

215 ЮВ1 ЭЦН-30/2000 20,0 4,0 16,2 21

212 ЮВ1 ЭЦН-30/1900 18,0 16,4 12,7 21,5

221 ЮВ-1 ЭЦН-30/2000 17,1 5,2 13,7 20

Среднее значение 29,0 23,8 18,7 18,6

;t;(f и ruofc)у* e:>а»;t;iл;с ttMHitow.vi^nr

Mill

I

I

: 1 1

Телефон: (3435) 345-352 345-632 Разработчик: ОАО „Спецмаш", г. Санкт-Петербург Телефон: +7 В12 3200824

/1 -i yU1 ii'Ji-

ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ ДЛЯ ТЕКУЩЕГО, КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА И БУРЕНИЯ СКВАЖИН С УСТЬЕВЫМ ДАВЛЕНИЕМ ДО 35 МПА;

ОСВОЕНИЯ ГАЗОВЫХ, ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ И НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН ГЛУБИНОЙ ДО 5000 МЕТРОВ