Full Text

Введение Развитие экономики в регионе, стране и мире сопровождается постоянно возрастающей потребностью в полезных ископаемых. Прежде всего растет потребность в энергоносителях. В настоящее время основным источником энергии среди всех видов полезных ископаемых является нефть. В связи с возросшим спросом на нефть ее добыча постоянно растет, а следовательно, происходит истощение существующих месторождений. Постоянная эксплуатация имеющихся скважин приводит к увеличению глубины залегания нефти, поэтому высокодебитные постепенно переходят в стадию средне- и низкодебитных. Для поддержания добычи нефти на неубывающем и достаточно высоком уровне необходимо проводить изыскательские работы по изучению текущего состояния всех скважин, особенно с глубоким залеганием нефти. По результатам таких работ требуется разрабатывать мероприятия по рациональному управлению истощенным районом, а также применять на практике научно-исследовательские разработки, которые смогут если не повысить, то хотя бы поддержать на прежнем уровне добычу нефти из малодебитных скважин. Далее рассмотрим возможность применения на таких скважинах научно-исследовательских разработок в области электротехнических устройств в составе добывающих агрегатов [1]. В настоящее время в Российской Федерации существуют два основных вида добывающих нефть агрегатов: плунжерный насос станков-качалок и центробежный погружной насосный агрегат. Для добычи нефти из высокодебитных скважин лучше использовать центробежные погружные насосы, а для средне- и малодебитных скважин со сложным режимом работы подходит плунжерный насос, перемещаемый с помощью станка-качалки. Несмотря на свою распространенность, станки-качалки имеют ряд значительных недостатков: - они имеют огромную массу, существенная доля которой перемещается по сложным криволинейным траекториям; - для их установки нужен фундамент, для построения которого необходимы вспомогательные издержки, тем более в условиях вечной мерзлоты; - колонны штанг изготавливают из дорогих легированных сталей; - глубина спуска плунжерного насоса не должна быть больше 2000 м из-за опасности обрыва штанг, так как существует риск поломки столба труб, вес которого играет очень важную роль; - под нагрузкой колонна штанг подвергается различным усилиям, поэтому насос заполняется в меньшей степени, так как ход его плунжера уменьшается; - поскольку скважины криволинейны, то колонна штанг при возвратно-поступательном движении соприкасается с насосно-компрессорными трубами, вследствие чего происходит их завышенный износ; - высокое трение штанги о стенки скважины приводит к низкой производительности устройства; - невозможно равномерно управлять произвольным количеством перемещаемых труб, так как наличие изменяющихся упругих деформаций штоковой колонны не позволяет в полной мере использовать рабочие движения поршня в цилиндре; - нефть также эмульгируется в трубах за счет взаимного движения штанг. Вышеупомянутые недочеты существенно влияют на производительность нефтедобывающего агрегата, поэтому возникает необходимость практического применения научных разработок с целью повышения качества их работы, а именно эти недостатки делают необходимым создание глубинного насосного агрегата без штанг. Цилиндрический линейный вентильный двигатель (ЦЛВД), который совместно с плунжерным насосом входит в состав погружного бесштангового электронасосного агрегата (ПБЭНА), не имеет упомянутых выше дефектов, так как в случае применения плунжерного насоса он жестко связан с ЦЛВД [1]. Это позволяет избавиться от ряда недостатков и, следовательно, существенно увеличить результативность установки. В состав самого агрегата кроме ЦЛВД входит расположенный в непосредственной близости от скважины преобразователь частоты (ПЧ) с микропроцессорным управлением, осуществляющий электропитание двигателя и его управление [2-4]. Поскольку основой агрегата добычи нефти является погружной насос, то исследования по улучшению бесштангового глубинного насоса необходимо проводить прежде всего в отношении разработки электропривода добывающего агрегата. Таким образом, единственно возможным вариантом увеличения эффективности добычи нефти из низкодебитных скважин является использование электропривода плунжерного насоса нового поколения, основанного на применении ЦЛВД с постоянными магнитами [5-7]. Постановка задачи Для реализации этой возможности следует изучить основные характеристики ЦЛВД в составе ПБЭНА, обеспечивающего возвратно-поступательное движение плунжера погружного штангового насоса с числом двойных ходов (0,5-8) и длинной хода (1,2-2) м. Промышленный образец ЦЛВД для эффективной добычи нефти должен гарантировать номинальное тяговое усилие на плунжер 3,5 т, что позволяет добывать нефть с глубины 3000 м. Для качественной и продуктивной работы тяговое усилие ЦЛВД, который является ключевым объектом ПБЭНА, должно быть не меньше 3000-5000 кГс. Постоянные магниты в процессе работы такой электрической машины создают магнитное поле в воздушном зазоре между корпусом ЦЛВД и его вторичным элементом [6, 8, 9]. В настоящее время мощные магниты обладают следующими характеристиками: остаточная магнитная индукция до 1,4 Тл; коэрцитивная сила порядка 250-300 кА/м; рабочая температура 1800 °С. Предварительные расчеты и исследования опытного образца ЦЛВД подтвердили, двигатель такой конструкции способен создать тяговое усилие на активной длине штанги в один метр до 500 кГс. В этом случае для получения тягового усилия 3,5 т необходим ЦЛВД длинной 7-8 м. Для решения такой задачи требуется разработать методику расчёта рабочих характеристик ЦЛВД. На рис. 1 представлен ПБЭНА, в котором установлен ЦЛВД. Именно такой агрегат используется для добычи нефти из низкодебитных скважин. Рис. 1. ПБЭНА совместно с ЦЛВД Поршень плунжерного насоса, который прикреплен к штоку ЦЛВД, совершает возвратно-поступательные движения, поэтому ПБЭНА сможет бурить скважины практически любой доступной глубины и почти произвольной траектории с малыми затратами. Множество проблем может быть решено с помощью такой конструкции, а именно: не нужно будет заливать фундамент бетоном в виде широкой и толстой плиты; консервировать нефтедобывающую установку в относительно короткий период, устанавливать и обслуживать станок-качалку. С помощью такого агрегата добыча нефти будет более эффективной. При этом также будут снижены экономические затраты на электрическую энергию и износ материала при передвижении колонны штанг в скважине. Требования к ПБЭНА и ЦЛВД Вспомогательное давление, которое противодействует опусканию жидкости под силой тяжести, способствует получению пластовой жидкости. Насосные установки с электроприводом (нефтедобывающие агрегаты) предназначены для создания дополнительного давления. Основной задачей электропривода является обеспечение нефтедобывающего агрегата механической энергией путем преобразования электрической. Для обеспечения максимально возможного дебита скважины нефтедобывающий агрегат снабжают системой управления, которая в наше время строится на основе микропроцессорной техники [2-4]. Конструкция и режимы работы скважинной штанговой насосной установки и электрического центробежного насоса сформировали основные требования к ПБЭНА и ЦЛВД, которые смогут полностью обеспечить необходимые для нормальной работы параметры и характеристики [10]: 1. Перемещения колонны должны выполняться без торможений. Двигатель должен выполнять свою работу, даже если жидкость поднялась на поверхность земли. Развиваемая при этом скорость должна оставаться неизменной. 2. Шаг движения колонны должен легко и просто управляться. 3. Добыча нефти из скважины осуществляется за счет изменения количества удвоенных шагов индуктора ЦЛВД, а значит, и самого плунжера, которое регулируется источником электрического питания. 4. Частота и расстояние шага колонны должны меняться независимо друг от друга. 5. Потенциальная энергия нефти или мощность индуктора должны обеспечивать возврат поршня в первоначальное положение. 6. Двигатель должен останавливаться при достижении нефтью критического уровня и вновь запускаться, если ее уровень снова поднялся. 7. Модуль ЦЛВД, усилие которого не менее 500 кГс, должен быть длиной 100 см, или 1 м. В настоящее время вентильные двигатели вращательного движения с постоянными магнитами находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Были разработаны новые методики расчета электромагнитного поля и характеристик таких двигателей. Однако использовать эти методики для расчета полей и характеристик ЦЛВД возвратно-поступательного движения не представляется возможным из-за существенного отличия в выполнении обмоток и геометрии индуктора и вторичного элемента. Использовать ЦЛВД на предприятиях довольно сложно, так как затруднителен и индивидуален расчет параметров и характеристик ЦЛВД с постоянными магнитами. Поэтому рассмотрим далее реализацию подобной актуальной методики. Устройство и конструкция ЦЛВД В состав ЦЛВД входит круглый индуктор, закрепленный неподвижно в корпусе, и немагнитный шток с установленными на нем постоянными магнитами. Значения напряженности и индукции постоянных магнитов следующие: кА/м, Тл. На рис. 2 представлено продольное сечение индуктора и вторичного элемента. Цилиндрическая обмотка индуктора располагается в зубцах и пазах. Деление полюсное , а зубцовое деление [11,12]. Рис. 2. Сечение индуктора и ротора Преобразователь частоты (ПЧ) обеспечивает электроэнергией трехфазную обмотку индуктора, состоящую из катушек, соединенных воедино на всем расстоянии неподвижной части машины. Именно ПЧ задает переменное магнитное поле, создаваемое обмоткой статора. Между индуктором и рабочим телом (вторичным элементом) имеется воздушный зазор 1,5. Шток вторичного элемента крепится к корпусу ЦЛВД на торцах с помощью подшипников скольжения. Диаметр ротора машины составляет 55 мм. Расчет характеристик ЦЛВД ЦЛВД состоит из одинаковых модулей. Количество модулей определяет общую длину ЦЛВД, которая задает мощность и тяговое усилие всего двигателя [13-15]. Геометрические размеры обсадной трубы и колонны штанг изменить невозможно, поэтому поперечное сечение ЦЛВД должно быть ограниченным. Следовательно, для создания необходимого тягового усилия требуется наращивать ЦЛВД в длину до 8-10 м. Рабочим ходом считается перемещении ротора вверх с усилием , на обратном ходу усилие составляет , которое должно быть намного меньше . Возвратно-поступательное движение образуется при взаимодействии плунжерного насоса и вторичного элемента ЦЛВД [5, 6, 16, 17]. Исходные данные для расчета ЦЛВД перечислены в табл. 1. Таблица 1 Исходные данные для расчета ЦЛВД Обозначения Ед. изм. Значения Название параметра Dp м 0,055 Диаметр вторичного элемента I A 30 Действующее значение тока, протекающего по обмоткам индуктора H0 А/м 680 000 Напряженность магнитного поля Bz Тл 1,1 Магнитная индукция в воздушном зазоре t м 0,03 Полюсное деление d м 0,0015 Ширина немагнитного зазора b м 0,015 Ширина полюса wк 20 Число витков катушки в пазу tz м 0,01 Зубцовое деление индуктора p 16 Число пар полюсов Dм м 0,047 Внешний диаметр реального магнита ЦЛВД dм м 0,022 Внутренний диаметр реального магнита ЦЛВД hм м 0,008 Ширина реального магнита ЦЛВД f Гц 1 Частота сети m0 о.е. Магнитная проницаемость Расчет ЦЛВД следует начать с определения основного параметра, а именно с тягового усилия . Далее необходимо найти мощность Рэм ЦЛВД. Тяговое усилие модуля ЦЛВД найдем по закону Ампера: , (1) где D - диаметр ротора с учетом воздушного зазора, ; - длина активной части модуля индуктора ЦЛВД, ; a - коэффициент полюсного деления, ; - линейная токовая нагрузка, которую испытывает обмотка индуктора, находится по формуле . (2) В данной формулировке закона Ампера все параметры, кроме магнитной индукции, известны, которая создается постоянными магнитами в воздушном зазоре ЦЛВД. Истинная геометрия меняется при переходе от цилиндрической системы координат, которая используется для описания цилиндрических тел, к декартовой (данный переход оправдан, так как следует рассчитать линейный двигатель) [18-20], поэтому магнитная индукция в воздушном зазоре заменяется ее средним значением и после преобразований будет определяться по формуле [21-24]: (3) где - магнитная индукция постоянных магнитов, установленных на вторичном элементе. Вычисления и построение характеристик производились в программном обеспечении Mathcad. Задавая в диапазоне от 5 до 35 А, определим тяговое усилие, действующее на вторичный элемент ЦЛВД. Результат вычислений представлен в табл. 2 и на рис. 3. Таблица 2 Значения тягового усилия ЦЛВД в зависимости от I, А 5 10 15 20 25 30 35 Fэм, Н 626,925 1254 1881 2508 3135 3762 4388 Fэм, кГс 63,928 127,872 191,808 255,744 319,681 383,617 447,451 Согласно рис. 3 тяговое усилие линейно возрастает с увеличением тока обмотки индуктора I, а диапазон возможных значений подтверждает, что нужное усилие погружного насоса достижимо. Рассчитаем полезную активную мощность ЦЛВД при разных частотах питающего напряжения по формуле , (4) где - скорость перемещения вторичного элемента. Рис. 3. Зависимость тягового усилия Fэм от действующего значения тока обмотки индуктора I Результаты расчетов тяговых усилий и полезной мощности ЦЛВД при изменении частоты питающего напряжения f от 1 до 7 Гц представлены в табл. 3 и на рис. 4. Таблица 3 Значения тягового усилия ЦЛВД в зависимости от и Частота источника, Гц I, Ам 5 10 15 20 25 30 35 f = 1 Fэм, Н 626,925 1254 1881 2508 3135 3762 4388 Рэм, Вт 37,615 75,24 112,86 150,48 188,1 225,72 263,28 f = 2 Fэм, Н 626,925 1254 1881 2508 3135 3762 4388 Рэм, Вт 75,231 150,48 225,72 300,96 376,2 451,44 526,56 f = 3 Fэм, Н 626,925 1254 1881 2508 3135 3762 4388 Рэм, Вт 112,846 225,72 338,58 451,44 564,3 677,16 789,84 Окончание табл. 3 Частота источника, Гц I, Ам 5 10 15 20 25 30 35 f = 4 Fэм, Н 626,925 1254 1881 2508 3135 3762 4388 Рэм, Вт 150,462 300,96 451,44 601,92 752,4 902,88 1053 f = 5 Fэм, Н 639.472 1279 1918 2558 3197 3837 4476 Рэм, Вт 188,077 376,2 564,3 752,4 940,5 1129 1316 f = 6 Fэм, Н 626,925 1254 1881 2508 3135 3762 4388 Рэм, Вт 225,693 451,44 677,16 902,88 1129 1354 1580 f = 7 Fэм, Н 626,925 1254 1881 2508 3135 3762 4388 Рэм, Вт 263,308 526,68 790,02 1053 1317 1580 1843 Согласно табл. 3 и рис. 4 варьирование частоты источника питания f не оказывает существенного влияния на тяговое усилие ЦЛВД Рэм. Однако с ростом частоты источника питания f активная электромагнитная мощность Рэм возрастает. Рис. 4. Зависимость полезной мощности ЦЛВД Рэм от действующего тока обмотки индуктора I при изменении частоты питающего напряжения f от 1 до 7 Гц Анализ полученных характеристик Согласно рис. 3 тяговое усилие ЦЛВД прямо пропорционально действующему значению тока фазы двигателя I. Так, при номинальном токе I = 30 А тяговое усилие составляет Fэм = 3762 с одного метра длины двигателя. Это усилие получено с применением вторичного элемента, создающего в воздушном зазоре магнитную индукцию 1,1 Тл. При использовании магнитов с B2 = 1,4 Тл тяговое усилие должно увеличиться. Действительно, при B2 = 1,1 Тл среднее значение магнитной индукции в зазоре равно 0,75 Тл, а при замене магнитов на штоке вторичного элемента с индукцией 1,4 Тл среднее значение индукции в зазоре увеличивается до величины 0,95 Тл. При этом тяговое усилие вторичного элемента увеличивается до значения 4873 Н, или 500 кГс с одного метра длины модуля ЦЛВД. Таким образом, для получения необходимого усилия ЦЛВД в целом, равного 3500 кГс, требуется применить двигатель, длина которого составит 7 м. Мощность на штоке вторичного элемента согласно рис. 4 прямо пропорциональна току фазы индуктора и частоте питающего напряжения в рабочем диапазоне 1-7 Гц. Эта мощность на номинальном токе находится в пределах от 225 до 1580 Вт. Расчет показал, что разрабатываемый ЦЛВД обеспечивает все условия, поставленные целью исследований. Заключение Результаты исследований подтвердили обоснованность применения на практике альтернативного способа добычи нефти из малодебитных скважин вместо известных станков-качалок [25]. Предложенный способ решил бы проблемы с износом труб и штанг, а также с загрязнением окружающей среды. ПБЭНА по сравнению с балансирным станком-качалкой имеет меньшие габаритные и установочные размеры примерно на 30-50 %, повышает результативность на 60-90 %. Помимо этого за годы добычи нефти с помощью станков-качалок в мире скопилось довольно большое количество низкодебитных скважин, которые подвергаются консервации по причине неспособности классических методов добывать нефть из них в дальнейшем. Замена станков-качалок на таких скважинах на ПБЭНА позволит в дальнейшем результативно добывать нефть. Кроме того, ЦЛВД в составе ПБЭНА дает возможность весьма эффективно добывать нефть не только в обычных, но и в глубоких, наклонных, горизонтальных скважинах, а также на отмелях и морских нефтепромыслах. Согласно проведённым исследованиям установлено, что предлагаемая конструкция ПБЭНА, основанная на применении ЦЛВД, обладает несколькими значительными положительными сторонами в сравнении со штанговыми глубинными насосными установками: - возможность плавного регулирования длинны хода плунжера насоса и числа двойных ходов независимо друг от друга; - невысокая металлоемкость оборудования облегчает перевозку и монтаж ПБЭНА; - отпадает необходимость в возведении громоздкого фундамента для установки оборудования; - отсутствует дорогостоящая колонна штанг; - появляется возможность использования ПБЭНА для добычи нефти из глубоких скважин до 3000 м и более; - жёсткая механическая связь между ЦЛВД и насосом увеличивает коэффициент заполнения насоса и эффективность его использования; - нагрев двигателя в зоне отбора нефти уменьшает вероятность асфальтосмолопарафиновых отложений. Также следует отметить, что методика расчета ЦЛВД, предложенная в данной статье, может быть использована для конструкторских изысканий с целью проектирования линейного двигателя меньшей мощности и габаритов [16, 17]. Такие ЦЛВД могут применяться в различных устройствах и агрегатах других областей народного хозяйства, например, в шлифовальных станках для перемещения план-шайбы, в системах автоматического регулирования и управления для линейно перемещающихся объектов и др. В таких устройствах имеется необходимость организации поступательного или возвратно-поступательного движения вторичного элемента без применения механических преобразователей (редуктор, червяк и др.), способствующих снижению эффективности и надежности работы этих агрегатов [13].

About the authors

K. A Konev

Perm National Research Polytechnic University

A. O Furina

Perm National Research Polytechnic University

A. D Korotaev

Perm National Research Polytechnic University

E. A Chabanov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 35

PDF (Russian) - 43

Refbacks

• There are currently no refbacks.