Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение энергоэффективности и надежности погружных электродвигателей нефтедобычи

В.С. Романов, В.Г. Гольдштейн

Аннотация

Повышение энергоэффективности и надежности погружных электродвигателей нефтедобычи

В.С. Романов, В.Г. Гольдштейн, ФБГОУ ВПО "Самарский государственный технический университет", Самара, Россия.

В организации производства и эксплуатации погружных электродвигателей (ПЭД), как наиболее существенного элемента электропогружных установок (ЭПУ) в нефтяной отрасли необходим учет конкретных условий эксплуатации. Они определяются тем, в каких условиях происходит эксплуатация ЭПУ. Для полного представления о текущем состоянии парка ПЭД в нефтедобыче приведены результаты его статистического анализа. На текущий момент дана оценка эксплуатационных характеристик погружного оборудования, выпускаемого основными производителями. Констатируется, что стандартное оборудование не может обеспечить в полной мере эффективную эксплуатацию с помощью серийных УЭЦН, поэтому требуются разработки новых технологий и соответствующего оборудования. Инновационными изменениями современных ПЭД являются: использование вентильного привода, повышение частоты вращения 3000-6000 об/мин и номинального напряжения, схемные и параметрические изменения конструкций и др. Экономический фактор является немаловажным при выборе и внедрение в производство оборудования. Рассмотрен вопрос минимизация себестоимости ПЭД, организация и планирование ТОиР, увеличение МРП. Оцениваются достоинства и недостатки подходов организации эксплуатации парка ПЭД по наработке и фактическому состоянию при планировании и реализации ТОиР и целесообразность их комплексного применения. Обсуждается применение информационных методов и моделей для описания жизненных циклов ПЭД. Это позволяет прогнозировать граничные состояния типовых множеств и конкретных ПЭД при заданном времени наработки от начального ввода в эксплуатацию или капитального ремонта.

Ключевые слова: электропогружные установки, нефтедобыча, электрооборудование, погружные электродвигатели, гидрозащита, центробежные насосы, энергоэффективность, энергосбережения, минимизация потерь, система мониторинга, межремонтный период, жизненный цикл ПЭД.

Abstract

Improving the efficiency and reliability of submersible motors of oil production

V.S. Romanov, V.G. Goldstein, Samara State Technical University Samara, Russia.

In the organization of production and operation of submersible electric motors (PED), as the most essential element of electric submersible plants (ESP) in the oil industry, it is necessary to take into account specific operating conditions. They are determined by the conditions under which the EPU is operated. For a complete picture the current state of the SED fleet in oil production, the results of its statistical analysis are given. Currently, assessed the performance of submersible equipment produced by major manufacturers. It is stated that standard equipment cannot fully ensure efficient operation with the help of serial ESPs, therefore new technologies and corresponding equipment are required to be developed. Innovative changes in modern SEM are: the use of a valve drive, an increase in the rotational speed of 3000-6000 rpm and nominal voltage, schematic and parametric changes in structures, etc. The economic factor is important when selecting and introducing equipment into production. Examined issues of minimizing a cost of SEM, organization and planning of MRO, increasing in MIP. Estimates advantages and disadvantages of the approaches to an organization of operation of the SEM fleet following operating time and actual state during a planning and implementation of MRO as well as an expediency of their integrated appliance. Discussed an application of information methods and models for describing the life cycles of SEM. This allows us to predict the boundary conditions of typical sets and specific SEDs at a given operating time from initial commissioning or major overhaul.

Keywords: installations; oil production; electrical equipment; submersible electric motors; hydroprotection; centrifugal pumps; energy efficiency; energy saving; loss minimization; monitoring system; overhaul period; life cycle of SEM.

Введение

Общий объем добываемой нефти во многих регионах России с помощью электропогружных установок (ЭПУ), приводом которых служит погружной электродвигатель (ПЭД), составляет более 80 %. Применение этого метода экономически оправдано как для новых месторождений, так и для тех, которые длительное время находятся в условиях интенсивной эксплуатации. При выборе способа эксплуатации скважин должны быть приняты во внимание многие факторы, такие как вязкость, содержание механических примесей, газовый фактор, экономическая целесообразность применяемого оборудования.

На основе классификации и сравнительного анализа статистики по парку основных ПЭД в отечественной нефтедобыче, можно утверждать, что более 20 % скважин из всего фонда в России простаивают, так как стандартное оборудование не может обеспечить их эффективно эксплуатацию с помощью серийных ЭПУ как отечественного, так и дорогостоящего зарубежного производства, поэтому требуются разработки новых технологий и соответствующего оборудования. Основная цель работы заключается в исследование современного парка ПЭД в нефтедобывающей отрасли России с выработкой конкретных предложений для повышения энергоэффективности и надежности всего технологического процесса нефтедобычи, ключевым звеном которого является энергетическая отрасль. Наиболее перспективным направлением снижения энергозатрат и повышения эффективности и надежности работы нефтегазодобывающих предприятий (НГДП) является создание условий для безотказного функционирования электропогружных установок (ЭПУ).

Проведенное исследование базируется на сложившихся к настоящему времени научных подходах в области использования ЭПУ в нефтедобыче. Теоретической основой изучения вопросов представленной работы явились труды отечественных и зарубежных специалистов. Изучению вопросов теории и методологии в ЭПУ нефтедобычи были посвящены исследования таких авторов, как А.Н. Китабов, В.Я. Чаронов, Т.А. Атакишев, Р.В. Бабаев, А.А. Барьюдин, В.П. Токарев, С.С. Шубин. С точки зрения анализа состояния парка погружного электрооборудования следует отметить большую и кропотливую работу по сбору данных эксплуатации ПЭД, проведенную в ОАО "Самаранефтегаз" В.П. Сотниковым.

погружное электродвигатель нефтяная эксплуатационная

I. Постановка задачи

Исходя из вышеизложенного, возникает необходимость создания и исследования ЭПУ для работы в осложненных условиях с высоким КПД в основных режимах, с широким диапазоном подач и возможностью регулирования напора установки, которая обеспечивает синхронизацию параметров системы "пласт-скважина-установка". Снижение массогабаритных параметров подземной части установки значительно увеличит возможность беспрепятственного прохождения криволинейных участков скважин со сложной геометрией и малыми габаритами обсадных колон. Большей частью регионов нефтедобычи в России являются удаленные районы с резко-континентальными климатическими условиями.

Отдаленность нефтяных месторождений от производителей оборудования влечет за собой повышение затрат на доставку и хранение большой номенклатуры громоздких ЭПУ, что еще раз [1, 2], подчеркивает необходимость и актуальность снижения массогабаритных характеристик. Также следует минимизировать потери в линии, питающей погружной электродвигатель с поверхности, обеспечить автоматическую адаптацию к изменяющимся условиям функционирования и оптимизацию режима работы насосной установки. Для этого необходима эффективная система мониторинга параметров УЭЦН, которая позволяет сократить межремонтные интервалы. Следует отметить, что важным аспектом при выборе и внедрение в производство оборудования является минимизация себестоимости ПЭД.

II. Теория. Технический анализ конструкций ПЭД

Для более полного и эффективного представления о текущем состоянии ПЭД, используемых в отечественной нефтедобыче в настоящее время, необходим анализ данных эксплуатации их парка. Диаграмма на рис. 1 наглядно показывает распределение основных производителей рынка ПЭД, используемых в России.

Рис. 1. Основные производители рынка ПЭД в России

ПЭД компании "Борец" - это трехфазный короткозамкнутый маслонаполненный двухполюсной двигатель ручной намотки. Скорость вращения асинхронного двухполюсного двигателя при полной загрузке составляет 3000 об/мин при частоте питания 50 Гц и 3600 об/мин при частоте питания 60 Гц. Двигатели наполнены высокой степени очистки диэлектрическим маслом, которое обеспечивает смазку подшипников и теплопроводность. Двигатель способен выдерживать экстремальные значения температур как на поверхности, так и в скважине, которые, как правило, являются причиной повреждений ЭЦН и даже могут вызвать преждевременную поломку насоса.

Компания "Алмаз" производит маслонаполненные ПЭД для УЭЦН серии ПЭД-Я мощностью от 22 до 360 кВт и двигатели параметрические погружные трехфазные маслонаполненные серии РППЭД-Я (российский параметрический ПЭД конструкции профессора Н.В. Яловеги). Основные отличия РППЭД-Я от обычных - это меньшие габариты, устойчивая работа в широком диапазоне питающих напряжений, регулирование скорости вращения ротора в широком диапазоне изменением питающего напряжения, увеличенная мощность, большой пусковой момент, устойчивая работа при значительных изменениях питающего напряжения. Двигатели выпускаются в габаритах 117 и 103 мм, в теплостойком и обычном исполнении. В номенклатурном ряду присутствуют секционные двигатели. Мощность выпускаемых двигателей от 28 до 340 кВт.

ЗАО "Новомет" выпускает ПЭД трехфазные, короткозамкнутые, маслонаполненные различных модификаций (для работы в осложнённых условиях эксплуатации, с установленными погружными блоками контроля параметров установки и т.д.). ПЭД выпускаются в одно-, двух- и трехсекционной компоновке и имеют форму конструктивного исполнения по способу монтажа 1М 3631, предназначены для продолжительного режима работы S1 ГОСТ Р 52776-2007 от сети переменного тока частотой 50 Гц. Двигатель состоит из статора, ротора, головки и основания. Статор выполнен из трубы, в которую запрессован магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали с термостойким покрытием. Обмотка статора однослойная, протяжная, катушечная, выполнена теплостойким обмоточным проводом с изоляцией из полиимидно-фторопластовых пленок. Фазы обмотки соединены в звезду. Ротор короткозамкнутый, секционный. Достоинства ПЭД: надёжность конструкции, применение высокотемпературных материалов, высокие показатели наработки, обеспечение технических требований заказчиков, постоянное совершенствование технологических процессов производства.

ОАО "Алнас" производит сертифицированные комплектные погружные насосные установки для добычи нефти, поддержания пластового давления, различное наземное оборудование, в том числе системы управления. Сертификат на это оборудование выдан BureauVeritasQuality. ОАО "Алнас" подтверждает его соответствие требованиям ISO 9001:2000. Технология изготовления обуславливает высокое качество и надежность ПЭД. Статор выполняется с закрытым пазом, повышающим чистоту внутренней полости двигателя, позволяет успешно применять пазовую изоляцию в виде трубки. Обмоточный провод статора изоляции фирмы "DuPont". В роторе ПЭД применены оригинальные подшипники, имеющие механическую фиксацию от проворота и сохраняющие при этом возможность легкого перемещения вдоль оси вала. Применение специальных электротехнических материалов позволяет эксплуатировать ПЭД при температуре пластовой жидкости до 120°С, в супертермостойком исполнении - до 160 °С.

Компания Woodgroup PSN производит ПЭД и многоступенчатые центробежные насосы. Основные достоинства: высокая стойкость к абразивному износу, материал вала изготавливается из nitronic 50, что существенно повышает коррозионную стойкость агрегата, применен ряд инновационных мер, направленных на уменьшение отказов ЭПУ.

Компания Weatherford, представительства которой работают во всех крупнейших нефтегазовых регионах мира. Эта компания производит высокоэффективные электродвигатели и многоступенчатые центробежные насосы, в которых применены современные регуляторы частоты вращения привода. Основным достоинством является минимальные требования к установке на поверхности, особенно в условиях низких температур, существенно понижен процент отказов ЭПУ, в следствии применении инновационных материалов и конструкций.

Компания Reda(Schlumberger), которая выпускает инновационную быстроподключаемую конструкцию ПЭД, гидрозащит и датчиков системы REDA Maximus. Основные достоинства: нет необходимости в ответственных сборочных операциях, подверженных влиянию погодных условий; выполнение монтажных операций, такие как регулировка высадки валов, заполнение маслом электродвигателей и гидрозащит в контролируемых условиях производственных и сервисных центров компании; не требуется установка изоляции токоввода на устье; доставка на скважину компонентов системы Maximus готовыми к монтажу; надежная установка в условиях экстремально низкой окружающей температуры; сокращение времени работ при монтаже установки; увеличение периода эксплуатации установки; оптимальная производительность.

Компания BakerHughes(подразделение Centrilift) производит ЭПУ для эксплуатации в осложненных условиях. Достоинствами этих конструкций являются: модульность; возможность замены отдельных узлов установки без нарушения соосности валов; существенное сокращение сроков ремонтных работ; экологичность, как результат отсутствия утечек в маслозаполненных узлах ЭЦН, низкого уровня шума и отсутствия вибрации системы; работа в высокотемпературных условиях; системы эффективного мониторинга; возможность эксплуатации в условиях повышенного содержания песка и др.

III. Обсуждение результатов

Характерными принципами инновационных изменений современных УЭЦН и, прежде всего, погружных электродвигателей (ПЭД), являются: использование вентильного привода, повышение частоты вращения 3000-6000 об/мин и номинального напряжения, схемные и параметрические изменения конструкций и др. Они стратегически направлены на повышение их энергоэффективности и энергосбережения, увеличение межремонтных промежутков. Каждая из выбранных стратегий инновационных изменений в УЭЦН и в частности ПЭД имеет свои достоинства и недостатки. Однако при выборе способа эксплуатации скважины необходимо индивидуально рассматриватькаждый из предложенных способов исходя из местных условий для получения максимального экономического эффекта.

Одно из перспективных направлений энергосбережения и повышения энергоэффективности работы нефтегазодобывающих предприятий (НГДП) это - увеличение межремонтных периодов (МРП) ЭПУ [1] и, в первую очередь, ПЭД за счет минимизации числа аварийных отказов и нарушений. Надежность и эффективность эксплуатации ПЭД [2, 3] в значительной мере зависят от организации технического обслуживания и ремонта (ТОиР), которые в нефтяной отрасли реализуются двумя основными подходами:

· по времени эксплуатации ЭПУ (или отдельных ее составляющих) с отнесением ее к известной стандартной группе (например, ПЭД 63-117) с установленными для нее регламентами сроков и состава работ [2];

· по текущему техническому состоянию, которое определяется сравнением данных непрерывного контроля (который в настоящее время внедряется в отрасли) и технической диагностики с установленными граничными данными диагностических параметров [3-5].

В первом случае ТОиР предусматривает проведение плановых ремонтов и профилактических работ оборудования в соответствие с регламентными сроками, которые устанавливаются на основе инструктивных документов и опыта эксплуатации для конкретного типа ПЭД и фазы его жизненного цикла. При этом проверка состояния ПЭД производится по профилактическому принципу при выполнении техобслуживания, текущих и капитальных ремонтов.

Данный подход имеет ряд значительных недостатков, связанных, прежде всего, с технически неоправданными затратами. Так при формировании объема и состава планово-предупредительных работ ТОиР [2] для отдельных ПЭД и их групп часто по организационно-техническим причинам объединяются работы ТОиР для ПЭД и их составляющих, имеющих разные временные регламенты, и ряд объектов включается в общий состав ТОиР ранее назначенных им сроков. Это приводит к недоиспользованию ресурсов электроустановок и, кроме того, при простоях из-за лишних продолжительных спускоподъемных операций [2].

При этом характерны недобор нефти, значительное сокращение МРП и, как следствие увеличение убытков. Можно констатировать, что ТОиР по наработке в целом определяется типом ПЭД и не учитывает индивидуальные особенности эксплуатации ПЭД в условиях конкретных скважин. Кроме того, даже при качественном выполнении ТОиР с тщательно выполненной разборкой, детальным анализом и заменой при необходимости изношенных узлов и деталей не удается избежать нарушений их совместимости (что увеличивает возможности появления новых дефектов и нарушений) и гарантировать отсутствие внезапных отказов в МРП [2].

Эффективность эксплуатации ЭПУ можно повысить, организуя ТОиР в целом с определением времени, состава и графика по текущему состоянию ПЭД, иначе говоря, с учетом рационального использования внутренних запасов стойкости его отдельных элементов и в целом всей ЭПУ, то есть технического ресурса. Отметим, что и при этой организации ТОиР, как и в предыдущем случае, имеет место недоиспользование ов электроустановок, поскольку при выполнении ремонта конкретного элемента ЭПУ целесообразно расширение состава работ для работоспособных составляющих, имеющих значительный износ.

При этом необходимо обеспечить полномасштабное определение фактического технического состояния ПЭД по имеющемуся составу диагностических параметров (ДП), достаточному по содержанию, качеству и достоверности информации [4-6]. Далее на основе сравнения ДП с их граничными допустимыми значениями принимается решение о возможности дальнейшей работы установки и необходимом объеме ТОиР.

Предельным частным случаем этого подхода является ликвидация последствий внезапных аварийных нарушений и отказов. В этих ситуациях особенно важен анализ предаварийного состояния ПЭД, поскольку это позволяет получить необходимую информацию о динамике развития дефектов с целью их оперативной диагностики, локализации, прогнозирования и, как следствие, уменьшения аварийного ущерба [3-6].

Выводы и заключение

На основе проведенного анализа данных эксплуатации по парку ПЭД ОАО "Самаранефтегаз" установлено, что проведение плановых ремонтов и профилактических работ оборудования в соответствие с регламентными сроками имеют место технически неоправданные затраты. Они вызваны тем, что ряд объектов включается в общий состав ТОиР ранее назначенных им сроков. Это приводит к недоиспользованию ресурсов электроустановок и недобору нефти. При организации ТОиР по текущему состоянию ПЭД с учетом рационального использования их внутренних запасов стойкости в ряде случаев также недостаточно используются ресурсы погружного оборудования. Для повышения эффективности необходимо полномасштабное определение фактического технического состояния ПЭД на основе развернутой диагностики.

Сказанное выше можно обобщить следующими выводами.

1. Анализ серийных ЭПУ, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями показывает, что в сложных условиях современной нефтедобычи они не обеспечивают в полной мере высоких требований современной эффективной эксплуатации. Необходима разработка новых технологий и соответствующего оборудования.

2. Необходимо широкое внедрение ЭПУ для работы в осложненных условиях с высоким КПД в режимах с широким диапазоном подач и возможностью регулирования напора установки с обеспечением синхронизации параметров системы "пласт-скважина-установка".

3. Снижение массогабаритных параметров подземной части ЭПУ значительно увеличит возможность беспрепятственного прохождения криволинейных участков скважин со сложной геометрией и малыми габаритами обсадных колонн.

4. В организации эксплуатации и управлении параметрами жизненных циклов ПЭД нефтяной отрасли целесообразна комплексная организация ТОиР, использующая совместно в качестве основных положений данные и по наработке, и по текущему состоянию.

Высокая энергоемкость отрасли добычи нефти, необходимость снижения энергозатрат и повышение эффективности работы предприятий нефтяной отрасли, а также короткий срок службы ПЭД требуют системного учета и обработки эксплуатационных данных по специфическому погружному электрооборудованию на основе информационных технологий.

Список литературы

[1] Гирфанов А.А. Электромагнитная совместимость погружного электрооборудования предприятий нефтедобычи и разработка комплекса мер по повышению надежности его работы. Дис. канд. техн. наук, СамГТУ, г. Самара. 2005 г.

[2] Замиховский Л.М., Калявин В.П. Техническая диагностика погружных электроустановок для добычи нефти. Ив.-Франк. гостехуниверситет нефти и газа. - Снятын: Прут Принт, Ивано-Франковск. 1999 г. - 234 с.

[3] Китабов А.Н., Токарев В.П. Информационно-измерительная система диагностики погружного электродвигателя. - Вестник УГАТУ. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. - Уфа, УГАТУ 2011 г. т. 15, №1 (41). с. 163-164.

[4] Пошвин Е., Агеев Ш., Санталов А. Правильный выбор. Тернистый путь инноваций "Новомет", // "НГВ-Технологии", №9, 2015.

[5] Чаронов В.Я. Автоматизация работы основного оборудования и проблемы энергосбережения на объектах нефтегазодобычи. Альметьевск: ТатАСУнефть, 1998.

[6] Шубин С.С. Методическое и экспериментальное обеспечение определения технического состояния установок электроцентробежных насосов в процессе эксплуатации. Дис. канд. тех. наук, УГНТУ, г. Уфа. 2014 г.

Размещено на Allbest.ru