Содержание к диссертации
Введение
1 Характеристика процесса отбора нефти из скважины с УЭЦН и эффекты отложения солей на рабочих органах установки 9
1.1 Анализ негативных факторов при эксплуатации скважин,
оборудованных УЭЦН
1.2 Краткая характеристика отбора нефти с помощью УЭЦН 12
1.3 Описание и анализ осложнений, возникающих при добыче нефти с использованием УЭЦН 17
1.4 Краткое описание существующих способов расклинивания погружного ЦН 26
1.5 Выводы по главе 29
2 Разработка математической модели процесса отложения солей на рабочих органах центробежного насоса 30
2.1 Общие положения 30
2.2 Исследование процесса увеличения момента статического сопротивления ЦН 30
2.2.1 Разработка математического описания момента сопротивления, возникающего в гидродинамическом упорном подшипнике, и его расчет 33
2.2.2 Разработка математического описания момента сопротивления, возникающего в рабочих органах ЦН, и его расчет 42
2.3 Разработка математической модели процесса изменения момента сопротивления погружного центробежного насоса 46
2.4 Разработка модели учета солеотложений на квазистатическом режиме работы УЭЦН 53
2.5 Выводы поглаве 57
3 Исследование существующих способов расклинивания эцн и разработка математической модели «ПЧ-кабель ЭЦН» 58
3.1 Общие положения 58
3.2 Исследование регламентируемых алгоритмов расклинивания ЦН 58
3.3 Разработка математической модели «ПЧ-кабель-ЭЦН» 69
3.4 Выводы по главе 72
4 Разработка и исследование алгоритмов частотно регулируемого процесса расклинивания ЭЦН методом имитационного моделирования 73
4.1 Общие положения 73
4.2 Разработка рекомендаций по выбору параметров процесса расклинивания ЦН 73
4.3 Разработка алгоритма частотно-регулируемого процесса расклинивания ЭЦНсПЧ 78
4.4 Исследование алгоритма расклинивания ЭЦН методом имитационного моделирования 88
4.5 Выводы по главе 102
Основные выводы 103
Список литературы
- Описание и анализ осложнений, возникающих при добыче нефти с использованием УЭЦН
- Разработка математического описания момента сопротивления, возникающего в гидродинамическом упорном подшипнике, и его расчет
- Исследование регламентируемых алгоритмов расклинивания ЦН
- Разработка алгоритма частотно-регулируемого процесса расклинивания ЭЦНсПЧ
Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе развития Российской Федерации (РФ) значительная часть бюджетных поступлений определяется экспортом товарной нефти в страны потребители. Поэтому экономическая стабильность и развитие страны зависит от нефтяной отрасли топливно-энергетического комплекса. Следовательно, приоритетными становятся задачи наращивания объемов добьгаи нефти за счет сокращения простаивающего фонда скважин, использования современных разработок и технологий для увеличения нефтеотдачи и уменьшения затрат на единицу добытой нефти.
При решении этих задач важную роль играет интенсификация и оптимизация использования нефтепромыслового оборудования на всех этапах добьгаи и подготовки нефти к транспортировке. Причем, именно этап добьгаи нефти в значительной мере определяет эффективность функционирования нефтедобывающего комплекса в целом. Поэтому в сложившейся ситуации оптимальность использования скважинного оборудования, рациональность расходования его ресурса и продление срока службы приобретают особую актуальность.
На территории РФ на нефтяных промыслах наибольшее распространение имеют скважины, оборудованные установками электроцентробежных насосов (УЭЦН), часть из которых оснащается регулируемыми электроприводами с преобразователями частоты (ПЧ).
Известно, что одними из основных причин отказов (67%) УЭЦН на месторождениях Западной Сибири являются солеотложение и засорение рабочих органов механическими примесями. Проявление этих негативных факторов индивидуально для каждой скважины и сложно для прогнозирования. При этом происходит увеличение момента нагрузки на валу погружного насоса вплоть до его полного заклинивания.
В технологических регламентах нефтяных компаний предусматривается не более трех расклинивающих пусков УЭЦН. В случае неразворота вала УЭЦН, проводятся технологические операции по соляно-кислотной обработке или промывке погружного насоса и после повторного неудачного пуска УЭЦН выполняются дорогостоящие спуско-подъемные операции по замене погружного оборудования. В настоящее время процесс расклинивания УЭЦН производится вручную оператором, часто не имеющим
необходимой квалификации, что приводит к выходу из строя погружного оборудования.
Таким образом, вопросы исследования процесса расклинивания погружного центробежного насоса (ЦН), при использовании ПЧ в составе УЭЦН, а также разработка системы автоматизации этого процесса являются актуальными.
Цель и задачи исследования. Разработка моделей и алгоритмов частотно-регулируемого процесса расклинивания электроцентробежного насоса при добьгае нефти в осложненных условиях солеотложения для повышения успешности расклинивания, снижение энергетических потерь.
Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:
разработка математической модели процесса солеотложения и выноса механических примесей в рабочие органы погружного центробежного насоса для определения максимальных моментов сопротивления на валу погружного электродвигателя;
разработка алгоритмов частотно-регулируемого процесса расклинивания электроцентробежного насоса;
исследование методом имитационного моделирования алгоритмов частотно-регулируемого процесса расклинивания электроцентробежного насоса.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс расклинивания электроцентробежного насоса при добьгае нефти в осложненных условиях.
Предметом исследования являются алгоритмы расклинивающих пусков погружных электроцентробежных насосов, с учетом энергетических потерь в погружном электродвигателе.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, теории электрических машин, теории автоматического управления, а также результаты исследований на нефтепромыслах.
Степень изученности проблемы. Проблемами солеотложения и выноса механических примесей в рабочие органы ЦН занимались многие специалисты нефтяной промышленности. Вопросами эксплуатации УЭЦН в осложненных режимах с помощью частотно-регулируемого привода
занимались П.Т. Семченко, Н.К. Котов, В.А. Ведерников, Р.А. Чертов, В.Г. Ханжин, С.А. Михайлов, В.Н. Ивановский, однако в настоящее время не существует методик, позволяющих производить расклинивание ЦН в автоматическом режиме.
Основные научные результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
Модель суммарного момента нагрузки, учитывающая трение на поверхностях рабочих органов и гидродинамическом упорном подшипнике скольжения, определяющая динамику возможного заклинивания погружной системы пред повторными пусками.
Элекромеханическая модель динамики системы «ПЧ-кабель-ЭЦН», включающая преобразователь частоты, длинный кабель и электроцентробежный насос, ее цифровая реализация в среде MatLab\Simulink.
Алгоритм осложненного пуска для автоматизации технологического процесса расклинивания электроцентробежного насоса, с контролем допустимых уставок и снижением энергетических потерь.
Научная новизна результатов:
Разработана модель момента нагрузки погружного насоса, устанавливающая связь между объемами выносов механических примесей, отложениями солей на поверхностях рабочих органов и моментом сопротивления вала насоса, что позволяет прогнозировать выход УЭЦН в предаварийное состояние заклинивания.
Разработана электромеханическая модель системы «ПЧ-кабель-ЭЦН», включающая преобразователь частоты, длинный кабель и электроцентробежный насос, позволяющая идентифицировать параметры процесса расклинивания.
Разработан алгоритм частотно-регулируемого процесса расклинивания, позволяющий повысить успешность процесса расклинивания электроцентробежного насоса со снижением энергетических потерь при добыче нефти в осложненных условиях.
Достоверность результатов диссертации. Достоверность полученных результатов базируется на использовании основных положений и законов механики погружных центробежных насосов, электродинамики погружных электродвигателей, полноте математических выкладок, использовании профессиональных программных приложений (Электон-UV,
Matlab\Simulink) для интерпретации данных со станций управления фирмы «Электон» и моделирования динамики электромеханических систем, сходимостью результатов вычислительного анализа с экспериментальными данными моментных испытаний ступеней центробежного насоса на стенде и графиками нагрузок реально работающих ЭЦН.
Практическая ценность работы и реализация полученных результатов. Разработанные модели и алгоритмы частотно-регулируемого процесса расклинивания электроцентробежного насоса с преобразователем частоты, с контролем тепловых энергетических потерь в погружном электродвигателе, расширяют арсенал методов, применяемых в практике эксплуатации погружных систем, снижают энергетические потери в электродвигателе, увеличивают успешность расклинивания, что позволяет снизить межремонтный период УЭЦН и увеличить добычу нефти.
Разработанные алгоритмы частотно-регулируемого процесса расклинивания могут быть положены в основу системы автоматического управления УЭЦН.
Результаты исследований использованы и рекомендованы к внедрению в нефтяных компаниях ОАО «Сургутнефтегаз», ОАО «Томскнефть ВНК» и ЗАО «Компания СИАМ». Документы, подтверждающие использование и внедрение, приложены к диссертации.
Апробация работы. Основные результаты работы изложены и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: «Современные техника и технологии» (Томск 2008-2010); «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень 2008); «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень 2010); «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (Тюмень 2010); на конкурсе молодых работников и специалистов ООО «Лукойл-Западная Сибирь» (Когалым 2010); на Российской технической нефтегазовой конференции и выставке SPE по разведке и добыче (Москва 2010). А также на технических совещаниях в подразделениях нефтедобывающих компаний ОАО «Сургутнефтегаз» «СЦ ЭПУ» в г. Сургут (2009), ЗАО «Лукойл ЭПУ Сервис» в г. Лангепас и ООО Шлюмберже «СЦ ЭПУ REDA» в г. Нефтеюганск (2010).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 16 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. Результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В опубликованных работах автором лично разработаны:
условия возникновения заклинивания погружного центробежного насоса [6,9].
математическое описание суммарного момента трения [7,8] погружного центробежного насоса при солеотложении и выносе механических примесей в рабочие органы.
электромеханическая модель системы «ПЧ-кабель-ЭЦН», включающая преобразователь частоты, длинный кабель и электроцентробежный насос, в Matlab\Simulink [3,11,12,13,14].
алгоритм частотно-регулируемого процесса расклинивания установкой электроцентробежного насоса [12,15].
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста и содержит введение, четыре раздела, вьшоды, список литературы из 102 наименований, 46 рисунков, 7 таблиц и 4 приложения.
Описание и анализ осложнений, возникающих при добыче нефти с использованием УЭЦН
Отложение солей приводит к снижению дебита скважин, преждевременному выходу из строя дорогостоящего оборудования и дополнительным ремонтам скважин, а в итоге — к ухудшению технико-экономических показателей нефтегазодобывающих предприятий. В условиях интенсивного отложения солей эксплуатируются многие месторождения Западной Сибири, Урало-Поволжья, находящиеся в Башкортостане, Татарстане, Удмуртии и Оренбургской, Пермской, Самарской областях [51,52].
Явления подклинивания и засорения рабочих органов ЦН проявляются во время работы установки, в виде забивания проточных каналов проппантом, мелкими частицами породы скважины и налипания солей на рабочих колесах и направляющих аппаратах насоса. Явления заиливание и залипання проявляются после пуска простоявшей скважины, за счет осаждения на рабочие элементы насоса со ствола скважины мелких частиц и ила, обладающих клейкими свойствами. Достаточно сложно определить наличие этих негативных явлений в насосе, не поднявего на поверхность.
В работе Габдуллина Р.Ф. [53] были произведены послеаварийные разборы и обследование ЭЦН, по результатам которых было выявлено, что в большинстве случаев отложения наблюдаются в первых (2...8) направляющих аппаратах и рабочих колесах. При этом распределение осадков в рабочих колесах и направляющих аппаратах носит неравномерный характер, как по окружности, так и в радиальном направлении. Также в этой работе было произведено изучение разрезов рабочих органов насосов, которое позволило установить основные стадии образования отложений. Формирование отложений неорганических солей начинается на наружных торцевых поверхностях направляющих аппаратов и рабочих колес в виде отдельных пятен площадью до 1 см , которые по мере нарастания образуют сплошной слой, толщиной до 0,5 мм. Во второй стадии начинается налипание на поверхность частиц песка, кристаллов неогранических солей, асфальто-смоло-парафинистых компонентов (АСПК) нефти, в результате чего появляются плотные отложения сложного состава. Отложения начинают приобретать абразивные свойства. В этой стадии осадки образуются уже в проточных каналах направляющих аппаратов и рабочих колес, причем в первую очередь, на выпуклой стороне лопаток направляющих аппаратов и вогнутой стороне лопастей рабочих колес, из-за чего сечение проточных каналов рабочих органов уменьшается. В третьей стадии происходит дальнейший рост отложений, они распространяются по боковым поверхностям проточных каналов направляющих аппаратов и рабочих колес, а также на других частях рабочих органов, причем их распределение, как по длине насоса, так и в пределах каждой ступени становится все более неравномерным. По мере нарастания осадков происходит дальнейшее сужение проточных каналов, сами отложения становятся! все более плотными к, прочными, увеличивается их абразивность за счет включения дополнительного количества частиц песка и других механических примесей.
Образующиеся в насосе осадки, в первую очередь, приводят к износу его трущихся пар, уплотнительных колец и рабочих органов, причем износ носит неравномерный характер, как в радиальном, так и в продольном направлениях.
В результате сравнения солевых отложений с данными по замерам дебитов скважин во времени, показало их влияние на подачу ЭЦН, из-за вызываемого ими сужения проточных каналов. Заметное ухудшение характеристик насоса происходит при перекрытии каналов рабочих органов на 30% и более. Наибольшая степень перекрытия, обнаруженная при осмотре насосов, составляла около 80%. Превышение этого значения уже приводило к срабатыванию защиты и остановке УЭЦН.
В работе Михайлова А.Г. [54] исследованы основные виды солевых отложений характерных для месторождений Западной Сибири, механизм их формирований. Автор предлагает программу расчета солеобразования по стволу добывающей скважины, включая насос и внутренние стенки НКТ. Также автором установлено, что процесс солеотложения проявляется и во время.простоя скважины.
Простой скважины может быть вызван частыми остановками погружного оборудования из-за аварий в сети электроснабжения месторождений, при срабатывании систем защит СУ УЭЦН по недогрузке, по вибрации, по сопротивлению изоляции и др. При этом возникает повышение вероятности заклинивания ЦН при пуске УЭЦН.
Автором данной работы, в результате исследований послеаварийных разборов ЭЦН установлено, что заклинивание насосного агрегата можно разделить на два типа - мягкое и жесткое. К жесткому относится заклинивание, вызванное солеотложениями в рабочих органах насоса. Устранить такой тип неразворота достаточно сложно; так как отложения в большинстве случаев плотные, имеют. прочное сцепление с поверхностью, рабочих органов погружного насоса. При этом на первых ступенях" ЦН они-более плотные и. прочные, чем на последующих. В большинстве случаев, попытка расклинить ЦН приводит к срезу шпонок, деформации вала или в худшем случае - полету ЭЦН.
К мягкому, относится заклинивание, вызванное заиливанием, засорением; залипанием или выбросом песка в рабочих органах насоса. То есть после однократного срыва залипших рабочих органов, ЦН возвращается на свою рабочую характеристику, а ил, мелкий сор и песок вымываются потоком восходящей жидкости. Как правило, вероятность, успешного расклинивания в этом случае больше, чем при жестком заклинивании.
Отложение солей также может происходить и в рабочих режимах, тогда отмечается рост момента сопротивления на валу насоса: Что- приводит к росту нагрузки на ПЭД, с постепенным1 снижением производительности ЭЦН и увеличением износа погружного оборудования:
Это вызвано тем, что в,нормальном не засоренном состоянии рабочие колеса элементов погружного насоса могут свободно перемещаться вдоль вала, так, что осевые усилия, связанные с созданием момента, идущего на подъем- жидкости в колонне НКТ, передаются! на корпус насоса и далее на колонну НКТ. На упорный подшипник воздействует только-сила, тяжести ЭЦН, а вал привода воспринимает только полезные скручивающие усилия [2,10,21,22].
Разработка математического описания момента сопротивления, возникающего в гидродинамическом упорном подшипнике, и его расчет
Из рисунка видно; что с увеличением глубины подвески насоса, увеличивается скорость солеобразования. Так как в данной работе рассматриваются погружные установки для скважин глубиной -2000 м, то рассмотрим ситуацию с образованием солей СаСОз со скоростью УСасоз = Ю00 г/сут. Однако не весь объем соли, образованной в скважине, будет оседать на рабочих органах ЦН, т.к. часть их выносится на поверхность с потоком добываемой жидкости. Поэтому необходимо ввести коэффициент киит интенсивности солеотложения на насосе, который будет изменяться в пределах [0; 1]. Считаем [53], что процесс заполнения солью рабочих органов насоса осуществляется с приема насоса и рабочие органы заполняются поочередно в зависимости от высоты расположения.
Тогда число заклиненных колес определяется следующей формулой: z(t) = /e„„T- , (2.37) где Усасоз - скорость солеобразования в скважине, см3/сут; VPo - объем соли GaCOj, образованный в рабочем колесе и направляющем аппарате, достаточный для заклинивания рабочего колеса, см3; t - время, сут.
Величина Vp0 определяется объемом заполнения рабочего колеса и направляющего аппарата таким образом, чтобы между ними происходило трение в трех возможных зонах — опорные шайбы, верхняя площадка и боковая выходная поверхность рабочего колеса.
Для моделирования-процесса изменения момента статического сопротивления были использованы технические данные насоса ЭЦН5-125, с характеристиками, приведенными в таблице 2.4. На рисунке 2112 приведены полученные- в программной среде Mathcad 14 графики нарастания момента статического сопротивления ПЭД во времени, при-отложении.солей на рабочих органах насоса;
Здесь представлены кривые изменения момента статического сопротивления ПЭД при различных коэффициентах интенсивности отложения соли СаСОз на рабочих колесах насоса. Пунктирной линией на графике показан максимально допустимый момент для насоса, заявленныйпроизводителем, равный,Л/тах = 773 Н-м
На основании кривых, приведенных на рисунке 2.12 можно определить время работы насоса до его отказа, при различных коэффициентах интенсивности: 1 - кт, = 0,85, время работы установки 11 суток; 2 - кш = 0,7, время работы установки 13 суток;
При этом число заклиненных колес, достаточных для выхода из строя насоса составляет z = 117 шт. или в процентном отношении - 60% от общего числа рабочих колес. Коэффициент кіпЬ показывает способность материала, из которого изготовлены рабочие органы насоса, к налипанию на нем солевых отложений.
Как видно из кривых рисунка 2.12, солевые отложения влекут за собой увеличение момента статического сопротивления ПЭД и оказывают значительное влияние на работу погружной насосной установки, увеличивая вероятность ее преждевременного выхода из строя и уменьшая МРП. 2.4 Разработка модели учета солеотложений на квазистатическом режиме работы УЭЦН
Как было указано ранее, основным факторами, обусловливающими выпадение солей в добывающей скважине, являются возникновение термобарических условий кристаллизации солей, которые могут стимулироваться, различием минерального состава вод продуктивных пластов и; состава вод, закачиваемых в пласт с целью. поддержания пластового давления. Выпадение солей в погружном насосе проходит в. сложных условиях - в присутствии газовой фазы, нефтяных компонентов и механических примесей, которые в свою, очередь оказывают влияние на-интенсивность солеотложения, характер и свойства осадков. Для скважин, даже расположенных на одном кусте, этот.процесс является сугубо индивидуальным..
Актуальной задачей дальнейшего исследования является прогнозирование заклинивания погружного насоса. Заклинивание насоса происходит при достижении моментом сопротивления ЦН максимального момента ПЭД; при котором срабатывает уставка защиты,по перегрузу. Данный,процесс проиллюстрирован на рисунке 2.13.
Графическая модель ПЭД-ЦН. Номинальные механические характеристики ПЭД (1) и погружного ЦН (2); механические характеристики ЦН, с повышенным моментом сопротивления (3) Согласно рисунку 2.13, увеличение момента сопротивления погружного насоса происходит в процессе эксплуатации из-за солеотложеиий и выноса механических примесей в его рабочие органы, вплоть до полного заклинивания вала насоса.
Установка ЭЦН продолжает работу до тех пор, пока нагрузка на. валу ПЭД не достигнет значения, при котором сработает уставка защиты по перегрузу (Мзп=0,8Мкр): Дальнейший- пуск установки невозможен, так как пусковой момент ПЭД Мю меньше момента, нагрузки насоса- Ма. Заклинивание также может произойти вследствие простоя скважины, после аварийного отключения напряжения питания или срабатывания какой-либо из защит СУ. При простое УЭЦН также происходит солеобразование на. рабочих органах насоса, либо- оседание механических примесей с колонны НКТ. Поэтому после длительного простоя1 наблюдаются повышенные токи обмотки статора ПЭД и, невозможность, запуска ЭЦН.
Таким образом, сформулируем определение явлению- заклинивания. Заклинивание ЦН - явление, при котором происходит остановка насоса во время. работы, либо невозможность его запуска, вследствие превышения! моментом сопротивления на валу ЦН момента, создаваемого погружным электродвигателем. Очевидно, что солеобразование" в полости погружного. насоса» изменяет его продуктивность в сторону уменьшения. Принимая, что- объем- солеотложеиий пропорционален объему прокаченной через насос жидкости, производительность УЭЦН в упрощенном виде, в зависимости от объема солеотложеиий; может быть представлена в виде: Ч = Чо ЯдГ, (2.38) где q - производительность УЭЦН (при. постоянной скорости вращения ПЭД со), м3/сут; q0 — номинальная; производительность УЭЦН , м3/сут; aqr - падение дебита, в зависимости от количества выпавших солей на рабочих органах насоса, м /сут; aq — параметр чувствительности q к объему солеотложеиий г, определяемый экспериментальным путем, либо посредством идентификации по данным реальной эксплуатации).
Исследование регламентируемых алгоритмов расклинивания ЦН
Описание и расчетные данные модели приведены в приложении В. С помощью модели построены кривые зависимости пускового.момента Мк3 и тока /„ ПЭД от величины напряжения при его различных частотах, а также от частоты напряжения питания при его различных величинах.
На рисунке 3.6 приведены кривые зависимостей пускового тока / (пунктирной линией) и момента М т (сплошной линией)» от величины напряжения при его различных частотах.
Из анализа кривых рисунка 3.6 следует, что указанные зависимости носят нелинейный характер. Причем dl /dU является величиной переменной во всем реальном диапазоне изменения величины и частоты напряжения питания. Результатом этого факта является то, что в производственных условиях практически невозможно достаточно точное прогнозирование величин и частот напряжения питания, при которых выполнялось бы условие получения-максимального момента при минимальном токе.
Рассмотрим процесс расклинивания ЦН, когда он проводится путем скачкообразного изменения частоты а при постоянной величине напряжения питания. На описанной выше модели получены кривые изменения параметров процессов 7 и М К1 при расклинивании при постоянной величине напряжения питания ПЭД и изменении его частоты для различных величин напряжения питания, приведенные на рисунке 3.7.
Из анализа представленных кривых на рисунке 3.7 следует, что скорость изменения зависимостей — токов от частоты намного меньше, чем в предыдущем случае. На основании вышеизложенного, можно выделить следующие недостатки существующих способов расклинивания ЦН: - не известно значение момента статического сопротивления на валу ПЭД при заклинивании ЦН; - не прогнозируется значение тока статорной цепи и динамического момента развиваемого ПЭД при расклинивании; - скачкообразное увеличение напряжения питания ПЭД при его постоянной частоте приводит к недопустимо большим броскам тока статорной цепи, в результате чего расклинивания насоса не происходит, срабатывает, токовая защита и процесс расклинивания прекращается; - большие значения динамического момента ПЭД приводят к повреждению механических узлов глубинно-насосного оборудования; - параметры процесса расклинивания ЦН задаются вручную оператором, и результат полностью зависит от квалификацией,опыта обслуживающего персонала.
Целью управления установкой типа УЭЦН с электроприводом, содержащим-ПЧ, при ее расклинивании, сводится к обеспечению полной работоспособности установки, при минимальном расходовании ресурса погружного оборудования в процессе самого расклинивания.
Динамический момент, создаваемый на валу двигателем! должен быть достаточным для того, чтобы преодолеть сопротивление заклиненных колес центробежного насоса, но меньше допустимого, с точки зрения разрушения оборудования, то есть Мсз МАИН Мдоп.
Ток обмотки статора является основным показателем нагрева электродвигателя, и его большие значения при расклинивании могут привести к повреждению оборудования. Поэтому необходимо производить, расклинивание при минимально возможном значении тока статора, а также ограничить время его воздействия на ПЭД.
При расклинивании рабочих колес погружного насоса возникает состязательность ситуаций, а именно, с одной стороны необходим максимально допустимый динамический момент, а с другой стороны, необходима минимизация тока для получения режимов удовлетворительных с точки зрения нагрева.
Следовательно, для разработки рекомендаций по управлению процессом расклинивания ЦН необходимо провести исследования влияния величины и частоты напряжения питания ПЭД и времени изменения управляющего воздействия на величины моментов и токов ПЭД.
Модель системы -«ПЧ-кабель-ЭЦН» представлена системой дифференциальных уравнений, описывающих асинхронную короткозамкнутую машину АКЗ, во вращающейся системе координат х-у [84]. Модель дополнена уравнениями, учитывающими падение напряжения на активном и индуктивном сопротивлении кабеля: где Usx и Usy — напряжение обмоток статора АКЗ по осям х и у, соответственно, В; /ет и isy - ток обмоток статора АКЗ по осям хну, соответственно, А; у/ц, и y/gy -потокосцепление обмоток ротора АКЗ по осямх ну, соответственно, Вб; Lfc и Ufy — падение напряжение на длинном кабеле по осям хну, соответственно, В; р — число пар полюсов АКЗ; J — момент инерции на валу АКЗ, кГ; а т — угловая скорость вращения вала машины, рад/с; М,, - момент нагрузки на валу АКЗ, Нм; L$ и LR — собственные индуктивности статора и ротора, соответственно, Гн; Lm — взаимная » индуктивность между статором и ротором, Гн; Rs и RR - активное сопротивление статора и ротора, соответственно, Ом; R — активное сопротивление длинного кабеля, Ом; j — индуктивность длинного кабеля, Гн.
В качестве нагрузки М„ в системе уравнений 3.7 была взята, разработанная во второй главе модель нагрузки погружного центробежного насоса с учетом солеотложений 2.36.
По каталожным данным для рассматриваемого ПЭД были рассчитаны параметры схемы замещения (приложение В) и подставлены в систему уравнений 3.7. Для простоты моделирования система уравнений, 3.7 и2.3б были переведены в-операторную форму и решались в программной среде MatLatASimulink (рисунок 3.8).
Разработка алгоритма частотно-регулируемого процесса расклинивания ЭЦНсПЧ
Важной задачей является определение момента нагрузки на валу ЭЦН для прогнозирования заклинивания ЦН. Для определения момента нагрузки центробежного насоса в процессе его эксплуатации на квазистатическом этапе работы, УЭЦН представляется моделью, схема которой приведена на рисунке 4.8. И а т I V Рисунок 4.8 - Схема модели УЭЦН Модель объекта управления позволит установить связь следующего содержания: l = P(C\a,vtV), (4.9) где Т - принятая модель УЭЦН; / = СТЛ — ток погружного электродвигателя; ном относительная частота питающего напряжения; v = "ПИТЛ / относительная величина напряжения питания; и = "/м - относительная ном величина момента нагрузки погружного центробежного насоса; С — вектор априорно неизвестных дрейфующих параметров принятой модели УЭЦН (объемы солеотложений в насосе rs и соответствующие им моменты сопротивлений М„, измененный температурный режим эксплуатации системы и др.).
Оценка момента нагрузки электроцентробежного насоса проводится решением обратной задачи уравнения (4.9): fL = p-1(\v;a\I). (4.10) В таком случае задача оптимизации при определении момента гнагрузки наі-м интервале эксплуатации определяется следующим выражением: 7 = it!-i ( 7Ю - (C\a,v,uTt)).)2 -» rnin. (4.11) Вычисление момента нагрузки в данном случае необходимо для выявления предзаклиненного состояния установки ЭЦН:
Практическое вычисление кривых момента нагрузки по токовой характеристике по данным регистрации со станции управления УЭЦН проводилось на имитационной модели «ПЧ-кабель-ЭЦН» по следующему алгоритму: 1) Фильтрация токовой характеристики (с устранением лишних шумов измерений и случайных шумов) по следующей формуле: Кк) = jT EU CO Кк + 0, (4.12) где (?(0 = 2/-1. 2) По модели «ПЧ-кабель-ЭЦН», настроенной на исследуемую скважину, определяется момент нагрузки, соответствующий каждому токовому значению. 3) Фильтрация моментной характеристики по формуле: м(Ю = щ2игШ)м(/с + 0- (4.13)
Для проверки адекватности разработанной модели «ПЧ-кабель-ЭЦН» были использованы данные регистрации станции управления УЭЦН скважины №4683 Приобского нефтяного месторождения на интервале эксплуатации 6.12.2007 по 7.04.2008. В последний день рассмотренного интервала, сперва последовало аварийное отключение напряжения питания. При автоматическом повторном включении УЭЦН наблюдалось увеличение тока в 5 раз превышающее номинальное значение. Всего проводилось 3 безуспешных попытки запуска установки.
При послеаварийном разборе ЭЦН было выявлено большое количество солевых отложений и механических примесей в рабочих органах, вследствие чего происходил износ гидродинамической пяты, 50% или полный износ рабочих органов- насоса. Такая картина характерна для всех пяти секций погружного ЦН. При разборе состояние ПЭД по основным показателям находилось в норме. Причина отказа установки — заклинивание вала.
Полученные по алгоритму кривые токов и моментов показаны на рисунке 4.9. На рисунке 4.9 обозначено: 1 - реальный ток фазы статора, А; 2 — фильтрованная токовая характеристика, 3 — момент, соответствующий токовой характеристике, полученный, по модели «ПЧ-кабель-ЭЦН».
Постоянные колебания тока статора Ь могут быть обусловлены, изменением напряжения питания в сети, а также изменением, нагрузки на валу ЭЦН (газовые включения, механические примеси, пульсирующая нагрузка и т.д.). К концу интервала эксплуатации наблюдается увеличение тока статора на 2,5 А.
Таким же образом были получены кривые токов и моментов для скважины 4551 Приобского месторождения (рисунок 4.10). Отказ установки произошел 07.04.2008 по причине заклинивание вала. Разбор установки показал большое количество проппанта внутри центробежного насоса.
Провал тока и момента в конце интервала эксплуатации объясняется тем, что происходило падение нагрузки по причине выноса механических примесей и проппанта из полости насоса. Остановка УЭЦН произошла по причине отключения напряжения питания. После проводилось три безуспешные попытки пуска УЭЦН. Диаграмма токов и моментов скв. 4683 к.152 Приобского месторождения
Диаграммы токов обмотки статора и моментов скв. 4551 Приобского месторождения Далее проводилось сравнение переходных процессов при расклинивании реальных токовых значений и моделируемых. При расклинивающих пусках 07.04.12 использовался прямой пуск ПЭД до номинальных значений напряжения и частоты №ші=2038 В, fHOM=50 Гц). Всего проводилось 3 пуска, каждый из которых продолжался по 5 секунд. В результате серии прямых пусков разворота вала ЦН не произошло.
Для моделирования заклинивания, необходимо оценить момент сопротивления на валу ПЭД можно используя математическую модель «ПЧ-кабель-ЭЦН». Этот момент принимается равным критическому на механической характеристике ПЭД, на которой он работал перед заклиниванием. Согласно расчетам, это значение момента в относительных единицах равно М кр= 2,5.
На рисунке 4.11 показаны кривые токовых переходных процессов. На рисунке обозначено: 1 — экспериментальные кривые токов при расклинивании; 2 — смоделированные кривые токов.
Результаты сравнения экспериментальных данных и данных моделирования статических и динамических режимов работы УЭЦН показывают достаточную степень сходимости результатов.
На рисунке 4.12 показаны кривые токовых переходных процессов при расклинивании скважины 4551 Приобского месторождения, полученные аналогично кривым соответствующим скважине 4683.
