Введение к работе
Актуальность работы. Большинство нефтяных месторождений Российской Федерации в настоящее время находятся в завершающей стадии разработки, характеризующейся низкими темпами добычи нефти и ее высокой себестоимостью. Снижение темпов добычи нефти обуславливает увеличение числа скважин, эксплуатируемых штанговыми скважинными насосными установками (ШСНУ), доля которых на отдельных нефтепромыслах достигает 80%, а в среднем составляет около 50%. В структуре затрат на добычу нефти с использованием ШСНУ амортизационные отчисления составляют 30%, а расходы на электроэнергию - от 20 до 25%. Поэтому одним из важнейших факторов развития нефтедобывающей промышленности в условиях современной рыночной экономики является повышение энергетической эффективности и ресурса работы оборудования ШСНУ, что в настоящее время является крайне актуальной проблемой.
Перспективным направлением решения указанной проблемы является совершенствование электротехнической части системы «электропривод (ЭП) - станок-качалка (СК) - штанговая скважинная насосная установка» с целью повышения срока службы оборудования и снижения энергопотребления. Этому вопросу посвящены труды многих ведущих ученых, таких как Ершов М.С., Зюзев A.M., Кулизаде К.Н., Парфенов А.Н., Плющ Б.М., Фархадзаде Э.М., Чаронов В.Я., Шаньгин Е.С., Яризов А.Д. и других.
Однако комплексные исследования кинематических, динамических и энергетических процессов, происходящих в системе «частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП) - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка» с целью разработки новых методов, систем и алгоритмов энерго- и ресурсосберегающего управления частотно-регулируемыми электроприводами ШСНУ были проведены недостаточно подробно.
Цель диссертационной работы: разработка методов, систем и алгоритмов энерго- и ресурсосберегающего управления системой «частотно-регулируемый электропривод - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка», обеспечивающих повышение энергетической эффективности и ресурса работы оборудования.
Идея работы: энерго- и ресурсосбережение в системе «электропривод — станок-качалка — штанговая скважинная насосная установка» обеспечивается частотно-регулируемым электроприводом путем задания рациональных параметров движения точки подвеса колонны штанг, позволяющих снизить максимальные значения усилий в элементах установки.
Задачи исследований;
Провести сравнительный анализ современных типов электроприводов ШСНУ и систем их управления.
Разработать математическую модель системы «частотно-регулируемый электропривод - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка», описывающую кинематические, динамические и электромеханические процессы, происходящие в элементах системы.
Определить законы движения точки подвеса колонны штанг (ТПКШ), обеспечивающие снижение максимальных значений усилий в элементах ШСНУ.
Разработать и исследовать систему управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ, обеспечивающую требуемый закон движения ТПКШ с целью снижения максимальных значений усилий в элементах установки, а также поддержание динамического уровня нефти в скважине на заданном уровне с целью согласования производительности насоса с дебитом скважины.
Разработать датчик параметров движения ТПКШ и датчик угла наклона балансира станка-качалки для организации обратной связи в системе управления по положению ТПКШ.
Разработать метод определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме для организации обратной связи в системе управления по технологическому параметру.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались методы математического моделирования электрических машин, кинематики и динамики механизмов, а также систем с распределенными параметрами; методы электромеханических и электрогидравлических аналогий; аналитические и численные методы прикладной математики. В работе широко использовались методы имитационного компьютерного моделирования электротехнических и механических систем, а также экспериментальные исследования в лабораторных и промысловых условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель системы «частотно-регулируемый электропривод - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка» описывает кинематические, динамические и электромеханические процессы, происходящие в элементах системы в условиях изменения мгновенной скорости вращения вала электродвигателя установки в течение периода качания балансира станка-качалки, что позволяет исследовать энергетические и динамические характеристики установки при заданных с помощью
частотно-регулируемого электропривода законах движения точки подвеса колонны штанг.
2. Система управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ на основе системы комбинированного программного управления положением кривошипа станка-качалки с дополнительными заданиями по скорости и ускорению, датчика параметров движения ТПКШ и вычислителя параметров движения кривошипа станка-качалки обеспечивает заданный закон движения ТПКШ с максимальным отклонением не более 2%. При этом задание законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений сил трения, сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний, ведет к уменьшению максимальных нагрузок на элементы установки до 15% и выравниванию нагрузочной диаграммы электродвигателя.
Научная новизна: определены энергетические и динамические характеристики системы «электропривод — станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка» (ваттметрограммы, варметрограммы, динамограммы и моментограммы) при использовании нерегулируемого электропривода, а также частотно-регулируемого электропривода с заданием законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений сил трения, сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний.
Достоверность научных положений, выводов к рекомендаций базируется на использовании фундаментальных законов теории электрических машин переменного тока, теории автоматизированного электропривода, теории электрических цепей и электромагнитного поля, теоретической механики, теории механизмов и машин, и подтверждена сходимостью результатов математического и имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований на лабораторном стенде и промышленном объекте.
Практическая значимость работы:
Разработана микропроцессорная система управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ, обеспечивающая заданный закон движения ТПКШ, а также стабилизацию динамического уровня нефти в скважине.
Разработан датчик параметров движения ТПКШ на основе интегрального акселерометра.
Разработан двухкоординатный датчик угла наклона на основе интегрального акселерометра.
Разработан метод определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме на основе нейронных сетей.
Реализация результатов работы:
1. Разработанный датчик параметров движения на основе
интегрального акселерометра внедрен в составе систем
динамометрирования ДДС-04 (ООО НПП «Грант», г. Уфа) в
ОАО «Татнефть».
2. Разработанный датчик угла наклона ДУН-01 внедрен в системах
обеспечения устойчивости подъемных установок в
ООО «Нефтекамский машиностроительный завод».
Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы докладывались на 12-ти научно-технических конференциях и форумах, в том числе на Всероссийской конференции «Неделя науки в СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2006 и 2008 гг.), Международном форуме «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2007 г.), Freiberger Forschungsforum «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics» (Germany, Freiberg, 2007), Всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, РГУ Нефти и газа, 2007), Международном форуме «Проблемы рационального природопользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2006 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных трудов, в их число входят две статьи, опубликованные в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора заключается в постановке задач и выборе методов исследований; разработке и уточнении математических и имитационных моделей элементов системы «электропривод - станок-качалка - ШСНУ»; исследовании влияния кинематических характеристик на динамические и энергетические характеристики ШСНУ и определении законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений усилий в элементах ШСНУ; разработке и исследовании системы и алгоритмов управления частотно-регулируемыми электроприводами ШСНУ; разработке принципиальной схемы, алгоритма работы, программного обеспечения и способов компенсации погрешностей датчика параметров движения ТПКШ, а также датчика угла наклона; разработке и исследовании метода определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме на основе нейронных сетей; проведении, обработке и анализе результатов лабораторных экспериментов, а также в обработке и анализе результатов промысловых экспериментов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 148 страницах и содержит 56 рисунков, четыре таблицы и список литературы из 114 наименований.
