Увеличение добычи нефти на существующих скважинах РФ является важной государственной задачей. Основной на сегодня способ добычи нефти с помощью станков-качалок не удовлетворяет всем требованиям сегодняшнего дня из-за существенных недостатков. В еще большей степени он не удовлетворяет требованиям стратегических перспектив развития отрасли. Налицо серьезная проблемная ситуация. Проблема добычи нефти на средне- и малодебитных скважинах, а также на скважинах глубиной от 2000–3000 м и более не имеет пока практического разрешения. Установленная невозможность использования станков-качалок для глубоких скважин привела к тому, что возникла необходимость разработки принципиально новых конструкций электропривода.
Цилиндрический линейный вентильный электродвигатель (ЦЛВД) разработан для погружного бесштангового электронасосного агрегата (ПБЭНА), с целью добычи нефти из средне- и малодебитных скважин. ПБЭНА выполняет функцию, аналогичную функции станка-качалки, в качестве привода глубинного штангового плунжерного насоса. Принцип действия плунжерного насоса основан на возвратно-поступательном движении поршня, который соединен коротким штоком с электродвигателем типа ЦЛВД. При использовании агрегата исчезает потребность подготовки фундамента под станок-качалку, а также нет необходимости использовать колонну штанг, так как привод ЦЛВД находится непосредственно в забое скважины. Такое решение позволяет получить существенные преимущества в сравнении со станком-качалкой. Это позволит более тщательно производить добычу нефти из месторождений и, соответственно, повысить эффективность извлечения нефти. Использование ПБЭНА должно снизить затраты на энергопотребление, так как отсутствуют потери на трение между колонной штанг и обсадными насосно-компрессионными трубами (НКТ).
Обоснование
В практике нефтедобычи используются следующие добычные агрегаты:
1. Скважинные штанговые насосные установки (СШНУ).
2. Установки погружных центробежных насосов с электроприводом (УЦН).
В мировой практике нефтедобычи наибольшее распространение по количеству эксплуатируемых скважин получили СШНУ, а по объемному количеству добычи – УЦН. При этом такое распространение СШНУ связано с тем, что они предназначены для эксплуатации низко- и среднедебитных скважин. Установки УЦН менее распространены по количеству, так как предназначены для эксплуатации средне- и высокодебитных скважин, но именно они добывают более половины валового количества нефти.
При дебите 100 м3/сут и более скважины относятся к высокодебитным, вне зависимости от высоты подъема. Скважины с дебитом 5,0 м3/сут относятся к низкодебитным. К среднедебитным относятся скважины, которые не попадают в группы высоко- и низкодебитных.
Длительная практика применения СШНУ и УЭЦН, а также технико-экономические расчеты показали, что приведенные области применения глубиннонасосного оборудования являются достаточно обоснованными [1].
Привод насосного агрегата СШНУ находится на устье скважины и называется станком-качалкой. Станок-качалка работает за счет перемещения плунжера посредством длинной колонны насосных штанг. При этом рабочий режим соответствует 3–10 качаний в минуту. Такой агрегат обеспечивает высокий напор в ограниченном диапазоне подач от 5 до 50 м3/сут. Станки-качалки имеют высокий КПД в области добычи от 1 до 40 м3/сут. При подаче, равной 40 м3/сут он достигает значения 42 %. При этом необходимо учитывать, что чем меньше подача, тем меньше и КПД.
Насосные агрегаты УЦН имеют КПД добычи нефти более 40 %. Такой высокий КПД возможен только в области больших подач (более 280 м3/сут). Однако следует учитывать, что при добыче менее 80 м3/сут их КПД резко падает. УЦН невозможно использовать эффективно при добыче менее 45 м3/сут. Это связано с тем, что при меньших дебитах резко падает их КПД, не достигая величины даже в 20 %. Из вышеизложенного следует, что такие установки имеет смысл использовать только на высокодебитных скважинах.
Таким образом, приходим к выводу: при высоком дебите скважин наиболее эффективными являются центробежные насосы, а для средне- и малодебитных скважин наиболее рационально использовать насосы объемного типа, например плунжерные [1].
На текущий момент СШНУ в неполной мере отвечают современным требованиям эксплуатации нефтяных скважин. Такое проблемное состояние связано с особенностями их конструкции, когда передача усилия к плунжерному насосу осуществляется с помощью промежуточных механических звеньев (станок-качалка и колонна штанг). При этом существенными недостатками СШНУ являются:
1) потеря длины плунжера насоса из-за деформации колонны штанг при ходе вверх и вниз;
2) усилие на плунжер насоса передаётся от станка-качалки с помощью колонны штанг, которые изготавливают из дорогих легированных сталей;
3) при работе колонна штанг подвергается усилиям сжатия и растяжения, поэтому ход плунжера насоса и коэффициент его заполнения уменьшается, что существенно снижает эффективность его работы;
4) разрушение колонны штанг из-за коррозиционно-усталостных напряжений;
5) ограничение добычи нефти глубиной в 1800–2000 м, что связано с возможностью обрыва штанг под собственным весом;
6) механическое истирание колонны штанг и насосно-компрессорных труб (НКТ) в результате их совместного трения;
7) значительные ограничения регулировочных свойства станков-качалок из-за применения асинхронного нерегулируемого привода;
8) необходимость создания бетонного основания станка-качалки и большая металлоемкость конструкции, что осложняет строительство в условиях вечной мерзлоты.
ПБНА лишен указанных выше недостатков. Он состоит из ЦЛВД и сочлененного с ним плунжерного насоса (рис. 1). ЦЛВД управляется от ПЧ с помощью микропроцессорной системы, которая обеспечивает необходимую длину хода плунжера и число качаний в минуту.
Рис. 1. Конструкция ПБЭНА
При работе системы в скважине создается возвратно-поступательное движение плунжера. ЦЛВД получает питание с поверхности в забой скважины с помощью кабеля от преобразователя частоты. В результате происходит исключение промежуточных звеньев привода, осуществляется приближение двигателя к насосу, что обеспечивает ПБЭНА, в сравнении с балансирным станком-качалкой, ряд преимуществ:
– увеличивается эффективность добычи нефти;
– сокращается площадь установки оборудования;
– снижается металлоемкость вследствие исключения части конструкций (станка-качалки, фундаментов, штанговых колонн);
– сокращаются затраты на строительные и монтажные работы;
– ПБЭНА позволяет существенно снизить затраты на обслуживание и ремонт скважины из-за отсутствия колонны штанг;
– позволяет снизить затраты на энергопотребление, так как отсутствуют потери на трение между колонной штанг и обсадными трубами;
– меньше влияют проблемы, связанные с эмульгированием нефти в НКТ;
– нет жестких ограничений по глубине спуска плунжерного насоса в скважину, так как нет опасности обрыва штанг под собственным весом. Глубина добычи может составлять 3000 м и более.
При эксплуатации станков-качалок необходимо учитывать, что с увеличением глубин добычи возрастает трение между колонной штанг и обсадными насосно-компрессионными трубами. Использование колонны штанг при работе станка-качалки приводит к низкому КПД, которое из-за трения об НКТ оказывается в пределах 20–45 %.
В качестве альтернативы станку-качалке соответственно представляется более целесообразным использовать насосный агрегат ПБЭНА. Он основан на плунжерном насосе, зарекомендовавшем себя надежностью и характеристиками, в связке с ЦЛВД возвратно-поступательного движения. Использование ЦЛВД, сочлененного с плунжерным насосом, позволяет устранить эффект трения колонны штанг об НКТ, использовать насосный агрегат в криволинейных скважинах, повысить общий КПД агрегата в целом, по сравнению со стандартным станком-качалкой.
Основной проблемой ЦЛВД является КПД в 55–65 %. Это связано с питанием двигателя частотой ПЧ, равной 5–7 Гц, из-за требования низкой скорости хода плунжера насоса. Понижение частоты питания нерационально из-за снижения энергетического КПД ЦЛВД, так что частоту ПЧ ниже 5–7 Гц лучше не применять. Дальнейшее понижение частоты необходимо для уменьшения количества ходов при добыче нефти и регулирования дебита, но от него необходимо отказаться, и лучше выполнять регулирование дебита другими способами, не связанными с понижением рабочей частоты сети [2].
Особенностью проектируемого насосного агрегата ПБЭНА на основе ЦЛВД является необходимость работы с максимальной частотой сети, а соответственно, и максимальной скоростью движения плунжера. Такое условие необходимо для получения максимального КПД двигателя. При этом дебит регулируется за счет изменения количества двойных ходов плунжера в минуту, то есть регулирование осуществляется исключительно за счет паузы в работе двигателя. Такой режим можно назвать периодическим. Высокий КПД при повышении частоты ПЧ связан с тем, что активные потери в двигателе не меняются в зависимости от частоты, а соответственно, и скорости движения вторичного элемента. Полезная же мощность двигателя пропорционально зависит от скорости движения плунжера, а соответственно, и частоты ПЧ. Такой режим позволяет поддерживать при любом дебите максимально высокий энергетический КПД добычного агрегата. Периодический режим отличается тем, что даже после одного хода возвратно-поступательного движения может быть длительный период остановки ЦЛВД. Практически такой режим называется частотно-импульсным регулированием. Учитывая небольшое количество перекачиваемой нефти за один ход плунжера, можно представить такой режим как непрерывный, с малым регулируемым дебитом.
При работе насосного агрегата на основе ЦЛВД необходимо учитывать, что передача энергии в забой скважины в виде электрической энергии по кабелю значительно эффективнее, чем механическая передача энергии штангой (рис. 2). Наклон характеристики КПД при передаче энергии показывает, что при использовании механической штанги (рис. 2, б) потери увеличиваются быстрее, чем при передаче электрической энергии по кабелю (рис. 2, a), с увеличением глубины. Значения потерь при использовании штанги взяты из практики эксплуатации СШНУ, а потери в кабеле – из практики эксплуатации УЦН.
Рис. 2. КПД передачи энергии для двух вариантов добычных агрегатов: а – ЦЛВД, с передачей энергии по кабелю; б – станок-качалка, с передачей энергии штангой
Отсюда можно сделать вывод, что при возрастании глубин эксплуатации месторождений штанги становятся непригодными и ПБНА получает преимущество. Потери энергии в ЦЛВД происходят в забое скважины, это вызывает нагрев пластовой жидкости непосредственно в предзабойной зоне, что в результате приводит к уменьшению выделений отложений парафина на стенках насосно-компрессорных труб. Это дает дополнительное преимущество ПБЭНА на ряде месторождений, где происходит добыча вязкой нефти, нефти, имеющей высокое содержание парафинов. Это связано с тем, что не требуется установка дополнительных электрических нагревателей в забой. Именно при такой эксплуатации погружной скважинный насосный агрегат становится наиболее эффективен.
При анализе преимуществ привода ПБЭНА необходимо учитывать, что оценка только по энергетическим параметрам на основе КПД не является полной. При проектировании привода был выбран вентильный двигатель с постоянными магнитами на вторичном элементе, что связано с его компактными размерами. Это обусловлено необходимостью устранения недостатков погружных приводов на основе асинхронных двигателей (АД). Постепенно осуществляется переход к регулируемым вентильным приводам с вытеснением из эксплуатации асинхронных. Такое решение позволило повысить удельные показатели привода. Повышение характеристик электродвигателей произошло за счет возбуждения мощного магнитного поля на вторичном элементе от редкоземельных магнитов. Это позволило увеличить удельные характеристики двигателей в 2–4 раза по сравнению с АД [3]. При этом важно отметить, что увеличивается именно показатель усилия электродвигателя.
Получение повышенных удельных энергетических показателей электродвигателей стало возможно только с началом применения в ВД новых магнитотвердых материалов с высоким значением удельной энергии. Эти высококоэрцитивные постоянные магниты были разработаны недавно на основе редкоземельных металлов системы неодим – железо – бор.
Рассмотрим основные требования, предъявляемые к модулю ЦЛВД, для проектируемого нефтедобычного агрегата ПБЭНА. На основании параметров эксплуатируемых СШНУ и УЦН были сформулированы требования к ЦЛВД и добычному агрегату ПБЭНА. В состав агрегата входит плунжерный насос, номограмма которого определяет основные требования к электроприводу:
1. Регулирование производительности плунжерного насоса производится изменением количества двойных ходов в минуту, что задается изменением частоты ПЧ. В более приемлемом, рассмотренном выше варианте, за счет изменения величины паузы в работе агрегата.
2. Раздельное и независимое регулирование частоты и длины хода плунжера насоса с помощью двигателя.
3. Необходимо плавно изменять движение плунжера, без рывков. Скорость плунжера должна плавно уменьшаться в конце хода и увеличиваться в начале.
4. Подача насоса и величина хода плунжера должны меняться, в зависимости от депрессии на пласт.
5. Обратный ход поршня может быть осуществлен при уменьшении рабочего тока ЦЛВД, то есть он является нерабочим.
6. Усилие с одного метра длины ЦЛВД должно быть примерно равно 4 кН, что позволяет обеспечивать добычу нефти с глубины не менее 3000 м, при этом используется не более 8 модулей ЦЛВД.
При проектировании ЦЛВД были проведены многовариантные расчеты, содержащие множества точек статических угловых характеристик различных конструкций ЦЛВД, и была выбрана наиболее рациональная конструкция, обеспечивающая максимальное усилие [4, 5]. Результаты были использованы при разработке и создании ЦЛВД в составе ПБЭНА на ПАО «Мотовилихинские заводы». Изготовленные образцы удовлетворяют поставленным требованиям технического задания. В настоящее время опытный образец ЦЛВД длиной 8 метров подготавливается к опытно-промышленным испытаниям.
Выводы
Условия работы и требования, предъявляемые к вновь проектируемым насосам скважинных установок, обуславливают применение новых конструктивных решений, которые направлены на исключение промежуточных звеньев привода. В результате осуществляется приближение электродвигателя к насосу, что обеспечивает ПБЭНА, в сравнении с балансирным станком-качалкой, существенные преимущества.
Одним из основных требований, определяющих эффективность применения новых добычных агрегатов, является общий энергетический КПД. Потери энергии в ЦЛВД происходят в забое скважины, это вызывает нагрев пластовой жидкости непосредственно в предзабойной зоне, что в результате приводит к уменьшению выделений отложений парафина на стенках насосно-компрессорных труб. Это дает дополнительное преимущество ПБЭНА на ряде месторождений, где происходит добыча вязкой нефти, нефти, имеющей высокое содержание парафинов.
В проектируемом добычном агрегате нет жестких ограничений по глубине спуска плунжерного насоса в скважину, которая может составлять 3000 метров и более.
Особенностью проектируемого насосного агрегата ПБЭНА на основе ЦЛВД является возможность работы в периодическом режиме, когда после одного хода возвратно-поступательного движения плунжера может быть длительный период остановки ЦЛВД. Практически такой режим называется частотно-импульсным регулированием. Учитывая небольшое количество перекачиваемой нефти, за один ход плунжера, можно представить такой режим как непрерывный, с малым регулируемым дебитом. Такой режим позволяет получить высокий КПД установки за счет частотно-импульсного регулирования добычи, что рационально в связи с необходимостью поддержания высокого энергетического КПД.