Актуальность темы. В условиях неблагоприятной геолого-технологической структуры запасов нефти, характерной для нефтяной промышленности Российской Федерации, а также в результате истощения месторождений наблюдается тенденция перехода многих добывающих скважин в разряд малодебитных. Количество малодебитных скважин постоянно возрастает из-за перехода месторождений в завершающую стадию разработки, ввода в эксплуатацию месторождений с низкопродуктивными пластами, расконсервации ранее законсервированных малодебитных скважин, обусловленной ростом мировых цен на нефть.
Для повышения нефтеотдачи малодебитные скважины необходимо переводить в непрерывный режим работы. Эффективность непрерывного режима работы малодебитных скважин подтверждена многочисленными исследованиями на различных скважинах. Для перевода скважины из циклического режима работы в непрерывный необходимо уменьшить число качаний станка. Работы в этом направлении ведутся давно, но результаты пока далеки от требуемых. Предлагаемые варианты приводят к усложнению конструкции и требуют переделок станка-качалки, имеют проблемы с размещением дополнительных звеньев. Кроме того, из-за дополнительных звеньев снижаются надёжность и долговечность привода, возрастают затраты на покупку, ремонт и обслуживание.
В качестве решения проблемы увеличения добычи жидкости из скважин с малым дебитом предлагается разработка низкоскоростных асинхронных электродвигателей малой мощности, которые совместно с клиноременной передачей и редуктором, используемыми в настоящее время на станках-качалках, позволяли бы получить частоту хода плунжера насоса в требуемом диапазоне. Одновременно с этим данные электродвигатели должны обладать эксплуатационными и стоимостными показателями, не уступающими аналогичным показателям штатных асинхронных электродвигателей.
В результате исследований выявлено, что поставленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют низкоскоростные дугостаторные асинхронные двигатели (ДАД). Однако проектирование таких двигателей осложняется отсутствием надёжных практических рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и определению основных размеров машины. Также известно, что в ДАД кроме основного бегущего поля возникают дополнительные поля, обусловленные разомкнутостью магнитопровода статора. Дополнительные поля индуктируют дополнительные токи, создают дополнительные мощности и усилия. Эти явления оказывают существенное влияние на рабочие свойства ДАД и поэтому должны быть учтены при проектировании и расчете характеристик ДАД.
Таким образом, актуальной задачей является разработка рекомендаций по подбору и проектированию дугостаторного электродвигателя при
переводе скважины из циклического режима работы в непрерывный, а также разработка инженерных методик расчета электромагнитных и тепловых процессов ДАД. Данная работа основывается на разработках сотрудников кафедры электротехники и электромеханики Пермского Национального Исследовательского Политехнического Университета (ПНИПУ) в области линейных асинхронных машин и дополняет их.
Объектом исследования являются дугостаторные асинхронные двигатели.
Предмет исследования - электрическая и тепловая схемы замещения ДАД.
Цели работы:
1. Разработка рекомендаций по определению геометрических размеров и выбору электромагнитных нагрузок низкоскоростного ДАД для станка- качалки малодебитных нефтяных скважин;
2. Разработка инженерной методики расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД;
3. Разработка методики для оценки теплового состояния ДАД в продолжительном режиме работы.
Для выполнения поставленных целей решаются следующие задачи:
1. Анализ условий работы электропривода станка-качалки малодебитных нефтяных скважин и формулировка требований к электродвигателю при переводе малодебитных скважин в непрерывный режим работы;
2. Разработка методики проектирования низкоскоростного ДАД с учетом требований, обеспечивающих согласование его параметров с параметрами малодебитных скважин;
3. Решение квазитрехмерной полевой задачи применительно к рассматриваемому типу ДАД;
4. Расчет сопротивления продольного краевого эффекта низкоскоростных ДАД с учетом числа полюсов, электромагнитной добротности, скольжения и ряда других факторов;
5. Составление электрической схемы замещения низкоскоростного ДАД и разработка на ее основе инженерного метода электромагнитного расчета;
6. Построение тепловой схемы замещения для расчета стационарного теплового процесса в ДАД.
Методы исследования. В работе используются методы теории электрических цепей, квазитрехмерный метод расчета электромагнитного поля, метод эквивалентных тепловых схем замещения, методы компьютерного моделирования с помощью математических пакетов MATHCADи MATLAB.
На защиту выносятся следующие положения, представляющие научную новизну:
1. Обоснование применения низкоскоростного дугостаторного асинхронного двигателя в качестве привода станка-качалки для перевода малодебитных нефтяных скважин из циклического режима работы в непрерывный;
2. Методика проектирования низкоскоростного ДАД для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин, с учетом рекомендаций по согласованию производительности скважины и насоса при переводе малодебитных скважин в непрерывный режим работы;
3. Электрическая схема замещения и методика инженерного расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД;
4. Способ определения параметров предлагаемой электрической схемы замещения и выявление зависимостей этих параметров от основных влияющих факторов;
5. Тепловая схема замещения для расчета стационарных тепловых процессов в ДАД, с учетом присущих им конструктивных особенностей.
Практическая ценность. Созданный на базе низкоскоростного ДАД электропривод станка-качалки, обладая приемлемыми энергетическими показателями, позволяет наиболее простым и дешевым способом переводить малодебитные нефтяные скважины в непрерывный режим работы. Таким образом можно добиться увеличения добычи нефти в несколько раз. Предложенные методики позволяют многократно упростить выполнение электромагнитных и тепловых расчетов при проектировании низкоскоростных ДАД. Используемый в данных методиках математический аппарат не требует специальной подготовки и доступен инженеру- электромеханику.
Внедрение. Результаты работы используются:
1. При проектировании и расчетах низкоскоростных ДАД для установки на малодебитных скважинах ООО “Лукойл-Пермь”;
2. На кафедре электротехники и электромеханики ПНИПУ при дипломном проектировании.
Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных мероприятиях:
- IV международная научно-техническая конференция «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляющие электромеханические системы». Екатеринбург, УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, март 2011 г.
- Международная научно-техническая конференция «Нефтегазовое и горное дело». Пермь, ноябрь 2009 г.
- II всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика. Инновационные направления в энергетике». Пермь, ноябрь 2008 г.
- Краевая научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы комплексного освоения месторождений природных ископаемых в Пермском крае». Пермь, ПГТУ, ноябрь 2007 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка используемых источников и 3 приложений общим объемом 166 страниц. Основная часть изложена на 133 страницах машинописного текста, иллюстрирована 43 рисунками, 13 таблицами. Библиографический список содержит 95 наименований.
Диссертационная работа развивает разработки кафедры электротехники и электромеханики ПНИПУ в области исследования линейных и дугостаторных асинхронных машин.
В диссертации предложен новый вариант низкоскоростного привода для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин, основным элементом которого является дугостаторный асинхронный двигатель (ДАД). Выявлены значения мощности и скорости ДАД необходимые для непрерывного режима работы малодебитных скважин.
Создана методика проектирования ДАД с учетом требований станков- качалок малодебитных нефтяных скважин. Разработаны методы электромагнитного и теплового расчета низкоскоростных ДАД. Предложена схема замещения и соответствующий ей метод расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростных ДАД для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин.
Основные результаты работы могут быть выражены в следующих выводах:
1. Проанализированы режимы работы большого числа малодебитных нефтяных скважин, в том числе, и работавших в непрерывном режиме при различных вариантах низкоскоростного привода. В результате проведенного анализа и дополнительных исследований был предложен новый вариант низкоскоростного привода для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин. Основным элементом этого привода является низкоскоростной дугостаторный асинхронный двигатель со скоростью вращения 100:300 об/мин. При этом сохраняются в прежнем виде все остальные звенья кинематической цепи станка-качалки. Такой привод позволяет с минимальными затратами переводить малодебитные скважины в непрерывный режим работы и увеличивать добычу нефти.
2. Разработана методика определения геометрических размеров низкоскоростного ДАД, а также даны рекомендуемые значения электромагнитных нагрузок. Предлагаемая методика составлена с учетом наработок по созданию опытно-промышленных образцов ДАД. Двигатели, спроектированные по данной методике, обеспечивают требуемую частоту качаний насоса станка-качалки и обладают при этом приемлемыми энергетическими и эксплуатационными показателями.
3. Откорректирован и уточнен метод электромагнитного расчета с учетом особенностей конструкции ДАД.
4. Предложена инженерная методика расчета рабочих и пусковых характеристик низкоскоростного ДАД, основанная на электрической схеме замещения. В предлагаемой схеме замещения кроме сопротивлений, характеризующих бегущее поле, имеются сопротивления, позволяющие учесть влияние полей продольного краевого эффекта (ПКЭ). Исследования, выполненные с использованием квазитрехмерного метода расчета ДАД, показали, что сопротивления, учитывающие ПКЭ, главным образом зависят от четырех параметров. Следовательно, эти сопротивления можно представить в виде простых алгебраических или графических зависимостей. После определения сопротивлений, учитывающих влияние ПКЭ, расчет характеристик низкоскоростного ДАД можно вести по простым алгебраическим выражениям, полученным непосредственно из схемы замещения ДАД. Предлагаемая методика позволяет значительно упростить расчет характеристик и делает его доступным для инженерного применения.
5. Сравнение расчетных характеристик и экспериментальных данных, полученных в ходе приемочных испытаний опытно-промышленных образцов низкоскоростных ДАД, подтверждает возможность использования предлагаемой методики, а точность расчета приемлема для инженерной практики и по основным параметрам находится в пределах 10%.
6. Разработана тепловая модель, основанная на тепловой схеме замещения и учитывающая особенности стационарных тепловых процессов в низкоскоростных ДАД. Предлагаемая тепловая схема замещения составлена с учетом дополнительных путей теплопередачи, обусловленных особенностями конструкции низкоскоростного ДАД. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными показало сходимость в пределах 6% для температуры обмотки статора и 20% для температуры магнитопровода статора. Это позволяет применять предлагаемую тепловую модель для тепловых расчетов низкоскоростных ДАД на этапе проектирования.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
