Новая методика поможет раскрыть потенциал глубинных насосов
Самарские учёные нашли способ повысить надёжность глубинных скважинных насосов: методика позволяет снижать резонансные скачки напряжения в погружных насосах и тем самым продлевать межремонтный период нефтяных скважин.
Разработка стала итогом совместных усилий учёных Самарского государственного технического и Тольяттинского госуниверситетов. База разработки – в выявлении и предотвращении электрического резонанса, возникающего при работе преобразователя частоты, длинного кабеля и трансформатора погружных электродвигателей (ПЭД). Со временем он неизбежно разрушает изоляцию кабеля, а впоследствии – и обмоток погружного электродвигателя, приводя к короткому замыканию, порче оборудования и остановке скважины.
В разработке применяется компьютерное моделирование, инженерная аналитика и настройка оборудования на основе данных с реальных скважин. Методика объединяет расчётную модель и натурные измерения: по данным ТГУ, она протестирована на действующем фонде скважин в Татарстане, Башкортостане, Самарской и Саратовской областях.
Гасить резонанс
Итогом разработки стало увеличение межремонтного периода – минимум на 50%.
Добычу Поволжья традиционно отличает большая глубина скважин – до 3 000 метров и высокая температура пластов – до 200 градусов. При этом содержание серы гарантированно создаёт дополнительные проблемы: её наличие обеспечивает повышенную агрессивность среды. В этих условиях гармонический резонанс, возникающий при работе преобразователя частоты – устройства, управляющего скоростью насоса, – особенно разрушителен. До сих пор аварии на подобных месторождениях воспринимались как парадокс: несмотря на механическую исправность и целостность деталей, ПЭД выходили из строя за считаные недели. А при высокой стоимости оборудования это – неизбежная потеря эффективности добычи.
Выявление точных условий возникновения опасного резонанса позволило предотвратить его появление. А в более значительном масштабе – нивелировать его воздействие на процесс нефтедобычи. Дело в том, что преобразователь частоты неизбежно порождает паразитные гармоники – высшие частоты, наложенные на основной ток. В системе с длинным кабелем, длина которого может составлять до 5 километров, и трансформатором эти гармоники вызывают эффект электрических качелей. При норме в 2-3 киловольта напряжение может достигать на пике колебаний 15 киловольт. Изоляция не выдерживает, двигатель сгорает.
Не по шаблону
В предложенной учёными и успешно опробованной на практике модели с вредными гармониками борется в основном фильтр нагрузки. Компьютерное моделирование позволило создать условия, когда пиковая высота колебаний не превышает 5 киловольт. При этом фильтр работает только при согласовании всех элементов системы друг с другом. Математическая модель предсказывает поведение системы с погрешностью не более 18%.
Если раньше для подбора оборудования существовал некоторый стандарт – без учёта конкретной длины кабелей и характеристик трансформаторов, – то теперь инженеры пользуются точной инструкцией. Таким образом, гармонический резонанс устраняется еще на этапе проектирования.
Наблюдение велось более чем за 1 200 единицами оборудования с 2020 по 2024 годы. Достоверность результатов, подтверждённая статистическим анализом, достигает 95%. Проверку на реальном оборудовании подтвердили осциллографы-мультиметры, анализаторы качества электроэнергии и резонансные анализаторы.
Фундаментальные итоги практически задач
В 2023 году Пермский политех значительно повысил эффективность установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) при добыче пластовой жидкости с высоким содержанием механических примесей. Решение подсказала механика: фильтр начал очищаться за счёт изменения давления, не требуя дополнительного обслуживания. Годом позже ГК «Цифра» представила цифровой двойник газоконденсатного актива, отражающий состояние пласта, скважин, газосборной сети и установки комплексной подготовки газа, а, кроме того, моделирующий сценарии работы.
В нефтегазе тренд на переход от реактивного управления к прогнозированию действительно становится массовым. А повышение надёжности и увеличение ресурса УЭЦН на отраслевых площадках признаются актуальными задачами добывающих и сервисных компаний. В 2025 году «Газпром нефть» представила цифровые технологии для строительства скважин на TNF.
Эксперты прогнозируют наиболее вероятный сценарий развития – это оформление методики в программный расчётный инструмент или сервис промышленной диагностики.
