1 ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1 Схема электроснабжения куста нефтяных скважин
Самотлорское нефтегазовое месторождение находится в Нижневартовском районе Ханты-Мансийского автономного округа в 15?60 км севернее и северо-восточнее г. Нижневартовска (Рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Обзорная карта месторождения.
Наиболее крупным населенным пунктом на рассматриваемой территории является город Нижневартовск, с населением 258 тысяч человек. В городе имеется аэропорт, порт речного пароходства (период навигации с мая по октябрь) и станция железной дороги, связывающая г. Нижневартовск с городами Сургут, Тобольск, Тюмень. В районе развита сеть дорог с твердым покрытием, связывающая г. Нижневартовск с основными городами района. В районе месторождения имеется несколько мелких населенных пунктов, связанных с добычей и подготовкой нефти. Доставка необходимых грузов на месторождение из г. Нижневартовска осуществляется преимущественно автотранспортом по нескольким бетонным дорогам, соединяющим город с месторождением [1, 4].
В непосредственной близости к рассматриваемому месторождению располагаются разрабатываемые месторождения Аганское (с запада), Мало-Черногорское (с северо-востока), Лор-Еганское (с востока), Ермаковское (с юга).
Инфраструктура региона довольно развита. Рассматриваемая территория находится в сфере влияния материально-технических, энергетических и ремонтных баз, созданных в 1960-1990-х гг. для освоения многочисленных месторождений нефти и газа Нижневартовского района. Сообщение осуществляется разными видами транспорта: железной дорогой, с помощью авиации, в период навигации – водным путем по рекам Обь и Вах, а так же автотранспортом. Транспорт нефти за пределы района осуществляется по магистральным нефтепроводам Нижневартовск-Омск и Нижневартовск-Сургут. Площадь месторождения пересекают трассы ЛЭП-500 кВ и ЛЭП-220 кВ и ряд трасс местного значения.
В районе работ имеются запасы торфа, а также гравия, песка, глин и других видов строительных материалов, которые используются в процессе обустройства, строительства дорог, оснований под кустовое бурение, в промышленном и гражданском строительстве.
Установки УЭЦН предназначены для подъема или откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин. При работе установки УЭЦН необходимо постоянно производить контроль следующих параметров: необходимо знать параметры рабочей среды, которая состоит из смеси различных веществ: нефти, попутной воды и газа, различные жидкости с содержанием твердых частиц не более 0,1 г/л, с максимальной предельной концентрацией сероводорода не более 0,01 г/л.
По факту при работе УЭЦН необходимо учитывать параметры скважины и самого асинхронного двигателя, к которым можно отнести: мощность, частоту вращения, частоту питающей сети, число фаз и показатели качества электроэнергии.
Применение получили погружные установки центробежных электронасосов на месторождениях при добыче нефти.
УЭЦН относится к электромеханическим электротехнологическим системам, то есть системам, обеспечивающим превращение электрической энергии в механическую и наоборот. Все используемые электротехнологические системы, вне зависимости от своего назначения имеют общую структуру.
Элементы, входящие в состав электротехнологических систем, имеют следующее назначение:
ИЭ – источник электрической энергии, в качестве которого может выступать любой преобразователь какого-либо вида энергии в электрическую энергию (автономные источники электропитания, вторичные источники электропитания, аккумуляторные и солнечные батареи, фотоэлементы, термопары). Кроме этого, ИЭ может являться промышленная сеть, энергосистема, электросети транспортных средств и подвижных объектов;
ПЭ – преобразователь электрической энергии. Это устройства, преобразующие электрическую энергию с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами (трансформаторы, полупроводниковые преобразователи, высокочастотные электрические машины, управляемые вентильные преобразователи с автоматическим регулированием внешней характеристики, электронные пушки и т.д.);
ЭТУ – электротехнологическое устройство, представляющее собой преобразователь электрической энергии в энергию другого вида (механическую, тепловую, химическую, гидравлическую, акустическую, световую) называемую “технологической”. В качестве примера здесь могут выступать электрические машины и электрические аппараты индуктивного и емкостного типов и т.п.;
ПУ – преобразовательные устройства, предназначенные для преобразования “технологической” энергии с одними параметрами в “технологическую” энергию с другими параметрами (редукторы, мультипликаторы, гидроусилители, пневмоусилители, устройства канализации тепловой энергии, системы охлаждения, футеровка, теплоизоляция);
РМ – рабочий механизм. К нему относится часть вышеперечисленного электрооборудования, непосредственно обеспечивающая реализацию необходимых рабочих процессов в конкретном технологическом процессе (высокотемпературные и низкотемпературные камеры для термохимической обработки изделий из черных и цветных металлов, узлы, механизмы и машины, приводимые в движение электрическими или пьезоэлектрическими двигателями и т.д.);
ТО – технологический объект. Это объект, который подвергается преобразованиям в результате выполнения технологических операций. Для данного объекта и создается рассматриваемая технологическая система.
УУР – устройство управления и регулирования. Сюда относятся различного рода информационные системы, обеспечивающие управление и регулирование параметров преобразования энергии в ходе выполнения технологического процесса.
Из рассмотрения структуры ЭТС следует, что элементы ПЭ, ЭТУ, ПУ, РМ, УУР в совокупности выполняют определяющую роль в процессе энергопреобразования и выполнения полезной работы [1, 2, 3].
Рисунок 1.2 – Структура электротехнологической системы УЭЦН.
ЭС – электрическая сеть; КТУ – комплектное трансформаторное устройство (с преобразователем частоты); КЛ – кабельная линия; ПЭД – погружной электродвигатель; ГЗ – гидрозащита; ЭЦН – электроцентробежный насос; ПЖ – пластовая жидкость; НКТ – колонна насосно-компрессорных труб; СУ – станция управления.
Далее приведена однолинейная схема электроснабжения УЭЦН.
Рисунок 1.3 – Однолинейная схема электроснабжения УЭЦН.
Установлен двигатель погружной унифицированный трехфазный короткозамкнутый двухполюсный маслонаполненный ПЭДУ - ЭД45-103, который предназначены для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц в качестве привода центробежных насосов для откачки пластовой жидкости из нефтяных скважин.
Таблица 1.1 – Технические параметры ПЭД45-117.
, кВт U, В ,А
, об/мин
Масса, кг
45 1300 30 81% 0,84 3000 1200С 230
Питание установки УЭЦН осуществляется кабелем КПБК –25 с каталожными данными, приведенными в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Каталожные данные кабеля КПБК-3 х25.
Число и сечение жил, мм2 Конструкция жилы Толщина резиновой изоляции, мм Толщина защитной наиритовой оболочки, мм Наружный диаметр, мм Вес 1км
кабеля, кг
3х25 7х2,11 1,8 2,0 32,1 2140
Трансформаторы предназначены для питания установок погружных центробежных насосов от промысловой сети переменного тока напряжением 380 или 2500В, частотой 50Гц. Для поддержания необходимого напряжения на зажимах погружного двигателя при изменениях потерь напряжения в кабеле и других элементах питающей сети, а также для возможности питания двигателей с различными номинальными напряжениями (от 380В до 2000В) выпускаются промысловые трансформаторы со ступенчатой регулировкой напряжения на стороне высшей обмотки. Зажимы низшего напряжения (первичные) присоединяются к промысловой сети, а вторичные (высшего напряжения) к кабельной линии. Промысловые трансформаторы выпускаются по ТУ16–517.685– 77 «Промысловые трансформаторы серии ТМПН». Параметры трансформатора приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3 – Параметры трансформатора ТМП – 100/1610 – 73У1.
Тип Ступень регулирования Потери х. х. кВт Ток х. х., % Потери к.з., кВт Напряжение к. з., %
ТМП 100/2400 85 0,365 2,6 1,97 5,5
Номинальное напряжение вторичной обмотки составляет 2400В. Напряжение ступеней регулирования 2400 – 1525 – 1440 – 1355 – 1270-750В. Масса трансформатора не более 650 кг.
После данных трансформаторов питание от идет от КТПН с помощью ВВГ 3х50+1х25(ож)-0,66. Технические параметры кабеля ВВГ 3х50+1х25(ож)-0,66 приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4 – Каталожные данные кабеля ВВГ 3х50+1х25(ож)-0,66.
Число и сечение жил, мм2 Толщина резиновой изоляции, мм Диаметр, мм: Сечение, мм2: Вес 1км
кабеля,кг
3х50+1х25 1,8 27 50 456
Также укажем параметры скважины.
Таблица 1.5 – Параметры скважины.
rН, кг/м3 rВ, кг/м3 Q, м3/с b G, м3/м3 bН L,м Q,град NПЛ,МПа
960 1150 78 0,30 30 1,12 2100 10 12
Таблица 1.6 – Параметры скважины. Окончание.
NНАС,МПа TПЛ, 0К GТ, 0К/м
К, м3/МПа
DВН, м NУ, rГ, кг/м3 m, Па
3,4 353 3.0
11,0 0,144 1,7 1,13 4,0
Обозначения: rН- плотность нефти при стандартных условиях; rВ- плотность попутной воды при СУ; Q- дебит скважины; b-обводненность скважинной жидкости при СУ; G- газовый фактор нефти; bН- объемный коэффициент нефти; L- глубина расположения пласта; Q- средний угол между осью скважины и вертикалью; NПЛ- пластовое давление; NНАС- давление насыщения газа; TПЛ- пластовая температура; GТ- температурный градиент горных пород, вскрытых скважиной; K- коэффициент продуктивности скважины; DВН- внутренний диаметр обсадной колонны; NУ- устьевое давление; rГ- плотность попутного газа при СУ; m- вязкость нефти [5, 6, 7].
1.2 Возмущения напряжения: характеристики и классификация
Напряжение сети является одним из наиболее важных показателей качества электроэнергии согласно ГОСТ 32144 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». В данном стандарте регламентированы нормально – допустимые и предельно – допустимые отклонения напряжения.
ГОСТ 32144 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» предусматривает контроль параметров:
- провалы и прерывания напряжения, а также их длительности;
- перенапряжения;
Нормальный уровень напряжениясогласно ГОСТ составляет отклонение не более 10% от номинального напряжения сети (10% - предельно – допустимое отклонение, 5% - нормально – допустимое отклонение) [10].
В п. 4.3.2.1 приведено определение «Провалы напряжения». Пороговое значение начала провала напряжения принимают равным 90% опорного напряжения. Пороговое значение начала прерывания напряжения принимают равным 5% опорного напряжения. Согласно п. 4.3.2.2 Длительность перенапряжения может быть до 1 мин. Также стандарт определяет понятия: остаточное напряжение провала напряжения, пороговое значение начала провала напряжения.
Таблица 1.7 – Классификация возмущений напряжения по ГОСТ 32144.
Параметр Описание Нормы параметра
Медленные изменения напряжения электропитания Обусловлены обычно изменениями нагрузки электрической сети, более 1 минуты Отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10% номинального значения напряжения в течение 100% времени интервала в одну неделю
Колебания напряжения Одиночные быстрые изменения напряжения вызываются, в основном, резкими изменениями нагрузки в электроустановках потребителей, переключениями в системе либо неисправностями и характеризуются быстрым переходом среднеквадратического значения напряжения от одного установившегося значения к другому Одиночные быстрые изменения напряжения не превышают 5% в электрических сетях низкого напряжения и 4% - в электрических сетях среднего напряжения, но иногда изменения напряжения с малой продолжительностью до 10%
Прерывания напряжения Относят к создаваемым преднамеренно, если пользователь электрической сети информирован о предстоящем прерывании напряжения, и к случайным, вызываемым длительными или кратковременными неисправностями ?u ? 0.95 о.е. во всех фазах, кратковременные (? < 3 мин), длительные (? ? 3 мин)
Провалы напряжения Из-за неисправностей в электрических сетях или в электроустановках потребителей (КЗ) Если напряжение меньше 5% опорного напряжения не во всех фазах.
0,1 о.е. ? ?u < 0,95 о.е., ? ? 1 мин
Перенапряжения Вызываются переключениями и отключениями нагрузки
Длительность до 1 минуты
1.3 Анализ нарушений электроснабжения нефтяного месторождения
В целом, по месту возникновения нарушения электроснабжения подразделяются на внутренние и внешние. Классификация нарушений приведена на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 – Классификация нарушений электроснабжения.
К внутренним нарушения относим: короткие замыкания, повреждение кабеля, промыслового трансформатора.
К внешним нарушения относим те, которые происходят со стороны питающей подстанции: снижение частоты сети, отказы высоковольтных выключателей, КЗ на ВЛ 6 – 220 кВ, которые происходят за зонами обслуживания УЭЦН, но тем не менее влияют на работу системы электроснабжения УЭЦН.
По времени воздействия нарушения электроснабжения можно разделить на кратковременные длительностью до 60 с и длительные, более 60 с.
К кратковременны относим АВП на ВЛ 6 -220 кВ, а у длительным – устойчивое КЗ на шинах энергосистемы.
По причине возникновения можно классифицировать нарушения электроснабжения следующим образом:
1. Внешние сети – внешние нарушения (за границей балансовой принадлежности, на ВЛ 6- 110 кВ);
2. Собственные сети без внешних воздействий – внутренние нарушения, вызванные повреждениями элементов СЭС таких как: кабельные линии и трансформаторные подстанции;
3. Технологические нарушения – нарушения в работе УЭЦН, постоянный перегруз, затопление участка системы электроснабжения водой.
4. Сторонние – внутренние нарушения, произошедшие вследствие работы техники и персонала сторонних организаций, например, наезд техники на кабельные линии, повреждение кабеля при раскопках и при земляных работах.
5. Атмосферные – внутренние нарушения, вызванные, в основном, атмосферными явлениями: грозами, порывами ветра, гололедом на проводах ВЛ, которые могут вызывать обрыв проводов и перенапряжения в сети [8, 9].
По величине извлекаемых запасов нефти Самотлорское месторождение согласно Классификации запасов относится к уникальным месторождениям.
Начальные геологические запасы нефти по Самотлорскому месторождению, утвержденные ГКЗ РФ и числящиеся на балансе на 01.01.2014г., составляют:
• категория АВС1 - 7 141 208 тыс.т,
• категория С2 - 155 530 тыс.т.
• Начальные извлекаемые запасы нефти составляют:
• категория АВС1 - 3 582 459 тыс.т,
• категория С2 - 41 228 тыс.т.
В таблице 1.8 представлены запасы нефти по пластам и по месторождению в целом.
Таблица 1.8 – Коллекторские свойства продуктивных пластов.
Параметры Объекты
AB11-2 AB13 АВ2-3 AB4-5 БВ8° БВ81-2 БВ10 ЮВ1
Средняя глубина залегания, м 1670 1680 1700 1720 2060 2100 2175 2500
Тип залежи Пластово-сводовая
Тип коллектора Терригенный поровый
Площадь нефтегазонасыщенности, тыс. м2 510366 422513 235076 16250 95000 155207 122000 47157
Средняя общая толщина, м 24,8 7,48 23,01 6,02 8,84 15,1 15,8 10,7
Средняя нефтенасыщенная толщина, м 12,01 5,23 6,91 3,5 3,99 11,3 7,06 5,7
Пористость, д.ед. 0,22-0,27 0,24-0,26 0,26-0,27 0,25 0,21-0,22 - 0,21-0,22 0,17-0,19
Средняя нефтенасыщенность ЧНЗ, д.ед. 0,64 0,626 0,893 -- 0,553 0,69 0,558 0,64
Средняя нефтенасыщенность ВНЗ, д.ед. 0,49 0,44 0,527 0,553 0,526 0,607 0,526 0,477
Проницаемость, мкм2 0,011-0,439 0,515 0,515 0,868 0,206 0,506 0,165 0,011-0,085
Коэффициент песчанистости, д.ед -- 0,515-0,698 0,333-0,421 0,327 -- -- 0,38-0,62 --
Начальная пластовая температура, °С 60 61 60 60 71 71 75 82
Начальное пластовое давление, МПа 16,3 16,3 16,3 16,7 21,0 21,0 21,6 24,5
Средняя продуктивность
х10??м3/(сут•МПа) 0,37 2,0-21,3 4,93 12,1 -- 15,3 1,95 0,62
Далее приведена статистика нарушений по месторождениям: Аганское (с запада), Мало-Черногорское (с северо-востока), Лор-Еганское (с востока), Ермаковское (с юга), Самотлорское нефтегазовое месторождение, располоденным в районе Ханты-Мансийского автономного округа.
Таблица 1.9 – Характеристика нарушений электроснабжения месторождений (всех вместе – 5 штук, указанных выше).
Параметр 2014 2015 2016 2017
Количество нарушений, ед 15 17 19 22
Потери нефти, т 156 178 200 234
Средняя продолжительность аварии, ч 17 20 16 15
Количество кратковременных нарушений ЭЭС, ед. 12 15 15 17
Потери нефти от КНЭ, т 45 48 43 47
Общие потери нефти, т 201 226 243 281
Исходя из данные таблицы 1.9 делаем вывод о том, что на объектах нефтегазовых месторождений в среднем наблюдается положительная динамика роста числа нарушений, что требует незамедлительных мер по реализации мероприятий, направленных на повышение надёжности их функционирования.
1.4 Анализ проблемы влияния кратковременных нарушений электроснабжения на устойчивость погружных электродвигателей
Нарушение устойчивости работы погружных электродвигателей провалов и прерываний напряжения может приводить к значительным экономическим затратам на восстановление технологического процесса и простой производства, как недоотпуск полезного ресурса, а также последствия аварии могут приводить к возникновению опасности для здоровья людей, работающих на производстве.
Данная проблема является актуальной и исследуется многими авторами, например, в качестве основы рассмотрим основные положения теории устойчивости движения материальных систем, которые были заложены русским учеными Ляпуновым А.М. (XIX - начало XX в.)
Для простейшего случая. Рассмотрим в качестве примера механическую систему, положение которой определяется одной обобщенной координатой q. Если известны силы, действующие на систему, а также некоторые начальные условия, а именно значенияqoиq'0обобщенных координаты и скорости для некоторого моментаt = t0, то можно определить закон изменения координатыq, проинтегрировав соответствующее дифференциальное уравнение
(1.1)
Пусть полученный интеграл имеет вид
(1.2)
Назовем определенное этим уравнением движение невозмущенным.
Далее предполагаем, что начальные значения qoи определены неточно или изменились вследствие неуточненных случайных и временных воздействий; действительные их значения qо+ ? и , где ? и — так называемые начальные возмущения, величина которых неизвестна. Если знать эту величину, подставив соответствующие значения в уравнение (1.1) и проинтегрировав, получим другой закон измененияq, отличный от определенного равенства (1.2). Получающуюся разность назовем возмущением. Эта разность не должна быть большой, и не только в начальный момент, но и во все время движения приt > to. Пусть наибольший допустимый предел ееL:
(1.3)
Тогда, если можно определить такие достаточно малые положительные числаЕи , чтобы при
(1.4)
и любом имелось неравенство (1.3), то невозмущенное движение, определяемое (1.1), будет устойчивым по отношению к координатеq.
При рассмотрении более сложных систем их устойчивость определяется
побобщенными координатамиqi. Тогда движение системы определитсяпуравнениями вида (1.1), и при некоторых начальных условиях и получим всегоп решений:
(1.5)
Соответствующие уравнения определят невозмущенные движения. Еслиппар начальных значений координат и скоростейqi, i. получатппар начальных возмущений и предельные значения которых не должны превышать соответственноппар значенийЕiи то невозмущенное движение будет устойчивым дляnкоординатqiесли за все время движения существуют неравенства
(1.6)
Где соответствующие возмущения равны
Исследования устойчивости электродвигательной нагрузки базируются на теории электрических машин и работах по анализу режимов работы электродвигателей, значительный вклад в которые в XX в. внесли Горев А.А., Костенко М.П., Пиотровский Л.М, Копылов И.П [11, 12, 13].
Основным определением является статическая и динамическая устойчивость асинхронного двигателя. Отмечено, что снижение напряжения в питающей сети влечет за собой увеличение токов статора и ротора асинхронных двигателей (при неизменной нагрузке на валу двигателя), что обуславливает дальнейшее снижение напряжения и возникновение резкого снижения напряжения в сети, т.е. “лавины напряжения”. При рассмотрении статической механической характеристики, у асинхронного двигателя имеется только одна область устойчивой работы - это область, расположенная на восходящей части характеристики . Область между критическим скольжением и скольжением, равным 1, является неустойчивой (рис. 1.5).
Рисунок 1.5 – Статическая механическая характеристика при различных значениях питающего напряжения.
В нормальных условиях двигатель работает на устойчивой части своей характеристики при скольжении меньше критического. Однако при снижении напряжения или увеличении механического вращающего момента двигатель может оказаться в критическом режиме (точки , на рис. 1.3).
Под статической устойчивостью электрической машины понимается ее способность возвращаться к установившемуся режиму после малых возмущений.
Значения напряжения на зажимах двигателей и независимой от режима работы двигателей э.д.с. источника питания называются критическими, если они соответствуют пределу статической устойчивости. Значения и обычно определяются при номинальной частоте.
, (1.7)
, (1.8)
где - номинальный коэффициент мощности двигателя,
,
- внешнее сопротивление двигателя,
при номинальном скольжении
(1.9)
где - кратность максимального момента двигателя,
, - определяются по паспортным данным двигателя.
Статическая устойчивость асинхронного двигателя обычно определяется по критерию:
(1.10)
В 1925 году ученый - академик Костенко М.П. сформулировал общий закон обеспечивающий оптимальные условия работы двигателя: чтобы обеспечить оптимальный режим работы АД при всех значениях частоты и нагрузки, необходимо относительное напряжение двигателя изменять пропорционально произведению относительной частоты на корень квадратный из относительного момента:
(1.11)
На основании закона Костенко в дальнейшей получило распространение скалярное управление двигателем.
В статье [13] показана эффективность применения элементов силовой электроники и преобразовательной техники: контроллеров, компьютеров для управления технологическим процессом УЭЦН, а также внедрение, частотно регулируемых электроприводов и вентильных электроприводов. Однако указан существенный недостаток силовой электроники: высокая чувствительность такого высокотехнологичного оборудования к качеству электроэнергии для обеспечения безотказной работы.
В статье [14] показана актуальность проблемы деформационных и прочностных параметров работы оборудования скважин (трубопроводов) на общую надежность их работы. Необходимо проводить постоянный контроль деформационно – силовых параметров скважин.
В статье [15] отмечено, что разработка месторождений сопровождается множеством проблем, обусловленных неоднородностью залежей углеводородов, высокой обводненностью нефти, неразвитостью инфраструктуры и другими факторами.
Особое внимание уделяется следующим дефектам:
•неисправность оборудования (дефекты и отказы);
•скрытые неисправности;
•недостатки монтажа конструкции (скрытые, выявленные при испытаниях), наладки, проекта, проектной технологии
•неточности проектных критериев (скрытые, выявленные при испытаниях). В связи с чем авторы указывают на необходимость полноты учета и качественных анализ факторов риска и их идентификацию при эксплуатации оборудования УЭЦН. Также необходимо провести анализ и составить карту рисков и определить последствия каждого риска, а уже на их основании разработать программу ТО и ТР, а также предотвращения нежелательных событий.
1.5 Вывод по главе 1
В данной главе приведена краткая характеристика Самотлорского нефтегазового месторождения. Далее приведены общие сведения об УЭЦН, а также однолинейная схема электроснабжения с указанием технических параметров оборудования. Далее выполнен анализ контролируемых параметров качества электроэнергии согласно ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» и приведены нормы отклонений контролируемых параметров. После чего выполнен анализ литературных источников по проблеме повышения устойчивости УЭЦН к провалам и прерываниям напряжения, который показал отсутствие программ и методов испытания и контроля нефтегазового оборудования, а также отсутствие широкого применения ЧРП с целью стилизации рабочих параметров УЭЦН на основании параметров скважин.
