Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание и испытание энергоэффективных мобильных приводов штанговых глубинных насосов с адаптивной групповой системой управления для нефтяных скважин

Номер контракта: 14.578.21.0132

Руководитель: Петкова Ани Петрова

Должность: Главный научный сотрудник НИЛ "Мехатроника", профессор (по совместительству)

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
добыча нефти, штанговый насос, линейные мобильные приводы, адаптивная система управления, рекуперация электроэнергии, энергоэффективность, снижение капитальных затрат, импортозамещение

Цель проекта:
1. Основными задачами, на решение которых направлен проект, являются создание усовершенствованной конструкции привода ШГН и систем группового адаптивного управления группой приводов «кустов» близкорасположенных скважин в целях повышения энергоэффективности и снижения стоимости группового привода по сравнению с одиночными приводами с индивидуальными САУ. По своим техническим характеристикам и функциональным возможностям разрабатываемые групповые приводы не будут уступать лучшим отечественным и зарубежным аналогам, но должны превзойти их по энергоэффективности и экономичности в части капитальных и эксплуатационных затрат. 2. Целью проекта является разработка принципов управления группой приводов и экспериментальных образцов групп из 2-х и 6-ти энергоэффективных отечественных мобильных приводов штанговых глубинных насосов с единой адаптивной системой управления, которая будет одновременно энергоэффективно управлять несколькими приводами штанговых глубинных насосов (ШГН) и минимизировать капитальные, эксплуатационные затраты и энергопотребление системы по сравнению с одиночными приводами с индивидуальными системами управления.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Принципы управления группой приводов ШГН, работающих в асинхронном режиме, при помощи единой адаптивной САУ
2. Алгоритмы работы единой адаптивной САУ, осуществляющей управление группой из 2-х и 6-ти приводов ШГН
3. Программное обеспечение для единой адаптивной САУ, осуществляющей управление группой из 2-х и 6-ти приводов, работающих в асинхронном режиме
4. Экспериментальный образец группы из 2-х приводов ШГН с единой адаптивной САУ (1 шт.) для исследовательских испытаний на холостом ходу, с имитацией нагрузки и натурных испытаний индустриальным партнером на скважине, в составе:
- экспериментальные образцы одиночных мобильных приводов ШГН в количестве 2-х штук;
- экспериментальный образец единой адаптивной САУ, осуществляющей управление группой из 2-х приводов, работающих в асинхронном режиме;
- программное обеспечение для единой адаптивной САУ.
5. Экспериментальный образец группы из 6-ти приводов ШГН с единой адаптивной САУ (2 шт.) для исследовательских испытаний на холостом ходу, с имитацией нагрузки (1 шт.) и натурных испытаний индустриальным партнером на скважине (1 шт.), в составе:
- экспериментальные образцы одиночных мобильных приводов ШГН в количестве 6-ти штук;
- экспериментальный образец единой адаптивной САУ, осуществляющей управление группой из 6-ти приводов, работающих в асинхронном режиме;
- программное обеспечение для единой адаптивной САУ.
6. Исследовательский стенд для имитации нагрузки от 3 до 8 т на каждый индивидуальный привод
7. Программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов групп из 2-х и 6-ти приводов ШГН с единой адаптивной САУ на холостом ходу и с имитацией нагрузки, результаты испытаний и их анализ
8. Программы и методики испытаний экспериментальных образцов групп из 2-х и 6-ти приводов ШГН с единой адаптивной САУ на скважине индустриальным партнером, результаты испытаний и их анализ
9. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка и постановка на серийное производство адаптивных САУ, управляющих группой приводов, работающих в асинхронном режиме»
2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.
В ходе проекта должны быть изготовлены и испытаны на холостом ходу, на испытательном стенде с имитацией нагрузки на привод и на скважине индустриальным партнером два групповых привода из 2-х и 6-ти приводов ШГН с единой адаптивной САУ, предназначенные для отработки схемных и конструктивных решений промышленных образцов группового привода, осуществляющих управление группой приводов «куста» скважин с большей энергетической и экономической эффективностью по сравнению с известными единичными установками.
В состав группового привода входят разрабатываемые в ходе проекта:
1) единичные мобильные приводы ШГН в количестве 2-х или 6-ти штук, предназначенные для установки на малодебитные скважины (со средним дебитом жидкости менее 30 м3/сутки) глубиной до 2000 м, обеспечивающие следующие технические характеристики:
- максимальная нагрузка на шток – от 3 до 8 т;
- мощность электродвигателя – от 10 до 22 кВт;
- длина хода штока – от 800 до 2000 мм;
- максимальное число двойных ходов – до 10 ход/мин;
2) групповая САУ, управляющая группами из 2-х или 6-ти приводов ШГН, обеспечивающая адаптивное управление производительностью и другими параметрами каждого из приводов индивидуально и в группе (частота качаний, дебит скважины, удельное энергопотребление и др.), а также оптимизацию их энергопотребления при помощи взаимной рекуперации энергии и регулирования скорости вращения электродвигателей приводов при помощи преобразователей частоты.
3) программное обеспечение для экспериментальных образцов САУ, управляющей группами приводов ШГН, обеспечивающее оптимизацию процесса автоматизированного управления производительностью группы приводов в целом, и поддержания выявленных экспериментально оптимальных режимов работы каждого из приводов в группе.
Для проведения исследовательских испытаний 2-х групповых приводов изготавливается испытательный стенд для имитации нагрузки на каждый единичный привод от 3 до 8 т. Натурные испытания групповых приводов, включающих от 2 до 6 индивидуальных приводов, будут осуществляться индустриальным партнером на «кустах» с соответствующим количеством скважин.
В результате выполнения проекта должен быть разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка и постановка на серийное производство адаптивных САУ, осуществляющих управление группой приводов, работающих в асинхронном режиме» на заданное Индустриальным партнером количество одиночных приводов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным разрабатываемым продуктом являются экспериментальные образцы групп из 2-х и 6-ти энергоэффективных отечественных мобильных линейных приводов штанговых глубинных насосов (мощность каждого от 10 до 22 кВт, нагрузочная способность от 3 до 8 т), управляемых единой адаптивной системой управления, обеспечивающей оптимальное управление как каждым их приводов в отдельности, так и приводами в группе, для повышения эффективности нефтедобычи на «кустах» скважин и снижения капитальных и эксплуатационых затрат.
2. Новизна предлагаемых решений заключается в комплексном усовершенствовании как конструкции мобильных линейных приводов ШГН, так адаптивной системы управления приводами в группе.
Разработка отечественных мобильных групповых приводов ШГН должна обеспечить импортозамещение станций управления ШГН с частотно-регулируемым приводом зарубежного производства, включающих отдельные линейные приводы с индивидуальными системами управления, отечественными групповыми станциями, не уступающими зарубежным аналогам по основным техническим характеристикам и отличающимися большей энергоэффективностью и меньшими капитальными и эксплуатационными затратами.
Разработка новых схемных и принципиальных решений управления группой приводов ШГН, работающих в асинхронном режиме, с помощью единой адаптивной САУ, обеспечивающей экономию в стоимости оборудования, затрат на присоединенные мощности, капитальных и эксптуатационных затрат, обеспечит повышение конкурентоспособности отечественного оборудования для нефтедобычи.
3. По своим техническим характеристикам и функциональным возможностям разрабатываемые групповые приводы не уступят лучшим отечественным и зарубежным аналогам и должны превзойти их по энергоэффективности и экономичности в части капитальных и эксплуатационных затрат.
4. Используемые в разрабатываемых САУ микропроцессорные контроллеры позволят непрерывно автоматически контролировать такие технологические параметры скважин, эксплуатируемых ШГН, как динамограмма, динамический уровень, ваттметрограмма, суточная производительность скважины и других. При этом САУ обеспечит дистанционное включение и отключение приводного электродвигателя, аварийное отключение привода, периодический режим эксплуатации, плавное регулирование скорости вращения двигателя привода при помощи преобразователя частоты.
Разрабатываемая САУ позволит обеспечить управление в привода ШГН различного конструктивного исполнения (станки-качалки, гидравлические, цепные, лебедочные, реечные приводы и др.), так как принципы регулирования в автоматическом режиме для разных типов приводов отличаются незначительно.
Применение разрабатываемых адаптивных систем управления приводами ШГН позволит значительно улучшить следующие показатели нефтедобычи:
- управлять частотой качаний насоса, которая может быть задана в пределах от 0 до 10 тактов в минуту;
- полностью автоматизировать процесс нефтедобычи по заданным алгоритмам;
- в режиме реального времени автоматически подстраиваться под меняющиеся параметры скважины;
- управлять параметрами нефтедобычи с удаленного доступа;
- уменьшить износ оборудования скважины;
- увеличить межремонтные интервалы скважины до 4 раз, что достигается за счет управления скоростью движения насоса в реальном времени и позволяет снизить нагрузку на шток и насос в крайних точках с наибольшей нагрузкой - при погружении в жидкость и при подъеме;
- использовать оборудование для определения дебета любой скважины.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разрабатываемые групповые энергоэффективные мобильные приводы ШГН и адаптивные САУ предназначены для оснащения «кустов» скважин на нефтяных месторождениях взамен устаревшего и изношенного оборудования современным отечественным энергосберегающим оборудованием для нефтедобычи, а также для импортозамещения такой техники.
2. При достаточно больших объемах нефтедобычи общая энергоэффективность и снижение капитальных и эксплуатационных затрат может принести значительный экономический эффект, а срок окупаемости групповых САУ может составить не более года даже для малодебитных скважин за счет возможности оснащения подобными групповыми САУ любых типов приводов ШГН.
3. Применение разрабатываемых групповых приводов с едиными адаптивными САУ позволит повысить энергоэффективность нефтедобычи, снизить затраты на обустройство скважин, экологическую нагрузку на зоны нефтедобычи, повысить общий уровень автоматизации производства и технологическую культуру нефтедобычи в целом.
4. Доработка конструкции мобильных приводов ШГН и внедрение разработанных групповых приводов с единой адаптивной САУ будет способствовать повышению конкурентоспособности отечественного нефтефтедобывающего оборудования на мировом рынке и возможности его экспорта в нефтедобывающие регионы мира.
Создание оборудования должно сопровождаться участием в отечественных и международных выставках и освещением полученных результатов на международных и российских конференциях и в профильных журналах, цитируемых в РИНЦ, и переводных российских и зарубежных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science).

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области приводов штанговых глубинных насосов и их систем управления. Рассмотрены и проанализированы схемные и конструктивные решения станков-качалок, гидравлических, цепных, лебедочных, реечных приводов ШГН, выявлены их преимущества и недостатки, выявлены особенности предпочтительных областей их применения.
Выполнен выбор и обоснование направления исследований. Новизна предлагаемых решений заключается в комплексном усовершенствовании как конструкции мобильных линейных приводов ШГН, так адаптивной системы управления приводами в группе.
Усовершенствование конструкции приводов ШГН направлено на повышение энергоэффективности и экономичности привода за счет упрощения конструкции, уменьшения ее габаритов, снижения массогабаритных характеристик, высокой мобильности, упрощения и ускорения монтажа, снижения затрат на техническое обслуживание.
Усовершенствование системы управления направлено на создание интеллектуальной системы автоматизированного управления (САУ), управляющей группой приводов ШГН, и реализующей адаптивное управление производительностью и другими параметрами каждого из приводов индивидуально и в группе (частота качаний, дебит скважины, удельное энергопотребление и др.), а также оптимизирующей их энергопотребление при помощи взаимной рекуперации энергии, плавного регулирования скорости вращения электродвигателей приводов при помощи преобразователей частоты.
Выполнены патентные исследования с целью выявления тенденций и прогноза их развития в области технических средств и технологий мобильных приводов ШГН, устанавливаемых на устье скважины.
Выполнена сравнительная оценка возможных направлений повышения эффективности работы ШГН.
Разрабатываются принципы управления группой приводов ШГН, работающих в асинхронном режиме от единой адаптивной САУ, прорабатываются схемные и конструктивные решения единой групповой САУ для одновременного адаптивного управления группой приводов ШГН «кустов» близкорасположенных скважин в целях повышения энергоэффективности и снижения стоимости группового привода по сравнению с одиночными приводами с индивидуальными САУ.
Обоснован выбор типа мобильного привода ШГН для экспериментальных образцов, его схемные и конструктивные решения.
Работы, выполняемые за счет внебюджетных средств
Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец мобильного привода ШГН для экспериментального образца группового привода из 2-х одиночных приводов.
Ведется изготовление экспериментального образца мобильного привода ШГН в количестве 2-х штук.
Осуществляется закупка унифицированных комплектующих, элементов и модулей для экспериментальных образцов САУ.