Более 20 лет – именно столько насчитывает российская история создания, производства и внедрения погружных вентильных электродвигателей (ПВЭД) для УЭЦН.
История вопроса
Так, в октябре 1996 г участникам VI Всероссийской технической конференции «Производство и эксплуатация УЭЦН», проходившей в г. Альметьевске, в заводской испытательной скважине ОАО «Алнас» была впервые продемонстрирована установка с номинальной частотой вращения 6000 об/мин, с ПВЭД мощностью 45 кВт разработки «АЛНАС» и ЗАО «АВАНТО». При длине (двигатель+гидрозащита+насос) 5,6 м УЭЦН обеспечивала расход 140 м3/сут и напор 1200 м. Была изготовлена опытная партия (105 шт.) установок с трехпроводной и однопроводной линией питания для промысловых испытаний. Несмотря на положительные (в целом) результаты испытаний, программа производства ПВЭД была свернута в связи с недостаточной надёжностью существовавших в то время насосов.
В конце 1996 г по заказу ОАО «ЛУКОЙЛ» был изготовлен макетный образец ПВЭД разработки ОАО «АЭРОЭЛЕКТРИК». А 2 года спустя начаты эксплуатационные испытания опытных образцов УЭЦН с вентильным электродвигателем номинальной частотой вращения 3000 об/мин. К 2011 г электродвигатели производства «РИТЕК ИТЦ» с номинальной частотой вращения 3000 об/мин для УЭЦН и низкоскоростные ПВЭД для винтовых насосов произведены общим числом более 2000 шт.
В 1997 г была изготовлена, а в 1998 г была спущена в скважину УЭЦН с вентильным электродвигателем частотой вращения до 9000 об/мин мощностью 35 кВт разработки «КБ НЕФТЕМАШ». В настоящее время производятся мелкие партии УЭЦН «ЦУНАР» и «АКМ», работающие в диапазоне частот вращения 7 – 10 тыс об/мин. Всего было произведено около 180 различных модификаций таких установок.
«Борец» приступил к разработке и производству ПВЭД в 2004 г. Было изготовлено около 2000 таких изделий.
В открытой печати данных об изготовлении такого оборудования за пределами России и, тем более, об его эксплуатации найти не удалось. Конструкция двигателей BakerHughes и Shlumberger, как известно, не вентильная. Правда, есть информация, что для винтовых насосов одно из подразделений компании Shlumberger под названием Kudu выпускает вентильные тихоходные двигатели, но она требует проверки.
Если говорить вообще о зарубежной практике, то, к примеру, ООО «ПК Борец» производит вентильные двигатели и имеет представительства за рубежом.
Новометовские ПВЭДы
«НОВОМЕТ» приступил к разработке и внедрению ПВЭД в 2005 г. При этом была поставлена задача охвата всего диапазона габаритов от 81мм до 185 мм, частот вращения от 100 до 6000 об/мин и мощностей до 1,2 МВт. Очередность внедрения в производство определялась, естественно, спросом со стороны нефтяных компаний.
Первый погружной вентильный электродвигатель (ПВЭД) 117 габарита мощностью 400 кВт был изготовлен в 2006 г. За период до 2009 г освоена полная линейка мощностей ПВЭД - 117 на 3000 и 6000 об/мин, и подготовлено серийное производство ПВЭД 81 габарита максимальной мощностью одной секции 80 кВт. До 2012 г линейку продукции компании пополнили вентильные двигатели в габаритах 130 и 185 мм.
Таким образом, к 2013-му г задача освоения вентильных электродвигателей для УЭЦН средних и больших габаритов компанией НОВОМЕТ была успешно выполнена - количество этих машин превысило 25% от всех производимых ПЭД в компании.
Предстояло освоить малый и супермалый габариты. А именно – ПВЭД-81. В конце 2012 года было изготовлено менее 200 секций данного габарита, а к середине 2014 г данная цифра достигла почти 800.
Результаты расчётов по методике оценки пилотных проектов подтвердили среднюю наработку УЭЦН 3 габарита в пределах 540 суток. В декабре 2014 г на Самотлорском месторождении запущена установка УЭЦН3-160Э-2100/36-240 с первым секционным вентильным двигателем 81 габарита мощностью 125 кВт.
Опыт освоения УЭЦН 3 габарита выявил большую потребность нефтяной отрасли в малогабаритных установках для скважин с малым дебитом добычи.
Особенности конструкции
На роторе вентильного двигателя вместо короткозамкнутой «беличьей клетки» размещены постоянные магниты – именно этим данные машины в основном отличаются от асинхронных.
В вентильных электродвигателях «НОВОМЕТа» герметизация магнитов осуществляется специальными элементами конструкции, которые исключают их контакт с жидкостью внутри двигателя, и, следовательно, коррозию и «вспучивание» магнитов.
По сравнению с вентильными машинами других производителей, новометовские двигатели имеют увеличенный электромагнитный зазор, не содержат магнитомягких полюсов, следовательно, их подшипники подвергаются меньшим нагрузкам от сил одностороннего магнитного притяжения и обладают потенциально большим сроком службы. Статор изделий компаундирован, внутри обмотки размещён датчик температуры, на все габариты двигателей имеются системы ТМС.
Ротор электродвигателя на частоту вращения до 3000 об/мин имеет традиционную конструкцию со сплошным валом и подшипниками в расточке статора. В конструкции электродвигателей на частоты вращения выше 4000 об/мин применены инновационные решения, благодаря которым, а также предварительной балансировке пакетов удается получить низкий уровень вибрации как при первоначальной сборке электродвигателя, так и при замене части пакетов ротора.
Преимущества
Вентильные электродвигатели обладают рядом технических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с асинхронными.
Прежде всего, ПВЭД имеют увеличенный КПД (88-94% в зависимости от диаметра) и обусловленные им пониженное удельное тепловыделение на единицу мощности и низкое энергопотребление. Это позволяет снизить массу и габариты активной части двигателя примерно в 2 раза. Так, ПВЭД 117-го габарита в односекционном исполнении при 3000 об/мин выдает мощность до 310 кВт, а при 6000 об/мин - до 420 кВт.
При необходимости вентильные двигатели могут быть выполнены с высоким коэффициентом мощности, в том числе - равным 1.
Возможность регулирования частоты вращения и контроля параметров позволяет оптимизировать отбор жидкости из скважин и сократить номенклатуру двигателей. Диапазоны регулирования частоты вращения составляют 100-500, 500-1500, 1500-4200 и 4000-6000, 5000-8500 об/мин.
ПВЭДы могут применяться:
- в скважинах осложненного фонда,
- при добыче вязкой нефти,
- при нестабильной подаче,
- в малодебитных скважинах,
- в скважинах, вводимых после гидроразрыва пласта (ГРП) и после других операций по интенсификации добычи нефти.
Тонкое вентильное решение
В 2014 г компанией разработан вентильный двигатель для установки 2 габарита ЭЦН2-50-2000 с наружным диаметром корпуса ПВЭД 55 мм. А в 2016 г компания вывела на рынок революционную технологию ColibriESP, составной частью которой и являлась данная разработка.
На ней стоит остановиться подробней.
Погружной, маслозаполненый, вентильный электродвигатель содержит от 1 до 3 унифицированных секций. Все секции - обмотаны проводом одного диаметра, это позволило сделать их универсальными и применять в любом сочетании, в зависимости от требуемой мощности ПЭД. Длина одной модуль-секции ПЭД составляет 2, 3 и 4 метра, мощность изготавливаемых секций электродвигателей принята 15, 25 и 35 кВт соответственно. Максимальная суммарная мощность электродвигателя - 105 кВт - ограничена сечением выводных проводов, соединяющих секции между собой. Номинальные токи до 28 А и напряжение до 3000 кВ позволило получить минимальный перегрев электродвигателя – 25° С.
Мощность первого изготовленного двухсекционного двигателя для 2 габарита составила 70 кВт, чего достичь в корпусе 55 мм еще пару лет назад было практически невозможно. В данном габарите кроме магнитопровода, обмотки и магнитов размещены: вал с трансмисией, соединение токоведущих выводных проводов, а также быстроразъемное бесфланцевое соединение секций ЭЦН. КПД двигателя составил 85%.
Разработка уникальна, аналогов в мире не существует.
Энергоэффективность
Важнейшим преимуществом вентильных двигателей является то, что они являются составной частью энергоэффективных установок.
Повышение энергоэффективности добычи нефти остается одной из наиболее актуальных задач не только в России, но и в мире. Согласно статистике, доля затрат нефтяных компаний на электроэнергию в структуре себестоимости добычи увеличивается в среднем на 3-4% в год. При этом более 50% расходов на электроэнергию приходится на подъем скважинной жидкости механизированным способом. Только в России энергопотребление в сегменте механизированной добычи нефти составляет не менее 28,3 млрд кВт-ч в год.
Для решения проблемы высокого энергопотребления инженеры АО «Новомет-Пермь» разработали линейку энергоэффективных УЭЦН с максимальным КПД до 79% при номинальной подаче до 3000 м3/сут.
Предлагаемая линейка оборудования включает УЭЦН с высокооборотными (до 5820 об/мин) погружными вентильными электродвигателями. От серийно выпускаемых моделей данные установки отличаются меньшими габаритами, более высоким КПД и повышенными напорными характеристиками.
В качестве привода в данных установках используется серийно производимый погружной вентильный электродвигатель серии ПВЭДН в габаритных группах 81, 103, 117, 130 и 185 мм. Трехфазный и маслонаполненный, он представлен в двух вариантах исполнения: одно- и двухсекционном. В его конструкции применяется ротор на базе четырехполюсного магнита, изготовленного из высокотемпературных магнитотвердых спеченных материалов.
Энергетический расчет показывает, что энергопотери в вентильном двигателе примерно в два раза меньше, чем в асинхронном. При использовании установки с вентильным двигателем наблюдается не только снижение энергопотребления в узлах УЭЦН, но и снижение потерь в кабеле, станции управления и масляных трансформаторах погружных насосов (ТМПН).
Проведенные на стендах-скважинах ОАО «ОКБ БН КОННАС» сравнительные испытания серийной установки и энергоэффективной установки с вентильным двигателем подтвердили, что применение ПВЭДН позволяет на 24% снизить энергопотребление УЭЦН. Испытания проводились в присутствии представителей компаний-заказчиков и независимых наблюдателей.
Согласно ГОСТ Р 56624-2015, все вентильные электродвигатели производства АО «Новомет-Пермь» соответствуют классу энергоэффективности Е2. К этому классу относятся электродвигатели с высоким КПД, у которых суммарные потери мощности не менее чем на 40% (Ке=0,4) меньше суммарных потерь мощности стандартных электродвигателей с аналогичными мощностью и частотой вращения.
Внедрение УЭЦН с вентильными электродвигателями в России
Начиная с 2009 г, установки с вентильными электродвигателями успешно применяются на месторождениях многих крупных российских нефтяных компаний. В качестве примера можно привести результаты промышленного внедрения оборудования на объектах ПАО «Газпром нефть» и еще одной крупной нефтяной компании в период 2013-2014 г.
В рамках сервисного (прокатного) проекта ООО «Новомет-Сервис» в АО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» и его структурном подразделении (Филиале) «Газпромнефть-Муравленко» было внедрено соответственно 630 и 423 ед. ПВЭД. Помимо стоимости проката УЭЦН в сервисных контрактах были закреплены ключевые показатели эффективности, предусматривающие снижение удельного расхода электроэнергии (УРЭ) на добычу тонны жидкости и ежегодное увеличение МРП и наработки на отказ (НнО). После внедрения оборудования в АО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» МРП установок увеличился с 598 до 761 сут, в «Газпромнефть-Муравленко» – с 428 до 584 суток.
Общая наработка энергоэффективных УЭЦН на фонде АО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» к настоящему времени превысила наработку как серийно выпускаемых установок производства АО «Новомет-Пермь», так и аналогов, предлагаемых другими отечественными заводами-изготовителями.
Внедрение ПВЭД производства «Новомет» за рубежом
Вентильные электродвигатели пермской компании работают в Аргентине, Канаде, Колумбии, Эквадоре и других странах.
Первый монтаж УЭЦН с вентильным двигателем состоялся в Египте 6 февраля 2012 г. Всего ПВЭД производства АО «Новомет-Пермь» было внедрено в 12 странах в количестве 670 двигателей. Из них на начало 2018 г в работе находилось 382 установки со средней наработкой 293 суток. Отметим, что максимальная наработка в Колумбии доходит до 1921 суток.
Ведущие мировые нефтяные компании проявляют серьезный интерес как к новометовскому оборудованию в целом, так и конкретно - к его вентильным электродвигателям. В 2017 г пермская компания заключила соглашение с концерном Statoil Petroleum AS (Норвегия) по НИОКР на разработку высоконадежной УЭЦН с вентильным электродвигателем для применения на офшоре.
Вентильная революция
Благодаря появлению на рынке вентильных двигателей произошел существенный рывок в механизированной добыче в целом: компании «Новомет» удалось вывести на рынок целый ряд новых технологий:
- Высокооборотные УЭЦН с подачей до 1600 м3/сут, при этом обладающих КПД на 40% выше, чем у серийных, до 2-х раз компактнее.
- Малогабаритные УЭЦН для спуска в боковой ствол диаметром 102 мм, что даёт прирост добычи в среднем 15 м3/сут.
- УЭЦН сверхмалого габарита для эксплуатации внутри НКТ 73 мм, спускаемую на грузонесущем кабеле. На ее монтаж требуется в 5-7 раз меньше времени, чем серийной УЭЦН.
- Установки винтового насоса с нижним приводом, а также насосы нового типа – объемно-роторные. Установки приводятся в действие низкооборотным двигателем и используются для добычи вязкой нефти.
В стадии подготовки находятся решения для эксплуатации в условиях сверхвысоких температур, а также установки со сверхвысокой надежностью – обе технологии выполнены на базе вентильных приводов.
Номенклатура вентильных ПЭД производства АО «Новомет-Пермь»
Сегодня стало очевидно, что конструкция асинхронных электродвигателей свои возможности по увеличению КПД и повышению коэффициента мощности исчерпала, и будущее однозначно за вентильными электродвигателями.
Использованная литература:
- Санталов А.М. Вентильные электродвигатели для погружных электронасосов. // Сборник докладов VI Всероссийской технической конференции «Производство и эксплуатация УЭЦН». Альметьевск, 1996.
- Павленко В.И., Гинзбург М.Я. Тенденция замены ПЭД на ВД: мир последовал за инновацией Лукойла. // Нефтегазовая вертикаль 2010, №20.
- Шенгур Н.В., Иванов А.А. Мифы и реальности внедрения вентильного электродвигателя в УЭЦН. // Инженерная практика. 2011, №3.
- Слепченко С.Д. Математика прогноза // Нефтегазовая вертикаль. 2006, №12, с.48-51
Автор: Е.Пошвин Вице-президент по производству АО «Новомет-Пермь», Д. Трошин Начальник службы развития производственных систем АО «Новомет-Пермь», А. Санталов Заведующий отделом погружных электроприводов ОКБ БН КОННАС, к.т.н.
