Более 65% нефтедобывающих скважин эксплуатируются штанговыми насосными установками. Однако в условиях роста обводнения породы и истощения месторождений они затрачивают большое количество электроэнергии для эффективной выкачки ресурсов. Поэтому сейчас остро стоит вопрос оптимизации работы установок, чтобы снизить энергопотребление при прежнем уровне добычи нефти. Ученые Пермского Политеха разработали инновационный способ балансировки станка-качалки — ключевого элемента нефтяного насоса. Методика позволит на 7% снизить энергопотребление и на 10% — нагрузку на двигатель, что значительно сократит эксплуатационные затраты и продлит срок службы оборудования.
Статья опубликована в журнале «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», 2025. Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ (проект № FSNM-2023-0005).
Станок-качалка — это механизм, который под действием работы электродвигателя выполняет возвратно-поступательные движения и обеспечивает перекачку нефти штанговым насосом. Для обеспечения равномерности загрузки электродвигателя в процессе качания в станке-качалке применяют роторный противовес, который создает дополнительный момент в процессе подъема колонны штанг, тем самым снижая нагрузку на двигатель.
Однако в условиях сложной разработки месторождений, например, при добыче трудноизвлекаемых запасов нефти, потребление электроэнергии может быть значительно увеличено. Снизить его возможно за счет оптимизации работы и изменения алгоритмов управления электроприводом станка-качалки. Также дополнительное снижение потребления энергии может быть получено за счет оптимальной балансировки роторного противовеса, которой в промышленной практике не уделяют должного внимания.
Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм оптимального уравновешивания станка-качалки. При помощи цифровой модели и технологических переменных установки он рассчитывает оптимальный вес противовеса, установка которого позволит снизить удельное энергопотребление.
Алгоритм разработчиков не нуждается в дополнительной модернизации конструкции, он работает на основе уже доступных параметров работы насоса — углового положения механизмов и электромагнитного момента привода.
— Мы предлагаем алгоритм, который оценивает нагрузку на электродвигатель и угловые координаты станка качалки по цифровой модели, что позволяет рассчитать сбалансированность работы установки в реальном времени, а также выработать рекомендации по изменению веса роторного противовеса, для снижения энергопотребления установки, — рассказывает Савелий Сальников, инженер кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ.
Для проверки эффективности метода ученые создали испытательный стенд, который имитирует работу реального скважинного насоса. Он включает в себя двигатели, частотные преобразователи и главный контроллер, проводящий расчет оптимального уравновешивания максимального момента противовеса. Так, в ходе эксперимента разработчики получили информацию о необходимом снижении максимального момента противовеса с 36 до 32,6 килоньютон-метра (единица измерения момента силы). После установки нужного значения ученые повторно замеряли потребление энергии при тех же скоростях качания и нагрузке.
— В результате замеров мы выяснили, что наш алгоритм на 7,15% снижает потребление электроэнергии, а также на 10,32% снижает среднеквадратичную нагрузку на двигатель за цикл качания, что позволяет сохранить его ресурс. При неизменном режиме эксплуатации скважины энергозатраты можно уменьшить более чем на 10%, — поделился Савелий Сальников.
Практическое применение методики ученых Пермского Политеха значительно снизит потребляемую электроэнергию станком-качалкой в условиях добычи трудноизвлекаемых ресурсов, что позволит сократить затраты на эксплуатацию нефтяного оборудования.