Том 336 № 11 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/11/4956
Комплексная модель тепловых и электромеханических процессов погружного асинхронного двигателя
Актуальность. Более 60 % нефтяных скважин в России оснащено установками с погружными электроцентробежными насосами. Тенденция увеличения доли низко- и среднедебитных скважин изменяет условия эксплуатации электроцентробежных насосов, что может сопровождаться ухудшением отвода тепла и увеличением нагрева погружных электродвигателей насосных установок, сокращением ресурса двигателей. В условиях снижения дебита скважин все более актуальной становится задача поиска наиболее рациональных технологий добычи нефти и эффективных режимов эксплуатации погружных электродвигателей. Тепловые процессы двигателей непосредственно связаны и во многом обусловлены электромеханическими процессами электродвигателей, хотя в настоящее время публикации по совместному исследованию указанных процессов практически отсутствуют. Целью данной работы является объединение исследований тепловых и электромеханических процессов погружных электродвигателей и разработка средств их моделирования, что может дать новый положительный эффект решения проблемы совершенствования эксплуатации электроцентробежных насосов низко- и среднедебитных скважин. Объектом исследования являются совместные тепловые и электромеханические процессы в системе «источник питания – погружной электродвигатель – скважинный флюид». Методы: моделирование тепловых процессов в погружном электродвигателе на основе тепловых схем, учитывающее условия охлаждения двигателя в скважине, и моделирование электромеханических переходных процессов, учитывающее возможности регулирования энергетических параметров электродвигателя в процессе эксплуатации. Результаты включают комплексную модель тепловых и электромеханических процессов погружного электродвигателя, реализованную в среде Matlab и использованную для численного моделирования характерных режимов эксплуатации электроцентробежных насосов. Результаты численного моделирования нагрева погружных электродвигателей в длительном режиме с последующим переходом на периодический кратковременный режим при прямом пуске двигателя подтвердили закономерности, установленные другими исследователями. Показано, что особенности конструкции погружных электродвигателей, обусловливающие его хорошие пусковые свойства, позволяют использовать прямой пуск в кратковременном периодическом режиме. Однако влияние возникающих в периодическом режиме колебаний температуры существенны, что может приводить к воздействию на изоляцию обмоток и требует дальнейших исследований. Использование частотного пуска погружных электродвигателей несущественно снижает колебания температуры. Альтернативой периодического кратковременного режима работы может быть работа электроцентробежных насосов на пониженных скоростях электродвигателя, при питании его от преобразователя частоты, но такая технология имеет свои ограничения.
Ключевые слова:
установка электроцентробежного насоса, погружной асинхронный двигатель, электромеханические процессы, тепловые процессы, периодический кратковременный режим, режим работы на пониженной скорости, колебания температуры
Библиографические ссылки:
1. Рукин М.В., Молчанова В.А., Уразаков К.Р. Методика определения наработки на отказ установки электроцентробежного насоса // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. – № 4. – С. 219–229. DOI: 10.18799/24131830/2022/12/3792.
2. Rigorous review of electrical submersible pump failure mechanisms and their mitigation measures / S. Fakher, A. Khlaifat, M.E. Hossain, H. Nameer // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. – 2021. – Vol. 11. – № 10. – P. 3799–3814. DOI: 10.1007/s13202-021-01271-6.
3. Романов В.С., Гольштейн В.Г. Использование логических диагностических моделей для повышения эффективности эксплуатации погружных электроустановок для добычи нефти // Электроэнергия. Передача и распределение. – 2024. – № 2 (83). – С. 78–86.
4. Надежность погружных нефтяных насосов при периодической эксплуатации / Е.А. Лихачева, В.Г. Островский, Н.А. Лыкова, А.Н. Мусинский, П.А. Байдаров // PROнефть. Профессионально о нефти. – 2021. – Т. 6. – № 1. – С. 54–58. DOI: 10.51890/2587-7399-2021-6-1-54-58.
5. Yashin A., Konev A., Khakimyanov M. «Smart Well» concept in oil production // Smart Innovation, Systems and Technologies. – 2022. – Vol. 232. – P. 403–414. DOI: 10.1007/978-981-16-2814-6_35.
6. Уразаков К.Р., Рукин М.В., Борисов А.О. Моделирование тепловых процессов в погружном двигателе электроцентробежного насоса, работающего в периодическом режиме // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 4. – С. 62–71. DOI: 10.18799/24131830/2023/4/3959.
7. Betonico G., Bannwart A., Ganzarolli M.M. Determination of the temperature distribution of ESP motors under variable conditions of flow rate and loading // Journal of Petroleum Science and Engineering. – 2015. – Vol. 129. – P. 110–120. DOI: 10.1016/j.petrol.2015.02.032.
8. Konyukhov V.M., Konyukhov I.V., Ganieva A.R. Calculation of interrelated thermal processes in a submersible electric motor, rocks and water-gas-oil flow in a producing well // Program Systems: Theory and Applications. – 2022. – Vol. 13. – № 3 (54). – P. 179–191. URL: http://psta.psiras.ru/read/psta2022_3_179-191.pdf (дата обращения: 24.12.2024).
9. Москвина Е.Ю., Пивень В.В. Расчет температуры обмотки погружного электродвигателя УЭЦН // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2020. – № 5. – С. 64–73.
10. Modeling of electrical submersible pumps for petroleum multiphase fluids, an intelligent approach supported by a critical review and experimental results/ M. Mohammadzaheri, R. Tafreshi, Z. Khan, H. Ziaiefar, M. Ghodsi, M. Franchek, K. Grigoriadis // The Journal of Engineering Research. – 2019. – № 16 (2). – P. 77–86. DOI: 10.24200/tjer.vol16iss2pp77-86.
11. Оценка теплового состояния электродвигателей переменного тока компрессорных станций магистральных газопроводов / А.М. Зюзев, О.В. Крюков, В.П. Метельков, С.Г. Михальченко // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2021. – Т. 332. – № 1. – C. 88–96. DOI: 10.18799/24131830/2021/1/3002
12. Ершов М.С., Феоктистов Е.А. Аналитическое решение для шестимассовой термодинамической модели асинхронного двигателя закрытого исполнения // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. – № 2. – C. 53–61. DOI: 10 18799/24131830/2022/3331.
13. Yershov M.S., Feoktistov E.A. Models and algorithms for predicting an asynchronous motor heating when changing operation modes // Russian Electrical Engineering. – 2021. – Vol. 92. – Iss. 11. – P. 712–719. DOI: 10.3103/s1068371221110043.
14. Определение эксплуатационных параметров погружных асинхронных электродвигателей по идентификационным параметрам Т-образной схемы замещения / В.З. Ковалев, Р.Н. Хамитов, Е.М. Кузнецов, В.В. Аникин, В.О. Бессонов // Омский научный вестник. – 2018. – № 6 (162). – С. 36–40. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-36-40.
15. Раков И.В., Глазырин А.С., Кладиев С.Н. Разработка и настройка наблюдателя полного порядка для электротехнического комплекса «кабельная линия – асинхронный двигатель» // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 10. – С. 219–231. DOI: 10.18799/24131830/2023/10/4440.
16. Kovalev Y.Z., Kovalev A.Y., Poshvin E.V. Mechanical characteristic of submersible asynchronous electric motor // Russian Electrical Engineering. – 2010. – Vol. 81. – Iss. 9. – P. 480–483. DOI: 10.3103/S1068371210090051.
17. Improved parameter estimation of three-phase squirrel-cage induction motors using the Nelder–Mead simplex algorithm / Son T. Nguyen, Tu M. Pham, Linh V. Trieu, Anh Hoang // International Journal of Electrical and Computer Engineering Systems. – 2024. – Vol. 15. – № 8. – P. 695–703.
18. Пошвин Е.В., Фадейкин А.С., Пещеренко С.Н. Электромагнитный расчет погружного асинхронного электродвигателя // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. – 2016. – Т. 1. – С. 244–253.
19. Ершов М.С., Егоров А.В., Трифонов А.А. Устойчивость промышленных электротехнических систем. – М.: Недра, 2010. – 319 с.
20. Расчет и проектирование универсального двигателя для установки электроцентробежного насоса с целью добычи нефти / М.А. Заборовцева, Е.А. Чабанов, Е.В. Чабанова, К.А. Конев // Вестник ПНИПУ. – 2023. – № 48. – C. 127–152. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.4.06.
21. Кладиев С.Н. Обзор и критический анализ современного состояния и путей развития технологического процесса добычи нефти электроприводным способом в прерывистых режимах эксплуатации мало- и среднедебитных скважин // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. – 334. – № 8. – С. 220–231. DOI: 10.18799/24131830/2023/8/4349.
22. Повышение эффективности добычи нефти за счет внедрения элементов цифровизации / В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, А.В. Деговцов, Н.Н. Герасимов, И.И. Мазеин, С.В. Меркушев, Д.Н. Красноборов // Нефтяное хозяйство. – 2021. – № 7. – С. 118–124. DOI: 10.24887/0028-2448-2021-7-118-124.
23. On the optimization of the periodic mode of well production, which is operated by submergible electric pumps in Rosneft Oil Company (Russian) / A.A. Pashali, R.S. Khalfin, D.V. Silnov, A.S. Topolnikov, B.M. Latypov // OIJ. – 2021. – P. 92–96. DOI: 10.24887/0028-2448-2021-4-92-96.
24. Optimization of accumulation and pumping periods during well cyclic operation / A. Galeev, P. Larin, R. Suleymanov, O. Filimonov // Energy, Ecology and Technology in Agriculture: E3S Web of Conferences. II International Scientific and Practical Conference. – 2024. – Vol. 480. – № 01009. – P. 1–10. DOI: 10.1051/e3sconf/202448001009.
25. Smirnov N.I., Drozdov A.N., Smirnov N.N. Tribodynamic aspects of the resource of electric submersible vane pumps for oil production // Journal of Mining Institute. – 2023. – Vol. 264. – P. 962–970.
26. О совершенствовании моделей АСУ ТП нижнего уровня УЭЦН в условиях перевода нефтяных скважин в прерывистые режимы эксплуатации / А.С. Глазырин, Е.И. Попов, В.А. Копырин, Р.Н. Хамитов, В.З. Ковалев, А.А. Филипас, С.С. Попов, Е.В. Боловин, Е.А. Беляускене // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2025. – Т. 336. – № 8. – С. 243–259. DOI: 10.18799/24131830/2025/8/5263
27. РИМЕРА СЕРВИС. Памятка. Технологическая инструкция. – ПОВОЛЖЬЕ. – С. 1– 30. URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1733591128&tld=ru&lang=ru&name=Pamyatka.pdf&text=%D1 (дата обращения 07.12.2024).
