Штанговые насосные установки используются более чем в 65% нефтедобывающих скважин. Однако по мере увеличения обводненности пластов и истощения месторождений, для поддержания эффективной добычи ресурсов они потребляют значительное количество электроэнергии. В связи с этим актуальной задачей является оптимизация работы таких установок с целью снижения энергопотребления при сохранении прежнего уровня добычи нефти. Специалисты Пермского Политеха предложили новую методику балансировки станка-качалки – основного компонента нефтяного насоса. Применение данной методики позволит уменьшить энергопотребление на 7% и нагрузку на двигатель на 10%, что приведет к существенному снижению эксплуатационных расходов и увеличению срока службы оборудования.
Статья опубликована в журнале «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», 2025. Данное исследование проводилось при финансовой поддержке Министерства науки и инноваций Российской Федерации (проект № FSNM-2023-0005).
Станок-качалка представляет собой механизм, использующий возвратно-поступательные движения, вызванные работой электродвигателя, для перекачки нефти с помощью штангового насоса. Для выравнивания нагрузки на электродвигатель во время качания в станке-качалке используется роторный противовес, создающий дополнительный момент при подъеме колонны штанг и, как следствие, уменьшающий нагрузку на двигатель.
В условиях разработки сложных месторождений, таких как добыча трудноизвлекаемых запасов нефти, потребление электроэнергии может существенно возрастать. Оптимизация работы и изменение алгоритмов управления электроприводом станка-качалки позволяют снизить это потребление. Дополнительная экономия энергии достигается благодаря оптимальной балансировке роторного противовеса, которую часто недооценивают на практике.
Разработчики из Пермского Политеха создали алгоритм, предназначенный для оптимальной балансировки станка-качалки. Используя цифровую модель и технологические параметры оборудования, он определяет необходимый вес противовеса, что позволит уменьшить удельные затраты энергии.
Разработчикам не требуется дополнительная доработка конструкции алгоритма, поскольку он функционирует на основе существующих параметров насоса, таких как угловое положение механизмов и электромагнитный момент привода.
– Наш алгоритм оценивает нагрузку на электродвигатель и угловые координаты станка-качалки на основе цифровой модели. Это позволяет рассчитывать баланс работы установки в режиме реального времени и предлагать корректировки веса роторного противовеса для оптимизации энергопотребления, – рассказывает Савелий Сальников, инженер кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ.
Чтобы оценить результативность метода, исследователи разработали испытательный стенд, воспроизводящий условия эксплуатации реального скважинного насоса. В его состав входят двигатели, частотные преобразователи и главный контроллер, который выполняет вычисления для определения оптимального баланса максимального момента противовеса. В результате эксперимента разработчики выяснили, что необходимо уменьшить максимальный момент противовеса с 36 до 32,6 килоньютон-метров (единицы измерения момента силы). После задания требуемого значения ученые провели повторные измерения потребления энергии при тех же скоростях качания и нагрузке.
– В ходе проведенных замеров установлено, что наш алгоритм обеспечивает снижение потребления электроэнергии на 7,15%, а также уменьшает среднеквадратичную нагрузку на двигатель за цикл качания на 10,32%, что способствует продлению срока его службы. При сохранении текущего режима работы скважины энергозатраты могут быть сокращены более чем на 10%, – поделился Савелий Сальников.
Внедрение методики, разработанной учеными Пермского Политеха, позволит существенно уменьшить энергопотребление станков-качалок при добыче трудноизвлекаемых ресурсов, что, в свою очередь, приведет к снижению эксплуатационных расходов на нефтяное оборудование.