Учёные разгадали парадокс нефтяных насосов

Нефтяные компании Поволжья теряют миллионы рублей из-за внеплановых остановок скважин. Учёные Высшего военно-морского училища им. Николы Вапцарова (Варна, Болгария), Самарского государственного технического университета и Тольяттинского госуниверситета эту проблему давно изучают и уже разработали ряд полезных решений. Совсем недавно специалисты предложили метод защиты ПЭД от электрического резонанса – он разрушал изоляцию кабелей и приводил к коротким замыканиям.

Однако анализ аварийности за 2020–2025 годы показал: более половины всех отказов (57 %) по-прежнему приходится на погружное электрооборудование – кабельные линии и двигатели. Выяснилось, что насосы выводит из строя невидимая вибрация, возникающая при обычной стабильной работе, а вовсе не износ деталей. Особенно уязвимыми оказались новые и только что отремонтированные ПЭД: они ломаются в первые же недели, в то время как двигатели с длительным сроком эксплуатации продолжают работать.

Исследователи провели серию стендовых испытаний на двигателях разных типов и установили точную причину разрушительной вибрации. Когда питающее напряжение поднимается выше номинала на 15–20 %, уровень продольных колебаний корпуса двигателя растёт сразу на 76–88 % (а иногда и более чем вдвое). Это происходит из-за силы одностороннего магнитного притяжения: чем выше напряжение, тем сильнее магнитное поле притягивает ротор к статору, изгибает вал и разрушает подшипники.

– Мы привыкли думать, что стабильное напряжение – залог здоровья оборудования, – поясняет один из авторов исследования, доцент кафедры «Электроснабжение и электротехника» института машиностроения, химии и энергетики ТГУ Владимир Романов. – Но наша работа показала, что и стабильное, но завышенное напряжение способно разрушить двигатель изнутри не меньше, чем скачки или перегрузки.

Учёные разработали математические модели и номограммы (инженерные калькуляторы), которые позволяют для каждого типоразмера двигателя и конкретной длины кабеля рассчитать оптимальное напряжение. Вместо шаблонных настроек у промысловиков теперь есть безопасный коридор: от –10 % до +5 % от номинала. Выход за пределы этого диапазона запускает ускоренный износ.

– Например, для ПЭД 90–123 номинальное напряжение – 1950 В. Инженеры, чтобы не потерять мощность на длинном кабеле (1300 м), часто задают на трансформаторе 2130 В. Но наш расчёт показывает: на двигатель приходит уже 2145 В – почти на 10 % больше. Уровень вибрации при этом подскакивает в 1,5–2 раза, и подшипники изнашиваются не за год, а за несколько месяцев, – отмечает Владимир Романов. – А если в нашу формулу инженер подставит тип двигателя, длину кабеля и температуру скважины, модель выдаст точное напряжение для трансформатора, и вместо опасных 2145 В двигатель получит рекомендованные 1950–2048 В, при которых вибрация минимальна.

Внедрение методики не требует замены оборудования – достаточно правильно настроить существующие трансформаторы.

– Наша разработка способна избавить нефтяников от проблемы, с которой они сталкиваются каждый день, – подводит итог Владимир Романов. – По сути, это готовая инструкция, как не убивать двигатели собственными руками и экономить миллионы рублей при нулевых затратах на переоснащение.

Разработанные номограммы уже прошли апробацию на стендах и рекомендованы для использования на промыслах Поволжья и Западной Сибири.

Статья с результатами исследования опубликована в научном журнале «Электричество». Это российский рецензируемый научный журнал, посвящённый исследованиям по электротехнике и электроэнергетике.