Optimization of pump jack electric drive operation taking into account reservoir flow rate

Андрій Васильович Маляр; Микола Андрійович Маляр

doi:10.15587/2706-5448.2025.322457

Автор(и)

Андрій Васильович Маляр Національний університет «Львівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0001-7735-0592
Микола Андрійович Маляр Національний університет «Львівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-2688-8004

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.322457

Ключові слова:

глибиннопомпова установка, критерій оптимізації, система керування, верстат-гойдалка, електропривід, свердловина, функціонал

Анотація

Об'єктом дослідження є процеси в електроприводах штангових глибиннопомпових установок, які використовується для видобування нафти механічним способом.

Під час проєктування нафтовидобувних установок однією з проблем є синтез систем керування електроприводів верстатів-гойдалок. Важливим під час синтезу системи керування є врахування якомога більшої кількості факторів, які впливають на продуктивність свердловини та її обладнання. Під час синтезу критерію оптимальної роботи системи потрібно враховувати зміну технічного стану нафтовидобувної установки та умов функціонування пласта. Це здійснюється за допомогою системи керування, яка змінює швидкість електроприводу відповідно до реальних умов експлуатації свердловини. Такий підхід дає змогу покращити продуктивність нафтовидобувної установки та збільшити її економічну ефективність.

Основний акцент в дослідженні зроблено на синтезі системи керування електроприводом верстата-гойдалки, яка дає змогу збалансувати інтенсивність притоку рідини у свердловину та її відбір. Пропонується критерій оптимізації, який враховує різні значення притоку рідини, і тим самим адаптує роботу електроприводу верстата-гойдалки до умов роботи конкретної свердловини.

В ході дослідження використано теорію класичного варіаційного числення. Для знаходження мінімуму функціоналу, а отже й оптимальних параметрів системи керування, використано квадратичну форму, яка є функцією Ляпунова.

У результаті проведених досліджень отримано залежності для розрахунку ключових параметрів роботи електроприводу верстата-гойдалки. Синтезовано критерій оптимізації, який пов'язує продуктивність установки з такими параметрами, як кількість обертів кривошипа, коефіцієнт подачі штангової помпи та момент навантаження привідного двигуна.

На практиці запропонований критерій оптимізації роботи електроприводу дасть змогу підвищити ефективність нафтовидобувної установки завдяки раціональному вибору швидкості та моменту привідного двигуна. Це у свою чергу призведе до покращення умов експлуатації свердловини та подовження терміну її роботи.

Біографії авторів

Андрій Васильович Маляр, Національний університет «Львівська політехніка»

Доктор технічних наук, професор

Кафедра електромехатроніки і комп'ютеризованих електромеханічних систем

Микола Андрійович Маляр, Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра систем автоматизованого проєктування

Посилання

Boiko, V. S. (2004). Rozrobka ta ekspluatatsiia naftovykh rodovyshch. Kyiv: Real Print, 695.
Liu, T., Tian, X., Liu, L., Gu, X., Zhao, Y., Zhang, L., Song, X. (2022). Modeling the Submergence Depth of Oil Well States and Its Applications. Applied Sciences, 12 (23), 12373. https://doi.org/10.3390/app122312373
Tan, C., Feng, Z.-M., Liu, X., Fan, J., Cui, W., Sun, R., Ma, Q. (2020). Review of variable speed drive technology in beam pumping units for energy-saving. Energy Reports, 6, 2676–2688. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.09.018
Feng, Z.-M., Guo, C., Zhang, D., Cui, W., Tan, C., Xu, X., Zhang, Y. (2020). Variable speed drive optimization model and analysis of comprehensive performance of beam pumping unit. Journal of Petroleum Science and Engineering, 191, 107155. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2020.107155
Peng, L., Zeng-Xiu, Z., Chao, W., Yi-Hui, Z. (2014). Research on Fuzzy PI Control Based on Genetic Algorithms for Beam Pumping Unit. 2014 Fourth International Conference on Instrumentation and Measurement, Computer, Communication and Control. Harbin 72–76. https://doi.org/10.1109/imccc.2014.23
Barskii, V. A., Kurdiumov, D. S. (2003). Ispolzovanie avtomatizirovannogo reguliruemogo elektroprivoda v sostave stantcii upravleniia shtangovoi glubinno-nasosnoi ustanovki. Vestnik NTU KhPI “Problemy avtomatizirovannogo elektroprivoda. Teoriia i praktika”, 10 (1), 284.
Li, W., Vaziri, V., Aphale, S. S., Dong, S., Wiercigroch, M. (2021). Energy saving by reducing motor rating of sucker-rod pump systems. Energy, 228, 120618. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120618
Pozdeev, D. A., Kudriavtcev, S. V. (2008). Intellektualnaia stantciia ALC800 kompanii ABB dlia upravleniia stankami-kachalkami. Vestnik NTU KhPI “Problemy avtomatizirovannogo elektroprivoda. Teoriia i praktika”, 30, 265–268.
Elmer, W. G., Elmer, J. B. (2016). Pump Stroke Optimization: Case Study of Twenty Well Pilot. SPE North America Artificial Lift Conference and Exhibition. The Woodlands. Texas. https://doi.org/10.2118/181228-ms
Lei, D., Huang, X., Zhang, H., Yao, M., Chen, R., Liu, J. (2019). Optimization and Application of Reciprocating Direct-Drive Electric Submersible Plunger Pump Lifting System in the Xinjiang Oilfield. The Open Chemical Engineering Journal, 13 (1), 68–80. https://doi.org/10.2174/1874123101913010068
Popovych, M. H., Lozynskyi, O. Yu., Klepikov, V. B. et al.; Popovych, M. H., Lozynskyi, O. Yu. (Eds.) (2005). Elektromekhanichni systemy avtomatychnoho keruvannia ta elektropryvody. Kyiv: Lybid, 680.
Sugimoto, H., Koyama, M., Yano, M., Ohno, E. (1983). A new transfer function of an induction motor driven by variable frequency source. 1983 IEEE Power Electronics Specialists Conference, 102–110. https://doi.org/10.1109/pesc.1983.7069845
Yuan, R.-S., Ma, Y.-A., Yuan, B., Ao, P. (2014). Lyapunov function as potential function: A dynamical equivalence. Chinese Physics B, 23 (1), 010505. https://doi.org/10.1088/1674-1056/23/1/010505
Lozynskyi, O. Yu., Lozynskyi, A. O., Marushchak, Ya. Yu. et al. (2016). Syntez liniinykh optymalnykh dynamichnykh system. Lviv: Vyd-vo Lvivskoi politekhniky, 932.