Нефтяные скважины со временем стареют: нефти становится меньше, а насос продолжает работать на полную мощность, расходуя лишнюю электроэнергию. Инженеры пытаются регулировать скорость двигателя, но существующие методы расчетов слишком громоздки и медленны — они требуют десятков параметров и не дают быстрого ответа прямо на объекте. Ученые Пермского Политеха разработали экспресс-метод, который с точностью до 99% определяет самый выгодный режим работы электроприводного центробежного насоса, позволяя экономить электричество без потери объемов добычи.
Представьте, что вы пытаетесь выпить густой молочный коктейль через тонкую соломинку: усилий прилагаешь много, а результата почти нет. Примерно так же чувствует себя установка электроприводного центробежного насоса на старых скважинах. Это сердце нефтедобычи, мощный агрегат, который качает жидкость с огромной глубины.
Проблема в том, что со временем скважина стареет, нефти в ней становится меньше, но насос по-прежнему работает на полную силу. Чтобы этого избежать, инженеры регулируют скорость вращения погружного электродвигателя или включают его не постоянно. Казалось бы, если снизить обороты, то и энергии будет уходить меньше. Но на деле, чтобы добыть тот же объем ресурса, электрической энергии уходит больше, чем раньше. Потому что насос при включении потребляет мощность сразу, а сырье начинает поступать не мгновенно. Короткие циклы просто не дают ему выйти на требуемые объемы добычи нефти. Вся экономия просто исчезает.
Чтобы не гадать, когда снижать обороты, инженерам нужны расчеты. Но существующие методы слишком громоздки: они требуют заранее знать вязкость жидкости, содержание газа, длину кабеля, потери в трансформаторе и десятки других параметров. Пока специалисты проводят все эти вычисления, режим работы скважины в реальных условиях успевает измениться. Другие традиционные способы — сложные компьютерные программы, нейросети и математические модели — тоже не спасают: они либо слишком медленные, либо плохо справляются в прерывистом режиме работы электроприводного насоса (когда электродвигатель периодически включают и отключают). Ни те, ни другие подходы пока не дают быстрого и точного ответа прямо на месте. Поэтому такие средства непригодны для оперативного применения на объекте и тем более для встраивания в системы автоматического управления.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали метод экспресс-оценки, который позволяет быстро и с точностью порядка 99% определить самый выгодный режим работы насоса.
Разработка представляет собой математическую зависимость. В отличие от сложных компьютерных моделей, которые требуют ввода десятков характеристик, наш метод использует всего три показателя: частоту вращения насоса, время его работы в течение суток и желаемый объем добычи. На их основе, используя выведенное выражение, можно быстро вычислить два главных результата — сколько нефти удастся добыть и сколько электроэнергии для этого потребуется, — рассказал Александр Семенов, доцент кафедры микропроцессорных средств автоматизации ПНИПУ.
Ученые провели масштабный математический эксперимент. Они перебрали тысячи возможных вариантов: меняли частоту от 40 до 60 Герц, а также суточный объем нефти, которую откачивает скважина, — от непрерывного режима до одного часа в сутки. Особое внимание уделили периодическим циклам: 23 часа работы и час простоя, 22 и 2 и так далее вплоть до одного часа активности и 23 часов бездействия. Все расчеты велись на основе реальных показателей с действующих скважин с учетом свойств жидкости, глубины залегания и характеристик оборудования. На основе большого массива данных и было выявлено математическое выражение, с применением которого возможно определить энергоэффективность установки электроприводного центробежного насоса.
Мы сравнили нашу формулу с результатами детального компьютерного моделирования, которое точно имитирует работу установки с учетом всех сложных физических процессов, и получили, что точность метода достигает порядка 99%. Это значит, что предложенный подход позволяет быстро оценить энергетическую эффективность установки, что особенно важно при поиске рационального режима работы. Конечно, у метода есть свои границы применимости, тем не менее выведенная нами зависимость дает возможность определять как объем добычи нефти, так и удельное электропотребление, что ценно для практического использования, — добавил Сергей Мишуринских, доцент кафедры микропроцессорных средств автоматизации ПНИПУ.
Применение подхода позволяет нефтяным компаниям экономить электричество без потери объемов добычи. Инженер на объекте или автоматическая система управления за секунды подбирает оптимальную частоту вращения насоса и режим его работы так, чтобы на каждый кубометр нефти тратилось как можно меньше киловатт-часов. Там, где раньше приходилось гадать или проводить долгие расчеты, теперь можно действовать быстро и точно.
Кроме того, метод легко встраивается в существующие системы автоматизации (например, в контроллеры, которые управляют электрическим приводом, или в диспетчерские компьютеры, где инженер видит работу всех скважин). Это позволяет отказаться от дорогостоящих и трудоемких расчетов, заменяя их экспресс-оценкой прямо на месте.
Следовательно, разработка пермских ученых превращает сложную инженерную задачу в простое арифметическое действие. Метод может стать стандартным инструментом для нефтедобывающих предприятий, позволяя снижать затраты на электроэнергию, повышать эффективность добычи на старых скважинах и внедрять интеллектуальные системы управления в реальном времени.
Статья опубликована в журнале «Электротехника», 2026 г.
Источник: Минобрнауки России
