Современная нефтяная отрасль сталкивается с множеством технологических вызовов, основным из которых остается извлечение высоковязкой нефти из недр. Примерно 55% всех нефтяных запасов России относятся к труднодоступной категории – высоковязкие углеводороды. Их пластичная, тягучая структура мешает эффективному подъему и транспортировке, перегружая оборудование и увеличивая издержки производства. Именно эту сложную, но крайне актуальную задачу блестяще решают ученые Пермского Политехнического университета под руководством Натальи Труфановой и при участии молодого исследователя Дмитрия Пинягина. Их достижения открывают новые горизонты в развитии нефтяной промышленности, обеспечивая более устойчивую и результативную добычу углеводородов.
Проблема высоковязкой нефти: вызов для отрасли
Вязкость нефти – определяющий фактор в эффективности добычи. Для России, обладающей значительными запасами тяжелой нефти, проблема вязкости становится особенно актуальной. Высокие показатели вязкости обусловлены присутствием сложных соединений – тяжелых углеводородов, асфальтенов, парафинов и смолистых примесей. Их концентрация увеличивает плотность потока, что, в свою очередь, приводит к ускоренному износу насосов и оборудования, а на крайних значениях вязкости рабочая техника начинает выходить из строя.
Чтобы обеспечить бесперебойную добычу сложных флюидов, применяются электрические центробежные насосы. Однако в условиях больших нагрузок эти установки часто не выдерживают – вязкая нефть перегревает механизмы. Традиционные методы борьбы с данным явлением включают установку греющих элементов вокруг призабойной области скважины, где нефть проходит подготовительный этап перед подъемом на поверхность. Повышая температуру флюида, удается добиться снижения его вязкости, что стабилизирует работу насосов и повышает общий дебит месторождения.
Новые идеи от исследователей Пермского Политеха
Чтобы оптимизировать процесс увеличения температуры нефти в скважине и сократить негативное воздействие на оборудование, ученые из Пермского Политеха предложили использовать методы цифрового моделирования. Сотрудники кафедры “Конструирование и технологии в электротехнике”, возглавляемой Натальей Труфановой, разработали сложную трехмерную модель, в которой подробно отражены все ключевые элементы производственного процесса: скважина, насосно-компрессорная труба, отверстия для поступления жидкости, цилиндрический нагреватель и многие другие параметры.
Компьютерная симуляция позволила учесть варианты размещения нагревателей с различной мощностью и длиной, а также отследить, как изменения каждого из этих параметров отражаются на распределении температуры, скорости потока и вязкости нефти на всех этапах движения жидкости по стволу скважины. Такой подход дает производственникам возможность заранее рассчитать оптимальные условия эксплуатации скважин даже с учетом особенностей конкретных месторождений и типов оборудования.
Эффективность нагревателей: секреты оптимальной работы
В ходе проведенных исследований специалисты Пермского Политеха сосредоточили внимание на трех типах электрических нагревателей – мощностью 1, 1,75 и 2,25 кВт и длиной 1, 3 и 5 метров соответственно. Во всех случаях поддерживалась постоянная рабочая температура среды на уровне 122°С, а максимальный допустимый предел составлял 125˚С, чтобы избежать перегрева и преждевременного износа механизмов скважины.
Экспериментальные данные показали, что наиболее интенсивный прогрев нефти происходит в первые два метра трубы при использовании коротких нагревателей. Повышенная удельная мощность устройств длиной 1 метр обеспечивает наиболее заметный рост температуры. Как подчеркивает Наталья Труфанова, динамика изменения температуры во всех случаях схожа: максимум достигается почти мгновенно, далее происходит равномерное охлаждение жидкости.
Такой подход позволяет подобрать конструкцию нагревателя с учетом мощности используемого насоса и особенностей самого месторождения. Моделирование также продемонстрировало, что с увеличением длины и мощности устройства удается существенно повысить температуру нефти на входе насоса – для 1-метрового нагревателя при мощности 1 кВт – до 39,1°С, для 3 метров и мощности 1,75 кВт – до 52,4°С, а при использовании 5-метрового нагревателя и мощности 2,25 кВт – до 60,2°С. Таким образом, даже на самых “трудных” скважинах удается создать оптимальные условия для стабильной работы оборудования.
Влияние температуры на снижение вязкости нефти
Ключевой результат работы научного коллектива – формирование научно обоснованных рекомендаций по снижению вязкости нефти путем эффективного манипулирования температурой. По заключению Дмитрия Пинягина, научного сотрудника Пермского Политеха, при использовании максимальной мощности нагревателя можно повысить температуру сырья до 60°С, что обеспечивает 14-кратное уменьшение вязкости нефти! Этот результат не только облегчает задачу транспортировки флюидов по трубопроводам, но и предотвращает перегрев и ранний выход оборудования из строя.
Инновационная разработка стала настоящим прорывом для нефтедобывающей отрасли, ведь внедрение подобных систем способно не только вывести на новый уровень эксплуатационную надежность оборудования, но и обеспечить значительную экономию за счет продления срока службы дорогостоящей техники и снижения трат на техническое обслуживание.
Комплексные решения для практической нефтедобычи
Преимущество предложенной методики заключается в ее универсальности и точности. Используя трехмерную цифровую модель, специалисты нефтедобывающих компаний могут оперативно произвести расчеты для любого участка скважины. Это позволяет прогнозировать температурные параметры и вязкость нефти еще до непосредственного начала работ, подобрать оптимальную длину и мощность нагревателя, а также рассчитать необходимый режим эксплуатации насоса.
Внедрение цифрового моделирования и оптимизация тепловых воздействий на флюиды помогает не только снизить расходы на ремонт и обслуживание, но и существенно увеличивает общий коэффициент извлечения нефти из сложных месторождений. Такой прогресс открывает путь к более рациональному использованию природных ресурсов страны и повышает экономическую эффективность всей отрасли добычи полезных ископаемых.
Будущее нефтедобычи: уверенный взгляд вперед
Работы коллектива Пермского Политеха под руководством Натальи Труфановой и участием Дмитрия Пинягина демонстрируют, что российская наука способна успешно решать глобальные производственные вызовы, сочетая фундаментальные знания и практико-ориентированные разработки. В быстроменяющемся мире ресурсосберегающих и энергоэффективных технологий подобные инновации становятся определяющим фактором развития целых отраслей и залогом устойчивого роста экономики регионов.
Уже сегодня разработанные решения активно внедряются на ведущих нефтяных предприятиях и демонстрируют впечатляющие результаты. Более надежные и предсказуемые системы, устойчивое снижение издержек, рост сроков службы техники – все это становится возможным благодаря системному подходу и высокой квалификации исследователей Пермского Политеха. Их работа – прекрасный пример того, как тесная связь науки и производства позволяет делать большой шаг вперед к инновационному будущему российской промышленности.
Источник: naked-science.ru
