Для создания высокодебитных (с высокой производительностью) скважин часто применяют технологию гидроразрыва пласта. В результате ее применения приток жидкости увеличивается, но добыча осложняется выносом не только нефти, но и газа вместе с абразивными частицами породы. Серийные насосы не рассчитаны на перекачку газожидкостных смесей. При сильной концентрации свободного газа в них происходит срыв подачи, поэтому нефтедобывающее оборудование комплектуется газосепараторами. В них происходит отделение газа от жидкости, сопровождающееся нежелательным явлением: частицы породы отбрасываются центробежными силами к стенкам корпуса и накапливаются там, что приводит к разрушению устройства и авариям. В ПНИПУ разработали новую, более эффективную конструкцию газосепаратора.
Исследование опубликовано в журнале «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых». Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Проблема разрушения техники особенно остро стоит в высокодебитных скважинах, где за сутки вместе с газожидкостной смесью через газосепаратор проходит до тонны абразивных частиц. Причем, чем лучше центробежная сепарация (отделение) газа внутри него, тем сильнее эффект концентрации абразива у стенок оборудования. Поэтому необходимо найти решение – как сохранить высокие сепарационные характеристики устройства и при этом избежать повреждений корпуса.
Ученые ПНИПУ установили два факта. Первый – втекающая в газосепаратор жидкость приобретает вращательное движение еще до входа внутрь, а создаваемые этим вращением центробежные силы перемещают частицы на периферию потока, т.е. к поверхности корпуса. Второй факт – осевая скорость жидкости на входе в газосепаратор меньше средней, поэтому частицы абразива здесь накапливаются, а их концентрация становится существенно выше средней. Наблюдается парадоксальное явление: корпус изнашивается еще до входа нефти внутрь устройства.
Политехники для решения этой проблемы сделали проточный канал на входе в газосепаратор в форме сужающегося конуса. Втекающий поток, взаимодействуя с его стенками, создает силы противоположные центробежным, которые уменьшают нежелательное отделение абразивных частиц. Также изменили форму входных кромок лопастей рабочего колеса, чтобы уменьшить силу их взаимодействия с элементами породы. Теперь отделение газа от жидкости происходит в другой части – в вихревой камере, которая расположена ниже по течению жидкости, после рабочего колеса.
– Мы оптимизировали газосепаратор с помощью методов математического моделирования: меняли геометрические размеры входного блока устройства и вычисляли его гидроабразивный износ. Для проверки расчетов провели стендовые испытания лучшей конструкции в условиях близких к пластовым. Результаты показали, что скорость износа уменьшилась примерно в 3-5 раз по сравнению с серийной конструкцией, – объясняет профессор кафедры горной электромеханики ПНИПУ Сергей Пещеренко.
Ученые Пермского Политеха создали конструкцию газосепаратора с более высокой гидроабразивной стойкостью, чем существующие аналоги. Это повысит эффективность добычи нефти из высокодебитных скважин, осложненных выносом газа и разрушающих частиц, а также сократит затраты на ремонт и замену оборудования. Сейчас заканчивается разработка конструкторской документации для серийного производства новых устройств.
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель – формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % – региональные университеты.
