Стальные трубы используют в бурении скважин для добычи нефти, газа и воды. Этот важный элемент оборудования также служит для защиты стенок скважины от обрушения. При этом сталь должна быть прочной, пластичной, устойчивой к коррозии, иметь высокую ударную вязкость (т. е. обладать высокой конструкционной прочностью) – это нужно, чтобы изделия оставались работоспособными как можно дольше. Существующие марки стали либо не обладают необходимыми сочетаниями этих показателей, либо слишком сложны и экономически не выгодны в производстве. Ученые Пермского Политеха предложили способ термической обработки низкоуглеродистой мартенситной стали, который обеспечивает лучшее сочетание ее механических свойств.

Исследование опубликовано в журнале «Черные металлы», № 10 (1114), 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Бурильные трубы должны обладать высокой прочностью, ударной вязкостью и устойчивостью к коррозии, так как они подвергаются значительным механическим нагрузкам и агрессивным химическим средам. Перспективными для их производства считаются особые стали – низкоуглеродистые мартенситные. Они, с одной стороны, содержат малое количество углерода (до 0,2%), за счет чего достигается оптимальное сочетание механических свойств: пластичность позволяет легко формировать и обрабатывать сталь, чтобы получать трубы нужной формы, а ударная вязкость отвечает за способность материала справляться с нагрузками. С другой стороны, особая структура этих сталей обеспечивает их высокую прочность, из-за чего стали не разрушаются под большими внешними нагрузками.

Для улучшения характеристик стали проводят ее термическую обработку – закалку из двухфазной области, когда металл сначала нагревают до высоких температур, а затем быстро охлаждают, благодаря чему он меняет свою кристаллическую структуру. В результате повышается прочность, твердость и износостойкость, но падает ударная вязкость. Преимущество сталей с изучаемой структурой состоит в том, что они упрощают этот процесс, потому что закаливаются при охлаждении на обычном воздухе и не требуют специального ускорения этого процесса, при этом значительного падения ударной вязкости не происходит.

Разные методы закалки могут неодинаково отражаться на характеристиках металла. Существующие марки либо не обладают необходимым сочетанием прочности, вязкости и пластичности, либо их получение требует слишком больших технологических и финансовых затрат.

Ученые Пермского Политеха исследовали изменения структуры низкоуглеродистой мартенситной стали при нагреве и охлаждении и предложили такой способ ее закалки, который обеспечивает лучшее сочетание ее механических свойств.

Для этого политехники изготовили образцы в виде слитков и нагрели их до высоких температур (800 °С и более), при которых происходит изменение структуры стали в твердом состоянии. Этот процесс называется закалкой из межкритического температурного интервала. После этого провели испытания для определения характеристик механических свойств образцов, вырезанных из готового изделия.

– Эксперимент показал, что изменения атомной структуры металла при нагреве 5-40 °C/мин протекают одновременно по двум механизмам – сдвиговому и диффузионному, которые иногда могут накладываться. При первом механизме атомы смещаются «группами», т. е. не теряют связей со своими соседями – это быстрый процесс, который позволяет получить требуемую структуру, определяющую свойства материала. Причем для этого не нужны значительные энергетические затраты, – комментирует Сергей Гребеньков, ведущий инженер кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.

– При более высоких температурах нагрева атомы перемещаются на расстояния больше межатомных – это диффузионный механизм, он более длителен, но с его помощью также можно достичь желаемых механических свойств стали, – поясняет Сергей Лаптев, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ.

– В результате мы установили, что закалка стали из межкритического интервала температур обеспечивает для выбранной стали лучшее сочетание необходимых свойств по сравнению с традиционными технологиями. Предел прочности находится на уровне 1300 МПа, относительное сужение – порядка 70%, а ударная вязкость – 2.5 МДж/м2. Сталь такого состава и характеристик может служить альтернативой современным сталям для бурильных труб, – рассказывает Александр Шацов, профессор кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, доктор технических наук.

Предложенный учеными Пермского Политеха состав стали и метод термообработки заметно улучшает свойства материала. Это имеет важное значение для производства стальных бурильных труб, позволяет повысить их конструкционную прочность. Работа защищена патентом РФ №2760140.

Постепенно в России и других странах снижается уровень добычи нефти из доступных месторождений. Перспективной становится разработка низкопродуктивных залежей – карбонатных коллекторов. Для извлечения из них максимального объема углеводородов создают систему скважин, но для этого важно знать размер области, охватываемой процессом дренирования. Ее определяют с помощью двух известных методов. Ученые Пермского Политеха провели расчеты, проанализировали результаты, полученные каждым методом, и сравнили их с реальными промысловыми данными. Так политехники выявили наиболее достоверный способ расчетов.

Статья опубликована в журнале «Нефтепромысловое дело», № 7 (667), 2024. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2024-0005).

Дренирование в нефтяной промышленности — это процесс извлечения нефти из подземных резервуаров с помощью создания системы скважин, которые обеспечивают отбор нефти и газа из залежей. Существуют разные методы оценки радиуса их дренирования. Обычно он ограничивается половиной расстояния до соседних скважин, но это не учитывает неоднородность пласта и особенности коллектора. Поэтому все чаще применяют способы на основе гидродинамических исследований – программное обеспечение Kappa Workstation (модуль Saphir) и уравнение Э.Б. Чекалюка.

Ученые Пермского Политеха сравнили промысловые данные с расчетами по этим методам и выяснили, какой из них наиболее достоверный.

Для этого политехники использовали данные из карбонатных отложений одного из месторождений: обводненность, давление, газовый фактор, гидропроводность пласта и др. Учитывали тот радиус дренирования различных скважин, который оценивался с помощью модуля Saphir, и тот, что рассчитывался методом Э.Б. Чекалюка – они имели значительные различия. Это подчеркивает важность выбора наиболее точного метода для применения на практике.

Точность определяется тем, как фактические данные описываются математической моделью – каждый неучтенный нюанс может исказить полученные результаты. Ученые выяснили, что радиусы скважин по модулю Saphir имеют прямую связь с тремя параметрами – с пластовым давлением, при котором ведется разработка запасов залежи, с забойным давлением, при котором эксплуатируются скважины, и с гидропроводностью пласта. Для метода Э.Б. Чекалюка аналогичная связь наблюдается только с последним фактором.

– Более детальный анализ показал, что метод Saphir лучше описывает фактические параметры при формировании математических моделей. Этот метод позволил построить 100% от возможного числа зависимостей, а метод Э.Б. Чекалюка – всего 33%. Это значит, что радиусы дренирования скважин, рассчитанные внутренними алгоритмами первого способа, математически описываются и подтверждаются фактическими промысловыми данными с большей точностью, – комментирует Владимир Новиков, старший научный сотрудник кафедры нефтегазовых технологий ПНИПУ, кандидат технических наук.

Исследование ученых Пермского Политеха показало, что программный модуль Saphir дает более достоверные оценки радиусов дренирования скважин по сравнению с методом Э.Б. Чекалюка. Это важно учитывать при проектировании разработки нефтяных залежей и обосновании степени их охвата дренированием, чтобы добывать больше ресурсов из продуктивных пластов.

Бурение горизонтальных скважин – это один из наиболее продуктивных способов увеличения нефтеотдачи пласта. Но процесс может осложняться многими факторами, например, давлением и поглощающими пластами, которые невозможно предугадать при разработке конструкторской документации. Ученые Пермского Политеха создали уникальный высокотехнологический комплекс для строительства горизонтальных скважин, способный работать по заданным алгоритмам и управлять траекторией ствола, а также передавать информацию о состоянии пласта нефтяникам.

На телеметрическую систему получен патент №2646287. Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

При бурении скважина получается узкой: диаметр составляет всего 20 сантиметров, а ее глубина может достигать трех-четырех километров. Под землей навигация затруднена, поэтому исследователи ПНИПУ предложили использовать телеметрическую систему, которая выполняет функции навигации и собирает всю необходимую информацию для бурения горизонтальных скважин. Она, словно «глаза», помогает специалистам точно следовать заданной траектории, сокращать время и полностью контролировать процесс под землей.

– Система в реальном времени передает сигналы на поверхность. Необходимо учитывать, что в условиях глубокого бурения действуют огромное давление и постоянные вибрации. Все эти факторы делают работу крайне сложной. Поэтому навигационная система для скважин играет критически важную роль, обеспечивая точность и безопасность всего процесса, – рассказывает Александр Мелехин, доцент кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Работа проходит следующим образом: в систему вводятся координаты забоя, прокладывается траектория до цели по критическим точкам. Во время бурения устройство, оснащенное оптико-волоконным гироскопом, идет точно по заданному маршруту, собирает информацию внутри пласта и передает ее наверх. Этот процесс контролирует буровая бригада, в случае отклонения от траектории или других аварийных ситуаций, специалистам поступает сигнал. Это помогает быстро сориентироваться и направить систему по нужному «маршруту».

– Мы с коллегами уже прошли первое опытное промышленное испытание, то есть наша система, что называется, «в железе» и готова к использованию. Но во время проверки поняли, что нам еще необходимо улучшить. Мы сформировали требования к приборной базе на основании разработанной математической модели процессов тепломассопереноса в скважине. Сейчас дорабатываем недочеты и к концу этого года планируем выйти на второй этап испытания, – добавляет Александр Мелехин.

На данный момент политехники заключили соглашение о сотрудничестве с ООО «ПКНРУС». Благодаря разработке ученых ПНИПУ у нефтегазовых предприятий появится возможность проводки горизонтальных скважин на высоких широтах и санкционных месторождениях, что способствует укреплению технологического суверенитета нашей страны.