Более половины нефтяных запасов в России состоит из высоковязкой нефти –труднодобываемой.  Это негативно сказывается на характеристиках перекачивающих насосов и общей нефтедобыче. Для решения проблемы эффективно применение специальных нагревателей, которые повышают температуру нефти и тем самым делают ее более текучей. Однако в таких случаях важно понимать, как именно и до какой температуры можно производить такой нагрев, чтобы он оставался эффективным, не приводил к лишним затратам, перегреву насосного оборудования и аварийным ситуациям. Ученые Пермского Политеха исследовали процесс тепломассопереноса в нефтяной скважине с использованием источника тепла разной длины и мощности в призабойной части. Результаты позволят в 14 раз снизить вязкость нефти, обеспечить бесперебойную работу оборудования и увеличить уровень добычи нефти.

Статья опубликована в журнале «Вычислительная механика сплошных сред». Исследование выполнено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Около 55% запасов России приходятся на высоковязкую нефть, добывать которую сложнее, чем маловязкую и средневязкую. Вязкость зависит от различных примесей в ее составе и концентрации тяжелых углеводородов (смол, асфальтенов, парафинов).

Добывают высоковязкую нефть с помощью электрических центробежных насосов, которые создают нужное давление для подъема и перекачивания флюида. Однако из-за высокой вязкости нефти оборудование перегружается и выходит из строя при критических значениях вязкости. Для снижения уровня последней используют специальные греющие устройства, которые устанавливают в призабойную область скважины. При нагреве нефть становится менее вязкой, а работа насосов стабильной.

Во время добычи углеводородов важно поддерживать необходимую температуру и контролировать распределение тепла для предотвращения выхода из строя перекачивающего оборудования и обеспечения необходимой величины дебита.

Для анализа процессов тепломассопереноса нефти в скважине с призабойным нагревателем использовался метод математического моделирования. Для оптимизации процесса ученые Пермского Политеха создали трехмерную компьютерную модель, включающую саму скважину, насосно-компрессорную трубу с отверстиями, по которой жидкость поступает в насос, и соединенный с ней нагреватель цилиндрической формы. Модель учитывает распределение температуры, скорости и вязкости нефти, а также параметры самого греющего устройства

Реализация модели позволила определить рациональное значение мощности нагревателя, позволяющее снизить вязкость нефти ниже критического для насоса значения на том или ином месторождении, оценить влияние длины нагревателя и условия выхода его из строя. 

С помощью модели ученые изучили нагреватели разной мощности (1; 1,75; 2,25 кВт), и длины (1, 3 и 5 м), но при этом поддерживали одинаковую температуру в 122°С. Ученые экспериментально выяснили, что максимальная температура, при которой могут эксплуатироваться устройства подобного типа, составляет 125°С. Более высокая – может привести к перегреву оборудования и преждевременному выходу из строя.

– Мы выяснили, что наиболее интенсивный нагрев нефти наблюдается в первых двух метрах трубы при использовании устройства длиной в 1 метр. Это связано с тем, что его удельная мощность выше, чем у 3- или 5-метрового. При этом для всех типов устройств изменения температуры происходят почти одинаково: сначала она достигает максимума, а потом постепенно охлаждается практически с одинаковой скоростью, – объясняет Наталья Труфанова, заведующая кафедрой «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ, доктор технических наук.  

Модель позволила определить, как параметры нагревателя влияют на температуру нефти на входе в насос. Так, длина устройства в 1 метр и мощность 1 кВт повышает ее значения до 39.11°С, 3 метра с мощностью 1,75 кВт – до 52.39°С, а 5 метров и 2,25 кВт – до 60.18°С. С увеличением температуры понижается и вязкость нефти. В целом все три нагревателя могут использоваться для ее снижения, но этот фактор также зависит от мощности используемого насоса. Для некоторого оборудования нагреватель в 1 метр не подойдет, а в 3-5 метров будут более эффективны.

– В результате мы можем сделать вывод, что применение устройства электрического нагрева в призабойной зоне скважины с наибольшей мощностью (2,25 кВт) дает возможность до 60°С повысить температуру нефти и в 14 раз снизить ее вязкость, – поделился Дмитрий Пинягин, аспирант кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ.

Разработка ученых Пермского Политеха поможет специалистам в нефтедобывающей практике определить температуру и характер течения углеводородов на заранее известном участке скважины. Применение модели позволит рассчитать необходимую длину нагревателя, которой будет достаточно для снижения вязкости нефти и обеспечения бесперебойной работы электрического центробежного насоса. Это, в свою очередь, повысит долговечность оборудования и снизит материальные затраты при разработке нефтяных месторождений.

Канал Осьминог Пауль

Канал Осьминог Пауль

Более 65% нефтедобывающих скважин эксплуатируются штанговыми насосными установками. Однако в условиях роста обводнения породы и истощения месторождений они затрачивают большое количество электроэнергии для эффективной выкачки ресурсов. Поэтому сейчас остро стоит вопрос оптимизации работы установок, чтобы снизить энергопотребление при прежнем уровне добычи нефти. Ученые Пермского Политеха разработали инновационный способ балансировки станка-качалки – ключевого элемента нефтяного насоса. Методика позволит на 7% снизить энергопотребление и на 10% – нагрузку на двигатель, что значительно сократит эксплуатационные затраты и продлит срок службы оборудования.

Статья опубликована в журнале «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», 2025. Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ (проект № FSNM-2023-0005).

Станок-качалка – это механизм, который под действием работы электродвигателя выполняет возвратно-поступательные движения и обеспечивает перекачку нефти штанговым насосом. Для обеспечения равномерности загрузки электродвигателя в процессе качания в станке-качалке применяют роторный противовес, который создает дополнительный момент в процессе подъема колонны штанг, тем самым снижая нагрузку на двигатель.

Однако в условиях сложной разработки месторождений, например, при добыче трудноизвлекаемых запасов нефти, потребление электроэнергии может быть значительно увеличено. Снизить его возможно за счет оптимизации работы и изменения алгоритмов управления электроприводом станка-качалки. Также дополнительное снижение потребления энергии может быть получено за счет оптимальной балансировки роторного противовеса, которой в промышленной практике не уделяют должного внимания.

Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм оптимального уравновешивания станка-качалки. При помощи цифровой модели и технологических переменных установки он рассчитывает оптимальный вес противовеса, установка которого позволит снизить удельное энергопотребление.

Алгоритм разработчиков не нуждается в дополнительной модернизации конструкции, он работает на основе уже доступных параметров работы насоса – углового положения механизмов и электромагнитного момента привода.

– Мы предлагаем алгоритм, который оценивает нагрузку на электродвигатель и угловые координаты станка качалки по цифровой модели, что позволяет рассчитать сбалансированность работы установки в реальном времени, а также выработать рекомендации по изменению веса роторного противовеса, для снижения энергопотребления установки, – рассказывает Савелий Сальников, инженер кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ.

Для проверки эффективности метода ученые создали испытательный стенд, который имитирует работу реального скважинного насоса. Он включает в себя двигатели, частотные преобразователи и главный контроллер, проводящий расчет оптимального уравновешивания максимального момента противовеса. Так, в ходе эксперимента разработчики получили информацию о необходимом снижении максимального момента противовеса с 36 до 32,6 килоньютон-метра (единица измерения момента силы). После установки нужного значения ученые повторно замеряли потребление энергии при тех же скоростях качания и нагрузке.

– В результате замеров мы выяснили, что наш алгоритм на 7,15% снижает потребление электроэнергии, а также на 10,32% снижает среднеквадратичную нагрузку на двигатель за цикл качания, что позволяет сохранить его ресурс. При неизменном режиме эксплуатации скважины энергозатраты можно уменьшить более чем на 10%, – поделился Савелий Сальников.

Практическое применение методики ученых Пермского Политеха значительно снизит потребляемую электроэнергию станком-качалкой в условиях добычи трудноизвлекаемых ресурсов, что позволит сократить затраты на эксплуатацию нефтяного оборудования.