Электроэнергия — это одна из основных статей расходов в нефтедобыче. Ее экономия позволяет снизить траты на производство и, соответственно, повысить его рентабельность. Отрицательно на эффективность нефтяного оборудования влияет повышение давления в скважине, что не только снижает добычу, но также вынуждает затрачивать на работу больше электричества и может привести к повреждению техники и авариям на производстве. Ученые Пермского Политеха разработали комплексную методику, которая позволяет оценивать, как затрубное давление влияет на расход электроэнергии, и определили оптимальный уровень, на котором его следует поддерживать.

Статья опубликована в журнале «Geosystem Engineering», 2024.

Важной задачей в нефтяной промышленности является снижение энергетических затрат: их экономия позволяет повысить прибыльность, сократить углеродный след и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду. Больше половины электропотребления (около 55%) уходит на подъем нефти из глубоких залежей с помощью насосных установок. Осложняет ситуацию скопление газа в скважине, что приводит к повышению давления, которое называется затрубным. Это может усложнить добычу ресурсов, так как увеличивается нагрузка на технику, а значит, ей приходится тратить больше электричества.

Снизить использование энергетических ресурсов можно разными способами: либо внедрением нового оборудования для эксплуатации скважин, либо оптимизацией работы старого. Первый случай довольно затратный, при этом подходит только для этапа проектирования. Поэтому перспективным направлением является повышение эффективности уже использующейся техники.

Для того, чтобы улучшить работу нефтедобывающих установок, нужно знать, сколько электричества они потребляют и от чего это зависит. С этой целью ученые Пермского Политеха разработали методику, по которой можно рассчитать электропотребление скважинного оборудования в процессе нефтедобычи.

Метод представляет собой совокупность уравнений, куда можно подставить необходимые данные (например, давление и мощность насоса, объем добычи скважины и так далее) и получить в результате удельное электропотребление – количество энергии, которое требуется для подъема нефти из залежей на поверхность. Разработанный способ применим к функционированию скважин в периодическом режиме, когда после определенного количества часов работы насос выключают. В отличие от непрерывного, когда нефть качается постоянно, этот способ становится все более распространенным из-за роста цен на электроэнергию и стремлению к снижению затрат.

– На предприятии необходимо оценивать энергоэффективность насосных установок, опираясь на данные о параметрах технологического процесса, а также установленного электрического и механического оборудования. Наша методика расчета – это комплексное решение, которое позволяет учитывать изменяющиеся параметры: время работы, свойства и объем добываемой жидкости, параметры технологического процесса, – рассказывает Сергей Мишуринских, доцент кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ, кандидат технических наук.

– Для проверки методики мы провели вычислительный эксперимент, за основу взяли данные реальных нефтяных установок. Как показали расчеты, меньше всего энергии расходуется, когда давление падает. Мы рекомендуем снижать его в том случае, если насос работает в периодическом режиме достаточно долго – не менее 8 часов в одном цикле. В среднем такое снижение давления позволяет экономить около 4% электроэнергии – это существенный для предприятий показатель, поскольку для его достижения не требуется никаких дополнительных материальных затрат, – комментирует Николай Павлов, доцент кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Исследование подтвердило, что снижение затрубного давления значительно повышает энергоэффективность насосных установок. Комплексная методика, разработанная учеными Пермского Политеха, позволит нефтедобывающим предприятиям оптимизировать работу насосного оборудования, снизить затраты на электроэнергию и повысить рентабельность добычи нефти.

Правда ли, что на месте аварии уже не найти образцов тенгизита? Если у Вас есть информация, пожалуйста, поделитесь.

Друзья! Я написала большую статью про техногенную породу - камень тенгизит. Постаралась подробно разобраться в каждом моменте, пересмотрела все источники, свидетельства очевидцев. Но всё же остаëтся ощущение недосказанности. Статью буду выкладывать здесь частями ввиду формата пикабу.

🔶 Вот, какие темы затрагиваются в статье:

🔸 История рождения тенгизита в пекле апокалипсиса
🔸 Почему и как произошла авария
🔸 История ликвидации катастрофы на станции Тенгиз
🔸 Почему погибали перелётные птицы?
🔸 Может ли повториться катастрофа?
🔸 Свойствах техногенного камня тенгизит
🔸 Почему тенгизиту приписывают магические свойства

Для добычи нефти из скважин больших глубин используют штанговые глубинные насосы, которые в процессе эксплуатации подвергаются высоким нагрузкам. Особенно это сказывается на одной из важнейших частей устройства – насосном штоке. Это цельный металлический пруток, который толкает плунжер, создавая необходимое для перекачки нефти давление. Работа оборудования в суровых условиях приводит к появлению коррозии на резьбе детали, из-за чего его материал в дальнейшем разрушается. Для стабильной работы насосов необходимы методы, предотвращающие быстрое изнашивание таких элементов. Ученые Пермского Политеха предложили способ локального упрочнения насосных штоков с помощью технологии индукционной термической обработки. Применение разработанных рекомендаций на практике обеспечит надежность и долговечность скважинного оборудования в агрессивных условиях, свойственных горнодобывающей отрасли.

Статья с результатами опубликована в журнале «Черные металлы», 2024 год. Работа выполнена при поддержке АО «ЭЛКАМ-нефтемаш».

В большинстве случаев разрушение насосного штока нефтедобывающего оборудования происходит из-за появления коррозии во впадинах резьбы. А внешняя нагрузка и возникающие напряжения в детали усугубляют этот процесс. Традиционные методы повышения долговечности, в том числе добавление благородных элементов в металл или химическая очистка от вредных примесей, часто экономически нецелесообразны, особенно для изделий с невысокой рентабельностью. Поэтому для улучшения качества штоков востребовано именно локальное упрочнение, которое сочетает в себе простоту и финансовую выгоду.

Ученые Пермского Политеха предлагают использовать технологию индукционной термической обработки. Это процесс, при котором металл нагревается под действием мощного электромагнитного поля, в ходе чего его структура меняется и становится более прочной.

Сама технология в последнее время все активнее применяется на предприятиях для высокотемпературной обработки металлов. Она отличается быстрым нагревом, низкими затратами и потреблением электроэнергии, высокой производительностью, а также простотой применения, мобильностью оборудования и даже современной высокой экологичностью.

Политехники разработали и апробировали режим локального упрочнения насосного штока индукционной термической обработкой в виде нагрева металла и последующего охлаждения. Для эксперимента использовали заготовки из распространенных в нефтяном машиностроении марок стали 40Х и 38ХГМ.

Индукционным нагревателем образцы закаляли с температуры 850°С и опускали на 600°С или 400°С. Для каждого применяемого режима рассчитывали вероятность разрушения при их нагружении. После обработки испытывали их прочность, создавая переменную нагрузку на внешнюю поверхность на специальном испытательном стенде собственной разработки. Также исследовали микроструктуру и микротвердость полученного материала.

Результаты эксперимента показали, что индукционная термическая обработка значительно повышает усталостную прочность образцов, то есть их стойкость к внешним циклическим нагрузкам. Лучшим режимом оказалась закалка с 850°С и последующий нагрев для отпуска на 400˚С.

– Мы также рассчитали экономический эффект от внедрения приведенных в исследовании результатов и рекомендаций на предприятия. Он формируется за счет существенного снижения затрат на материал. Только для штоков, рассмотренных нами, суммарное снижение производственной себестоимости можно ожидать на уровне 2,2 млн в год, что способно повысить рентабельность штанговых глубинных насосов на 7,66%, – поделился Станислав Мольцен, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, директор по качеству АО «ЭЛКАМ-нефтемаш».

Ученые Пермского Политеха доказали, что технология индукционной термической обработки способна улучшить механические свойства резьбовых деталей нефтяного насосного оборудования. Рекомендованные режимы повысят прочность насосных штоков и обеспечат их надежное использование в глубинной нефтедобыче.

Трубопроводные системы используют в водоснабжении, канализации, отоплении, а также при транспортировке нефти и газа. При работе насосов, компрессоров и другого оборудования возникают сильные вибрации, которые могут привести к разрушениям конструкций, просадкам грунта и авариям. Для предотвращения таких ситуаций трубопроводы оснащают специальными тонкослойными резино-металлическими элементами с хорошими виброизоляционными свойствами. От подобранных материалов и процесса производства этих деталей зависит работа и безопасность всей системы. Ученые Пермского Политеха проанализировали разные технологии изготовления таких элементов и определили материалы, которые позволят повысить прочность в 2-2,5 раза.

Статья опубликована в журнале «INGENIERIA UC», т. 28, №3. Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда.

В трубопроводах, которые применяются в авиации, ракетостроении, судостроении и других областях промышленности, используют тонкослойные резино-металлические элементы, например, гибкие вставки, компенсаторы, прокладки и опоры. Это детали, в которых тонкий слой резины соединен с металлическими фрагментами. Так они сочетают в себе свойства двух материалов: резина обладает хорошими виброизоляционными свойствами и обеспечивает герметичность соединений, предотвращая утечки, а металл придает этим элементам высокую прочность и жесткость. Это необходимо для лучшей сохранности оборудования в энергетическом и транспортном машиностроении, судостроении, в нефте- и газопроводах.

Вибрация, передаваемая трубопроводами в процессе работы, может приводить к поломкам, просадкам грунта и даже авариям, поэтому виброизоляция – важное свойство резино-металлических элементов. От качества их производства зависит эффективная и стабильная защита оборудования.

Ученые Пермского Политеха проанализировали разные технологии изготовления тонкослойных резино-металлических элементов и назвали самые  оптимальные материалы с наилучшими для этих целей свойствами.

В структуре таких деталей важны три компонента: резина, металл и клеевая смесь, которая их соединяет. Поэтому надежное функционирование изделий, в первую очередь, зависит от характеристик этих материалов. Основная причина отказа оборудования – это потеря герметичности из-за нарушения склеивания и появления отслоений, поэтому особое внимание политехники уделяли изучению эластичных резин в сочетании с клеевыми композициями.

– Мы провели ряд испытаний разных образцов резино-металлических элементов на специальном стенде, который воссоздает вибрации в частоте от 20 до 200 Гц. Эксперименты показали, что лучшими упругими и прочностными свойствами обладает резина из полиизопрена (синтетического и натурального). Помимо высокой прочности, он имеет и лучшие технологические свойства: при обработке деталей сразу образует плотную гладкую заготовку, а также быстро превращается в резину, – рассказывает Александр Шайдуров, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.

– Подготовка металлической поверхности – следующий шаг для обеспечения надежной связи резины и металла. Согласно проведенным исследованиям, лучше всего себя показывает пескоструйная обработка – это процесс, когда поток сжатого воздуха под сильным давлением выбрасывает на поверхность металла мелкие твердые частицы песка или стального порошка. Ударяясь о поверхность, они с высокой скоростью воздействуют на металл, придавая поверхности шероховатость, которая влияет на прочность сцепления, – объясняет Галина Шайдурова, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор технических наук.

Клеевая система должна прочно соединять между собой резину и металл. Финальные этапы экспериментов показали, что лучше всего такое сцепление обеспечивает система клея по схеме «праймер + покровный слой» и операция поддержания заданной температуры на этапе совулканизации клея и эластомера, чтобы сохранять стабильность его свойств.

Общие результаты исследования ученых Пермского Политеха позволяют повысить показатель прочности адгезионного соединения резины и металла в резино-металлических элементах в 2-2,5 раза с применением и других резин на основе этилен-пропиленовых, бутадиен-нитрильных и смешанных каучуков. Выводы сделаны на основе осевых испытаний и проверки на растяжение по ГОСТу. Это значительно снижает передачу вибрации по линии трубопроводов и обеспечивает их безотказность при работе в условиях высоких нагрузок. Комбинация каучуков со смолами приводит к улучшенным результатам по вибрационным параметрам. Исследования в этом направлении важны для реализации новых проектов для МЧС и машиностроителей.

Легкоизвлекаемая нефть в России стремительно сокращается, поэтому для обеспечения спроса на экспортном и внутреннем рынках необходимо вводить разработку новых месторождений, в том числе трудноизвлекаемых запасов. На сегодня их объем составляет порядка 3,4 млрд т. Но специфика добычи таких ископаемых требует существенных затрат и применения новых технологий. Одним из перспективных видов оборудования для добычи нефти из наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами являются насосные установки с канатными штангами. Их располагают в месте интенсивного набора кривизны для соединения станка-качалки с насосом. У оборудования высокая эффективность, но из-за недопустимого изгиба при провисании колонна может отказать, и вся установка выйдет из строя. Ученые Пермского Политеха предложили новый способ крепления канатной штанги в искривленном участке скважины, который обеспечит ее прямолинейное положение и увеличит работоспособность оборудования.

Статья опубликована в журнале «Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горно-шахтного и нефтепромыслового оборудования», т. 1, 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Для добычи нефти из наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами активно используют насосную установку с канатной штангой. Она применяется в качестве вставки в обычную колонну насосных штанг и устанавливается в месте интенсивного набора кривизны. Ее можно представить как гибкую нерастяжимую тяжелую нить, которая повисает в пространстве скважины между станком-качалкой и глубинным насосом. Основная функция элемента – передача возвратно-поступательного движения для обеспечения откачки нефти.

При эксплуатации скважин в осложненных горно-геологических и технических условиях возможна разгрузка колонны насосных штанг. Используемая при этом канатная штанга испытывает сжатие, которое приводит к разрушению каната, его неисправному состоянию, поломке, простою и, в итоге, ремонту техники. В среднем это снижает наработку насосных установок в 2 раза, требует остановки работы оборудования и весьма затратной замены насосной штанги.

Ученые Пермского Политеха нашли способ решить проблему, закрепляя канатную штангу в нужном положении специальными устройствами – центраторами.

– Их конструкция должна представлять из себя бандажную втулку с концевыми упорами снаружи, которые крепятся на канатной штанге и обеспечивают ей прямолинейное положение. Их устанавливают в тех местах, где необходимо обеспечить устойчивость штанги при воздействии максимальной сжимающей нагрузки, – комментирует Анна Иванченко, старший преподаватель кафедры горной электромеханики ПНИПУ.

– Согласно нашей методике, центраторы устанавливаются в месте максимального отклонения канатной штанги от траектории скважины. Нужная точка рассчитывается с помощью математических уравнений. Следующее место установки определяется на участке от уже установленного центратора до нижней точки штанги и так далее, – рассказывает Валерий Зверев, доцент кафедры горной электромеханики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Благодаря установке центраторов канат не занимает изогнутое положение в колонне. Предложенный учеными Пермского Политеха способ эксплуатации обеспечивает устойчивость канатной штанги при зависании, позволяет сохранить ее работоспособность и продлить срок службы скважинного оборудования. Это значительно сокращает расходы на добычу трудноизвлекаемой нефти в России. Политехники уже подали заявку на патент изобретения, в данный момент она находится на рассмотрении.

Россия входит в топ-3 стран по мировой добыче нефти. Для сохранения лидирующих позиций и повышения объема извлекаемых углеводородов специалисты заинтересованы в строительстве надежных объектов, которые обеспечивают максимальную рентабельность работы. После процесса бурения стенки скважины укрепляют, спуская туда обсадную колонну и цементируя ее специальными тампонажными растворами. В полученной крепи формируют отверстия методом перфорации. Это необходимо для создания гидродинамической связи пласта со скважиной и начала процесса нефтеизвлечения. Неправильно подобранные параметры такой работы приводят к образованию трещин, которые становятся причиной преждевременного обводнения. Ученые Пермского Политеха впервые смоделировали крепь скважины, учитывая возникающие давления при перфорации, состав тампонажного раствора, свойства формируемого из него камня и параметры проведения прострелочно-взрывных работ. Полученные результаты и методические подходы позволят избежать разрушения крепи скважин и больших издержек на восстановление ее целостности.

Статья опубликована в журнале «Недропользование», 2024 год. Работы выполнены при поддержке Минобрнауки РФ (проект № FSNM-2024-0005).

Несмотря на множество исследований и разработок, направленных на создание долговечной герметичной крепи скважин, перфорация нарушает ее целостность. Образование трещин приводит к раннему обводнению добываемой продукции, снижению нефтедобычи и увеличению расходов на утилизацию воды. Все это вызывает необходимость в проведении затратных и не всегда эффективных ремонтных работ.

Создание достоверной модели скважины, определение фактической прочности материала, а также замер избыточных внутренних давлений, которые возникают в процессе перфорации, позволит решить проблему сохранности цементного камня. Это даст возможность не только выявить нарушение герметичности, но и вычислить максимально допустимую нагрузку на крепь, установить требования к свойствам тампонажного камня, а также разработать рекомендации к параметрам проведения перфорации.

– Традиционный подход, при котором плотность перфорации составляет 20 и 30 отверстий на метр длины коллекторов, не учитывает состав перфорационных жидкостей, забойное и пластовое давления. Не принимаются во внимание также свойства горной породы и физические процессы, происходящие в ней из-за воздействия на них ударной нагрузки при срабатывании перфоратора. Мы разработали модель, которая учитывает все эти особенности, – объясняет Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.

Ученые Пермского Политеха смоделировали напряженно-деформированное состояние околоскважинной зоны в условиях создания перфорации с использованием трех разных рецептур тампонажных растворов. На примере двух месторождений выявили наиболее эффективный.

– Разработанная модель включает эксплуатационную колонну, цементный камень и участок породы-коллектора. Она позволяет задавать неравномерное распределение давления внутри скважины во время перфорации, а также учитывать все свойства тампонажного камня, – рассказывает Сергей Попов, заведующий лабораторией института проблем нефти и газа РАН, доктор технических наук.

Для исследования политехники совместно с индустриальными партнерами выполнили более 100 измерений максимальных давлений при формировании отверстий различной прострелочно-взрывной аппаратурой, необходимой для перфорации. По ним вычисляли избыточные значения, которые приводят к появлению трещин в крепи скважины.

Цементирование колонны осуществляли с помощью трех разных тампонажных составов, с модифицирующими добавками и без. Для определения их физико-механических свойств изготавливали образцы, которые испытывали на прочность согласно нормативным документам.

– Многовариантное численное моделирование показало нам зоны разрушения цементного камня в трех скважинах для каждого типа цемента. Наибольшая возникает для состава, который имеет меньшую прочность. Но сильнее разрушение происходит для скважины с большей величиной давления во время перфорации. В результате мы выявили тампонажный состав, который менее подвержен разрушению и выдерживает нагрузки, вызванные перфорационным работами, – рассказывает Вадим Дерендяев, ассистент кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ.

Разработанная модель ученых Пермского Политеха позволяет детально исследовать устойчивость крепи нефтяных скважин и определить особенности ее разрушения. Полученные результаты и технологические рекомендации могут использоваться при определении оптимальных рецептур тампонажных растворов для крепления скважины, а также при выборе основных параметров перфорации. Все это снижает риск ухудшения целостности и герметичности скважин, значительно сокращает расходы на ее ремонт.