В Пермском Политехе ученые разработали виртуальный аналог арктических нефтяных скважин, призванный оптимизировать процесс добычи углеводородов. Новая разработка дает возможность точно вычислять оптимальный режим нагрева для добычи нефти, что позволит избежать таяния вечной мерзлоты и обеспечит защиту скважины от разрушений, сообщило Информагентство «Девон» со ссылкой на информацию, полученную от вуза.
Для эффективной эксплуатации месторождений высоковязкой нефти в условиях Севера требуется предварительный нагрев горных пород. Наиболее эффективным способом является закачка пара, нагретого до 200-300 градусов Цельсия. Пар проникает в пласт и разжижает нефть непосредственно в недрах.
Паротепловое воздействие считается самым рациональным решением благодаря сочетанию высокой эффективности и относительной экономической доступности. При помощи пара возможно обеспечение равномерного прогрева обширных территорий. Вместе с этим, в отличие от химических методов увеличения нефтеотдачи, в недрах не остаются вредные примеси.
Однако, из-за нагрева тают многолетнемерзлые породы, являющиеся естественным основанием, обеспечивающим стабильность грунта. Потеря прочности мерзлых пород приводит к деформации и выходу скважин из строя, что чревато авариями и значительными финансовыми потерями.
При этом значительная часть тепла, порядка 30%, расходуется не по назначению – на оттаивание мерзлоты, а не на прогрев нефти. Оттаивание грунта запускает каскад негативных последствий: проседание фундаментов, изменение гидрологического режима, выброс парниковых газов. Это создает серьезные риски для инфраструктуры региона и ускоряет глобальное потепление.
Для решения этой проблемы применяются теплоизолированные лифтовые трубы (ТЛТ), известные также как термокейсы. Между двумя слоями стали расположен термоизоляционный материал. Это способствует эффективному прогреву нефтяного пласта без размораживания окружающего мерзлого грунта.
Однако, точное определение необходимого уровня теплоизоляции для каждой конкретной скважины представляет собой сложную задачу. Именно поэтому ученые Пермского Политеха разработали виртуальный двойник скважины – математическую модель, описывающую процессы тепломассопереноса в ТЛТ.
Модель прогнозирует распределение тепла в нефтяных скважинах, оборудованных термокейсами. Уникальность разработки заключается в создании первой в мире полноценной 3D-модели, с высокой точностью рассчитывающей распространение тепла через все слои скважины одновременно.
Математическая модель рассчитывает весь путь теплового потока, начиная с момента подачи пара по трубам и заканчивая его взаимодействием с окружающими породами. Цифровая копия скважины учитывает множество параметров, отслеживает изменения свойств материалов при нагреве и распространение тепла во времени, а также уникальные особенности конструкции скважины и окружающего грунта.
«Эффективность модели была протестирована на данных с Усинского месторождения в Республике Коми, — поясняет аспирант кафедры конструирования и технологий в электротехнике ПНИПУ Дмитрий Пинягин. — Данное месторождение характеризуется наличием вечной мерзлоты, залежей вязкой нефти и проблемами, связанными с отложением парафинов».
Парафиновые отложения затвердевают и оседают на стенках трубопроводов при снижении температуры, что приводит к уменьшению объемов добываемой нефти.
Результаты испытаний подтвердили высокую точность математической модели во всех режимах работы скважины. Разработка позволяет точно прогнозировать распределение тепла, определять оптимальные температуру и расход пара, а также подбирать трубы с необходимыми теплоизоляционными свойствами.
Использование актуальных данных о конструкции скважины и характеристиках материалов обеспечивает высокую точность расчетов. Предусмотрена индивидуальная настройка каждого термокейса с учетом потенциальных дефектов.
«Разработанное решение позволит повысить эффективность добычи, снизить энергозатраты, увеличить период между ремонтами скважин и предотвратить аварийные ситуации, вызываемые таянием мерзлых пород, — отмечают в ПНИПУ. — Гибкость и масштабируемость решения позволяют применять его для различных типов скважин».