Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) первыми в мире создали методику определения мощности нагревателя для нефтяных клапанов, которая точно рассчитает этот параметр в зависимости от погоды. Это поможет исключить риск аварийной остановки добычи нефти и газа, снизить энергозатраты и избежать миллионных убытков. Статья опубликована в журнале «Научно-технический вестник Поволжья».
На сегодня значительная часть углеводородных запасов России находится в Арктике — там открыто 360 месторождений, которые к 2050 году будут обеспечивать 20–30% всей добычи нефти в стране. Главная сложность — экстремальные зимние морозы ниже −50°C. В этих условиях стандартное оборудование, рассчитанное на умеренный климат, отказывает, что создает риски для безопасности. Любая поломка может привести к разгерметизации трубопроводов и утечкам углеводородов.
Обратный клапан — одна из наиболее важных деталей. Он устанавливается внутри скважины и обеспечивает движение нефти и газа строго вверх. Но при морозе влага внутри замерзает и деталь заклинивает, что повреждает оборудование и грозит аварийной остановкой скважины. При этом потери от простоев и аварий в условиях Крайнего Севера составляют сотни миллионов рублей в год.
Для предотвращения обледенения внутри клапана устанавливают нагреватель. Чтобы он работал эффективно, нужно точно рассчитать мощность при конкретной температуре воздуха. Сейчас при настройке нагревателей используют усредненные значения, поэтому клапан либо замерзает, либо завышенная мощность ведет к повреждению оборудования и лишним тратам.
Ученые Пермского Политеха впервые в мире создали способ расчета обогрева клапанов при разных температурах, что сокращает энергозатраты в несколько раз и предотвращает аварийные остановки скважин из-за обледенения.
Сначала они получили цифровую модель обратного клапана: воспроизвели его геометрические размеры, корпус, перепускное отверстие, нагреватель, а также все ключевые физические процессы.
«При моделировании мы учли охлаждение устройства наружным воздухом, поскольку именно мороз является главной причиной обледенения, а также влияние нефти, так как она способна забирать тепло от деталей. Далее в цифровой копии задавали разные температуры (от −30 до −70°C) и мощности нагревателя (от 60 до 96 Вт) и рассчитывали распределение тепла внутри клапана», — рассказал доцент кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ, кандидат технических наук Никита Костарев.
В ходе экспериментов оказалось: механизм не защищен от замерзания при 60 Вт, если температура воздуха ниже −44°C. При 72 Вт этот порог смещается до −52°C. Таким образом, для работы при −70°C потребуется мощность уже 96 Вт.
Как отметил Никита Костарев, созданная модель обрабатывает все данные и выдает конкретные числовые значения, которые понадобятся при настройке оборудования.
Предложенное учеными решение впервые позволяет управлять состоянием клапана в арктических условиях и в несколько раз снижает энергозатраты, что особенно важно для удаленных промыслов. Сегодня потери от ремонта и запуска на одном месторождении достигают нескольких миллионов рублей. Внедрение точного расчета, по оценкам ученых, сократит внеплановые простои.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
Фото: пресс-служба ПНИПУ
