#нефтедобыча

Легкоизвлекаемая нефть в России сокращается, что требует разработки труднодобываемых ископаемых и расширения способов их добычи. Новые технологии позволяют получать забалансовые запасы страны, что делать еще недавно было экономически нецелесообразно. В этом плане перспективна добыча нефти с помощью наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами насосными установками. Их эксплуатация достигает нужной эффективности за счет применения канатных насосных штанг, которые за счет возвратно-поступательного движения перекачивают жидкость из скважины на поверхность. Ученые Пермского Политеха разработали новую конструкцию канатной штанги, повышающую надежность оборудования и снижающую затраты на эксплуатацию.

Сенсорные экраны используются не только в повседневной жизни, но даже на нефтяных и химических производствах, в шахтах и космических кораблях. Однако в таких неблагоприятных условиях их работа затруднена, поскольку они плохо переносят вибрации, влагу, пыль и повреждения: экран начинает хуже реагировать на касание, что затрудняет использование устройства. Ученые из Пермского Политеха нашли способ, как улучшить работу сенсорных устройств даже в агрессивных средах.

В 2024 году рынок 3D-печати в России и мире продемонстрировал устойчивый рост и активное внедрение в промышленное производство. 30% пришлось на предприятия топливно-энергетического комплекса, из которых 13% — атомная отрасль, 20% — нефтегазовое и энергетическое машиностроение. Обычно 3D-печать осуществляется методом нанесения слоев строительного материала по модели. В процессе образуются разрывы между ними, поскольку раствор не всегда бывает однородным. Ситуация требует контроля вязкости специалистами, что приводит к потере времени и снижению качества продукта из-за человеческого фактора оценки. Ученики Политехнической школы под руководством ученых Пермского Политеха разрабатали решение этой проблемы.

Поддержание стабильности нефтедобычи обеспечивается за счет качественного и долговечного оборудования, но высокие нагрузки на штанговые насосы, качающие флюид из недр, приводят к поломке в узлах установки. Это замедляет темпы производства и требует больших энергетических затрат. Ученые Пермского Политеха создали «умную» систему управления, которая в реальном времени адаптируется к изменяющимся условиям работы насоса, опираясь на заданные параметры. Это позволит предотвратить поломку оборудования и внезапную остановку добычи.

Распределенные акустические датчики (DAS) на основе оптического волокна применяются для мониторинга конструкций, трубопроводов и охраны периметра. Они фиксируют звуки, вибрации и деформации, обнаруживая утечки нефти, движение транспорта и даже землетрясения. Однако их высокая стоимость и ограниченная чувствительность остаются проблемой. Ученые Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН исследовали новые типы оптоволокна с разными покрытиями, определив их реакцию на звуковые волны. Это поможет точнее подбирать волокно под конкретные задачи и расширить применение технологии — от промышленности до экологического мониторинга.

Для успешного строительства нефтяной скважины критически важно точно управлять движением бурового оборудования, особенно когда расстояние между местом начала бурения и слоем породы, содержащим нефть и газ, достигает нескольких километров. В таком случае очень важны методы передачи данных о состоянии скважины и инструмента для избежания аварий и других непредвиденных ситуаций. Но традиционные способы в глубоких скважинах могут выходить из строя: кабели закручиваются вокруг бурового инструмента и рвутся, радиоволны не проходят через толщу земли, а шум оборудования заглушает звуковые сигналы. Ученые ПНИПУ внедрили технологию по передаче данных через буровой раствор, который обычно закачивают в скважину для охлаждения и очистки инструмента, в ранее созданный уникальный высокотехнологический комплекс для строительства скважин. Такое решение обеспечивает стабильную связь на больших глубинах, не боится вибраций, шума и в 1,5-2 раза дешевле зарубежных аналогов.

Движение нефти в горной породе осуществляется по порам и трещинам, причем во втором случае оно — основное для коллекторов соответствующего типа. В таких месторождениях сосредоточено от 30 до 50% общемировых запасов углеводородов. С падением пластового давления трещины могут смыкаться, что приводит к резкому снижению проницаемости и, как следствие, падению добычи нефти. Классические гидродинамические модели часто не учитывают этот эффект, что приводит к значительным погрешностям в прогнозных гидродинамических расчетах. Ученые Пермского Политеха разработали подход по созданию гидродинамической модели, позволяющий учесть, как давление влияет на свойства пласта.

В нефтедобывающей, химической, металлургической и других отраслях часто применяется сталь 14Х17Н2. Ее используют при изготовлении компрессоров, лопаток турбин, валов, крепежных элементов, подшипников в машиностроении, ответственных деталей в химическом оборудовании. Изделия из этой стали работают в агрессивных средах и часто выходят из строя из-за коррозии, вызванной сероводородом. Особенно страдают детали, которые постоянно подвергаются нагрузке, например, штанговые глубинные насосы для добычи нефти. Ученые Пермского Политеха и специалисты компании «ЭЛКАМ-нефтемаш» разработали новый режим термической обработки, который позволит значительно повысить стойкость материала к разрушению даже в таких суровых условиях эксплуатации.

Одна из главных задач для нефтегазовой отрасли России — повышение эффективности добычи. Крупные месторождения истощаются, доля трудноизвлекаемых запасов растет, поэтому важно изучать факторы, влияющие на степень извлечения углеводородов из недр. Существующие методы оценки эффективности добычи недостаточно точны, поскольку в них есть параметры, определение которых носит субъективный характер. Ученые Пермского Политеха предложили новый метод оценки эффективности выработки запасов нефти, основанный на более точных показателях. Его использование позволит выявить наилучшие условия для добычи.  

Как понять, сколько в нефтяных залежах осталось полезных ископаемых, как они распределены в горной породе и как повысить эффективность их добычи? Для ответов на эти вопросы нефтяники создают 3D-модель месторождения. Она позволяет спрогнозировать будущее поведение нефти и газа и спланировать их наиболее продуктивную добычу. От ее точности во многом зависит правильность всех принятых решений по извлечению ресурсов. Но пока остаются проблемы с компьютерным воспроизведением сложных коллекторов, которые отличаются большим количеством пустот и трещин в структуре. Ученые Пермского Политеха разработали подход, который на 10 процентов повышает достоверность моделирования таких нефтяных залежей. Он дает возможность качественно оценить реальные фильтрационные потоки, по которым жидкость продвигается к скважине.

Геомеханическое моделирование широко используется при строительстве и разработке нефтяных месторождений. Оно позволяет точнее подобрать необходимое оборудование для вскрытия пласта, определить его интервал, оптимальную траекторию ствола скважины, оценить устойчивость горной породы в процессе бурения и добычи. Все это важно для максимально эффективной разработки месторождений. Тем не менее, существующие аналитические решения часто дают неточные результаты, так как учитывают не все факторы. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая позволяет анализировать напряженное состояние обсадной колонны, цементного камня и участка породы вблизи скважины. Это дает возможность оценивать, как условия вскрытия пласта и применяемые материалы для цементирования скважины отразятся на ее устойчивости и продуктивности.

В нефтедобыче для извлечения углеводородов из скважины и поддержания пластового давления активно используют специальные насосы. Они работают с помощью поршня, который возвратно-поступательными движениями перекачивает нефть или воду. Часто на одной скважине требуется установка сразу нескольких одновременно работающих насосов для большей подачи жидкости. Однако в этом случае разная скорость работы поршней приводит к неравномерной перекачке жидкости из-за возникающих пульсаций подачи и колебаний давления. Это вызывает аварии, связанные с повреждениями трубопровода и оборудования. Ученые Пермского Политеха разработали способ эффективного снижения неравномерной подачи жидкости, который обеспечивает надежную работу поршневых насосов и минимизирует простой нефтегазового оборудования.

В нефтедобыче прогнозирование свойств коллекторов — важная задача, позволяющая оценить потенциал месторождения и принять решения по его качественной разработке. Обычно для этого проводят геофизические исследования, с помощью которых определяют характеристики горных пород: пористость, плотность и проницаемость. На их основе строят 3D-модель месторождения и получают информацию о содержащихся в нем запасах нефти и газа. Но структура и свойства коллекторов очень изменчивы, и такая неоднородность часто препятствует получению достоверных данных традиционными методами. Ученые Пермского Политеха разработали подход для моделирования пористости в нефтегазовой отрасли на основе искусственного интеллекта. Он позволит на 56 процентов повысить точность прогноза и эффективность разработки месторождений.

Разработка месторождений нефти и газа оказывает значительную техногенную нагрузку на экологическую обстановку. Особую опасность представляет буровой шлам, который образуется при бурении скважин. Он в больших количествах складируется в шламовых амбарах, занимающих площадь до 2500 квадратных метров. Высокое содержание в отходах нефтедобычи различных солей приводит к засолению грунтов, поверхностных и подземных вод, что, в свою очередь, оказывает негативное влияние на почвенный и растительный покров. Сегодня активно изучается экологически безопасный способ восстановления земель методом фиторемедиации. Он основан на извлечении загрязняющих веществ из техногенных почвогрунтов при помощи специально подобранных растений. Ученые Пермского Политеха изучили возможность применения такой технологии для преобразования шламовых амбаров в природные экосистемы.

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.

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.

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.

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 миллиарда тонн. Но специфика добычи таких ископаемых требует существенных затрат и применения новых технологий. Один из перспективных видов оборудования для добычи нефти из наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами -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.

Во всех отраслях производственной деятельности, в том числе на предприятиях нефтедобычи, используется множество разнотипного оборудования. Появление неисправности или выход даже одной машины из строя приводит к издержкам и перерывам в работе в ожидании ее замены или ремонта. Хранение же дополнительных избыточных деталей на предприятии нецелесообразно. Поэтому, помимо отслеживания состояния установок и прогноза их отказа, необходимо грамотное управление запасными частями. Применяемые сейчас способы основаны на вероятностных методах и сложных математических моделях, которые требуют большого объема вводных данных. Ученые Пермского Политеха оптимизировали систему обслуживания и заказа необходимого количества запасных единиц для современного промышленного оборудования. Метод сведет к минимуму простой неисправных машин и снизит эксплуатационные расходы предприятий.

Ученые из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН промоделировали двухфазное течение в пористых средах с использованием неоднородной сетевой модели. Их исследование поможет более эффективно добывать углеводороды и исследовать подземные пласты.