Разработка нефтяных месторождений осложняется асфальто-смоло-парафиновыми отложениями, которые осаждаются на стенках оборудования и затрудняют процесс добычи. Из-за большого количества отложений уменьшается текучесть нефти, что негативно сказывается на эффективности ее добыче. Для борьбы с ними используют теплоноситель, который закачивается в скважину для ее прогрева. При высокой температуре парафин не образуется, и обеспечивается беспроблемная эксплуатация скважины. На данный момент перспективен способ промывки скважины через полые штанги глубинного насоса — полые стержни, через которые закачивают горячую нефть или воду. Однако у технологии отсутствуют все необходимые расчеты, которые приведут к ее качественному и результативному применению. Ученые Пермского Политеха доработали данный метод с помощью математического моделирования. Это позволит получить точные параметры промывки при любых вводных данных и составить технологический процесс для любого месторождения, где наблюдается осложнение работы скважин из-за парафиновых отложений.
Статья с результатами опубликована в сборнике «Advances in Automation IV», 2023 год.
Эффективность борьбы с парафиновыми отложениями зависит от региона, технологических параметров добычи и выбранного метода оценки теплового эффекта. Существуют разные подходы избавления от парафина, например, использование греющего кабеля или электромагнитного излучения. Политехники же рассматривали метод обработки горячим теплоносителем через полые штанги, расположенные в насосно-компрессорной трубе. У данной технологии есть важное преимущество — в окружающую среду снижаются тепловые потери, при этом повышается плотность теплового потока в зоне удаления парафина.
Для оптимальной работы технологии важно производить все необходимые расчеты для оценки теплового эффекта, определять температуру и расход теплоносителя, проводить оценку влияния технологических характеристик работы скважины на эффективность промывки. Данные задачи ученые решили, разработав математическую модель. В итоге ученые определили, как распределяется и изменяется температура и скорость движения теплоносителя (нефть, вода) на внутренней стенке насосно-компрессорной трубы и полой штанги при промывке.
Закачиваемая жидкость движется через полые штанги, затем выходит из пропускной муфты (элемент для фильтрации жидкости), смешивается с потоком добываемой нефти и поднимается вверх вдоль насосно-компрессорной трубы. Далее из-за большой площади трубного пространства скорость потока теплоносителя снижается, и жидкость постепенно остывает.
Для оптимального прогрева скважины на внутреннюю поверхность полых штанг наносится теплоизоляционный слой. Чтобы оценить его эффективность ученые разработали две математические модели скважины с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности и без него.
— Наличие теплоизоляционного слоя на внутренней поверхности полых штанг существенно влияет на распределение температуры на стенке скважины. При наличии теплоизоляционного слоя температура на уровне муфты (1200 м) достигает 56 С, увеличившись на 36 С по сравнению со случаем без теплоизоляции. Это обусловлено тем, что теплоноситель имеет более высокую температуру при выходе из муфты равную 63 С. В то время как, двигаясь по штангам без дополнительного слоя, теплоноситель успевает охладиться до 20,7 С на уровне муфты, — рассказывает аспирант кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ Евгений Гольцов.
В рамках исследования политехники реализовали различные режимы промывки — нефтью и водой для конкретной скважины с рассматриваемой проблемой. Для расчета теплового состояния использовались уже известные параметры и ее теплофизические характеристики. Выяснено, что при промывке горячей нефтью в течение 5 часов с расходом 150 м3/сут и температурой 120 ? происходит полное удаление отложений. Промывка же скважины водой при температуре 90 ? в течение 5 часов с тем же расходом, что и в случае с нефтью, не дало приемлемых результатов. Поскольку температура на стенке трубы не превышает 58 ?, полного удаления парафина происходить не будет на всей глубине.
Исследователи отмечают, что для полного удаления отложений со стенок полых штанг и насосно-компрессорной трубы необходимо в качестве теплоносителя использовать нефть, подаваемую с расходом 150 м3/сут и нагретую до 150 ?.
Ученые ПНИПУ изучили, как эффективность тепловой обработки нефтяной скважины теплоносителем через полые штанги зависит от параметров подачи теплоносителя. Получили оценку влияния расхода и температуры нефти и воды на распределение температуры в столбе скважины. Разработанная модель ученых позволяет оптимально оценить перспективность метода промывки. Полученные расчеты можно будет применять на любых нефтяных месторождениях, где наблюдается проблема с парафиновыми отложениями.