Сегодня все сильнее сокращается запас легко добываемой маловязкой нефти. Вместо нее начинают извлекать ископаемое с высокой вязкостью (около 55% всех запасов в России), но процесс становится гораздо сложнее. Электрические центробежные насосы в скважине не всегда выдерживают подобную нагрузку, поэтому существуют ограничения по максимально допустимой вязкости перекачиваемой жидкости. Ученые Пермского Политеха проанализировали метод добычи «тяжелой» нефти при помощи электрического призабойного нагрева и разработали модель расчета оптимальной длины нагревателя. Это поможет снизить ограничения, повысить эффективность работы насоса и уменьшить материальные затраты при разработке месторождений.
Статья опубликована в журнале «Вычислительная механика сплошных сред» в июле 2024 года. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Для улучшения эффективности извлечения нефти с высокой вязкостью используется электрический призабойный нагреватель — устройство, которое расположено в призабойной зоне скважины ниже подвески центробежного насоса. Он позволяет повысить температуру нефти и тем самым снизить ее вязкость. За счет этого уменьшается нагрузка на электрический центробежный насос, для которого существует критический максимум вязкости перекачиваемой жидкости. Нарушение предела приведет к поломке оборудования и прекращению нефтедобычи.
Ученые ПНИПУ разработали трехмерную математическую модель для изучения процессов тепломассопереноса (перемещение тепла и нефти) в скважине. Это позволяет оценить распределение температуры в скважине и предпринять необходимые меры для снижения вязкости и отсутствия отложений. Чтобы сохранить эффективность эксплуатации нагревателя необходимо изучать закономерности этого процесса.
Сейчас применяют матмодель, которая позволяет оценить распределение температуры на стенке насосно-компрессорной трубы, определить участок возможного отложения асфальтосмолопарафиновых веществ и необходимые условия для предотвращения их образования. Но ее главный недостаток — невозможно изучить течение нефти через перфорационные отверстия, которые обеспечивают гидродинамическое соединение пласта со скважиной.
Модель ученых Пермского Политеха, в отличие от предшествующих, трехмерна и содержит область с перфорированной трубой. Политехники определили, что наибольшей скорости нефть достигает вблизи перфорированных отверстий около нагревателя и центробежного насоса, а наименьшей вязкости — в центре потока и рядом с устройством.
Расчеты позволили вычислить необходимую длину нагревателя, которой будет достаточно для обеспечения стабильной перекачки жидкости. Политехники сравнили несколько аппаратов разной мощности и длины. При этом поддерживалась одинаковая рабочая (допустимая) для них температура — 122°С. Изменение температуры показало, что нагрев нефти устройством длиной в 1 м протекает быстрее на участке от 0 до 2 м, поскольку удельная мощность (количество энергии по отношению к массе или объёму) у этого нагревателя выше, чем у 3- или 5-метрового.
— Мы выяснили, что использование в перфорированной скважине нагревателя с наибольшей мощностью позволяет повысить температуру нефти на входе в электрический центробежный насос до 60°С, а значение вязкости снизить до 0.7 Па•с. Это более чем в 14 раз ниже начальной вязкости нефти. Наша модель позволила детально описать характер течения и теплообмен на участке скважины с низкой производительностью и высоковязкой нефтью, — комментирует Никита Костарев, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и технологий в электротехнике ПНИПУ.
Ученые Пермского Политеха разработали модель исследования тепломассопереноса, включающую область с перфорационными отверстиями. Она более точна и эффективна за счет изучения показателей нефти на входе в скважину, а также применима в расчетах необходимой длины нагревателя, которой будет достаточно для снижения вязкости нефти и обеспечения бесперебойной работы электрического центробежного насоса. Это значительно снизит материальные затраты и ограничит чрезмерное потребление ресурсов.
