Новости - Отрасли ТЭК

Ученые Пермского Политеха создали модель расчета обогрева нефтяных клапанов при разных температурах

27.07.26 08:51

В арктических регионах сейчас сосредоточена значительная часть углеводородных запасов России. Проблема в том, что на этих территориях экстремально низкие температуры (ниже -50°C), из-за чего стандартное промысловое оборудование, необходимое для добычи, часто выходит из строя.

Для защиты техники инженеры используют специальные нагреватели. Однако сегодня нет способов точно определить, какая мощность нужна под конкретные условия. Из-за этого либо останавливается добыча, либо оборудование перегревается и быстрее изнашивается. Ученые Пермского Политеха впервые создали способ, который позволяет точно рассчитать мощность обогрева в зависимости от погоды. Это поможет исключить риск аварийной остановки добычи нефти и газа, избежать миллионных убытков, а также в несколько раз снизить энергозатраты.

Углеводородные ресурсы сосредоточены в разных регионах России, но значительная их часть находится в северных территориях — районах вечной мерзлоты и на арктическом шельфе. На сегодняшний день в Арктике открыто 360 месторождений, которые, по оценкам специалистов, к 2050 году смогут обеспечивать до 20–30% всей добычи нефти в стране.

Главная сложность при освоении этих территорий — особые климатические условия. Экстремально низкие температуры, которые в зимний период опускаются ниже -50°C, предъявляют повышенные требования к надежности всего оборудования. Стандартные технические решения, рассчитанные на умеренный климат, часто оказываются неэффективными и создают прямые риски для безопасности. Любая поломка может привести к разгерметизации трубопроводов, утечкам углеводородов и разливу нефти.

Одна из наиболее ответственных деталей, используемых в процессе добычи, — обратный клапан. Он устанавливается внутри скважины и обеспечивает движение нефти и газа строго в одном направлении — наверх. Однако именно в условиях низких температур клапан выходит из строя. Из-за мороза влага замерзает, а деталь заклинивает, что создает прямую угрозу аварийной остановки скважины, повреждает дорогостоящее оборудование и, как следствие, приводит к существенным убыткам. Точный объем недополученной добычи зависит от месторождения, однако в условиях Крайнего Севера потери от простоев и аварий составляют сотни миллионов рублей в год.

Для предотвращения обледенения клапана внутри него устанавливают специальный нагреватель. Но чтобы он сработал, важно правильно рассчитать, какая мощность нужна при конкретной температуре воздуха. На сегодняшний день нагреватели настраивают приблизительно, ориентируясь на усредненные значения. Из-за этого клапан либо прогревается недостаточно, что ведет к обледенению, либо мощность завышается, что повреждает оборудование и ведет к лишним энергозатратам.

В итоге без точных расчетов системы обогрева работают неэффективно. При этом остановка скважины в суровых климатических условиях — это всегда серьезные убытки: запуск техники после простоя на морозе требует больших затрат времени и ресурсов, а потери в добыче могут составлять десятки миллионов рублей.

Ученые Пермского Политеха впервые в мире создали способ расчета обогрева нефтяных клапанов при разных температурах. Это поможет не только сократить затраты на электроэнергию в несколько раз, но и предотвратить аварийные остановки скважин из-за обледенения.

Сначала исследователи создали цифровую модель обратного клапана. Для этого они взяли его точные геометрические размеры, а также все основные элементы: корпус, перепускное отверстие и нагреватель. Чтобы расчеты были максимально достоверными, ученые воспроизвели в цифровой среде все ключевые физические процессы, происходящие в реальных условиях.

— 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, — отметил Никита Костарев, доцент кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ, кандидат технических наук.

В ходе экспериментов ученые определили точные значения для каждой мощности нагревателя. Оказалось, что при 60 Вт механизм перестает быть защищенным от замерзания, если температура воздуха ниже -44°C. При 72 Вт этот порог смещается до -52°C, при 84 Вт — до -60°C, а для работы при -70°C требуется уже 96 Вт.

— Созданная модель позволяет точно определять необходимую мощность обогрева клапана в зависимости от погоды. Для этого инженер берет показатели температуры на месторождении и геометрические параметры клапана. Модель обрабатывает все данные и выдает конкретные числовые значения, которые можно использовать при настройке оборудования, — дополнил Никита Костарев.

Предложенное решение впервые позволяет управлять состоянием клапана в арктических условиях. Это в несколько раз снижает необоснованные энергозатраты, что особенно важно для удаленных промыслов, где энергия дорога и часто ограничена.

Кроме того, правильно подобранный режим обогрева гарантирует, что механизм не выйдет из строя из-за обледенения, и исключает риск остановки скважины. Сегодня потери от ремонта, запуска и простоя оборудования достигают нескольких миллионов рублей на одном месторождении. По оценке ученых, внедрение точного расчета позволит уменьшить число внеплановых остановок, что даст заметный экономический эффект.

Источник: ПНИПУ