Ученые Пермского Политеха (ПНИПУ) разработали математическую модель, позволяющую точно рассчитывать мощность обогрева скважинной техники в условиях Крайнего Севера. Технология поможет защитить дорогостоящее оборудование от обледенения и сэкономить миллионы рублей. Результаты работы опубликованы в журнале «Научно-технический вестник Поволжья».
Освоение Арктики — стратегическая задача для российской энергетики: ожидается, что к 2050 г. местные месторождения будут обеспечивать до 30% всей нефтедобычи в стране. Однако экстремальные морозы ниже –50 °C выводят из строя стандартную технику. Из-за замерзания влаги часто заклинивает критически важную деталь скважины — обратный клапан, обеспечивающий движение сырья строго вверх. Аварийные простои и сложный перезапуск оборудования на морозе приносят большие финансовые убытки.
Как правило, для защиты клапанов применяют встроенные электронагреватели, но обычно их настраивают на глаз по усредненным параметрам. В итоге прибор либо недостаточно нагревает деталь, допуская ее замерзание, либо перегревает, расходуя лишнюю дорогую энергию удаленных промыслов и ускоряя износ.
Инженеры Пермского Политеха решили проблему с помощью IT-технологий. Они воссоздали точную трехмерную геометрию клапана в цифровой среде и смоделировали реальные 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 пресс-службе ПНИПУ доцент кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» кандидат технических наук Никита Александрович Костарев.
В ходе испытаний ученые определили четкие пороги эффективности. Выяснилось, что мощности в 60 Вт хватает лишь до –44 °C, при морозе до –52 °C требуется уже 72 Вт, а при экстремальных –70 °C система запросит 96 Вт. На практике инженеру достаточно ввести текущую температуру на месторождении и размеры клапана, чтобы система мгновенно выдала точные параметры для ручной или автоматической настройки обогрева.
Доцент кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» ПНИПУ кандидат технических наук Никита Александрович Костарев. Фото: Андрей Желнин / пресс-служба ПНИПУ
Подробнее о работе Н.А. Костарев рассказал корреспонденту «Научной России».
«Уникальность нашей разработки заключается в том, что мы первыми смоделировали именно такую конструкцию обратного клапана с точечным обогревом. Ранее подобное изделие не было детально исследовано в расчетной среде и, по сути, не существовало инструмента, который позволял бы прогнозировать его характеристики и условия эксплуатации. Наша работа восполнила этот пробел: теперь можно заранее оценивать поведение конструкции в различных температурных режимах и подбирать параметры нагрева не опытным путем, а на основе расчета. <...> Основные сложности были связаны с выбором и обоснованием граничных условий, а также допущений, которые позволили бы найти оптимальный баланс между скоростью расчета, трудоемкостью моделирования и точностью результатов. Именно эта часть работы потребовала наибольших временных затрат, поскольку от корректности исходных предпосылок напрямую зависела достоверность всей модели».
Никита Александрович также сообщил, что в дальнейших планах ученых разработка инженерной методики и алгоритмов, которые позволят определять необходимые параметры нагрева исходя из конкретных условий эксплуатации. В основу этой методики лягут результаты моделирования и практическая реализация разработанной модели. Это позволит перейти от разового расчетного решения к универсальному инструменту для проектирования и настройки подобных систем.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фотографии в материале: Алиса AI, Андрей Желнин / пресс-служба ПНИПУ
