КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-79-10403

НазваниеРазработка динамической цифровой системы предиктивной аналитики образования органических отложений при добыче и транспортировке углеводородного сырья

РуководительИлюшин Павел Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет", Пермский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-207 - Термодинамические процессы в технических системах

Ключевые словаАсфальтеносмолопарафиновые отложения, многофакторная динамическая модель, интенсивность образования АСПО, предиктивная аналитика, стенд оцифровки отложений, теплопроводность отложений, молекулярная диффузия, моделирование образования АСПО.

Код ГРНТИ52.47.25, 52.47.19

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научно-исследовательский проект направлен на решение научной проблемы, связанной с возможностью точного прогнозирования образования асфальтеносмолопарафиновых отложений в нефтедобывающих скважинах и линейных нефтепроводах. Целью настоящего исследования является создание модели предиктивного анализа на основе факторов, влияющих на изменение интенсивности образования асфальтеносмолопарафиновых отложений, и динамического моделирования процесса образования АСПО в нефтедобывающих скважинах и линейных нефтепроводах путем комплексирования результатов стендовых исследований и промысловых данных. Одна из фундаментальных научных задач прогнозирования образования АСПО направлена на разработку динамической модели образования органических отложений объемным методом, с учетом изменения самой структуры отложений под влиянием физических и технологических факторов: толщины и теплопередачи образующихся отложений, обводненности добываемой продукции скважин, химического состава водной фазы, наличия различных механических примесей в добываемой продукции и ряда других. Для разработки динамической многофакторной модели будет проведен ряд лабораторных исследований на специально разработанном стенде детального моделирования и оцифровки асфальтеносмолопарафиновых отложений. Предлагаемые научные подходы и инструментарий предполагают учет комплекса факторов, влияющих на интенсивность образования АСПО, получаемых экспериментальным и эмпирическим путем. Явление образования асфальтеносмолопарафиновых отложений относится к самому часто встречаемому виду осложнений на нефтяном промысле Пермского края. Более 60 % осложненного фонда добывающих скважин характеризуются преждевременными отказами глубинно-насосного оборудования по причине перекрытия гидравлического сечения образующимися отложениями. Асфальтеносмолопарафиновые отложения, образующиеся в нефтедобывающих скважинах и линейных нефтепроводах, приводят к повышению давления в трубопроводах, что в свою очередь приводит к преждевременным отказам оборудования и нередко к технологическим авариям. Сужение гидравлического диаметра приводит к повышению затрачиваемой электрической энергии на перекачку добываемой продукции и снижает пропускную способность системы сбора, что в целом негативно сказывается на производительность всех нефтедобывающих скважин. На сегодняшний день основное направление научных исследований мировых и отечественных ученых направлено на разработку эффективных методов и технологий борьбы и предотвращения рассматриваемого осложнения. Однако, для разработка наиболее эффективных технологий необходимо изучать механизмы образования АСПО и факторы, влияющие на интенсивность образования отложений. Существующие разработанные модели прогнозирования АСПО не учитывают основных физических и промысловых факторов, влияющих на изменение интенсивности образования АСПО во времени. Постановка и решение вышеперечисленных актуальных проблем соответствуют цели и задачам данного проекта. Разработка динамических многофакторных моделей прогнозирования образования позволит с высокой точностью прогнозировать процессы образования АСПО, не допускать преждевременных отказов оборудования и предупреждать технологические аварии. Разрабатываемая уникальная динамическая объемная многофакторная модель позволит прогнозировать образование АСПО объемным методом, что в свою очередь поможет прийти к рациональному природопользованию. Практическое применение разрабатываемых динамических моделей прогнозирования образования АСПО позволит оптимизировать затраты на проведение мероприятий по борьбе с ними, что позволит осуществлять значительную экономию средств компаний природопользователей.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты выполнения проекта:  Проведенный аналитический обзор существующих математических моделей прогнозирования образования АСПО.  Классификация и ранжирование причин возникновения осложнений при добыче нефти по месторождениям Пермского края.  Перечень целевых объектов Пермского края по тематике исследования.  Корреляционные зависимости, описывающие процессы тепломассопереноса в нефтяных скважинах и линейных нефтепроводах на нефтяных месторождениях Пермского края.  Разработанная математическая модель тепломассопереноса для технологических объектов месторождений Пермского края.  Зависимость влияния процентного содержания водной фазы в изучаемой пробе на изменение удельной интенсивности образования АСПО для целевых объектов.  Зависимость изменения удельной интенсивности образования АСПО в зависимости от содержания отдельных химических компонентов в водной фазе для целевых объектов.  Цифровой каталог теплоемкостных свойств образующихся отложений асфальтеносмолопарафиновых веществ для целевых объектов и аналогов.  Зависимость влияния изменения теплоемкостных свойств АСПО на скорость образования АСПО для целевых объектов.  Зависимость влияния содержания твердых взвешенных частиц в изучаемой пробе на изменение удельной интенсивности образования АСПО.  Зависимость интенсивности образования АСПО при изменении термобарических условий.  Разработанная динамическая многофакторная модель прогнозирования изменения массы АСПО в нефтедобывающих скважинах и линейных нефтепроводах для целевых объектов Пермского края.  Разработанный лабораторный стенд для детального моделирования и оцифровки образующихся отложений асфальтеносмолопарафиновых отложений.  Механизм образования АСПО при моделировании объемным методом на специально разработанном стенде для оцифровки отложений.  Разработанная объемная динамическая многофакторная модель прогнозирования образования АСПО в нефтедобывающих скважинах и линейных нефтепроводах для целевых объектов Пермского края.  Разработанный методический подход к применению разработанной динамической модели прогнозирования образования АСПО в процессах моделирования образования отложений при помощи современных программных продуктов.  Проведенный ретроспективный анализ применимости разработанных динамических моделей прогнозирования образования АСПО.  Разработанный программный модуль прогнозирования образования АСПО в нефтедобывающих скважинах и линейных нефтепроводах для программного продукта «Инженерный симулятор технологических процессов».  Сформированная заявка на регистрацию результатов интеллектуальной деятельности.  Опубликованные статьи в научных журналах (не менее 6). Ожидаемые результаты настоящего проекта, в целом, будут соответствовать современному уровню научных исследований, выполняемых научными коллективами за рубежом. Применяемое лабораторное оборудование для изучения процессов образования асфальтеносмолопарафиновых отложений – гидравлический стенд WaxFlowLoop соответствует мировому опыту и позволяет в лабораторных условиях моделировать промысловые условия реального технологического объекта (термобарические условия аналогичные как в скважинах и нефтепроводах). Разработка динамической многофакторной объемной модели прогнозирования образования АСПО при помощи специально разработанного стенда оцифровки образующихся отложений является уникальным научным подходом авторского коллектива настоящего проекта. Практическое применение полученных результатов будет заключаться, прежде всего, в использовании новых научных подходов в прогнозировании образования АСПО при помощи гидродинамического моделирования в специализированных программных продуктах нефтегазового сектора. Проведение прогнозных расчетов при помощи разрабатываемых динамических многофакторных моделей образования АСПО позволит повысить точность расчетов, оптимизировать расходы на мероприятия, обосновать технологии по борьбе с отложениями, снизить затраты на добычу, сбор и транспортировку добываемой продукции, обеспечить научный и производственный задел в области рационального природопользования.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках выполнения первого этапа научного проекта «Разработка динамической цифровой системы предиктивной аналитики образования органических отложений при добыче и транспортировке углеводородного сырья» (соглашение №21-79-10403 от 27.07.2021 года) проведен обзор существующих математических моделей прогнозирования образования асфальтеносмолопарафиновых отложений (АСПО). На основании данного обзора определены существующие модели, а также рассмотрены их недостатки. По результатам аналитического обзора сделан вывод, что наибольшей точностью обладают эмпирические модели, в основе которых лежат лабораторные исследования. Проведено рассмотрение осложнённого фонда нефтедобывающих скважин Пермского края. Получено, что образованием АСПО осложненно более 47% всего фонда. Основными причинами высокой интенсивности формирования данных отложений являются состав флюидов, низкие пластовые температуры и давления. Для проведения дальнейших лабораторных исследований сформирован перечень целевых объектов, который отражает состав осложнённого фонда скважин Пермского края. Проведен обзор корреляционных зависимостей, описывающих процесс тепломассопереноса на технологических объектах Пермского края. Показано, что на распределение температуры по стволу скважины влияет множество параметров, среди них: свойства флюида, дебит скважины, глубина и свойства продуктивного пласта, обводненность продукции и способы добычи. На параметры работы нефтепроводов влияют обводненность, дебит скважины, глубина заложения нефтепровода и время года. На основании собранных данных сформирована итерационная математическая модель тепломассопереноса для технологических объектов Пермского края, основанная на гидравлических расчетах и законах распределения тепла. На лабораторном стенде «Холодный стержень» проведен ряд исследований с отобранными целевыми флюидами. В рамках первой группы лабораторных исследований проведена оценка влияния процентного содержания водной фазы в изучаемой пробе на изменение удельной интенсивности образования АСПО. Показано, что увеличение процентного содержания водной фазы значительно увеличивает удельную интенсивность образования отложений. Так же проведено исследование по оценке зависимости содержания конкретных химических компонентов в воде на интенсивность образования АСПО. По результатам данных исследований получено, что химический состав используемой воды не влияет на интенсивность образования отложений. На данной установке так же проведена серия исследований по оценке теплопроводности формируемых отложений. По результатам данных исследований сформирован цифровой каталог теплофизических свойств АСПО и корреляционная зависимость между теплопроводностью АСПО и вязкости исследуемой нефти. По результатам специального исследования проведена оценка влияния изменения теплопроводности на интенсивность образования АСПО. Получено, что со временем теплопроводность АСПО уменьшается, вследствие чего снижается градиент температуры и интенсивность образования отложений. По результатам выполненной работы опубликовано 8 научных работ, среди них 3 в системе Scopus. Принято участие в 10 всероссийских и международных конференциях, на ряде из которых доклады отмечены грамотами.

 

Публикации

1. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Бокарев И.А., Козлов А.В., Вотинова А.О. Исследование особенностей работы лабораторного стенда по моделированию образования органических отложений ИНЖЕНЕР-НЕФТЯНИК, 3, С. 26-34. (год публикации - 2021)

2. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В. Предупреждение образования асфальтосмолопарафиных отложений путем внутрискважинного компаундирования нефтей НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ДЕЛО, 10 (634), С. 57-60 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.33285/0207-2351-2021-10(634)-57-60

3. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В. Влияние компонентного состава нефти на теплопроводность формируемых органических отложений Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 333. – №. 2. – С. 90-97. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18799/24131830/2022/2/3299

4. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В. INVESTIGATION OF RHEOLOGICAL PROPERTIES OF OIL DURING THE FORMATION OF WAX DEPOSITS Results in Engineering, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100434

5. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В. Оценка влияния теплопроводности органических отложений на результат моделирования парафиноотложения Нефтяное Хозяйство, - (год публикации - 2022)

6. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В., Вотинова А.О. Разработка методики оценки теплопроводности органических отложений на лабораторной установке WAX FLOW LOOP Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, Т. 11. – №. 6. – С. 622. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.28999/2541-9595-2021-11-6-622-629

7. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В., Вотинова А.О. Исследование влияния содержания водной фазы в транспортируемой водонефтянной эмульсии на теплопроводность асфальтосмолопарафиновых отложений Экспозиция Нефть Газ, № 5. С. 60–64 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.24412/2076-6785-2021-5-60-64

8. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В., Вотинова А.О. О возможности внедрения технологии "контролируемого слоя" асфальтосмолопарафиновых отложений Нефтепромысловое дело, 8 (632), С. 50-57 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.33285/0207-2351-2021-8(632)-50-57

9. Илюшин П.Ю., Вяткин К.А., Козлов А.В., Мазеин Н.И. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВНУТРИСКВАЖИННОГО МОНИТОРИНГА ОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ ГЕОЛОГИЯ, ГЕОФИЗИКА И РАЗРАБОТКА НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, №. 3. – С. 54-59. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.33285/2413-5011-2022-3(363)-54-59

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнены исследования по оценке коэффициента теплопроводности органических отложений с использованием авторской методики. В результате определено, что данное свойство индивидуально для разных проб нефти. Анализируя выполненные исследования сформированы корреляционные зависимости между коэффициентом теплопроводности отложений, фракционным составом нефти и ее вязкостью. Данные результаты позволяют оценивать данное свойство отложений для других объектов без проведения дополнительных исследований. Выполнены исследования по оценке влияния теплоемкостных свойств парафиновых отложений на интенсивность образования органических отложений. Исследования выполнялись по специальной методике и показали, что скорость формирования отложений снижается с увеличением коэффициента теплопроводности отложений. Анализ результатов позволяет заключить, что формируемый слой органических отложений выступает как теплоизоляционный слой и изменяет условия образования отложений. Результаты исследования крайне важны при моделировании кинетики образования органических отложений. Выполнены исследования по оценке влияния содержания твердых взвешенных частиц в изучаемой пробе на изменение удельной интенсивности образования АСПО. В результате сделан вывод о влиянии частиц большого диаметра (более 0,05 мм) на интенсивность образования отложений. Частицы меньшего диаметра влияния на кинетику образования отложений не оказывают. Полученные результаты позволяют увеличить точность прогнозирования образования отложений в потоке нефти, включающем твердые взвешенные частицы. Выполнены исследования по изучению интенсивности образования АСПО при изменении термобарических условий. Исследования выполнены на уникальном гидравлическом стенде высокого давления и показали, что влияние температуры и скорости нефти нелинейно и зависит от условий выполнения исследований. Наибольшая интенсивность образования отложений достигается при температуре нефти равной температуре начала кристаллизации отложений. Зависимость интенсивности образования отложений от давления линейна с увеличением давления исследования нефти скорость образования отложений снижается. Полученные результаты позволяют определить корреляционную зависимость интенсивности образования отложений от расхода, температуры и давления, что является важным элементом разрабатываемой динамической модели. Выполнена разработка динамической многофакторной модели прогнозирования изменения массы асфальтеносмолопарафиновых отложений в нефтедобывающих скважинах и линейных нефтепроводах. Полученная модель включает в себя массив лабораторных исследований, отражающих влияние термобарических, скоростных условий образования отложений, свойств целевой нефти, содержания в потоке твердых взвешенных частиц. Ее применение позволит прогнозирования образование данных отложений при изменяющихся условиях и формировать мероприятия по оптимизации борьбы с их формированием.

 

Публикации

1. Вяткин К.А., Илюшин П.Ю., Козлов А.В. Application of Epoxy Coatings to Increase the Efficiency of Wax Oils Production Fluid Dynamics & Materials Processing, V. 18, No. 5, pp. 1229-1241 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.32604/fdmp.2022.020424

2. Вяткин К.А., Илюшин П.Ю., Козлов А.В. Development and verification of a software module for predicting the distribution of wax deposition in an oil well based on laboratory studies Results in Engineering, V. 16, pp. 100697. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100697

3. Илюшин П.Ю., Козлов А.В., Андреев Д.В. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ И РЕЗУЛЬТАТА ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ «ХОЛОДНЫЙ ПОТОК» Инженер-нефтяник, - (год публикации - 2023)

4. Илюшин П.Ю., Козлов А.В., Казаков И.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АСФАЛЬТОСМОЛОПАРАФИНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ И СКОРОСТНЫХ УСЛОВИЯХ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ДЕЛО, Т. 644. – №. 8. – С. 56-62 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.33285/0207-2351-2022-8(644)-56-62