L ОСВОЕНИЕ ШЕЛЬФА ,
А
УДК 622.276.1/.4.04 © Ю.А. Сазонов, М.А. Мохов, 2015
Исследование технических систем
для освоения морских нефтяных месторождений1
Ю.А. Сазонов д.т.н., М.А. Мохов, д.т.н,
(РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина)
Адрес для связи: gasseparator@mail.ru
Ключевые слова: нефть, шельф, турбина, сепаратор, компьютерное моделирование.
The research of technical systems for offshore oil fields
Yu.A. Sazonov, M.A. Mokhov
(Gubkin Russian State University of Oil and Gas, RF, Moscow) E-mail: gasseparator@mail.ru
Key words: oil, shelf, turbine, separator, computer modeling (simulation).
The goal of this research is to investigate and to develop a range of science and technological solutions for efficient oil recovery method using multiphase flow energy with variable density. New technical solution for hydraulic systems and machines is developed and registered. The rotor in this new hydraulic machine has a permeable tridimensional cellular structure. After the first stage of the research some intermediate conclusions can be done. Lab tests have proved the main operating principles of hydraulic machine fitted with permeable cellular structured rotor (as well turbines, pumps, fans, separators, propellers). There are new possibilities in creation of efficient oil recovery methods for offshore oil production.
В настоящее время актуальны исследования, направленные на создание эффективных технологий и техники для добычи нефти на морских месторождениях. Добыча углеводородов в таких условиях связана со значительным ростом финансовых расходов при высоком уровне рисков в решении производственных задач. Энергетические и эксплуатационные затраты можно снизить за счет рационального использования пластовой энергии. Вместе с тем остаются малоизученными вопросы производства и преобразования энергии в многофазных потоках, включая газожидкостные смеси, при этом пластовая энергия газожидкостных потоков не используется.
При системном рассмотрении технологии добычи нефти и газа на шельфе можно выделить важнейшие технологические задачи, такие как сепарация нефтегазовых смесей и закачка воды в пласт. Снижение энергетических затрат и расходов на оборудование при сокращении производственных площадей на нефтяной платформе позволит повысить эффективность добычи углеводородов в сложных условиях. В рамках рассматриваемого научного направления пластовая энергия должна использоваться непосредственно на реализацию технологий подготовки нефти и газа с закачкой воды в пласт без промежуточного этапа, связанного с получением электроэнергии. Такой подход позволит значительно уменьшить массу и габариты используемого оборудования, а также снизить эксплуатационные затраты. Подключенная к скважинам специальная многопоточная турбина, входящая в состав исследуемой гидравлической системы, должна обеспечить преобразование кинетической
энергии многофазных потоков в механическую энергию для дальнейшего ее использования при сепарации и перекачке смеси нефти, воды и газа.
В ходе патентных исследований выделены два основных объекта изучения: турбина, работающая за счет энергии многофазного потока (газожидкостной смеси) и динамический сепаратор, в котором вращение ротора (и рабочий процесс сепарации) осуществляется за счет энергии турбины. Согласно принятой классификации в рамках патентной информации для исследований определены следующие основные классы: 1) F03B1/00 - двигатели (турбины) импульсного типа (например, турбины Пелтона), свободноструйные турбины; 2) F03B5/00 -турбины, не снабженные лопатками, где используется трение жидкости (газа) о твердую стенку; 3) В04В1 -центрифуги с вращающимися барабанами, снабженными неперфорированными кожухами, для разделения преимущественно жидких смесей с твердыми частицами или без них; 4) В0Ш33/06 - фильтры с вращающимися цилиндрическими фильтрующими поверхностями, например, с полыми барабанами.
В рамках проводимых научных работ было разработано и запатентовано новое техническое решение (рис. 1) [1]. Создана более совершенная конструкция турбины (двигателя), позволяющая повысить эффективность преобразования энергии потоков рабочей жидкости, газа или многофазной среды. Турбина (двигатель) содержит статор 1 с соплами 2 и размещенный в нем ротор 3 с наружными выступами 4. В конструкции двигателя может быть одно, два сопла или более. Ротор 3
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57714X0132).
Рис. 1. Принципиальная схема турбины и ротора турбины
оснащен внутренними выступами 5, при этом он выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных 4 и внутренних 5 выступов, имеющих твердые стенки. Между внутренними 5 и наружными 4 выступами в роторе 3 выполнены проточные каналы 6 с обеспечением их гидравлической связи с соплами 2. В корпусе статора 1 имеется выходной канал 7. Ротор 3 установлен на опорах с возможностью вращения вокруг оси 8.
Турбина может иметь исполнение, при котором ротор 3 с его проницаемой объемной сотовой структурой выполнен из сетчатого материала, где нитями последнего сформированы выступы 4 и 5. Ячейки сетчатого материала объединены в проточные каналы 6 между наружными 4 и внутренними 5 выступами. С учетом скорости потока и свойств рабочего тела можно подбирать соответствующие сетчатые материалы, различающиеся толщиной нитей, размерами ячеек в сетке и основой для изготовления нитей, проволок или лент в сетке (полимеры, металлы, жаропрочные материалы: стекловолокно, базальтовое волокно, кевлар и др.). В этом случае ротор оснащен системой взаимосвязанных каналов внутри многослойной сетчатой структуры. Один из образцов ротора [1] с проницаемой объемной сотовой структурой, сформированной из сетчатого материала был испытан в сентябре 2014 г. при участии ООО «Технология» (г. Оренбург). По результатам первых испытаний подготовлены рекомендации для проектирования подобных машин (турбин, вентиляторов, насосов).
Турбина (см. рис. 1) может быть выполнена в комплектации со статором 1, оснащенным минимум одним входным каналом для перекачиваемой среды и одним выходным каналом 7. Входной канал для перекачиваемой среды и выходной канал 7 гидравлически связаны между собой через проточные каналы 6 в роторе 3, который имеет проницаемую объемную сотовую структуру.
Сопло, входной и выходной каналы могут располагаться на различном расстоянии от оси вращения 8 ротора 3 с учетом условий применения.
Статор 1 с соплами 2 обеспечивает формирование потока (или нескольких потоков) рабочего тела по направлению к ротору 3. В качестве рабочего тела могут выступать жидкость, газожидкостная смесь или газ (в том числе пар или высокотемпературные продукты горения топливовоздушной смеси в зависимости от решаемой задачи). Поток рабочего тела воздействует на наружные выступы 4 ротора 3 и приводит его в движение. Таким образом, кинетическая энергия потока рабочего тела преобразуется в механическую энергию при вращательном движении ротора 3. Последний для дальнейшей передачи энергии может быть связан с внешними механизмами, которые на рис. 1 не показаны. Поток рабочего тела через проточные каналы 6 проникает в полость ротора 3 и взаимодействует с внутренними выступами 5, повышая эффективность преобразования энергии. С уменьшением скорости течения рабочего тела поток может смещаться ближе к оси вращения ротора 3. Обеспечивается многократное взаимодействие отдельных порций рабочего тела с выступами 4 и 5 в роторе 3, что позволяет повысить мощность турбины при неизменных габаритах ротора 3 и статора 1. Рассматриваются возможности как непрерывной, так и импульсной подачи рабочего тела к ротору 3. За счет проницаемой объемной сотовой структуры ротора 3 обеспечивается высокая эффективность преобразования энергии при различных свойствах рабочего тела, в том числе газожидкостных смесей, различающихся плотностью, вязкостью или содержанием газовой фракции. В результате конструкция двигателя для рабочего тела с широким спектром свойств становится более совершенной. Пройдя через проточные каналы 6 в роторе 3, рабочее тело отводится из статора 1 через выходные каналы, которые
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 04'2015 81
Рис. 2. Демонстрационная микромодель гибридной турбины
могут быть выполнены в статоре 1 вблизи оси вращения 8 или периферии ротора 3.
В процессе исследований выполнялись лабораторные испытания микромоделей турбин, в том числе рассматривались гибридные машины. На рис. 2 показана одна из демонстрационных микромоделей, в которой при вращении ротора его верхняя часть выполняет функции турбины, нижняя - вентилятора. Известно, что при некоторых режимах работы в гидравлической машине могут проявляться сразу два рабочих процесса. Например, в лопастном центробежном насосе помимо насосного может происходить турбинный рабочий процесс [2]. Последний может проявляться при высокой подаче, когда поток оказывает силовое воздействие на входную часть лопасти рабочего колеса, при отрицательных углах атаки на входной кромке лопасти. Вместе с тем при таком режиме работы выходная часть лопасти оказывает силовое воздействие на жидкость, реализуя обычный насосный рабочий процесс на этой части лопасти. Подобный принцип работы может использоваться для создания специальных гибридных машин. При этом, возможно, потребуется разработка специальной теории, но в современных условиях такие задачи решаются с помощью компьютерного моделирования [3].
С целью изучения рабочего процесса разработанной турбины была выполнена серия численных экспериментов. На рис. 3 приведен пример визуализации результатов компьютерного моделирования. Рассматривается процесс течения газа через проницаемую объемную сотовую структуру ротора, содержащего наружные и внутренние выступы. В представленном примере отдельный выступ имеет цилиндрическую форму, на рис. 3 показано поперечное сечение одного из таких цилиндров, находящихся в потоке газа.
Интерес к гибридным машинам обусловлен также тем, что при прочих равных условиях здесь удается уменьшить габариты об
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.