14.577.21.0132

1) Исследование и разработка комплекса научно-технических и технологических решений, направленных на создание эффективного способа добычи нефти с использованием энергии многофазных потоков с переменной плотностью для Арктических регионов.
2) Создание экспериментального образца силового блока для подготовки и перекачки нефти с автономных технологических объектов (платформ) в Арктической и шельфовой зонах.

Площадь шельфа и континентального склона России, по оценкам специалистов, составляет 6,2 млн. кв. км, причём значительная часть указанной территории приходится на арктический регион. Освоение нефтегазовых ресурсов Арктики сопряжено со значительными затратами и высоким уровнем риска. К основным сложностям, относится суровый климат, угроза повреждения морских сооружений арктическими льдами, неразвитая инфраструктура, необходимость разработки специального оборудования, конкуренция со стороны других источников углеводородов. Перспектива повышения эффективности добычи нефти может быть связана с рациональным использованием пластовой энергии. Однако для подобных технологий вопросы преобразования энергии пока остаются слабо изученными, и отсутствует надежное оборудование, способное работать на многофазных средах. Меняющиеся условия на нефтяном рынке затрудняют освоение запасов углеводородных ресурсов на континентальном шельфе России. Запрещена поставка зарубежных технологий и техники для освоения глубоководного шельфа и арктических условий, кратно снизилась цена на сырую нефть. В таких условиях работы по замещению импортных технологий и техники становятся актуальными.
Выполненные прикладные научные работы показали, что турбина, предназначенная для работы с сепаратором динамического типа, может иметь особую конструкцию, отличающуюся от конструкции лопастной турбины. Стендовые испытания созданной гидравлической машины со специальной турбиной позволили подтвердить новые принципы управления работой турбины. Показано, что силовое воздействие потока газа на проницаемую преграду и на ротор турбины можно контролировать, используя принципы работы вихревых диодов и вихревых усилителей.

В ходе выполнения ПНИ на первом этапе подготовлен аналитический обзор современной научно-технической литературы. Известны результаты работ иностранных компаний, которые используют пластовую энергию для выработки электрической энергии, с применением газовых и гидравлических турбин. Подготовленный информационный обзор содержит соответствующие разделы, где рассмотрены вопросы о турбинах и о динамических сепараторах.  Существенную роль в энергоснабжении изолированных энергосистем отводят дизельным и газотурбинным электростанциям. В системах автономного электроснабжения особенно явно проявляется единство процессов производства, распределения и потребления электрической энергии. В опубликованных материалах показана целесообразность применения единой системы генерации механической, электрической и тепловой энергии.

Проведены патентные исследования по технологии и технике для добычи углеводородов. В ходе патентных исследований выделены основные направления для поиска информации. Результаты проведенного анализа доказывают патентную чистоту на территории Российской Федерации разработанной конструкции, а также новизну ряда других технических решений, присутствующих в разработке, тем самым подтверждаются возможности патентования результатов, выполняемых ПНИ. 

В ходе компьютерного моделирования рассмотрены варианты работы силового блока, где в качестве рабочей среды используют жидкость, варианты работы силового блока, где в качестве рабочей среды используют газ, и варианты работы силового блока, где в качестве рабочей среды используют газожидкостную смесь.Расчеты показали, что с увеличением перепада давлений для каждой напорной линии в силовом блоке растет значение параметра – «максимальная частота вращения ротора», что можно связать с ростом скорости потока на входе в силовой блок. Расчеты показали, что силовой блок сохраняет работоспособность и пригоден для эффективного использования в широком диапазоне изменений свойств газожидкостных смесей.  С увеличением диаметра ротора в силовом блоке, при прочих равных условиях, скорость вращения ротора снижается.

Турбина и динамический сепаратор, и силовой блок в целом, может иметь исполнение, в котором ротор с его проницаемой объемной сотовой структурой сформирован из сетчатого материала, где нитями сетчатого материала сформированы наружные и внутренние выступы.

На третьем этапе ПНИ изготовлен экспериментальный образец стендовой установки для подготовки и перекачки нефти с автономных технологических объектов. В составе стендовой установки, в силовом блоке на валу ротора установлена специальная турбина, работающая за счет кинетической энергии трех потоков, подведенных к силовому блоку через краны. Специальная турбина в силовом блоке обеспечивает преобразование кинетической энергии многофазных потоков в механическую энергию на валу силового блока. Механическая энергия может быть использована для решения технологических задач, в то числе задач по сепарации многофазных сред, либо для решения задач по перекачке жидкостей и газов, либо для решения группы задач. Экспериментальный образец силового блока предназначен для производства и преобразования энергии при движении многофазных сред в многопоточной системе. Основная техническая задача, решаемая с помощью новой турбины, заключается в передаче механической энергии на вал динамического сепаратора. При изготовлении силового блока предусмотрены возможности для регулирования параметров динамического сепаратора. С увеличением длины сепарационного барабана можно увеличивать время пребывания газожидкостной смеси в корпусе под воздействием центробежных сил. 

На четвертом этапе были проведены исследовательские испытания предлагаемых научно-технических решений.  Стендовые испытания подтвердили работоспособность специальной турбины и гидравлической машины. 

В соответствии с календарным планом в рамках проводимых исследований подготовлены две заявки на полезные модели. Первая полезная модель относится к области гидравлических машин и систем сепарации. Полезная модель может быть использована в нефтяной, газовой промышленности и в других отраслях промышленности, в том числе может быть использована при создании технологий и техники для сепарации газожидкостных смесей с получением экологически чистой энергии. Вторая полезная модель относится к области гидромашиностроения и к области тепловых машин. Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является защита ротора от гидроабразивного износа при наличии твердых частиц в потоке жидкости или газа.

В ходе выполнения ПНИ были получены следующие научно-технические результаты:
1)  Технические и технологические принципы производства и преобразования кинетической энергии в многофазных средах с переменной плотностью: экспериментальный образец силового блока для производства и преобразования кинетической энергии в многофазных средах при добыче нефти с автономных технологических объектов; экспериментальный образец стендовой установки для подготовки и перекачки нефти с автономных технологических объектов; лабораторный технологический регламент на технологию добычи нефти с использованием энергии многофазных потоков; лабораторный технологический регламент получения газожидкостной смеси.

2) Результаты исследования и оптимизации рабочих процессов производства и преобразования энергии при движении многофазных сред в многопоточной системе добычи и подготовки нефти и газа.

3) Программа для ЭВМ по оптимизации технологических параметров работы стендовой установки для подготовки и перекачки нефти с автономных технологических объектов.

4) Программа для ЭВМ по оптимизации технологических параметров работы силового блока для производства и преобразования кинетической энергии в многофазных средах при добыче нефти с автономных технологических объектов.

5) Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец силового блока для производства и преобразования кинетической энергии в многофазных средах при добыче нефти с автономных технологических объектов.

6) Эскизная конструкторская документация на стендовую установку для подготовки и перекачки нефти с автономных технологических объектов

7) Методические рекомендации по  подбору параметров силового блока с учетом режима работы технологической системы при добыче и подготовке нефти, газа и воды.

8) Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера-организации реального сектора экономики.

9) Технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.

10) Проект технического задания на проведение ОТР по теме: Разработка энергоэффективной технологии и многопоточной турбинной системы для добычи нефти с использованием энергии многофазных потоков для автономных технологических объектов (платформ) в Арктической и шельфовой зонах.

Выполненные научные исследования позволили разработать конструкцию новой гидравлической машины для рационального использования пластовой энергии при добыче нефти и газа. Решен ряд вопросов о практическом применении технологий, связанных с преобразованием энергии при взаимодействии потока газа (жидкости) с проницаемой стенкой. Уникальность рассматриваемого метода преобразования энергии заключается в применении специальной турбины, в которой допускается движение основного потока газа и жидкости непосредственно сквозь лопатку или сквозь ротор. Для условий добычи нефти и газа разработана конструкция гидравлической машины, содержащей специальную турбину и динамический сепаратор, которые работают за счет пластовой энергии.

С разработкой новых методов для повышения энергетической эффективности российские производители получат конкурентные преимущества, а разработанные методы и технологии будут востребованы и в других странах. Предполагается проведение уникальных исследований, и такой вывод обусловлен прогнозируемыми широкими возможностями для решения прикладных задач с получением результатов, способных к правовой охране. Представленная тема ПНИ напрямую связана с перечнем критических технологий и приоритетных направлений модернизации и технологического развития экономики России, включая такие критические технологии как «Технологии поиска, разведки, разработки месторождений полезных ископаемых и их добычи», «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии». Кроме того, отдельные результаты НИР могут быть использованы в рамках разработки и других критических технологий: «Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику», «Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем». Патентные исследования уже подтвердили высокий научно-технический уровень разработки и подтвердили новизну разрабатываемых технических решений, также подтверждено, что результаты интеллектуальной деятельности способны к правовой охране – получен патент на новые технические решения.
Внедрение в эксплуатацию новых технологий и техники приведет к повышению эффективности добычи нефти в экстремальных условиях на морских арктических месторождениях, что достигается за счет снижения потребления энергии, за счет снижения эксплуатационных расходов, а также за счет снижения капитальных затрат при размещении технологического оборудования на платформе. Практическое использование результатов проекта связано с перспективой применения разработанной технологии и техники для добычи нефти и газа на морских месторождениях Арктики и в других районах шельфа. Результаты проекта также могут быть использованы при разработке гидравлических и тепловых машин для других отраслей производства, в том числе перерабатывающие отрасли, энергетика и транспорт.