Новые материалы в автоматизации нефтепромыслового оборудования

Создание и промышленное производство такого оборудования является основой технологического перевооружения отрасли и возможно лишь в условиях экономического стимулирования использования передовых технологий. Это в свою очередь требует как развития новых подходов к разработке месторождений (от 3D моделирования и управления разработкой в режиме реального времени до современных технологий обеспечения экологической безопасности и очистки загрязненных земель и рекультивации выработанных месторождений), так и использования достижений фундаментальной науки, включая использования новых материалов с уникальными свойствами, выпуск которых уже осуществляется в промышленных масштабах, в частности сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) на основе никелида титана.

Разновидностью указанного сплава является «нитинол» с его уникальными свойствами:

• эффектом памяти формы - принудительно деформируется в холодном состоянии, при нагреве принимает первоначальную форму;

• сверхупругостью – растягивается и сжимается подобно резине, обладающей прочностью стали. Например, если прямолинейную проволоку диаметром 1мм, находящуюся в нагретом аустенитном состоянии сначала растянуть на 7-8% ее исходной длины, а затем отпустить, то она при той же температуре полностью вернет себе исходную форму. Данную манипуляцию можно проводить миллионы раз. Для сравнения, чтобы стальная струна полностью упруго укоротилась после растяжения, величина ее деформации должна быть ниже 0,1% от ее исходной длины.

• коррозионностойкость – не подвержен воздействию большинства кислот, щелочей, и рассолов за счет образования на поверхности оксида титана;

• стойкость к механическим ударам и резким перепадам давления.

Эти качества – особенно ЭПФ и сверхупругость - обусловлены тем, что при внешнем воздействии (прямом или косвенном нагревании) твердотельные нитиноловые рабочие элементы способны развивать усилия и производить работу за счет изменения кристаллической решетки на нано и ангстремном уровне.

СХЕМА 1. Изменение кристаллической решетки сплава при изменении температуры

Характеристики литых деформируемых сплавов на основе никеля и титана представлены в таблице 1.

Таблица 1

Используя уникальные свойства нитинола, можно создавать различные типы оборудования: устройства селективного заканчивания скважин, различные типы пакеров, запорные и регулирующие устройства, превенторы, инструменты для извлечения аварийного оборудования из скважин, оборудование для ликвидации негерметичности эксплуатационных колонн, устройства в которых в качестве силового привода можно использовать нитиноловый элемент в виде прямолинейной проволоки, пломбировщики для восстановления герметичности труб, безпоршневые объемные электротепломеханические насосы с корпусом в виде сильфона, эластичные муфты, сверхгибкие валы, различного рода крепежи и т. д.

На сегодняшний день нитинол широко применяется только в медицине, робототехнике, космической и авиационной промышленности, что обусловлено его относительной дороговизной и отсутствием соответствующих знаний по материаловедению у большинства специалистов-практиков нефтегазовой отрасли. Однако в связи с планами по освоению шельфовых месторождений и месторождений в труднодоступных районах с суровыми климатическими условиями спрос на компактное и надежное оборудование будет расти. Уже сегодня специалисты, работающие на стыке материаловедения и нефтедобычи, вышли на решение ряда проблем повышения надежности и усовершенствования рабочих характеристик перспективного оборудования.

Так, используя уникальные свойства этого сплава специалистами ООО Нитинойл были спроектированы и запатентованы несколько видов нефтепромыслового оборудования. Одним из примеров такого применеия может служить запорный клапан с термочувствительным элементом (задвижка).

Конструкция запорного клапана или задвижки представлена на рисунке 1.

РИСУНОК 1. Клапан с термочувствительным элементом

Корпус – 1; патрубок – 2; шайба – 3; цилиндрический стакан – 4; шайба – 5; кольцевое уплотнение – 6, кольцевидный скребок – 7; упругое трубчатое уплотнение – 8; кольцевое уплотнение – 9; кольцевидный скребок – 10; упругое трубчатое уплотнение – 11; отверстие – 12; патрубок – 13; шайба – 14; стакан – 15; шток – 16; направляющая втулка – 17; лыжа – 18; рама – 19; двуплечий рычаг – 20; шатун – 21; электроизолятор – 22; тепломеханический рабочий элемент из сплава с эффектом памяти формы – 23; тепломеханический рабочий элемент из сплава с эффектом памяти формы – 24; трубка – 25 из электроизоляционного материала; защитный обтекаемый футляр – 26; электрический провод – 27; электроизоляционная пробка – 28; электропроводный штырь – 29; трубопровод – 30; патрубок – 31; фланцевая шайба – 32; шпилька – 33; шпилька – 34; гайка – 35.

Другим примером служит дистанционно управляемый регулятор расхода жидкости (штуцер) для нагнетательных скважин.

Конструкция регулятора представлена на рисунке 2.

Регулятор расхода жидкости работает следующим образом. Форсунка 3 всегда в большей или меньшей мере открыта, поэтому при течении жидкости в трубопроводе 1 в подводе 11 всегда перетекает жидкость, при взаимодействии с которой лопатки 10 создают вращательный момент на валу 7. Однако колесо 13 стопорится зубом 15 (рис. 3 б) вплоть до поворота коромысла 18. При необходимости изменения расхода перетекающей через форсунку 3 жидкости показанным на рисунке 3 а, б регулятором расхода, на короткое время включают электронагреватель 23. В результате сначала происходит нагрев рабочего элемента памяти (РЭП) 21 электронагревателем 23, а затем, охлаждение РЭП 21 омывающей его жидкостью. При нагреве РЭП испытывает аустенитное превращение и, укорачиваясь, совершает работу по повороту коромысла 18 и взведению пружины 19. При охлаждении РЭП 21 испытывает мартенситное превращение и растягивается реверсивно поворачивающей коромысло 18 пружиной 19. Данное возвратно-поступательное перемещение коромысла 18 обеспечивает двухступенчатое перемещение колеса 13 на величину хода анкерного механизма 14, которому соответствует двухступенчатое перемещение диска 26 относительно форсунки 3. В результате происходит изменение величины зазора между форсункой 3 и кромкой диска 26, а значит и изменяется расход перетекающей через форсунку 3 жидкости. При необходимости повторного переключения регулятора расхода, снова на непродолжительное время включают и отключают электронагреватель 23.

РИСУНОК 2. Регулятора расхода жидкости или штуцера

Напорный трубопровод – 1; цилиндрический корпус – 2; форсунка – 3; перегородка – 4; подшипник – 5; камера – 6; вал – 7; турбина – 8; колесо – 9; лопатка – 10; подводящий канал – 11; зуб – 12; анкерное колесо – 13; анкерный механизм – 14; зуб – 15; зуб – 16; подшипник – 17; анкерное коромысло – 18; пружина – 19; толкатель – 20; РЭП – 21; трубчатый корпус – 22; электронагреватель – 23; выводной электрический провод – 24; электрический контакт – 25; дросселирующий запорный элемент в виде диска – 26; электроизоляционная трубка – 27; электроизолятор – 28; электроизоляционная заглушка – 29; электропроводный штырь – 30; дросселирующий запорный элемент в виде диска – 31

Таким образом, применение «нитинола» позволило спроектировать оборудование, работающее от электропитания в 220 вольт, которое отвечает требованиям, сформулированным в начале статьи: компактность, энергоэффективность, низкая себестоимость, перспективность. Применение указанного оборудования возможно в системах добычи скважинной жидкости, закачки её в пласт, в системах подготовки и перекачки нефти, газа и воды, а также в трубопроводных системах.

Совместное использование данного оборудования в комплексе с управляемым с пульта диспетчера электроцентробежным насосом позволит полностью управлять добывающей скважиной. То же относится и к нагнетательной скважине. Нагнетательные и добывающие скважины, управляемые с диспетчерского пункта компьютерной программой, способной определить потенциальные возможности скважин и задать им необходимый режим, являются интеллектуальными. Интеллектуализация скважинных систем с высокотехнологичными компоновками делает уже сегодня возможным создание полностью автоматизированных систем добычи углеводородов в масштабе целых месторождений, которые с полным основанием можно называть интеллектуальными. Это позволит снизить себестоимость добычи нефти и газа и повысить КИН.

Касаясь общих проблем модернизации нефтегазовой отрасли и внедрения нового оборудования в производство, с сожалением, приходится признать, что в свое время при переходе на «рыночные» рельсы были отброшены наработанные десятилетиями механизмы взаимодействия фундаментальной и отраслевой науки с производством для решения актуальных проблем технологического развития и модернизации производства.

Здесь есть несколько блоков проблем, решение которых без прямого государственного участия попросту невозможно. Во-первых, это недостаточное финансирование фундаментальных и прикладных исследований имеющих целью создание новых знаний и технологий. Энергетические компании США и Канады тратят на R&D более 300 миллиардов долларов в год, компенсируемых на законодательном уровне льготным налогообложением таких расходов, результатом чего является расширение ресурсной базы и объемов производства как традиционных углеводородов так тяжелых и вязких нефтей и сланцевого газа. Такая политика имеет ясную цель – снижение зависимости от импорта энергоносителей и успешно выполняется уже сегодня с лихвой компенсируя текущее снижение налоговых поступлений. Расходы же на аналогичную деятельность в РФ не превышают нескольких миллиардов долларов, т.е. на несколько порядков меньше (с соответствующим результатом по увеличению ресурсной базы и объемам производства нефти и газа) и практически никак не компенсируются налоговым законодательством.

Во-вторых, несмотря на все разговоры о модернизации российской промышленности дело идет на редкость туго и по объективным экономическим причинам: несовместимости принципов организации фундаментальной науки с финансовой рентабельностью, более чем двукратное сокращение в количественном отношении и «местечковость» отраслевой науки, некогда составлявшей единый механизм и выполнения госзаказа на новые технологии, и обмена практическим опытом между лидерами отрасли. Отсюда и сегодняшнее отсутствие связи между фундаментальной наукой и производством, в основе которой лежит различие форм собственности – преимущественно государственной - академических научных организаций и - преимущественно частной – отраслевых НИИ и собственно отечественных производителей нефти.

Тот факт, что в ряде топливных компаний контрольный пакет принадлежит государству, значения не имеет потому, что работа высшего менеджмента госкомпаний имеет те же критерии оценки, что и частных – рентабельность и капитализацию и потому даже такие госкорпорации, как Газпром и Роснефть сегодня не могут формировать спрос на новые технологии (в основе которых всегда лежат фундаментальные научные исследования) и предпочитают решать проблему технологического отставания самым легким способом – путем привлечения зарубежных партнеров в крупные проекты в надежде на то, что они принесут с собой высокие технологии. Но чудес не бывает – если кто-то и будет чем-то делиться, то не технологиями, а оборудованием, за которое придется платить и переплачивать за его техническое обслуживание, подрывая отечественные науку и производство и консервируя свою зависимость от иностранного нефтесервиса на десятилетия вперед.

В-третьих, со вступлением России в ВТО, несмотря на предусмотренные периоды адаптации отдельных отраслей машиностроения за несколько лет практически нереально обновить основные фонды и обрабатывающей промышленности и предприятий нефтегазовой отрасли. Задача модернизации отрасли с течением времени приобретает все большее государственное значение в связи со скорым падением добычи на ныне эксплуатируемых истощающихся месторождениях, поддержать которую без создания и внедрения инновационных технологий все более тяжелых в добыче углеводородов невозможно.

Справедливости ради нужно, что в июне с разницей в несколько дней были созданы «Комиссия при Президенте Российской Федерации по вопросам стратегии развития топливно-энергетического комплекса и экологической безопасности» и «Совет при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России». На первый взгляд задачи стоящие перед ними неподъемны, однако есть еще подвижники науки и производства, обладающие бесценным опытом решения масштабных проблем отрасли, есть и талантливая молодежь, сохранилась и матрица коллективного творчества специалистов отрасли.

Ускорить создание и внедрение новых технологий добычи тяжелых нефтей в условиях отсутствия единого государственного органа – аналога ГКНТ, ответственного за внедрение новых технологий в масштабе всей отрасли, могло бы объединение творческого потенциала ученых и практиков в рамках рабочих групп, экспертных советов, научно-технических советов, центров коммерциализации отечественных технологий в структуре НТО нефтяников и газовиков им. академика И.М. Губкина при поддержке руководства ВИНК и Минэнерго. Задача модернизации экономики и ТЭК России потребует нестандартных решений и мобилизации всех ресурсов, но она обязательно должна быть решена, ведь на кону технологическая, энергетическая и экономическая безопасность не только России, но и ее партнеров по межгосударственным интеграционным организациям, а значит и жизнь следующих поколений формирующейся евразийской цивилизации.