автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнические комплексы с забойными электротепловыми генераторами для термических методов добычи высоковязкой нефти

На правах рукописи

ЗЫРИН Вячеслав Олегович

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ С ЗАБОЙНЫМИ

ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДОБЫЧИ ВЫСОКОВЯЗКОЙ

НЕФТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6!-:- .и и

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005061258

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Загривный Эдуард Анатольевич

Официальные оппоненты:

Иванов Владимир Николаевич доктор технических наук, федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой частоты», первый заместитель генерального директора по науке

Минин Алексей Сергеевич кандидат технических наук, филиал «ЦНИИ СЭТ» федеральное государственное унитарное предприятие «Крыловский государственный научный центр», ведущий инженер

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится 25 июня 2013 г. в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21 линия, д.2, ауд. №7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 24 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ГАБОВ

диссертационного совета Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В условиях выработанности большей части начальных ресурсов нефти в России, увеличения доли трудноизвлекаемых запасов и, соответственно, падения уровня нефтеотдачи, вовлечение в разработку месторождений высоковязкой нефти (ВВН) приобретает особую важность. Разведанные мировые запасы ВВН составляют более 810 млрд.т, из которых приблизительно 7-10 млрд.т. расположены в России. Для традиционных способов разработки месторождений ВВН среднее значение конечной нефтеотдачи составляет 6-15%, и без применения методов повышения нефтеотдачи их добыча является весьма неэффективной.

Энергетическая стратегия России до 2030 года устанавливает создание и освоение технологий и оборудования, обеспечивающих высокоэффективную разработку трудноизвлекаемых запасов нефти, и в первую очередь высоковязких нефтей, в качестве приоритетного направления. В настоящее время разработка месторождений ВВН ведется с использованием наземных парогенераторов, работающих на сжигании углеводородного топлива, и закачку пара по системе изолированных нагнетательных труб.

Недостатками современных технологий теплового воздействия на пласты высоковязкой нефти являются существенные капитальные затраты на парогенерирующие установки, низкое качество нагнетаемого пара на забое скважины, сжигание части добытого углеводородного топлива для проивзодства пара.

Применение электротехнического комплекса с забойными электротепловыми генераторами (ЭТГ) позволит повысить эффективность добычи ВВН, включающую коэффициент нефтеотдачи пласта, получить энерго- и ресурсосберегающие, экологически безопасные технологии добычи ВВН.

Разработка алгоритмов управления электротехническим комплексом позволит реализовать основные режимы теплового воздействия на призабойную зону с рациональными параметрами, обеспечить требуемое протекание процесса парообразования, повысить эффективность обработки призабойной зоны пласта.

Проведенные исследования базируются на работах отечественных и зарубежных ученых: Д.Г. Антониади, H.A. Байбакова, А.Р. Гарушева, С.С. Кутателадзе, B.C. Литвиненко, Г.Г. Вахитова, Б.Б. Кудряшова, Л.И. Рузина, Ю.Н. Байдикова Ж.Бурже, Э.А. Загривного, С.П. Корсака, М. Комбарну, И.В. Кудинова, М.А. Михеева, Я.З. Месенжника, Е.М. Симкина, Ю.М. Парийского и других.

Цель работы: Создание электротехнического комплекса на основе забойных электротепловых генераторов для эффективного воздействия на продуктивные пласты ВВН.

Идея работы: Повышение нефтеотдачи пластов высоковязкой нефти достигается путем параллельного включения электродных промежутков, размещенных по высоте в трубчатом корпусе забойного электротеплового генератора мощностью 1000 кВт в соответствии с диаметром скважины, суммарная мощность которых ограничивается пропускной способностью погружных кабельных линий.

Основные задачи исследований:

1. Анализ существующих технологий добычи высоковязкой нефти, их недостатков. Оценка перспективы применения электротермических устройств для разработки месторождений высоковязкой нефти.

2. Разработка математической модели комплекса с забойными электротермическими генераторами.

3. Разработка имитационной модели комплекса с забойным электротепловым генератором.

4. Разработка алгоритмов управления электротехническим комплексом.

5. Проведение экспериментальных исследований забойного электропарогенератора.

6. Разработка рекомендации по реализации технологических режимов теплового воздействия на продуктивные пласты высоковязкой нефти.

Методы исследований: Для решения поставленных задач использовались методы термодинамики, теории электрических цепей, теории электроснабжения, лабораторные экспериментальные

исследования. Математическое и имитационное моделирование, расчеты основных параметров и анализ полученных результатов производились с использованием языка программирования Borland С++, пакета прикладных программ MatLab Simulink.

Научная новизна работы:

1. Установлены зависимости числа межэлектродных промежутков забойного электротеплового генератора от заданной мощности, удельного сопротивления котловой воды, коэффициента сужения сечения и коэффициента скольжения пара, позволяющие обосновать алгоритмы управления режимами работы электротехнического комплекса, обеспечивающие повышение эффективности теплового воздействия на призабойную зону пласта.

2. Установлена зависимость вносимой в пласт энергии от эффективности аэрации котловой воды (количества м3 газа на 1 м3 котловой воды) в забойном электропарогазогенераторе, позволяющая обеспечить энергосбережение при добыче ВВН.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается использованием апробированных методов термодинамики, теории электрических цепей, методов математического, имитационного моделирования, и экспериментальными исследованиями.

Практическая ценность диссертации: Разработаны конструкции электротепловых генераторов - электропарогенератор-сепаратор (Патент РФ №2451158), электропарогазогенератор. Разработана имитационная модель расчета основных параметров ЭТГ, алгоритм управления электротехническим комплексом для реализации основных режимов работы путем регулирования величины мощности ЭТГ и производительности питающего насоса. Разработана экспериментальная установки забойного электропарогенератора.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Энергоэффективное энергопотребление» (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ленина), «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих

предприятий», научных семинарах кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики НМСУ «Горный».

Личный вклад автора. Обоснована эффективность использования ЭТГ для получения экономически эффективных, энерго- и ресурсосберегающих технологий добычи высоковязкой нефти. Разработаны конструкции забойных электротепловых генераторов. Установлены зависимости числа межэлектродных промежутков ЭТГ от удельного сопротивления котловой воды, коэффициента скольжения пара, условий залегания пласта. Составлена имитационная модель забойного ЭТГ с учетом коэффициента скольжения пара для обоснования алгоритмов управления электротехническим комплексом. Проведено технико-экономическое сравнение традиционной технологии добычи высоковязкой нефти и электротермической.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе в 3 журналах, рекомендуемых ВАК РФ и 1 патенте РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и одного приложения, изложенных на 144 страницах, содержит 39 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 81 наименования.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 рассмотрено современное состояние мировых запасов нефти, проблема падения уровня нефтеотдачи в России, запасы высоковязкой нефти, необходимость применения методов повышении нефтеотдачи, в частности с использованием электротехнических комплексов на основе забойных электропарогенераторов.

В главе 2 приведены конструкции электротепловых генераторов. Проведено технико-экономическое сравнение двух технологий добычи ВВН - традиционной и электротермической, произведен расчет выбросов вредных веществ при традиционной технологии, рассчитан экономический эффект применения электротехнических комплексов для добычи ВВН, приведена

математическая модель расчета основных электрических и тепловых процессов в ЭТГ.

В главе 3 составлен алгоритм программы расчета основных параметров ЭТГ, составлена имитационная модель расчета и приведены результаты моделирования для условий Усинского месторождения, разработаны алгоритмы управления электротехническим комплексом для реализации основных режимов теплового воздействия на призабойную зону пласта.

В главе 4 представлены результаты лабораторных экспериментальных исследований, приведена схема макета, результаты испытаний.

В главе 5 представлена схема электроснабжения добычных участков с электротехническими комплексами на основе забойных ЭТГ, разобраны два варианта управления величиной мощности, передаваемой ЭТГ - целочисленный и фазовый, составлена имитационная модель системы электроснабжения участка и исследовано влияние работы комплекса на качество электроэнергии в распределительных сетях 35 кВ и 110 кВ.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Разработана модель забойного электродного прямоточного электропарогенератора, позволяющая получить зависимости основных параметров устройства от условий залегания пласта, напряжения питающей сети, принятой мощности, а также построить алгоритмы управления электротехническим комплексом для реализации основных режимов тепловой обработки пласта.

Для повышения степени сухости пара на выходе, эффективности тепловой обработки создан электропарогенератор-сепаратор (рисунок 1), каждый фазный электрод которого выполнен в виде многозаходного винта с углом атаки лопастей 20°-40°, а на внутренней поверхности корпуса в паровой зоне установлены отбойные конденсатосъемники в виде стальных колец.

Электропарогазогенератор (рисунок 2) за счет наличия в своей конструкции узла сепарации, состоящего из аэратора и компрессора,

позволяет получать на забое парогазовый теплоноситель, который позволяет снизить конденсацию пара по мере продвижения вглубь пласта и производить пар при более низких температурах.

Для проверки работоспособности конструкции были проведены экспериментальные исследования забойного электротеплового генератора (рисунок 3).

Исходными данными для составления математической и имитационной модели электротеплового генератора являются: напряжение питания ин [В], заданная мощность Р [кВт], ограниченная пропускной способностью погружных кабельных линий, глубина залегания пласта Ь [м], диаметр ЭТГ О, давление нагнетания р [Мпа]. По заданному давлению нагнетания по таблице состояний «вода-пар» определяются энергия на нагрев до кипения У/к и энергия на парообразование \УП, исходя из которых определяется разделение заданной мощности на нагрев Рк и парообразование Рп, а также расход питательного насоса р. По диаметрам внутренних изоляций определяется площадь проточной части 8рГ.

Вся мощность выделяемая в ЭТГ расходуется на межэлектродных промежутка, расчет числа которых основан на разделении всей длины корпуса устройства на два интервала -интервал нагрева до температуры кипения и интервал парообразования и анализе электрических и тепловых процессов для каждого из них. Расчетная схема представлена на рисунке 4.

Интервал нагрева характеризуется нарастанием температуры воды от начальной до температуры кипения и уменьшением удельного сопротивления рабочей жидкости в 10-12 раз по мере прогрева. В расчете принимается среднее удельное сопротивление на всем интервале. Для получения рационального числа межэлектродных промежутков на интервале в расчете принята площадь электрода 8е, равная 70% от площади проточной части 8рГ(чтобы не препятствовать свободной циркуляции жидкости):

^=^•0.7 (1)

Число межэлектродных промежутков интервала нагрева: п=Ъ = У/у/.

Р и1 -0,7-5рг

где рСр-среднее удельное сопротивление интервала нагрева, 1е -длина межэлектродного промежутка.

Основное количество пара выделяется на интервале парообразования, расчет числа межэлектродных промежутков которого основан на уменьшении проводимости воды по мере увеличения количества пара. Средняя площадь сечения 8ср1 токопроводящей жидкости пароводяной смеси на межэлектродном промежутке между последним электродом интервала нагрева и первым электродом интервала кипения (0-1)

(3)

где р = и2 = иЧР - мощность на промежутке 0-1 при

0 а, л

температуре кипения рабочей жидкости, 8е - площадь электрода, г -теплота парообразования.

Относительное среднее номинальное сечение:

с* = = _ = £

"л+Г* (4>

Ог

где к - коэффициент сужения сечения, т.о. 8ср=к8е.

Выполняемый по выражениям (3)-(4) расчет числа межэлектродных промежутков на интервале парообразования дает завышенное на 15-25% значение числа межэлектродных промежутков, т.к. скорости движения пара и воды приняты равными. При подъемном же движении пароводяной смеси их скорости не равны между собой из-за значительной разницы плотностей - плотность воды на порядок больше плотности пара, что влечет за собой уменьшение числа межэлектродных промежутков, так как последние электроды быстрее заполняются паром и переходят в непроводящее состояние. Для количественной характеристики описанных явления введен коэффициент скольжения пара 8к, характеризующий превышение скорости пара над скоростью движения воды:

9"

где г) "-скорость движения пара, г)'-скорость движения воды.

Практически на первом электроде интервала парообразования 8к практически равен коэффициенту сужения сечения к.

Коэффициент сужения сечения с учетом скольжения пара примет вид:

(6)

К —<гДе в-г

С? '-удельный расход воды.

Введем обозначение К5=К-8к.

Мощность на интервале парообразования Рп:

" " " р1 " Р1 1 р1 1 (7) = + А-)3+••■ + (* АЛ-

Тогда эквивалентная проводимость: ^ = 8о((к-8к>) + (<к-8к>)2 +(к-БкУ +... + (к-Бк

(8)

где go - проводимость воды между электродами на 1-ом участке с температурой кипения при заданном давлении,

=к +к2 +к3 + +к" ' убывающая геометрическая

1

прогрессия.

=^ = Trf ' ГД% = 1 - Mzil (9)

gok,

Для количественной оценки влияния скольжения определен диапазон изменения коэффициента скольжения пара. Скорость воды на входе определяется производительностью питающего насоса Q и площадью проточной части Spr корпуса ЭТГ:

(Ю)

рг

Скорость на выходе определяется по удельному объему пара У г (по таблице состояний «вода-пар») Vm=Q -F2" (11)

Значение скорости на выходе составит:

Изменение скорости воды по мере нагрева можно выразить

геометрической прогрессией:

S. = 9И (к, + К,2 + К,3 + К,4 +... + ) (13)

где к

.9,

Расчет числа м/э промежутков в имитационной модели отличается от математической и выполнен в теле цикла. Алгоритм расчета представлен на рисунке 5. Расчет числа м/э промежутков интервала парообразования выполнен в теле цикла путем вычисления проводимости каждого участка g, с учетом количества образовавшегося пара и суммирования полученных значений до выработки суммарной проводимости ^ _с точностью до 5-7%.

Для реализации данного расчета был выбран цикл do-while.

{Do {выполняемое действие;} while {условие};}.

Время работы одного цикла определяется временем t, производительностью питающего насоса Q, скоростью течения воды v.

Q Г 3,1 L 1-п /,-л-3600-5 г ,

9 =-—-м3/с1' f = - = -— = --—[с] ГШ

•V36001 J S 9 Q lJ U^J

ЭПГ характеризуется часовой паропроизводительностью, соответственно число циклов в час:

с = 3600 = 3600-g _ Q

t " /..и.ЗбОО-S^" K-n-Spr (15)

Общая часовая паропроизводительность вычисляется по формуле:

vm = Q-v;, (16)

где Q- часовая массовая производительность ЭПГ, V''-удельный объем пара при заданном давлении.

Исходными данными для моделирования являются (на примере Усинского месторождения): 1) удельное сопротивление воды р=500 Ом*см; 2) глубина залегания 1200 м, давление нагнетания р=12 МПа 3) энергия нагрева воды до кипения Wk=1501 кДж/кг; 4) теплота парообразования г=1179 кДж/кг; 5) мощность ЭТГ Р=2000 кВт; 6)

напряжение питания и=6 кВ; 7) принятая мощность на последнем межэлектродном промежутке интервала нагрева Ро=90 кВт; 8) межэлектродное расстояние 1е=100 мм; 9) наружный диаметр корпуса ЭПГ 0=127 мм, внутренний - 117 мм. Исходя из значений \Ук и \УП определяется разделение заданной мощности на нагрев РК и парообразование Рп, а также расход питательного насоса р. По диаметрам внутренних изоляций определяется площадь проточной части 8рГ.

По формулам (11)-(15) получаем и„=0,14, ик=1,91, К,=0.97, соответственно коэффициент скольжения пара будет равен 1,07. Коэффициент скольжения пара находится в диапазоне 4-8%.

Проведен расчет основных параметров ЭТГ на имитационной модели. Результаты моделирования:

1. Ток погружной линии 1=333 А.

2. Мощности на интервалах нагрева и парообразования соответственно Рк=1120 кВт, Р„=879,8 кВт.

3. Производительность ЭПГ (2=2.686 м /ч.

4. Параметры электрода Б=25 см2, плотность тока на электродах ]=0.6 А/СМ2<2.

5. Внутренний диаметр ЭПГ и площадь проточной части соответственно Оу=95 мм, 8рг=58,3 см2.

6. Число электродов на интервале нагрева при площади ЭЛеКТрОДОВ Бе! =40 СМ2 П\-1.

7. Скорость движения воды и=460 м/ч=0,14 м/с.

8. Коэффициент сужения сечения без учета скольжения К=0.92

9. Коэффициент сужения сечения с учетом скольжения 7% К8=0.96.

10. Число электродов на интервале парообразования без учета скольжения пара пг=21.

11. Число электродов на интервале парообразования с учетом скольжения пара п2=12

12. Время одного цикла 22 с. Число циклов в час - 166.

13.Часовая паропроизводительность ЭПГ 37.5 м3.

На основе представленных выражений число межэлектродных промежутков в математической модели без учета скольжения пара п2=23, с учетом скольжения 8к=1.05 п2=13. В результате расчета на

сепаратор

I - металлический корпус ЭПГ (нулевой электрод); 2 - термостойкая изоляционная оболочка; 3 - центральный токовод; 4 -зона нагрева подающей жидкости; 5 -фазный электрод (его лопасть); 6 - боковая стенка фторопластового керамического стакана; 7 - токопроводящие окна; 8-внутрискважинная жидкость; 9-направление конвективного потока рабочей жидкости; 10 - эксплуатационная колонна;

II - направление движения пара; 12 -конденсатосъемник; 13 - стекающий конденсат; 14 - паровая зона; 15 -паровыводящий канал; 16 - клапан; 17 -колонна насосно-компрессорных труб; 18 -проходной изолятор

Й— І ¡11 ж ;ї %

— ЦІ п тгт; 1 III ГІГ 1 @ / ,я

1 Чи 11

и

11 10 8 Г III т III _І з __4_ 5 _6

Рисунок 2 - Электротехнический комплекс с забойным электропарогазогенератором

1 - корпус, 2 - выпускные клапаны, 3 -центральный трубчатый токовод, 4-дисковые электроды, 5 - трубчатый изолятор, 6 -дополнительный корпус, 7 - выпускные отверстия, 8 - термостойкий пакер, 9 -распределитель, 10 - переходник, 11 - узел сопряжения НКТ, 12- тиристорньгй регулятор напряжения, 13-силовой кабель, 14-аэратор, 15 - компрессор, 16 - электропривод компрессора, 17 - электропривод насоса, 18 - насос, 19 -емкость с котловой водой, 20 - блок аэрации

иапл

май

Рисунок 3 - Лабораторный макет забойного электропарогенератора

а)

у . П

*і "

О_I

□_С

//

&

Б)

їь

Рисунок 4 - а) Расчетная схема межэлектродного промежутка ЭТТ; б) электрическая расчетная схема

і

0,99 ы 0.98

І

. 0,96

5 0,95

і-

£ 0,94 І 0.93

Т

X

0,91 0,9

З 4 & 6 7 8 9 10 11 121314 15 16 17 18 19 20 2122 23. Чііс іі» штіійдпі іігггі»й іиі|иині|і,і іориння п.

Рисунок 6 - Зависимость числа межэлектродных промежутков на интервале парообразования коэффициента сужения сечения с учетом скольжения

пара

1400

1200

в ■х ПНЮ

1 и »00

а I Ш

3 о 400

£ 200

II

-ЭХЕ-

-»-Мощность ил н;і[|>;н,КШ

-О-Мічішоїлміл

горлх^аюваш!.1. КВт

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1Ш Г.1>йин;| и.игиння.м

Рисунок 7 - Распределение заданной мощности ЭТГ (2 МВт)

ииых=50%

А)

м

22

Б)

11вы\=80«/с

\ /

В)

1'вых=10% Свых=50% 1вых=91>%

Рисунок 8 - Управление мощностью ЭТГ а) целочисленное управление при величине нагрузки 50%, б) ) целочисленное управление при величине нагрузки 80%, в)фазовое управление

Рисунок 5 - Алгоритм расчета основных параметров ЭТГ

имитационной модели получено без учета скольжения пара п2=21, с учетом скольжения Sk=1.05 П2~12.

Изменение числа межэлектродных промежутков на парообразование при изменении коэффициента сужении сечения с учетом скольжения пара 2%-5% представлено на рисунке 6. Зависимость заданной мощности от глубины залегания показана на рисунке 7.Из графика видно, что до глубины 900 м большая часть мощности расходуется на нагрев, после 900 м на парообразование, но в целом сумма электродов на всех глубинах одинакова, что позволяет сделать вывод о применимости ЭТГ для разработки пластов любой глубины залегания.

Полученные значения и зависимости позволяют разработать алгоритм управления электротехническим комплексом с ЭТГ для реализации основных режимов работы комплекса - режима горячей воды, импульсно-дозированного теплового воздействия, паротеплового воздействия.

Режим паротеплового воздействия является основным для электропарогенератора и подчиняется алгоритму расчета, представленному выше.

Режим горячей воды характеризуется закачкой определенного количества теплоносителя в скважину. В данном режиме вся длина ЭТГ представляет собой интервал нагрева. Производительность насоса устанавливается максимальной

^ п 3600

в = Р"-^Г (17)

Для обеспечения выделения всей мощности необходимо получить теплоноситель с рассчитанным значением удельного сопротивления.

_n-Uj-St-1000

Pep--j - yj- (18)

Сущность технологии импульсно-дозированного теплового воздействия заключается в циклическом попеременном вводе в пласт через нагнетательные скважины теплоносителя и холодной воды с созданием «эффективной» температуры. Объем закачки теплоносителя и холодной воды строго рассчитываются для каждого

пласта одним из методов. В зависимости от рассчитанного значения чередуются этапы режима - нагрев воды для получения рассчитанного количества пара, и закачка объема холодной воды.

Время работы ЭПГ на выработку Урасч:

V V V -г V ^ '

' пп пп пп пп

Для управления режимами работы ЭТГ также необходимо регулирование величины тока, подаваемого по погружной кабельной линии к ЭПГ.

На имитационной модели схемы электроснабжения комплекса, построенной в среде МаНаЬ, исследованы режимы управления током ЭТГ- фазовый и целочисленный и проведено исследование влияния этих способов на качество электроэнергии в распределитеьных сетях 35 кВ и 110 кВ. Алгоритм целочисленного управления тиристорным регулятором (рисунок 8) состоит в управлении числом периодов включения N в рамках целого числа циклов М, т.е. тиристоры включены и выключены в течение некоторого целого числа периодов. Алгоритм фазового управления заключается в формировании каждого периода кривых напряжения и тока посредством управления углом открытия тиристоров. Основным недостатком фазового управления является внесение в сеть больших нелинейных искажений, а также наличие высших гармонических составляющих, вызывающих искажение кривой напряжения. Целочисленное управление лишено этого недостатка и может вносить в сеть только субгармоники, т.е. гармоники, частота которых ниже частоты сети, которые не вносят больших искажений в сеть на первичной стороне трансформатора.

2. Обоснована технология для термических методов добычи высоковязкой нефти с применением электротехнических комплексов на основе забойных

электропаро(иарогазо)генераторов, позволяющая снизить стоимость производства тонны пара на 20-30%, обеспечить экономическую эффективность, энерго- и ресурсосбережение, экологическую безопасность теплового воздействия по сравнению с традиционной технологией при условии равного внесения тепловой энергии в продуктивный пласт.

Для определения эффективности применения электротехнических комплексов в забойными ЭТГ проведено технико-экономическое сравнение традиционной технологии паротеплового воздействия и электротермической (предлагаемой). Условия технико-экономического сравнения: 1) равная паропроизводительность участков; 2) сухость пара на забое 0,5; 3) равное количество нефти к реализации; 4) равная стоимость энергоносителей (стоимость сожженной в парогенераторе нефти равна стоимости затраченной в ЭТГ электроэнергии).

Электротехнический комплекс состоит из электротеплового генератора, водоподающей системы (емкость с котловой водой, насос для подачи воды в корпус нагревателя, системы трубопроводов), трансформатора 10-16 MB А системы управления током ЭТГ. Электроснабжение куста добычных скважин представлено на рисунке 9, где 1-6 - добычные скважины; 7 -нагнетательная скважина; Ki-Kf) — передвижные контейнеры.

При сравнении приняты следующие показатели: курс доллара 30 руб; цена нефти 100 $ за баррель; стоимость электроэнергии: 2570 руб/МВтхч.

Исходные данные: 1) семиточечная схема разработки; 2) глубина залегания 1200 м; 3) характеристики парового котла (тип ПГ-50-26; производительность Q„=20 т/ч; часовой расход топлива q„=l,5 т/ч; мощность 720 кВт); 4) степень сухости пара на выходе 0,8; 5) принятая степень сухости пара на забое х=0,5; 6) давление нагнетания 12 МПа; 7) удельная теплота парообразования на глубине 1200 м г=1501 кДж/кг (по таблице состояний вода-пар) и энтальпия воды ¡"=1493 МДж/т; 9) удельная масса нефти: 0,9 т/м3; 10) число часов работы в году с номинальной производительностью Тг-7000ч; 11) температура воды на входе в ЭПГ - 50°С. 12) энтальпия воды на входе ¡'=210 МДж/т.

КПД традиционной технологии рассчитан как отношение энергии, вносимой в пласт, отнесенной к сумме затраченной энергии на производство тонны пара и удельного расхода электроэнергии в парогенераторе:

W„T = i\+xr =580=064

^ w,r -1н tkc-Py 904 * ' (20)

3600 .Q„ Q„

15

где \у„ - средняя теплотворная способность нефти, кс -коэффициент спроса, Ру - установленная мощность.

Далее проведен сравнительный расчет затрат на часовую паропроизводительность при одинаковых технологических условиях.

Для получения сравнительной оценки эффективности технологии принято условие равенства количества реализованной нефти для двух технологий, исходя из которого можно записать:

^ПЭ =0-^)-^ =0-0,075).520 = 481 кВтч, (21)

где IVпэ - часовой расход электроэнергии в забойном

электропарогенераторе для добычи нефти с ПНФ=1 с учетом сожженной в парогенераторе нефти (из условия равенства количества добытой нефти для двух технологий), \¥п - затраты электроэнергии на производство 1 т пара в ЭТГ.

Результаты расчета затрат на часовую производительность 20 т/ч приведены в таблице на рисунке 10.

Очевидно, что рассматриваемые варианты становятся экономически равноценными по статье «стоимость энергоносителей» при равенстве стоимостей сожженной нефти и затраченной электроэнергии в забойном ЭПГ. Общее выражение для вычисления стоимости электроэнергии Сэл при различных значениях ПНФ=к:

с = к'с»'Ч'* = с» -Я* (руб / кВт-ч), (22)

где Сн - стоимость 1 т нефти, \Упэ - расход электроэнергии в ЭПГ на производство 1 т пара, удельный часовой расход нефти (т) на 1 т пара (рисунок 11).

Например, для случая с ПНФ=1:

С = = = 21000 0,075 ^21б/кВт

" (1-к-дн)-1¥„э-к (1 -к-ЧнУШпэ (1-0,075)-481 ^ (23)

Очевидно, что при стоимости 1 кВт-ч фактически потребляемой электроэнергии Сф ниже СТОИМОСТИ расчетной Сэл электротермическая технология по статье «стоимость

16

4

гфлй]

ЗГ

[Щ]

02/

ЮкВ

¿1

©ОШ

Трі <}10

35-110 кВ

Рисунок 9 - Схема электроснабжения добычного участка с забойными электротепловыми генераторами

№ п \ п Стоимость нефти ( долл/барр | 1 руб/т Паронефтяной фактор (ПНФ; пар/нефть; т/т)

0,5 (т/т) 1,0 (т/т) 2,0 (т/т) 3,0 (т/т)

1. 60/12600 1.88 1.96 2.14 2.3

2. 70/14700 2.2 2.29 2.49 2.74

3. 80/16800 2.51 2.62 2.85 3.13

4. 90/18900 2.83 2.95 3.2 3.5

5. 100/21000 3.08 3.27 3.56 3.9

6. 110/23100 3.46 3.6 3.9 4.3

Рисунок 10 - Стоимость 1 кВт-ч (руб/ кВт-ч) при равных реализуемых количествах нефти сравниваемых технологий и различных ценах на нефть и ПНФ

Показатель Традиционная технология Электротермическая технология

Затраты на производство 1 т пара 75 кг (875 кВт-ч) 481 кВтч

Стоимость нефти, руб/кг 21 -

Стоимость электроэнергии, руб /МВтч - 2570

Количество энергии на часовую производительность (20 т/ч) (17,5 МВт ч) 1500 кг 9,62 МВт ч

Затраты на производство пара, руб 31 500 24 700

Рисунок 11 - Сравнение затрат на заданную часовую производительность 20 т/ч пара при традиционной и электротермической технологии

23

№ п/п Параметр ПНФ=1 ПНФ=2 ПНФ=3

1 Стоимость электроэнергии, руб/кВт-ч 3,27 3,56 3,9

2 Количество дополнительно добытой нефти, т 140000 70000 46670

3 Количество реализованной нефти, т 129500 59500 36170

4 Годовые затраты электроэнергии на добычу количества нефти, равной количеству нефти реализованной при ТТТ, руб 67340 61 880 56418

5 Экономический эффект, млн. руб 47,1 61 75

Рисунок 12 - Расчет экономического эффекта от применения электротехнических комплексов с забойными ЭТГ

энергоносителей» становится менее затратной. Годовой экономический эффект при этом определиться выражением:

Эг=(см-сф)гэг,рУб. (24)

где \УЭГ - годовые затраты электроэнергии на добычу количества нефти, равной количеству реализованной нефти.

Принимая в рассматриваемой примере Сф =2,57 руб/кВт-ч при расчетной Сэл=3.27 руб/кВтч, годовой экономический эффект составит (рисунок 12):

Эг = (3.27 - 2,57) ■ 103 • 67340 = 47.1 млн.руб. (25)

В расчете не учтены преимущественные показатели электротермической технологии, а именно повышение нефтеотдачи пласта из-за более высокого качества пара (при использовании ЭПГ сухость пара в призабойной зоне скважины достигает значений 0.81.0), затраты на водоподготовку котловой воды перед поступлением в парогенератор, которые составляют значительную часть в общей стоимости традиционной технологии.

Применение электропарогазогенератора также позволит дополнительно повысить нефтеотдачу пласта, а также эффективность технологии. В состав комплекса (рисунок 2) входит аэратор, позволяющий закачивать до 50 м3 газа на 1 м3 воды. В то же время в парогенераторе в среднем на сжигание 1 м3 нефти требуется 11 м воздуха. Так как технологии принимаются равными, то эквивалентом 50 м3 воздуха при электротермической технологии будут «4.5 кг несожженной нефти при традиционной. При производительности насоса 3 м3/ч количество нефти составит 13.5 кг, что при теплотворной способности 42000 кДж/кг дает 567 МДж, или 157,5 кВт/ч дополнительной энергии. При стоимости электроэнергии 3,21 руб/кВт ч и 7000 часах работы ЭТГ в год дополнительная прибыль составит 3,5 млн. руб/год. Кроме экономического эффекта, парогазовый теплоноситель в значительной степени дополнительно повышает нефтеотдачу пласта.

Проведен расчет выбросов вредных веществ от одного работающего парогенератора. Помимо мощного теплового загрязнения (температура уходящих газов составляет 240°С), с

17

уходящими газами в атмосферу попадает 1250 мг/ м3 диоксида азота и 1000 мг/м3 оксида углерода (по паспортным данным), что превышает нормативные показатели выбросов (ПДК) (по ГОСТ Р 50831-95) и объем выбросов составляет 37 т/год и 109 т/год соответственно. Плата за выброс вредных веществ в атмосферу составляет 53 000 руб. Планом развития Республики Коми до 2015 года предусмотрено увеличение объемов закачки пара до 4 млн.т. В таком случае выбросы составят 3132 т/год оксида углерода, 1064 т/год диоксида азота, плата за выбросы составит 1,5 млн.руб, причем штрафы за превышение ПДК предполагают 5-кратное (временно-согласованная плата) и 25-кратное (сверхнормативная плата) увеличение этой суммы. Электротермическая технология не предполагает выбросов вредных веществ и является экологически чистой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на базе выполненных исследований решена актуальная задача повышения нефтеотдачи пластов высоковязкой нефти, а также повышения эффективности теплового воздействия путем разработки электротехнических комплексов на основе забойных электротепловых генераторов, позволяющих производить пар с более высокими энергетическими показателями, построении расчетных моделей для определения всех рабочих параметров комплекса и алгоритмов управления комплексом для реализации основных режимов работы.

Основные выводы:

1. Расчет числа межэлектродных промежутков на интервале парообразования необходимо проводить с учетом скольжения пара, находящимся в пределах 4-8%, что дает возможность сократить расчетное число электродов до 50%.

2. Применение целочисленного управления однофазным тиристорным регулятором тока забойного электротеплового генератора является наиболее применимым для сетей с глухозаземленной нейтралью во всем диапазоне регулирования нагрузки, так как такой способ не является источником появления высших гармоник, а только нечетных субгармонических составляющих.

3. Конструкция электропарогенератора-сепаратора (патент РФ 2451158) обеспечивает получение на выходе устройства пар со степенью сухости 0,8-1 и повышение эффективности теплового воздействия на пласты высоковязкой нефти.

4. Разработанный электротермический комплекс повышает экологическую безопасность добычи высоковязкой нефти, т.к. при традиционной технологии выбросы от одного работающего парогенератора превышают предельно-допустимую концентрацию по СО2, N02, кроме того наносят тепловое загрязнение атмосферы уходящими газами, температура которых превышает 240°.

5. Применение электропарогазогенераторов по сравнению с традиционной технологией при нагнетании воздуха позволит получить дополнительно не менее 150-160 кВт-ч энергии за счет процессов окисления нефти кислородом воздуха.

6. Для электроснабжения электротермического участка куста из 6-8 скважин может применяться четырёхпроводная система с эффективно заземлённой нейтралью с фазным напряжением 3-6 кВ и сопротивлением заземляющего устройства 0,5 Ом.

7. Анализ распределения заданной мощности в зависимости от глубины залегания показал, что до глубины 900 м большая часть мощности расходуется на нагрев, после - на парообразование, но общее число межэлектродных промежутков остается постоянным, что делает электротепловой генератор применимым для любой глубины залегания пласта.

Работы по теме диссертации

1. Загривный Э.А. Влияние работы забойных

электротермических комплексов на качество электрической энергии / Э.А. Загривный, В.О.Зырин, В.И. Маларев, Д.А.Устинов // Электротехника, 2012, №10. - С. 27-31.

2. Загривный Э.А. Автоматизация электротермического комплекса с забойным парогенератором для повышения нефтеотдачи пластов с высоковязкой нефтью / Э.А. Загривный, В.О.Зырин, В.И. Маларев// Записки Горного института, 2011, т.192. - С. 125-130.

3. Загривный Э.А. Экологические и экономические перспективы применения электротермических комплексов для добычи высоковязкой нефти/ Э.А. Загривный, О.БЛакота , В.И. Маларев, В.О.Зырин // Нефтяное хозяйство, 2012, №11. - С.118-122.

4. Зырин В.О. Энергосберегающая электротермическая технология добычи высоковязкой нефти/ Сборник трудов международного молодежного форума «Энергоэффективные электротехнологии»,2011. - С. 26.

5. Зырин В.О. Применение электротермического комплекса для добычи высоковязкой нефти/ 8 Международная научная школа молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых», 2011. - С. 227-231.

6. Пат. РФ. №2451158. Устройство тепловой обработки призабойной зоны скважин - электропарогенератор. Патент на изобретение/Э.А.Загривный, В.И.Маларев, О.Б. Лакота, опубл. 2010147607/03 заявл.22.11.2010; опубл. 20.05.2012

РИЦ Горного университета. 23.05.2013. 3.295. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

на правах рукописи

\

04201360071 Зырин Вячеслав Олегович

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ С ЗАБОЙНЫМИ

ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДОБЫЧИ ВЫСОКОВЯЗКОЙ

НЕФТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Загривный Э.А.

Санкт-Петербург-2013

Оглавление

Введение...................................................................................................................4

Глава 1 Анализ современного состояния нефтедобывающей отрасли..............9

1.1 Мировые запасы нефти.....................................................................................9

1.2 Добыча нефти в России...................................................................................11

1.3 Распределение и характеристики месторождений высоковязкой нефти России.....................................................................................................................13

1.4 Тепловые методы повышения нефтеотдачи.................................................16

1.5 Вытеснение нефти насыщенным водяным паром........................................18

1.6 Опыт разработки месторождений высоковязкой нефти..............................22

1.7 Парогенераторная техника.............................................................................26

1.8 Применение электроэнергии при добыче ВВН............................................29

1.9 Электротермическая технология....................................................................30

Выводы по 1 главе.................................................................................................34

Глава 2 Перспективы использования электротехнических комплексов с забойными электротепловыми генераторами.....................................................37

2.1 Экономические перспективы применения забойных электротепловых генераторов.............................................................................................................37

2.2 Экологические перспективы применения забойных электротепловых генераторов.............................................................................................................44

2.3 Конструкции забойных электротепловых генераторов...............................49

2.4 Математическая модель забойного электротеплового генератора............55

Выводы по 2 главе.................................................................................................75

Глава 3 Имитационная модель забойного электротеплового генератора, алгоритм управления электротехническим комплексом...................................77

3.1 Структура программы расчета основных параметров электропарогенератора..........................................................................................77

3.2 Расчет интервала парообразования................................................................81

3.3 Режимы работы электротеплового генератора............................................89

3.4 Алгоритм управления.....................................................................................93

Выводы по 3 главе.................................................................................................96

Глава 4 Экспериментальные исследования электротеплового генератора.....98

Выводы по 4 главе ..............................................................................................103

Глава 5 Исследование влияния электротехнических комплексов с забойными электротепловыми генераторами на качество электрической энергии.........104

5.1 Электроснабжение электротермического участка.....................................104

5.2 Управление мощностью, передаваемой забойному электротепловому генератору.............................................................................................................106

5.3 Математическое моделирование режимов управления мощностью, передаваемой нагревательному элементу.........................................................110

5.4 Исследование влияния работы нагревательного элемента на качество

электроэнергии в распределительных сетях 35, 110 кВ..................................117

Выводы по 5 главе...............................................................................................124

Заключение...........................................................................................................127

Список литературы..............................................................................................129

Приложение А......................................................................................................139

Введение

В условиях выработанности большей части начальных ресурсов нефти в России, увеличения доли трудноизвлекаемых запасов и, соответственно, падения уровня нефтеотдачи вовлечение в разработку месторождений высоковязкой нефти (ВВН) приобретает особую важность. Разведанные мировые запасы ВВН составляют более 810 млрд.т, из которых приблизительно 7-10 млрд.т. расположены в России. Для традиционных способов разработки месторождений ВВН среднее значение конечной нефтеотдачи составляет 6-15%, и без применения методов повышения нефтеотдачи их добыча является весьма неэффективной.

Энергетическая стратегия России до 2030 года устанавливает создание и освоение технологий и оборудования, обеспечивающих высокоэффективную разработку трудноизвлекаемых запасов нефти, и в первую очередь высоковязких нефтей, в качестве приоритетного направления. В настоящее время разработка месторождений ВВН ведется с использованием наземных парогенераторов, работающих на сжигании углеводородного топлива, и закачку пара по системе изолированных нагнетательных труб.

Недостатками современных технологий теплового воздействия на пласты высоковязкой нефти являются существенные капитальные затраты и металлоемкость на парогенерирующие установки, низкое качество нагнетаемого пара на забое скважины, сжигание части добытого углеводородного топлива части нефти при производстве пара.

Применение электротехнического комплекса с забойными электротепловыми генераторами (ЭТГ) позволит повысить эффективность добычи ВВН, коэффициент нефтеотдачи пласта, получить энерго- и ресурсосберегающие, экологически безопасные технологию добычи ВВН.

Разработка алгоритмов управления электротехническим комплексом позволит реализовать основные режимы теплового воздействия на призабойную

зону с рациональными параметрами, обеспечить требуемое протекание процесса парообразования, повысить эффективность теплового воздействия на призабойную зону пласта.

Проведенные исследования базируются на работах отечественных и зарубежных ученых: Д.Г. Антониади, , Н.А. Байбакова, А.Р. Гарушева, С.С. Кутателадзе, B.C. Литвиненко, Г.Г. Вахитова, Б.Б. Кудряшова, Л.И. Рузина, Ю.Н. Байдикова Ж.Бурже, Э.А. Загривного, С.П. Корсака, М. Комбарну, И.В. Кудинова, М.А. Михеева, Я.З. Месенжника, Е.М. Симкина, Ю.М. Парийского и других.

Степень разработанности: В Горном университете создан электротехнический комплекс со скважинными нагревателями и электропарогенераторами. Проведен анализ электрических и тепловых процессов устройств. Разработана математическая модель расчета основных параметров электропарогенераторов и скважинных нагревателей с рядом допущений, основным из которых являются:

- не учтено расширение жидкости на интервале нагрева до температуры кипения;

- на интервале парообразования скорости течения пара и жидкости принимаются равными.

Данная работа является продолжением предыдущих, в которой разработаны новые конструкции электротепловых генераторов, уточнена математическая модель с учетом коэффициента скольжения пара, составлена имитационная модель, позволяющая реализовать основные алгоритмы управления электротехническом комплексом, разработана схема электроснабжения, выбран способ управления тиристорными регуляторами тока. Проведено обоснование эффективности применения электротермической технологии по сравнению с традиционной.

!

Цель работы: Создание электротехнического комплекса на основе забойных электротепловых генераторов для эффективного воздействия на продуктивные пласты ВВН.

Основные задачи исследований:

1. Анализ существующих технологий добычи высоковязкой нефти, их недостатков. Оценка перспективы применения электротермических устройств для разработки месторождений высоковязкой нефти;

2. Разработка математической модели комплекса с забойными электротермическими генераторами.

3. Разработка имитационной модели комплекса с забойным электротепловым генератором.

4. Разработка алгоритмов управления электротехническим комплексом.

5. Проведение экспериментальных исследований забойного электропарогенератора.

6. Разработка рекомендаций по реализации технологических режимов теплового воздействия на продуктивные пласты высоковязкой нефти.

Научная новизна работы:

1. Установлены зависимости числа межэлектродных промежутков забойного электротеплового генератора от заданной мощности, удельного сопротивления котловой воды, коэффициента сужения сечения и коэффициента скольжения пара, позволяющие обосновать алгоритмы управления режимами работы электротехнического комплекса, обеспечивающие повышение эффективности теплового воздействия на призабойную зону пласта.

2. Установлена зависимость вносимой в пласт энергии от эффективности

>5 л

аэрации котловой воды (количества м газа на 1 м котловой воды) в забойном электропарогазогенераторе, позволяющая обеспечить энергосбережение при добыче ВВН.

Теоретическая значимость работы:

1. Получены выражения для вычисления коэффициента скольжения пара

2. Разработаны математическая, имитационная модель расчета забойных электротепловых генераторов с учетом коэффициента скольжения

3. Составлены методики определения основных параметров для режимов тепловой обработки призабойной зоны - горячей воды, паротеплового воздействия, импульсно-дозированного теплового воздействия

4. Получена имитационная модель схемы электроснабжения электротермического участка, проанализировано применение целочисленного и фазового управления для электротепловых генераторов.

Практическая ценность диссертации: Разработаны конструкции электротепловых генераторов - электропарогенератор-сепаратор (Патент РФ №2451158), электропарогазогенератор. Разработана имитационная модель расчета основных параметров ЭТГ, алгоритм управления электротехническим комплексом для реализации основных режимов работы путем регулирования величины мощности ЭТГ однофазным тиристорным регулятором с алгоритмом целочисленного управления и производительности питающего насоса. Разработана экспериментальная установка забойного электропарогенератора.

Методы исследований: Для решения поставленных задач использовались методы термодинамики, электрических цепей, теории электроснабжения, лабораторные экспериментальные исследования. Математическое имитационное моделирование, расчеты основных параметров и анализ полученных результатов производились с использованием языка программирования Borland С++, пакета прикладных программ MatLab Simulink.

Защищаемые научные положения: 1. Разработана модель забойного электродного прямоточного электропарогенератора, позволяющая получить зависимости основных параметров устройства от условий залегания пласта, напряжения питающей сети, принятой мощности, а также построить алгоритмы управления

электротехническим комплексом для реализации основных режимов тепловой обработки пласта.

2. Обоснована технология для термических методов добычи высоковязкой нефти с применением электротехнических комплексов на основе забойных электропаро(парогазо)генераторов, позволяющая снизить стоимость производства тонны пара на 20-30%, обеспечить экономическую эффективность, энерго- и ресурсосбережение, экологическую безопасность теплового воздействия по сравнению с традиционной технологией при условии равного внесения тепловой энергии в продуктивный пласт.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается использованием апробированных методов, теории электрических цепей, методов математического моделирования и экспериментальных исследованиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Энергоэффективное энергопотребление» (Санкт-Петербургский

государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ленина), «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перебататывающих предприятий», научных семинарах кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Глава 1 Анализ современного состояния нефтедобывающей отрасли

1.1 Мировые запасы нефти

Доказанные мировые запасы нефти (т.е. извлекаемые из недр при современном уровне технологии) в 2008 году, по оценке ВНИИЗарубежгеология, составляли 188,6 млрд.т. Всего в мире открыто 43000 нефтяных месторождений. Среди географических регионов лидирует Ближний и Средний Восток — 58,2% мировых запасов. Доля стран Северной Америки составляет 14,8%, Латинской Америки — 10,0%, Африки — 8,8%, СНГ (без России) — 4,1%, Южной и Юго-Восточной Азии— 1,6% [16].

На рисунке 1.1 показано географическое распределение нефти по странам мира по данным на 2008 год [16,71].

млрд т

о

Рисунок 1.1- Географическое распределение запасов нефти

За счет геологоразведки, открытия новых месторождений мировые запасы нефти непрерывно увеличиваются.

Британская нефтегазовая компания ВР ведет ежегодный мониторинг состояния и распределения нефтяных ресурсов в мире. По данным отчетов

компании в 2008 году нефтяные запасы составляли 193,6 млрд.т, в 2010 - 212 млрд.т и 220 млрд.т в 2011 году. С увеличением запасов изменилась и страна-лидер. Открытие месторождений высоковязкой нефти Ориноко в Венесуэле поставило ее на первое место по запасам в 2012 году (46,3 млрд.т.) [74-76].

Нефть разделяют на категории в зависимости от двух показателей -вязкости и плотности.

По вязкости (ц) пластовые нефти подразделяются на:

- легкие, ц<10 мПа*с;

- средние, ц =[10-30] мПа*с;

- повышенной вязкости, ц== [30-50] мПа*с;

- высоковязкие, когда вязкость |х>50 мПа*с;

- сверхвязкие, fi>200 мПа*с. [4]

— 'Я

По плотности нефть делится на легкую (d15°c<0,87 г/см), среднюю (d[5°c=0.87-0.92 г/см ), тяжелую (di5-c>0,92 г/см ), битум, очень тяжелую (dis-^l г/см ). Разделение нефти на тяжелую и битум принято проводить по граничному значению вязкости (10 000 сП), которое позволяет четко определить понятие «отсутствие жидкого состояния пластовой нефти», называемое битум [15].

Доказанные мировые запасы тяжелых нефтей составляют около 810 млрд.т, всего в мире открыто более 1680 месторождений ВВН и битумов. Практически 90% месторождений расположены на континенте, только 12 из них находится в открытом море, половина из которых принадлежит Бразилии [54].

Наиболее крупные месторождения высоковязкой нефти (ВВН) располагаются в Западно-Канадском бассейне (Канада) и Оринокском бассейне (Венесуэла). Ресурсы двух этих нефтеносных бассейнов составляют более 60% от всех запасов ВВН. Нефтяные месторождения Ориноко в Венесуэле (320 млрд. м3) и канадской провинции Альберта (350 млрд. м ) относятся к месторождениям сверхвысоковязкой нефти.

По разведанным запасам высоковязкой нефти Россия (6-7 млрд.т) стоит на 3-м месте после Канады и Венесуэлы. США также обладают крупными запасами

л

ВВН (28 млрд. м), большая часть из которых расположена в акватории Мексиканского залива. Активно разрабатываются месторождения тяжелой нефти

о

и в Китае (запасы 1,5 млрд. м ), добыча нефти на месторождении Ляохэ составляет 10 млн. т. в год и отличается стабильностью темпов разработки.

Гораздо меньшими удельными запасами тяжелой высоковязкой нефти обладают Колумбия, Тринидад, Индия и другие страны, суммарная доля которых в мировых запасах составляет около 5% или 38 млрд. м [20,52,54].

1.2 Добыча нефти в России

Россия занимает лидирующее место в мире по объему добычи нефти, что является гарантией энергетической безопасности страны, позволяет удовлетворять как внутренние потребности страны в углеводородном сырье, так и осуществлять импорт ресурса в другие страны.

Добыча нефти в России в 2012 году составила 256,1 млн.т [82]. Удержание темпа добычи на таком уровне является достаточно трудной задачей, обусловленной рядом причин.

В последнее время (с 1965 по 2000 годы) в стране наблюдается негативная тенденция падения нефтеотдачи [70]. Начальные запасы нефти в России выработаны более чем на 50 процентов, в европейской части - на 65%, в том числе в Урало-Поволжье - более чем на 70%. Степень выработанности запасов крупных активно осваиваемых месторождений приближается к 60% [81].

Другой важной проблемой является ухудшение структуры запасов и, соответственно, увеличение доли трудноизвлекаемых запасов, которая в настоящее время составляет 60% (рисунок 1.2) [40].

Рисунок 1.2 - Динамика трудноизвлекаемых запасов России

Увеличение глубины залегания пластов, ухудшение коллекторов, усложнение геологического строения является следствием тенденции добывающих предприятий России к разработке крупных месторождений с лучшими запасами. Месторождения со сложными геологическими условиями или с тяжелой нефтью считаются нерентабельными и разрабатываются в последнюю очередь.

Дальнейший рост производительности месторождений и стабилизац�