Учёные Пермского Политеха разработали и апробировали способ виртуальных испытаний нефтяных насосов. Подход позволяет сэкономить время и десятки миллионов рублей на разработке каждой новой модели. Это удешевит процесс добычи в целом, снизит затраты на создание топлива и его конечную стоимость для потребителя.
Сегодня более половины нефтяного потенциала страны в 81,6 миллиарда тонн составляют трудноизвлекаемые запасы. По прогнозам экспертов, к 2050 году они станут основой отрасли: их доля в общей добыче может вырасти с 30% до 70%. Эта современная нефть больше похожа на густую смолу. При этом коэффициент ее извлечения — доля, которую можно выкачать с прибылью, — не превышает 20%. Фактически, из каждых 100 тонн в недрах до поверхности добираются лишь два десятка.
Проектирование надёжного насоса включает дорогостоящие и длительные испытания. Сначала создают металлический прототип и месяцами тестируют его на специальных стендах, имитируя реальные режимы и условия эксплуатации. Эта проверка необходима, чтобы убедиться в энергоэффективности, надежности и стойкости. Также моделируется уровень вибрации и шума.
Полных аналогов разработки нет. Существуют коммерческие программы для моделирования насосов, но они имеют ключевые ограничения. Во-первых, конструкция именно нефтяных насосов существенно отличается от общепромышленных, предназначенных для перекачки воды. Во-вторых, коммерческие программы недостаточно точно моделируют многофазные течения в реальных скважинах.
Разработка учёных универсальна: она подходит как для погружных (которые поднимают нефть из скважины на поверхность), так и для наземных насосов (используются при транспортировке нефти до пункта сбора). Её главное преимущество — способность с высокой точностью рассчитывать критические режимы, которые раньше можно было обнаружить и измерить только в ходе дорогостоящей реальной эксплуатации: гидроабразивный (прогноз, как именно частицы песка будут стачивать лопасти) и кавитационный износ (разрушение от схлопывающихся микропузырьков пара, особенно критично для наземных насосов), рост осевой силы, вызывающей разрушение подшипников и возникновение разрушительной вибрации.
Система нужна инженеру, когда требуется спроектировать новый насос или понять, почему вышел из строя старый. Для работы необходимы данные о скважине (температура, свойства и состав скважинной жидкости, наличие в ней песка или газа, глубина залегания и дебит) и чертежи насоса. В специальной программе, используя встроенные шаблоны, он собирает 3D-модель, вводит параметры среды и запускает расчёт.
«Тесты показали, что виртуальная модель и реальный насос работают почти одинаково. Ключевые параметры, такие как создаваемое давление (напор) и эффективность (КПД), рассчитанные программой, впоследствии подтвердились на реальном стенде. При этом относительная погрешность вычисления не превысила 3–4%. Это расхождение сопоставимо с погрешностью самих стендовых измерений. Такая точность позволяет нам перенести около 90% всех тестов в компьютер. Вместо того чтобы каждый раз собирать дорогой прототип и месяцами тестировать его на стенде, мы почти всё сможем проверить на цифровой модели. Натурные испытания останутся только для итоговой, финальной проверки уже готового изделия», — рассказал профессор кафедры горной электромеханики ПНИПУ, доктор физико-математических наук Сергей Пещеренко.
Внедрение разработки сэкономит десятки миллионов рублей, благодаря тому, что больше не нужно изготавливать, испытывать на стенде, а часто и разрушать множество дорогостоящих металлических прототипов. Кроме того, это сократит счета за электроэнергию, приведёт к снижению себестоимости добычи, поможет сдерживать рост цен на топливо и косвенно повлияет на стабильность других отраслей экономики.
По сообщению пресс-службы ПНИПУ