Новое применение винтовых насосов в добыче нефти и газа

Поскольку потребность в гибкости и эффективности, а также растущее внимание к вопросам охраны окружающей среды продолжают расти, операторам все чаще приходится уделять особое внимание насосам и насосным установкам.

При взгляде на будущее добычи углеводородов можно наблюдать различные сценарии и прогнозы. Почти все эти события имеют существенные последствия для нефтегазовой отрасли и влияют на текущее планирование будущего. Эти последствия распространяются не только на производителей нефти и газа, но и на поставщиков оборудования и услуг, включая производителей насосов.

Во всех сценариях развития будущей добычи нефти и газа ожидается, что основное внимание будет уделяться эффективности, сохранению и минимизации воздействия на окружающую среду. Внимание отрасли уже быстро переключается на эти цели. Чем эффективнее отрасль сможет адаптироваться к этим изменениям, тем лучше все будут подготовлены.

В этой статье рассматриваются современные тенденции в области насосов в нефтегазовой отрасли, а также на основе имеющихся знаний и будущих сценариев рисуется картина того, на что необходимо обратить внимание сегодня, чтобы быть готовыми к завтрашнему дню.

На недавнем вебинаре по технологиям нефтяных месторождений от глобальной исследовательской и консалтинговой группы были представлены перспективы для нефтяной и насосной отраслей. Одним из примечательных моментов презентации стал взгляд на добычу нефти и газа в течение следующих двух с половиной десятилетий. Он указал, что пик добычи нефти, как ожидается, произойдет около 2030 года, при этом добыча составит около 115 миллионов баррелей в день (БДД), снижаясь до примерно 90 миллионов БДД к 2050 году по сравнению с чуть более 100 миллионами БДД сегодня.

Это означает, что добыча нефти, по прогнозам, останется близкой к текущему уровню, исходя из цен на нефть марки West Texas Intermediate (WTI), колеблющихся от 60 до 80 долларов за баррель. Эти прогнозы соответствуют прогнозам Международного энергетического агентства (МЭА) и указывают на менее значительное снижение, чем первоначально ожидалось. Основными факторами, способствующими этим прогнозам, являются неопределенность относительно возможностей поставок энергоперехода и имеющихся мощностей, растущее использование пластика и нефтепродуктов, растущая нефтехимическая промышленность в развивающихся странах (включая Индию и Китай) и растущий спрос на авиатопливо, который, как ожидается, достигнет пика в 2040 году.

Даже с учетом ожидаемого существенного увеличения использования электромобилей (ЭМ) ожидается, что к 2030 году доля таких транспортных средств не превысит 20% от мирового парка транспортных средств.

В решающей части вебинара обсуждение было сосредоточено на том, как удовлетворить ожидаемый спрос на нефть. Презентация показала, что 15% всей добычи будет поступать из расширенной добычи в существующих резервуарах (Изображение 1). Она также проиллюстрировала основное влияние перехода на электромобили к середине века (Изображение 2).

Как показано на рисунке 1, 15% всей добычи будет поступать из расширенной добычи в существующих сегодня резервуарах. Рисунок 2 показывает, как пик спроса на нефть продолжает отодвигаться в будущее, а Рисунок 3 показывает, как ожидается, что спрос будет удовлетворяться.

Увеличение поставок из существующих активов становится все более важным и занимает видное место в повестке дня для большинства производителей. Это привело к росту спроса на насосы и насосные решения. Поскольку стареющие нефтяные месторождения сопровождаются снижением естественного давления, проблемами обеспечения потока и часто устаревшим и неэффективным оборудованием, появляются новые области применения насосов. Примерами являются растущий спрос на насосы для поддержки искусственного подъема и повышения производительности поверхностных трубопроводов. Другие примеры включают насосы для углекислого газа (CO₂), который увидит повышенный спрос, поскольку CO₂ Секвестрация и повышение нефтеотдачи (IOR) становятся более частыми. Многие типы насосов будут испытывать растущий спрос из-за меняющегося характера добычи нефти и в качестве замены неэффективных или устаревших моделей. Кроме того, рост трубопроводной транспортировки сырой нефти и нефтепродуктов на перерабатывающие предприятия, терминалы и нефтеперерабатывающие заводы порождает повышенный спрос на насосы.

Насосы традиционно классифицируются как гидродинамические или насосы объемного типа. Эти два типа насосов имеют как различные, так и взаимодополняющие применения в добыче нефти и газа и переработке углеводородов. Гидродинамические насосы в основном используются для обработки более легких фракций и воды при более высоких скоростях потока, в то время как насосы объемного типа обслуживают более вязкие и газосодержащие жидкости при более высоких давлениях, часто в сложных условиях всасывания.

В этой статье основное внимание будет уделено растущему использованию роторных винтовых насосов, которые известны как роторные насосы объемного действия. Многие из идей могут также применяться к шестеренчатым насосам, лопастным насосам и винтовым насосам, хотя они могут не пересекаться напрямую с винтовыми насосами во многих приложениях. Уже растет использование насосов объемного действия, включая винтовые насосы, которые выполняют более широкий спектр услуг, обеспечивая улучшенную добычу нефти и газа, сбор и переработку углеводородов и решая все более сложные условия обеспечения потока, поскольку резервуары стареют, а продление срока службы месторождений становится приоритетом.

Нефтегазовая промышленность столкнется с большим количеством проблем при добыче, транспортировке и переработке нефти и газа из-за растущего спроса на продукцию и необходимости эффективного использования капитала, эксплуатационной гибкости, доходов, производительности, повышения энергоэффективности и удовлетворения экологических и социальных требований. По многим причинам винтовые насосы начали играть более значительную роль в приложениях, в которых традиционно доминировали центробежные и поршневые насосы. Производители винтовых насосов, движимые технологическими инновациями и усовершенствованиями продукции, наращивают темпы, чтобы удовлетворить потребности нефтяной промышленности с помощью более эффективных и гибких конструкций.

На многих нефтяных месторождениях конструкции винтовых насосов продемонстрировали свои преимущества и становятся все более распространенными. Это особенно очевидно, когда отрасль стремится расширить добычу на существующих активах и объектах. Достижение более высокой отдачи от стареющих и более сложных активов, часто характеризующихся более высокой вязкостью, эмульсиями нефти и воды, большим количеством попутного газа и более низким пластовым давлением, представляет собой общие проблемы. Все эти проблемы являются частью добычи на поздних этапах жизненного цикла, и винтовые насосы, как правило, предлагают лучшее решение для перекачки в таких сценариях.

Для этих целей используются как двухвинтовые, так и трехвинтовые насосы. В приложениях средней полосы они используются в качестве насосов перекачки и бустерных насосов в трубопроводах и терминалах, а также для сбора и повышения давления, включая многофазную перекачку для поддержки искусственного подъема и добычи влажного газа. При перекачке тяжелой сырой нефти и битумной эмульсии винтовые насосы часто являются единственным жизнеспособным решением для перекачки.

Все большее число винтовых насосов используются в качестве многофазных насосов и эффективно применяются в качестве дополнений к обычным системам искусственной добычи, таким как штанговые глубинные насосы (ШГН), электропогружные насосы (ЭЦН), газлифты и плунжеры. Наиболее существенными преимуществами являются сокращение площади традиционного объекта, устранение сжигания на факелах и сокращение выбросов парниковых газов (ПГ) за счет объединения нефти и газа в одном многофазном трубопроводе для транспортировки на перерабатывающий завод. При добыче сланца типичное быстрое снижение естественного пластового давления и увеличение добычи попутного газа требуют решений для максимизации добычи и отсрочки все более дорогостоящих капитальных ремонтов или нового бурения, фрекинга и заканчивания. Желание продлить извлечение и оставить минимум углеводородов требует гибкой многофазной насосной системы, как показано на рисунке 8, которая может работать при низких пластовых давлениях. В то же время многофазная перекачка способствует снижению воздействия на окружающую среду от добычи нефти и может смягчить общественное мнение о сжигании на факелах и выбросах.

Многофазный насос обеспечивает практически постоянный поток с заданной скоростью, в основном независимо от противодавления. Регулируя скорость насоса, он может изменять как расход, так и давление всасывания. Снижение давления обеспечивает плавный поток трубопровода, снижая риск частых закупорок гидратами и помогая снизить давление на устье скважины, чтобы облегчить поток газовых скважин с жидкой нагрузкой. Кроме того, он эффективно управляет накоплением парафина и эмульсиями нефть/вода, снижая потребность в дорогостоящих химических инъекциях и обработке скважин. Это достигается за счет поддержания низкой внутренней скорости, что ограничивает проблемы сдвига и позволяет избежать обострения эмульсий нефть/вода, что упрощает последующую обработку.

На рисунке 9 показано, как многофазная перекачка используется при добыче нефти на шельфе, где она может заменить и повысить эффективность методов механизированной добычи, в конечном итоге продлевая срок службы резервуаров.

При нынешнем состоянии насосной промышленности, обслуживающей рынок нефти и газа, необходимо учитывать важные факторы, влияющие на будущий успех. Одним из таких факторов по-прежнему остается сложность поиска и удержания квалифицированного инженерного и проектного кадрового резерва. Эти проблемы часто одинаковы как для конечного пользователя/производителя нефти, так и для поставщика/производителя насосов. Это может потребовать от поставщика насосов взять на себя больший объем работы, чем в прошлом. Часто требуется полный модуль или система насоса со всеми вспомогательными устройствами и элементами управления, и это может быть натяжкой для поставщика с ограниченными ресурсами. Концепция «черного ящика» не нова, но будет играть гораздо большую роль в будущем. Кадровый резерв гораздо важнее и будет определять успех каждого поставщика насосов.

Понимание тенденций и социально-экономических факторов важно, а адаптация к новым реалиям является хорошей стратегией в быстро меняющейся среде. Она делает больший акцент на выборе наиболее подходящего насоса для применения, еще больше полагаясь на производителя насоса.