Распространенным и доступным методом для процессов подготовки нефти является гравитационный отстой в аппаратах. С целью интенсификации процесса применяются внутренние устройства. Правильный подбор внутренних устройств имеет прямое влияние на эффективность процесса сепарации, повышение качества продукта и снижения затрат на его подготовку. Однако, на сегодняшний день существует ряд проблем и ограничений, связанных с использованием внутренних устройств, которые необходимо решить для оптимизации процесса и снижения стоимости подготавливаемой продукции.
Одной из основных проблем на этапе проектирования является недостаток исходных данных, которые могут замедлить или затруднить процесс достижения желаемых результатов, а также привести к ошибочным решениям и оверинжинирингу. Зачастую подбор объемов сепараторов осуществляется без учета внутренних устройств и их влияния на технологический процесс.
Получаемые исходные данные не содержат физико-математических моделей, отсутствует информация по промысловым испытаниям. Использование исходных данных низкого качества и отсутствие подхода в существующей системе проектирования приводит к:
- риску невыполнения гарантированных показателей по товарному качеству;
- оверинжинирингу на этапе выбора технических решений. Оверинжиниринг являющийся серьезной проблемой, так как завышает стоимость подготовки в связи с отсутствием полной определенности по качеству сепарации;
- невозможности адаптироваться к изменяющимся условиям эксплуатации, что может снизить производительность и качество работы оборудования;
- снижению технологической (параметрической) надежности объектов подготовки и как следствие, увеличение вынужденных простоев оборудования.
Для решения данных проблем, необходимо применять подходы, на различных этапах технологического инжиниринга (исследовательская часть, интерпретация данных, физико-математическое моделирование и аппаратурное оформление).
На этапе исследовательской части, необходимо производить сбор необходимых исходных данных, как основа для расчетной части, натурное моделирование, эксперименты на флюиде, проведение стендовых и промысловых испытаний.
Составляющими на этом этапе будет являться:
- исследование кривой сепарации;
- подбор реагентов;
- температурные режимы;
- ступенчатая дегазация;
- выявление проблем с пенообразованием.
Получаемые эффекты на этапе исследовательской части – формирование достаточного набора исходных данных. Получение ID-флюида, изучение коррозионно-эрозионных процессов; сценарное прогнозирование жизненного цикла месторождения, испытания различных конструкций внутренних устройств аппаратов и исследования влияния электрического поля на глубокое обезвоживание.
Следующим этапом будет интерпретации данных – клининг массива исходных данных, создание расчетных математических моделей. На котором производят:
- расчет, сопоставление и интеграция данных;
- единая система приведения величин и условий с оценкой ожидаемой погрешности сличения;
- инструменты интеграции сервера с существующей АСУТП.
Результатами на данном этапе будет – удалённая интерпретация и мониторинг (Data IQ-Cleaner), сравнение текущих показателей с расчетными данными и расчетный сервер с архиватором исторических данных общего периода жизненного цикла.
На этапе физико-математического моделирования, необходимо использовать подходы, такие как разработка цифровых технологических двойников.
Составной частью данного этапа являться:
- настройка, адаптация, верификация математических моделей;
- итерационное моделирование и улучшение конструкции;
- имплементация расчётной модели;
- решение в трехмерном пространстве методом контрольного объема.
Результатом этапа физико-математического моделирования является применение полного пакета цифрового моделирования и гидродинамического моделирования с целью создания цифровой динамической модели технологии, создание статических и динамических модулей, расчет вариантов режимов технологического процесса и подбор оптимального режима при изменении состава флюида и прогнозирование технологического проекта.
Этапами создания, моделирования и разработки используемый в рамках применения подхода цифрового моделирования внутренних устройств является:
1. Анализ литературы и технический концепт. Изучение и сравнение всех возможных альтернатив (международные монографии – Norway, Spain, USA, Finland, UK, China).
2. 3D модель прототипа и проточная часть. Основана на лучших практиках из литературы.
3. Создание пространственной сетки – мегамодели. От 2 до 10 миллионов ячеек.
4. Анализ литературы и выбор матмоделей. Изучение практики апробации моделей (Международные монографии, научные статьи).
5. Настройка, адаптация, верификация математических моделей. Тестирование комбинаций моделей.
6. Итерационное моделирование (проверка текущей модели на соответствие требуемым характеристикам, корректировка небольшими шагами – итерациями) и улучшение конструкции. Разработка и анализ.
7. Имплементация расчётной модели проточной части. Финальная 3D модель продукта для разработки конструкторской документации.
Завершающим этапом является аппаратурное оформление - проведение стадий проектирования, позволяющих получить оценку сценариев добычи и сформировать технико-экономическую оценку вариантов реализации проекта.
Звеном этапа аппаратурного оформления являются:
- развитие экспериментальной базы моделирования технологических процессов максимально приближенных к действительности;
- создание передвижного испытательного стенда;
- расчет технологических процессов и оборудования;
- проектирование отдельных элементов системы;
- оценка сценариев добычи и подготовки, детальный анализ по наиболее вероятному сценарию реализации проекта;
- проект реинжиниринга, реализованный на основе цифрового моделирования.
Следствием завершающего этапа будет – решение на основе ТЭО, оптимизация техпроцесса, реинжиниринг, система выдачи рекомендаций по модернизации установки для увеличения эффективности работы установки, изменение технологического режима установки, частичная замена внутренних составляющих установки и изменение путем полной замены технологических блоков или добавление новых технологических линий.
Применение таких подходов позволит увеличить эффективность решений по гравитационному отстою и достичь максимальной эффективности работы сепараторов.
Важно сделать акцент на необходимости формирования технического проекта и материального баланса с учетом результатов моделирования для максимизации эффективности работы сепараторов. Также необходимо уделить внимание формированию закупки на основе технического проекта.
Для оптимизации процессов проектирования и решения указанных выше проблем используются подходы цифрового моделирования, которые позволяют нам разработать эффективные решения. С помощью компьютерных программ и специализированных расчетов инженеры могут анализировать различные варианты конструкций внутренних устройств, оптимизировать их параметры и выбирать наиболее эффективное решение. Это позволяет сэкономить время и ресурсы на исследования и разработку, а также повысить качество и надежность сепараторов.
В пример приведем расчет эффективности разделения водонефтяной эмульсии в специализированном ПО Ansys Fluent для трехфазного сепаратора. Задачей является проверка эффективности сепарации водонефтяной эмульсии в нижней части сепаратора используя численный метод моделирования гидрогазодинамики.
Математическая модель сепаратора включала в себя следующие уравнения:
- дифференциальное уравнение Навье-Стокса в частных производных в качестве базового уравнения течения жидкости и газа;
- модель напряжений Рейнольдса для расчет турбулентных явлений;
- модель Шиллера Наумана для переноса импульса между фазами.
Расчет проводился на пространственной расчетной сетке.
Для решения дифференциальных уравнений использовался метод контрольного объема. В качестве разностной схемы использовался метод контрольно-разностной аппроксимации второго порядка точности.
В качестве численного метода решения уравнения Навье-Стокса использовался алгоритм Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations (SIMPLE), полунеявный метод для уравнений со связью по давлению.
Эффективность сепарации составила 99.1 %, что позволило в дальнейшем рекомендовать проведение модернизации аппаратов с аппаратурным оформлением: применение входного устройства, распределительных перегородок, коалесцера типа Plate-Pack и устройства промывки коалесцера.
По результатам моделирования был принят коалесцер с расстоянием между пластинами 15 мм, объем коалесцера должен составлять 14 м3.
Также требуется поддерживать уровень воды в емкости порядка 1,5 от нижней образующей сепаратора.
Рекомендуемое входное устройства – лопастного типа, но ввиду сложности изготовления был принят тип “half-open”, который имеет хорошие показатели работы со снижением импульса потока и низким перепадом давления.
Применение внутренних устройств емкостных аппаратов с учетом всех вышеописанных аспектов позволит значительно улучшить процесс разделения компонентов, повысить производительность, качество продукта и снизить затраты на его подготовку. Это не только способствует экономической эффективности процесса подготовки нефти и газа, но и сокращает негативное воздействие на окружающую среду за счет снижения выбросов и отходов.
Для улучшения процесса выбора и применения внутренних устройств необходимо проводить более глубокие исследования и разработки новых технологий. Также, следует улучшить методы расчета параметров внутренних устройств и оптимизировать их конструкцию для повышения эффективности работы.
Таким образом, внедрение всех этапов предложенных в статье подходов позволит улучшить процесс проектирования и оптимизации технологических решений, и минимизировать риски, связанные с недостаточностью исходных данных, что в конечном итоге приведет к повышению эффективности работы оборудования и установок. Только такой комплексный подход позволит добиться оптимальных результатов при проектировании технологических процессов.
Т.Байков, А. Ивашов ООО "ОЗНА-Инжиниринг"
