Инновационные технологии электрообогрева для обеспечения бесперебойных процессов добычи и транспортировки нефти и газа

Обеспечение стабильной и непрерывной работы объектов нефтегазовой промышленности – важная и актуальная задача, решение которой в жестких рыночных условиях требует применения современных энергоэффективных технологий. Безусловно, одно из лидирующих мест в части создания оптимальных тепловых условий в работе предприятий нефтегазового комплекса занимают системы электрообогрева.

Среди широкого спектра задач, решаемых с их помощью, следует отметить профилактику образования асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) и гидратных пробок при добыче, компенсацию тепловых потерь и поддержание температуры продукции при транспортировке, хранении и переработке углеводородов и др. В предлагаемом материале российская компания «ССТэнергомонтаж», мировой поставщик комплексных решений в области электрообогрева, представляет обзор ряда современных технологий собственной разработки: систему Stream Tracer™ для борьбы с осложнениями в нефтяных скважинах и системы ИРСН–15000 и VeLL для обеспечения заданной температуры продукции при транспортировке нефти и газа по трубопроводам на средние и сверхдлинные расстояния.

Ключевые слова: предотвращение образования парафинов и газовых гидратов в процессе добычи и транспортировки нефти и газа, высоковязкие нефти, система электрообогрева скважин для защиты от образования асфальтосмолопарафиновых отложений Stream Tracer™ IT, система на основе скин-эффекта ИРСН-15000 для обогрева трубопроводов, система обогрева сверхпротяженных трубопроводов VeLL, гибкий распределенный индукционно-резистивный нагреватель на основе скин-эффекта, индукционно-резистивная система ИРСН-15000 (скин-система), трубчатый индукционноно-резистивный нагреватель (ИРН), саморегулирующийся нагревательный кабель.

Непрерывность технологических процессов и надежность оборудования, используемого в сложных условиях для добычи и транспортировки нефти и газа, оказывают значительное влияние на технико-экономические показатели работы производственных объектов и нефтегазовой инфраструктуры.

Большая часть российских запасов углеводородов залегает в широтах Арктики, на Дальнем Востоке и в Сибири, где климатические условия делают извлечение нефти и газа амбициозной технической задачей. Отрицательные температуры северных регионов предъявляют особые требования к поддержанию реофизических свойств продукции и повышают вероятность возникновения осложнений при добыче, транспортировке и переработке сырья. Одной из характерных сложностей является образование асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в насос но-компрессорных трубах (НКТ) скважин и трубопроводах при межплощадочной и магистральной транспортировке. Среди наиболее эффективных способов предупреждения осложнений и обеспечения непрерывности технологических процессов – компенсация тепловых потерь и поддержание оптимального температурного интервала за счет использования энергоэффективных источников тепла и систем на их основе [1]. Увеличение доли месторождений России, содержащих тяжелые и высоковязкие сорта нефти, делает особо актуальной задачу повышения температуры поддержания в связи с интенсивным парафинообразованием и ростом вязкости извлекаемых углеводородов.

Отвечая на актуальные вызовы промышленности, Группа компаний «Специальные системы и технологии» (ГК «ССТ») в течение вот уже 30 лет разрабатывает комплексные решения в области электрообогрева для нефтегазовой отрасли. Инжиниринговая компания «ССТэнергомонтаж» (входит в Группу компаний «Специальные системы и технологии»), ведущий поставщик комплексных решений в области электрообогрева, осуществляет весь комплекс работ по установке систем электрообогрева на промышленном объекте: от проектирования, производства, доставки, установки до сервисного и гарантийного обслуживания.

С момента основания компании удалось реализовать тысячи проектов, задачей которых являлось поддержание заданной температуры извлекаемого и перекачиваемого продукта. Некоторые из наиболее востребованных систем рассмотрим подробнее.

Обеспечивая потребности нефтегазовой отрасли в решении задач в рамках полного цикла производства – от добычи до переработки, научно-технический центр ГК «ССТ» разработал уникальные продукты:

• систему электрообогрева скважин для защиты от образования асфальтосмолопарафиновых отложений Stream Tracer™ IT;
• систему на основе скин-эффекта ИРСН-15000 для обогрева трубопроводов средней и высокой протяженности;
• систему обогрева сверхпротяженных трубопроводов VeLL.

Stream Tracer™ – инновационная энергоэффективная технология, разработанная командой специалистов ГК «ССТ» специально для предотвращения образования таких осложнений, как парафины и газовые гидраты, возникающих в процессе добычи и транспортировки нефти и газа.

Технология Stream Tracer™ основана на управляемом поддержании температуры жидкости в насосно-компрессорной трубе выше температуры начала выделения парафиновых соединений, смол и асфальтенов, растворенных в нефти, в виде твердых углеводородов, осаждающихся на внутренней поверхности нефтепромыслового оборудования.

Основным компонентом системы электрообогрева скважин Stream Tracer™ IT является запатентованный инновационный гибкий распределенный индукционно-резистивный нагреватель на основе скинэффекта. Нагреватель предназначен для размещения внутри колонны НКТ по коаксиальной схеме (рис. 1) и представляет собой сложное электротехническое устройство, обладающее улучшенной теплоотдачей, сниженной тепловой нагрузкой на электропроводящие жилы и повышенной гибкостью.

В отличие от традиционно применяемых резистивных нагревательных кабелей, в которых тепловыделение происходит непосредственно в токопроводящих жилах, закрытых слоем электроизоляции, выступающей в том числе в роли теплоизоляции, в нагревателе Stream Tracer™ до 60 % тепла выделяется во внешнем коаксиальном проводнике с оболочкой из полимерного материала. Это повышает теплоотдачу во флюид и снижает тепловую нагрузку на центральный проводник, за счет чего нагреватель Stream Tracer™ характеризуется улучшенным распределением тепловыделения не только в радиальном, но и в осевом направлении.

Гибкий распределенный индукционно-резистивный нагреватель на основе скин-эффекта имеет зоны повышенной и пониженной мощности, что позволяет оптимизировать распределение тепловыделения под условия конкретной скважины, выбрать наиболее подходящую длину нагревательного кабеля и тем самым добиться неравномерного распределения тепловыделения по всей длине нагревателя в колонне НКТ. Это гарантирует поддержание температуры флюида выше точки парафинизации с учетом тепловых условий грунта и конструкции скважины, свойств газожидкостной смеси и других характеристик режима работы скважины. Одним из главных преимуществ нагревателя с переменной по длине мощностью является снижение перерасхода электроэнергии, затрачиваемой на обогрев скважины.

В результате использования Stream Tracer™ IT увеличивается температура флюида на устье, отсутствуют отказы глубинного насосного оборудования из-за образования АСПО, исключаются регламентные работы по депарафинизации скважин с помощью скребкования, промывок горячей водой или нефтью. Таким образом, применение системы электрообогрева скважин Stream Tracer™ IT позволяет обеспечить непрерывность добычи, сократить затраты на предотвращение парафиновых отложений, снизить вязкость добываемой жидкости, повысить технико-экономические показатели работы скважины, а также существенно сократить трудозатраты.

Все решения «ССТэнергомонтаж» имеют доказанную экономическую эффективность. Система обогрева скважин Stream Tracer™ IT по итогам опытно-промысловых испытаний на Казаковском месторождении ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» продемонстрировала на 50 % меньшее потребление электроэнергии по сравнению с аналогичными системами на основе резистивных нагревательных кабелей. В настоящий момент Stream Tracer™ проходит опытно-промышленное внедрение на месторождениях с высокопарафинистыми нефтями с содержанием парафинов, смол и асфальтенов до 20 %.

Немаловажная задача – транспортировка нефтепродуктов в усло виях минимизации гидродинамических нагрузок, что также обеспечивается оптимальным температурным режимом непрерывной работы.

Высокоэффективным способом обогрева трубопроводов средней протяженности, реализуемым компанией «ССТэнергомонтаж», является использование индукционно-резистивной системы обогрева, основанной на использовании скин-эффекта.

Принцип работы индукционно-резистивной системы ИРСН15000, называемой также скин-системой, состоит в следующем. Нагревательный элемент, размещенный вдоль всей длины трубопровода, выполнен в виде коаксиальной линии, состоящей из индукционно-резистивного проводника (ИРП), свободно помещенного внутри трубчатого индукционно-резистивного нагревателя (ИРН), выполненного в виде ферромагнитной трубы (рис. 2). Питающее напряжение прикладывается между ИРП и ИРН. На дальнем конце линии ИРП и ИРН закорачиваются. За счет этого токи в ИРП и ИРН текут навстречу друг другу [10]. Вследствие взаимного влияния протекающих токов происходит вытеснение тока в трубе ИРН к внутренней поверхности и проявляется поверхностный эффект, или скин-эффект, т.е. ток протекает не по всей толщине стенки трубы, а в тонком поверхностном слое, прилегающем к внутренней поверхности стенки. При протекании тока в обоих проводниках выделяется тепло. При надлежащем конструировании системы до 60–80 % тепла выделяется в ИРН и только 20–40 % в ИРП [2]. Как результат, тепловой режим работы ИРП, проходящего внутри ИРН, не вызывает его существенного перегрева, что служит фундаментом высокой надежности системы [5, 6].

Скин-системы, предназначенные для поддержания технологических температур при транспортировке нефти, газа и других жидкостей по трубопроводам средней протяженности, состоят из нагревательного элемента, терморегулирующего оборудования, линий электроснабжения с источником питания, шкафа управления, а также крепежных аксессуаров (см. рис. 2).

Отличительными особенностями скин-системы являются электрическая безопасность (отсутствие потенциала на внешней поверхности ИРН), высокая механическая прочность и надежность, высокие температуры поддержания, а также возможность обогрева до 30 км трубы при подаче питания из одной точки запитки [3, 7]. Высокая удельная мощность системы (до 170 Вт/м) совместно с механической прочностью ИРН и повышенной теплостойкостью ИРП позволяют эксплуатировать ИРСН–15000 в самых жестких условиях [8]. В настоящее время скин-системы производят всего четыре компании в мире. Среди них единственный российский производитель – «ССТэнергомонтаж».

Специально для обогрева сверхдлинных трубопроводов была разработана система VeLL, в основе которой лежат специальные кабели постоянной мощности на напряжение до 10 кВ. Система позволяет обогревать трубопроводы длиной до 150 км без сопроводительной сети. При общей простоте монтажа решение очень экономичное благодаря конструкции из нескольких тепловыделяющих кабелей. Максимальная рабочая температура составляет до +200 °С при мощности обогрева до 100 Вт/м [4].

Высокая востребованность современных технологий обогрева и решений на их основе для трубопроводов средней и высокой протяженности в нашей стране продиктована не только суровыми климатическими условиями, в которых располагаются объекты нефтегазотранспортной инфраструктуры, но и значительными расстояниями транспортировки. С учетом отсутствия в регионах прокладки трубопроводов энергосети возможность обогрева участков трубопроводов до 30 км и 150 км системами ИРСН–15000 и VeLL соответственно из одной точки подвода питания обеспечивает минимизацию капитальных затрат на проектирование, строительство и эксплуатацию.

Среди обширного перечня внедряемых технологий и продуктов «ССТэнергомонтаж» стоит отметить специальные решения для внутриплощадочных трубопроводных систем, особенность которых заключается в их разветвленности и разнообразии по размерам и длине. Разветвленная сеть трубопроводных линий, имеющих повышенное число локальных гидравлических сопротивлений на единицу длины в виде сложной геометрии, запорной арматуры, точек контроля и т.п., особенно чувствительна к соблюдению температурных технологических режимов. Для обогрева внутриплощадочных трубопроводов широко используются системы обогрева на основе саморегулирующихся нагревательных кабелей.

Принцип работы саморегулирующегося нагревательного кабеля основан на тепловыделении в матрице, изготовленной из специального электропроводящего компаунда. Компаунд – композиционный материал, состоящий из полимерной основы и наполнителей. Матрица на основе такого компаунда обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления. За счет этого достигается эффект саморегулирования: при росте температуры компаунда его сопротивление растет, а вместе с ростом сопротивления падает выделяющаяся тепловая мощность [9]. Изделие постоянно находится в тепловом взаимодействии с окружающей средой, меняя свои электрические свойства (рис. 3) в соответствии с условиями, в которых находится кабель.

На сегодняшний день Группа компаний «Специальные системы и технологии» является единственным российским производителем саморегулирующихся нагревательных кабелей полного цикла.

Продукция компании выпускается во взрывозащищенном исполнении, что особо важно для нефтегазовых объектов, и соответствует российским и международным стандартам, таким как ТР ТС 012, IECEx, ATEX, VDE, ISO 9001:2015. Собственные производственные мощности, научно-исследовательский центр и глубокая техническая экспертиза специалистов «ССТэнергомонтаж» позволили компании реализовать свыше 20 000 проектов для «Газпрома», «ЛУКОЙЛа», «Роснефти», Total и других компаний. Являясь крупнейшим в Европе производителем систем электрообогрева и вторым в мире, компания имеет огромный опыт внедрения систем электрообогрева под ключ. Среди успешных кейсов «ССТэнергомонтаж» – крупные нефтегазовые месторождения Сибири и Дальнего Востока, такие как Бованенковское, Чаяндинское, Заполярное, Ямбургское и многие другие.

«ССТэнергомонтаж» прошла процедуру вендор-листинга и включена в списки проверенных поставщиков систем электрообогрева крупнейших международных компаний, выполняющих проекты в нефтегазовой отрасли, среди которых WorleyParsons, Petrofac, Total, Technip, Linde и др.

ВЫВОДЫ

Представленные разработки ООО «ССТэнергомонтаж», в основе которых лежат уникальные технические решения, обеспечивают высочайшие эксплуатационные характеристики при внедрении на объектах нефтегазовой отрасли.

По итогам эксплуатации наших систем на объектах нефтяных и газовых компаний можно с уверенностью заключить, что применение инновационных решений позволяет снизить затраты на борьбу с осложнениями не только за счет снижения энергопотребления, но и благодаря отсутствию остановок технологических процессов наряду с отсутствием необходимости дополнительного отвлечения ресурсов заказчика.

Компания «ССТэнергомонтаж» готова обеспечить не просто поставку систем электрообогрева, а комплексную реализацию проекта с выполнением монтажных, шефмонтажных и пусконаладочных работ, обеспечивающих вывод на заданный проектом тепловой режим.