Скважинная установка «Байкал»: водородные технологии на службе нефтегаза
Водородная энергетика — мировой тренд, и всё больше стран рассматривает водород как источник дешёвой и чистой энергии.
Собственные разработки по созданию водородных топливных элементов есть и в России. Один из проектов реализуют в Институте нефти и газа Сибирского федерального университета. Совместно с технологической компанией «Сидера» в Институте нефти и газа СФУ работают над скважинной установкой «Байкал», которая может использоваться для очистки скважин от гидратов и увеличения нефтеотдачи. Её главная особенность — применение в качестве источника энергии водородных топливных элементов.
Портал nprom.online ознакомился с возможностями технической новинки и оценил перспективы использования водорода в нефтегазовой промышленности.
Возможности скважинной установки «Байкал»
Очистка скважины от гидратов и парафинов, разжижение вязкой нефти и увеличение нефтеотдачи — вот возможности собранной в СФУ установки «Байкал». Внешне она представляет собой длинную железную трубу: все элементы, которые обеспечивают полезные функции конструкции, спрятаны внутри.
В трубе размещены различные насадки, мультипликатор и генератор, который может работать и от свободного потока жидкости в скважине, и от топливных водородных элементов. Насадки обеспечивают многофункциональность прибора.
Для очистки скважины от гидратов и парафинов используется растеплитель. На образования на стенках скважины воздействуют высокой температурой, а потом промывают её. В стандартном варианте это проводится за несколько спуско-подъёмных операций. В эксперименте с установкой «Байкал» на Ярактинском НГКМ в Иркутской области процесс занял всего 2,5 дня, рассказывает директор Института нефти и газа СФУ Роман Аюпов.
«Дебит скважины был порядка 2–3 м3 — мы увеличили до 20–22 м3, причём это долгоиграющий эффект. Вообще, одна спуско-подъёмная операция проводится примерно 2–3 суток, а их [операций] обычно нужно 5–7, т. е. стандартным методом эта работа ведётся больше 20 дней. Мы же справились в течение 2,5 дней», — рассказывает об итогах эксперимента учёный.
Такая экономия позволяет сократить расходы на проведение работ на скважине и освободить бригады капитального ремонта для других участков.
Использовать скважинную установку «Байкал» можно не только для очистки стенок скважины. В СФУ для неё сделаны ультразвуковая и СВЧ-насадка. Обе позволяют повысить нефтеотдачу, но вторая работает исключительно с вязкой нефтью.
«Мы можем подключить ультразвуковую насадку и воздействовать на зону кольматации — область пласта, которая содержит нефть. Это один из методов увеличения нефтеотдачи, когда мы наращиваем процент нефти в самом флюиде. Можем подключить установку с СВЧ-излучателем и разжижать нефть на очень сложных месторождениях, где она высоковязкая, отсюда — разрабатывать месторождения, где достаточно сложно добывать нефть традиционными способами», — рассказывает директор Института нефти и газа.
Сейчас в вузе разрабатывают ещё одну установку для предотвращения растепления в вечной мерзлоте. Для скважин процесс опасен тем, что вызывает смещение и разрушение участков обсадной колонны.
Проектом уже заинтересовалась одна крупная нефтедобывающая компания, и к концу 2024 года новый функционал установки рассчитывают опробовать в условиях реального месторождения.
«Это такой “холодильник наоборот”. За счёт энергии потока скважины — там идёт тёплая жидкость — мы генерируем холод и обращаем его обратно в землю. Таким образом, грунт замерзает в нужных участках, не происходит никакого движения обсадной колонны. Мы разработали устройство, провели научно-исследовательскую работу, доказали эффективность за счёт модели, 3D-моделирования, прототипирования и сейчас выходим на технический проект», — поделился планами Роман Аюпов.
Работать с отдельными участками скважины позволяет разработанный в Сибирском федеральном университете пакер: им можно отсечь отрезок скважины, чтобы точечно работать на нём — очистить от парафинов или провести другие работы с интервалом продуктивного пласта.
Использовать скважинную установку «Байкал» можно за счёт свободного потока жидкости в скважине. Однако этот способ подходит для простых случаев. Для сложных, когда нужно больше энергии, в трубу включают секции с водородными топливными элементами.
«Спускаем без кабелей, внешних источников питания на глубину до 10 км и проводим там работы. Фактически это гидроэлектростанция внутри скважины. С водородными элементами мы можем работать на очень сложных участках скважин, которые мы по каким-то причинам запустить не можем. Это могут быть, например, аварийные скважины», — разъясняет Роман Аюпов.
Использование водорода: топливо и не только
Над созданием топливных водородных элементов в Институте нефти и газа СФУ работают вместе с технологической компанией «Сидера». В результате научного сотрудничества удалось создать полностью отечественный водородный топливный элемент. За границей произведены только болты крепления. Ему можно придать различную форму и фактически неограниченную мощность, главное — иметь место для размещения водородного генератора. В установке «Байкал» используются топливные элементы, которые могут использоваться как внешний или внутрений источник питания в зависимости от сложности поставленной задачи.
Мощность демонстрационной установки — 75 кВт, но по сравнению с дизельными генераторами той же мощности прибор весьма компактный: не только разместить водородный топливный элемент, но и поставить рядом бак с топливом можно на обычном письменном столе.
Как рассказывает руководитель технологической компании «Сидера» Владимир Седов, это вторая модификация топливного водородного элемента. Он адаптирован к условиям Арктики — работает при экстремально низких температурах.
«Мы изменили в рамках химического состава абсолютно всё: состав катализатора, мембраны и способ её армирования, потому что для условий ниже –40 °С все прежние решения не работают. Мы начали разбираться почему, выяснили и стали менять. Даже в газодиффузионном слое (это, казалось бы, бумага, ткань, на которую наносятся катализаторы) пришлось искать другой состав нити. Ну и сами пластины изменены в рамках составов. Металл оболочки ящика тоже иной. Единственное, что осталось прежним, — это крепления», — рассказывает Владимир Седов.
Потенциал применения водородных топливных элементов не ограничивается только скважинную установкой «Байкал». Энергию водорода можно использовать, например, для подогрева буровых растворов в условиях Арктики, можно применять водородные генераторы в качестве автономного источника энергоснабжения. Однако основные перспективы водорода связаны с использованием в качестве топлива для транспорта.
Эксперименты по созданию полностью российского топливного элемента в Институте нефти и газа СФУ как раз и начались с автотранспорта. Результатом работы учёных стала переоборудованная «Тесла»: в багажник поместили первую модификацию водородного топливного элемента, который стал питать батарею, а при необходимости и напрямую электродвигатель. В итоге запас хода вырос, а машина получила возможность работать в мороз.
«Здесь есть штатный аккумулятор на 75 кВт. Летом его хватает километров на 400–450, а с нашим топливным элементом — уже более чем на 1 000. Но главное достижение: зимой аккумулятора стало хватать на 800–850 км, притом что обычно запас хода составляет где-то 250 км. Электроэнергия может направляться на батарею, заряжая её, например, при просадке в 50%. Её также можно направлять на электромотор. Если мы попадём в суровые условия (–65 °С, например), батарея умрёт в течение нескольких минут: она замёрзнет и перестанет отдавать электроэнергию. Здесь — наш топливный элемент. Две кнопочки — и всё: он подаёт электроэнергию на электромотор, и машина спокойно едет», — рассказывает Владимир Седов.
Решение подходит не только для легковых автомобилей. Водородные топливные элементы можно установить на грузовик, самоходную платформу, водный транспорт, локомотивы и любую другую технику.
Использование водорода, как никому другому, подходит именно нефтегазовым компаниям, считает директор «Сидеры». Есть различные технологии получения водорода, и часть их них подходит для использования прямо на месторождениях. Водород может стать топливом для техники, а также заменить дизельное топливо в автономных источниках энергоснабжения. Такой подход помогает также снизить плату за негативное воздействие на окружающую среду.
«Утилизируем попутный нефтяной газ и получаем водород методом паровой конверсии. Очищаем его окончательно, и это уже топливо. И оно значительно ниже других доступных на месторождении видов топлива. Более того, за счёт утилизации ПНГ снижается ещё и плата за негативное воздействие на окружающую среду», — поясняет Владимир Седов.
Однако есть необходимость в дополнительных мерах поддержки перехода на чистое топливо: российских технологий в высокой степени готовности мало, а отечественных проектов с серийным производством полного комплекса оборудования для водородной энергетики практически нет. Сейчас работа активно ведётся в области стандартизации водородных технологий, отмечает руководитель научно-производственного центра компании «Сидера» Института нефти и газа Дмитрий Морозов.
«Сейчас проводится большая работа по стандартизации именно российской водородной промышленности, и мы активно в неё включены. Из 29 стандартов, задачи по которым сейчас существуют, мы занимаемся работой над 19-ю. Это достаточно масштабная работа, затрагивающая огромный спектр оборудования, технологий и применяемых решений », — говорит Дмитрий Морозов.
Сейчас специалисты «Сидеры» и СФУ работают над компактными топливными водородными элементами для беспилотников. Потенциал их использования они видят в том числе для геологоразведки на арктических территориях.
Что касается производственных проектов, в этом году планируется серийный выпуск водородных топливных элементов для транспорта и установки «Байкал».
