Връзка между температурите на флуида на дъното и устието на кладенеца в производствените кладенци, статия в списание
Категория: Инженерни науки
Библиографско описание:
Течността, влизаща в сондажа на реагиращия кладенец, започва да се охлажда поради значителната температурна разлика между образуванието и скалите, разположени отгоре. Мониторингът на термичното поле на резервоара чрез измерване на температурата на дъното на производствените кладенци е трудоемък поради необходимостта от повдигане на оборудване за периода на изследване. В същото време измерването на температурата на произведения флуид в устието на кладенеца не е трудно. Следователно е необходимо емпирично да се установи връзката между температурите на течността на дъното и устието на производствените кладенци [1–7].
От друга страна, като се има тази връзка, е възможно да се оцени средната стойност на температурата на маслото в кладенец или тръбна колона и да се изчисли вискозитетът от нея.
Температурата на дъното на отвора под входа на помпата може да се измери чрез понижаване на термометъра веднага след изваждане на помпеното оборудване от кладенеца. Дългият период на работа води до факта, че температурата на околните скали в непосредствена близост до сондажа ще съответства на температурата на течността на съответната дълбочина на сондажа. Промяната в температурата по време на повдигането на оборудването очевидно може да бъде пренебрегната.
Измерените по този начин температури на флуида в устието на кладенеца, както и под дълбочината на окачване на помпата в нереагиращите и реагиращите кладенци показват, че температурата на флуида в нереагиращия кладенец се променя малко - с 2-3 градуса. В същото време течното охлаждане е от съществено значение в реагиращия кладенец. Най-интензивното охлаждане е в дънната част на сондажа. Промяна на температурата на флуида в тръбите според измерените кривиможе да се приеме за линеен.
Зависимостта на температурата от дълбочината на кладенеца може условно да се раздели на два прави участъка: тръбопровода и участъка между входа на помпата и интервала на перфорацията.
С повишаване на температурата на течността в интервала на перфорация, скоростта на охлаждане на течността се увеличава както в дънната част на отвора, така и в тръбната колона. В същото време охлаждането на флуида в дънния участък е много по-интензивно поради по-ниската скорост на издигане на флуида и по-големия топлопренос на флуида към скалите при техния директен контакт.
В общия случай моделът на разпределение на температурата по дължината на сондажа в двете зони може да бъде представен схематично:
tu, tpr и tzab са температурите на устието на кладенеца, на входа на помпата и на дъното на отвора;
K1 и K2 са коефициенти, свързани съответно с тръбната колона и дънния отвор;
H е текущата дълбочина на кладенеца.
Обработката на резултатите от температурните измервания за редица кладенци даде възможност да се получат изрази за изчисляване на коефициентите K1 и K2:
, 0 S/m (2)
, 0 S/m (3)
Формули (2) и (3) са получени за температурни диапазони на дъното на отвора от 20 ÷ 42,5°C, дебит на сондажа 1,5 ÷ 3,6 m 3 /ден и водно съдържание на нефт 6 ÷ 38%. Грешката в изчисленията е 6,4%.
Чрез графично начертаване на серия от линии на разпределение на температурата по дълбочината на кладенците е възможно да се реши и обратната задача - да се изчисли температурата на дъното на кладенеца от температурата на течността в устието на кладенеца и дълбочината на закачалката на помпата.
Многобройни работи са посветени на въпроса за температурния режим на производствените кладенци (нефтени и хидротермални), в резултат на което се разглеждат различни аспекти на това сложно явление. Анализът на извършените проучвания показва, че изследването на топлинния режим на добивните кладенцие възможно не само аналитично, но и въз основа на обобщение на наличните експериментални данни. В резултат на аналитично изследване на този въпрос са получени значителен брой решения на уравнението на топлопроводимостта, описващо протичащите температурни процеси. по време на движението на продуктите по ствола на производствения кладенец.
В теоретичните изследвания се приема, че скалите в участъка на кладенеца са хомогенни и изотропни; скалите лежат хоризонтално, а топлопроводимите потоци в зоната на кладенеца са близки до радиалните, когато несвиваем флуид се движи в кладенеца с постоянен дебит и определени загуби от триене; няма фазови преходи и други процеси, свързани с освобождаване или поглъщане на енергия и т.н.
Независимо от това, всички аналитични решения, получени до момента, включват редица параметри, които са трудни за определяне, което значително намалява областта на възможното използване на тези решения на практика. Нека разгледаме накратко основните физически процеси, протичащи по време на движението на реалната продукция в кладенеца. Всъщност, въпреки факта, че по време на движението на реалното производство се отделя допълнителна топлина поради необратими загуби поради триене и кристализация на парафин и соли, както и поглъщане на топлина по време на освобождаването и разширяването на свободния газ, могат да се използват решения, които не отчитат тези явления, тъй като при нормална работа на кладенеца тези процеси в топлинния баланс на движещия се поток са практически компенсирани.
В процеса на движение на продукта от дъното към устието на кладенеца, неговата температура се променя поради пренос на топлина към тръбния низ чрез топлопроводимост в ламинарния граничен слой и чрез конвекция в турбулентното ядро. Освен това, в зависимост от характеристиките на ламинарния граничен слой и турбулентното ядропреносът на топлина също се променя. Тъй като преносът на топлина чрез конвекция протича несъизмеримо по-интензивно от топлопроводимостта, промяната на температурата във всяко напречно сечение на потока трябва да бъде незначителна, което се потвърждава от експериментални данни.
В ламинарния граничен слой, въпреки че се смята, че преносът на топлина се извършва чрез топлопроводимост, всъщност, поради свободната конвекция, се осъществява пренос на маса между успоредно течащи слоеве течност и преносът на топлина се увеличава, въпреки че остава значително по-нисък, отколкото в турбулентно ядро. Трябва да се подчертае, че интензивността на топлообмена в ламинарния граничен слой се определя не само от топлофизичните характеристики на движещия се поток и твърдата стена, но и от дебелината на ламинарния граничен слой, която зависи от диаметъра на тръбата, коефициента на хидравлично съпротивление и числото на Рейнолдс. Числото на Рейнолдс зависи от степента на смущение или стабилизиране на течащия флуид, произтичащо от външни причини, условията на движение на флуида в тръбата (колебателни процеси, местни съпротивления) и накрая, поради грапавостта на стените на тръбата, не само по отношение на нейния размер, но и под формата на вдлъбнатини и издатини. Може да се приеме, че има известна количествена разлика в процеса на пренос на топлина по време на движението на подобни флуидни потоци през тръби с различно качество на тяхната повърхност поради различна чистота на обработка или отлагания на твърда фаза.
За стационарната работа на добивния кладенец наистина могат да се направят следните допускания, които значително улесняват решаването на проблема, без да водят до значителни грешки [4]:
1. Кладенецът е вертикален.
2. Скалите около кладенеца са представени от неограничен масив.
3. Скалите са еднородни и изотропни.
4.Температурата на флуида в продуктивния хоризонт (температура на резервоара tm) е постоянна.
5. Пренебрегваме топлопроводимостта по оста на кладенеца, тъй като дебитът на течността е доста висок.
6. Пренебрегваме загубите на енергия поради триене и фазови преходи, тъй като комбинираното проявление на тези явления не нарушава топлинния баланс на движещия се поток.
За разглеждания проблем уравнението на топлопроводимостта се записва като [5]:
, (4)
къдетоT— температура, K;
h— вертикална координата, m;
v—скорост на флуида, m/s;
r —радиална координата (радиус), m;
a —коефициент на топлопроводимост, m 2 /s;
, (5)
λ— коефициент на топлопроводимост, W/m deg;
s —специфичен топлинен капацитет на флуида, J/kg deg;
ρе плътността на течността, kg/m 3 .
Тъй като се разглежда стационарен процес, първият член от лявата страна на (4) е равен на нула. Като вземем предвид това и направените предположения, пренаписваме (5), както следва:
. (6)
Всички известни решения на (6) могат да бъдат редуцирани до следната форма (до постоянен числов коефициент в последния член от дясната страна):
, (7)
къдетоtзаб—температура на дъното на сондажа (температура на резервоара), °С;
ω —геотермален градиент, deg/m;
q —обемен дебит, m 3 /s;
D —вътрешен диаметър на канала, m;
К —коефициент на топлопреминаване в кладенеца, W/m 2 град.
Умножете фактора пред скобите в третия член и степента в (7) по:
. (8)
Нека разширим експоненциалната функция в (7) в степенен ред и, ограничавайки се до първите три члена на разширението, получаваме:
. (9)
СЪСкато се вземе предвид (8), изразът (7) след необходимите редукции се редуцира до формата:
. (10)
Получената зависимост, като решение на уравнението на топлопроводимостта, може да се използва за изчисляване на разпределението на температурата по дълбочината на добивния сондаж.
Геотермалния градиентωможе да се изчисли по следната формула:
, (единадесет)
къдетоtpl,tns —, съответно, температура на резервоара и температура на неутрален слой, °С;
Нкп,Hns —съответно разстоянието от земната повърхност до покрива на продуктивния пласт и до неутралния пласт, m.
Температурата на неутралния слой за някои нефтени региони е както следва: Република Коми - 4°C; Западен Сибир - 5°С; Урал-Волга - 6 ° С; Белобългария и Украйна - 9°С; Краснодарска територия, Чечня и Ингушетия - 13,5 ° C; Азербайджан, Казахстан и Централна Азия - 16°C. Разстоянието до неутралния слой от земната повърхност варира от 20 до 40 m и може да се приеме средно за 30 m [7].
Хидродинамично и топлинно сходство на потоците е възможно, ако са изпълнени критериите на ReynoldsRe, PrandtlPrи NusseltNu
, (12)
, (13)
. (14)
Връзката на горните критерии се взема предвид от критерия StantonSt:
, (15)
къдетоvе скоростта на течността, m/s,
, (16)
μ— вискозитет на флуида, Pa s.
Замествайки (16) в (15), получаваме:
. (17)
Нека заменим част от втория член от дясната страна на израз (10) със съответната стойност (17) и запишем:
. (18)
Този израз е уравнението на разпределението на температурата по дълбочината на кладенеца в безразмерна форма.
В получените решения (10) и (18) коефициентът на топлопреминаване остава неизвестен.К.Този коефициент зависи от голям брой фактори, които не винаги могат да бъдат известни на практика. Въпреки голямото количество предимно аналитични изследвания, теренните инженери нямат прости и достатъчно точни препоръки за неговото определяне. В същото време, както се вижда от (18), обобщаването на температурните режими на производствените кладенци може да се извърши с помощта на критерия Stanton. Познаването на температурата не само във всяка точка на кладенеца, но дори и в устието на кладенеца при известна температура на дъното на кладенеца днес е от несъмнен практически интерес.
1. А. С. Казак, Технология и оборудване за експлоатация на кладенци с тежък високовискозитетен нефт, Тематика. научно-техн преглед: сер. Бизнес с нефтени находища. М.: ВНИИОЕНГ, 1979. С.44.
2. Рахматулин, В.Н. информирам. сб. М.: ВНИИОЕНГ, 1985. № 3. С. 15–16.
3. Сейтпагамбетов Ж. С. Геотехнически и термични методи за повишено нефтено извличане // Доклади на Международната научна конференция "Науката и образованието - водещ фактор в стратегията" Казахстан -2030 ". Караганда, 2000, с. 670–672.
4. Мишченко И. Т. Добив на нефт от кладенци. Москва, 2003 г.
5. Сахаров В. А., Мохов М. А. Хидродинамика на газово-течни смеси във вертикални тръби и полеви асансьори. Москва, 2004 г.
6. Shchurov V. I. Технология и технология на производството на масло. Москва, 2005 г.
7. Справочно ръководство за проектиране на разработването и експлоатацията на нефтени находища. Производство на масло. Москва, 2005 г.