автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Энергосберегающие режимы пульсационной очистки нефтяных скважин жидкофазными реагентами

На правах рукописи

005003546

Богданова Наталия Владимировна

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ ПУЛЬСАЦИОННОИ ОЧИСТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН ЖИДКОФАЗНЫМИ РЕАГЕНТАМИ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Казань-2011

005003546

Раоота выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический

университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гильфанов Камиль Хабибович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зиннатуллин Назиф Хатмуллович

доктор технических наук, профессор Розенцвайг Александр Куртович

Ведущая организация:

ЗЛО «Татойлгаз», (г. Альметьевск)

Защита состоится 15 декабря 2011 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории Д-223 на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу г. Казань, ул. Красносельская, д. 51.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим присылать по адресу: 42006, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.02, проф. Зверевой Э.Р.

Тел.:519-42-53, факс (843) 519-42-54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного энергегтического университета.

С авторефератом можно ознакомиться на сайте КГЭУ:.http://www.k-geu.ru

Автореферат разослан «15» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.х.н., профессор

Э.Р. Зверева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ -

Актуальность темы

Добыча нефти характеризуется значительными энергетическими затратами. Одновременно растут и финансовые затраты, что отражается на стоимости конечного продукта для потребителей. В качестве причин повышения энергозатрат можно указать множество факторов. Основными являются отложение асфальтеносмолопарафинистых веществ и минеральных осадков на стенках коллектора, что приводит к ухудшению его фильтрационных свойств, сосредоточение нефти повышенной вязкости в мелких порах пластов, потеря пластовой жидкостью ньютоновских свойств и рост на несколько порядков ее вязкости из-за кольматации (образования пространственных сеток в пластовом флюиде) и др.

> Для увеличения длительности эксплуатации действующих скважин, восстановления неработающих чаще всего применяют обработку призабойной зоны нефтяного пласта и скважины, которая требует значительных затрат энергии и вносит существенную составляющую в стоимость добычи нефти.

Гидроимпульсная обработка призабойной зоны, представляющая собой неразрушающее воздействие на скважину и пласт низкочастотными пульсациями флюида, характеризуется высокой нестационарностью процессов. Эти процессы сопровождаются одновременным воздействием на пограничные слои ряда возмущающих факторов, таких как геометрия канала, состояние его стенок, особенности развития потока, температурная неоднородность, градиент давления, переменные кинематические и тепловые параметры и др. Они в нестационарных условиях приводят к значительным изменениям структуры потока, к нелинейности процессов, протекающих в нем. В таких условиях применение принципа суперпозиций отдельных возмущений становится невозможным и расчет энергетических потерь (трения и теплообмена) неизбежно будет сопровождаться с существенными ошибками.

Наиболее ответственным и трудным этапом исследований и расчетов нестационарных процессов является рациональное построение математических моделей. Математические трудности заключаются в нелинейности дифференциальных уравнений в частных производных. Краевые условия, необходимые для решения этих уравнений, являются сложными функциями времени.

Широкое распространение при изучении сложных явлений получили параметрические методы расчета пограничного слоя с применением полуэмпирических моделей турбулентности, которые успешно используются при исследовании нестационарных течений. Суть метода заключается в том, изучается влияние конкретного воздействия на законы переноса массы, кинематические, тепловые и интегральные характеристики пограничного слоя и течения в целом, с дальнейшим синтезом явления.

Цель диссертационной работы

Снижение энергозатрат на прокачку и подогрев флюида при пульсационной очистке нефтяной скважины. Разработать оптимальный

~ г

гидродинамический режим на основе нестационарного метода расчета логе давления за счет пристенного трения при пульсационной обработке.

Задачи исследования:

1. Создать математическую модель нестационарного течения теплообмена в скважине.

2. Разработать алгоритм и программу расчета трения, теплообма кинематических, тепловых и интегральных характеристик потока в услави внутренней задачи, реализовать численный эксперимент по влияш нестационарности на основные параметры потока.

3. Определить пульсации скорости потока и пульсационш коэффициент гидравлических сопротивлений в трубах.

4. Оценить влияние режима очистки нефтяной скважины на урове энергетических затрат.

Научная новизна

Разработана двумерная математическая модель нестационарного течен и теплообмена в скважине на основе законов сохранения в приближен пограничного слоя. Составлена программа расчета трения, кинематических интегральных характеристик потока в трубчатом и кольцевом канале. Провед численный анализ по влиянию нестационарности на основн гидродинамические и тепловые параметры потока. Проведен анал пульсационных характеристик течения в трубах по продольной координате.

Определены гидромеханические и энергетические характеристи потока, в том числе участки гидродинамической стабилизации, в трубчатом кольцевом канале при различных режимах очистки нефтяной скважины. Да оценки погрешности расчета потерь давления за счет пристенного трения стационарным, квазистационарным и нестационарным методикам.

Выявлены и проанализированы энергосберегающие режи пульсационной очистки нефтяных скважин.

Практическая ценность работы

Предложен и реализован метод расчета гидродинамической и теплов структуры потока, потерь давления в нефтяной скважине в услови гидродинамической нестационарности при пульсационном воздействии призабойную зону скважины для оценки энергетических затрат. Созда программа расчета трения, кинематических и интегральных характерист потока, потерь давления в трубчатом и кольцевом канале, позволяющая точн выбирать наименее энергозатратные режимы работы при пульсационн обработке призабойной зоны нефтяных скважин. Получены расчетные данн для выбора конкретного технологического оборудования. Предлож энергосберегающий режим пульсационной очистки нефтяной скважины.

Достоверность результатов обеспечивается адекватност математической модели на базе теории пограничного слоя, согласовани результатов расчета с данными полученными по разным методикам.

Диссертация соответствует формуле специальности 05.14.04 промышленная теплоэнергетика «...поиск структур и принципов действ

теплотехнического оборудования, которые обеспечивают сбережение, энергетических ресурсов, уменьшение энергетических затрат на единицу продукции, сбережение материальных ресурсов, направляемых на изготовление теплопередающего и теплоиспользующего оборудования, защиту окружающей среды, области исследований - разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках.

Автор защищает

Математическую модель, отличающуюся нестационарными компонентами; компьютерную программу расчета параметров течения и теплообмена в условиях внутренней задачи; результаты численного эксперимента по влиянию нестационарности на характеристики потока и теплообмен; расчетные данные г.о пульсациям скорости потока в трубах по продольной координате и пульсационного коэффициента гидравлических сопротивлений, результаты моделирования течения в нефтяной скважине при гидроимпульсном воздействии на призабойную зону, данные по оценке влияния режима очистки нефтяной скважины на уровень энергетических затрат.

Личное участие

Все основные результаты работы получены лично автором под научным руководством д-ра техн. наук профессора Гильфанова К. X.

Реализация результатов

Программа расчета использована в ОАО «ТАТНИИНЕФТЕМАШ», г. Казань, для определения характеристик потока и теплообмена при пульсационной обработке нефтяной скважины, о чем имеется соответствующий акт.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на I Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», 2006 г.

на IX аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2006 г.

- на II Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», 2007 г.

- на Международной научно-технической конференции КГЭУ, 2007 г.

на III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения, посвященной 40-летию КГЭУ», 2008 г.

- на конференции «Энергетика-2008: Инновации, решения, перспективы» КГЭУ, 2008 г.

- на IV молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» КГЭУ, 2009 г.

- на XIII аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2009 г.

- на X аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2010 г.

- на семинарах кафедры АТПП.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах, из них 2 - статьи в центральных журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа изложена на 172 страницах, содержит 62 рисунка, 2 таблицы и 1 приложение. Список литературы насчитывает 183 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан обзор работ по теме диссертации, отмечен ряд неразрешенных на данный момент вопросов выбора эффективного и энергосберегающего метода воздействия на призабойную зону скважины с целью активации массообменных процессов и восстановления рабочего дебита скважины и проницаемости пласта. Рассмотрены режимные методы интенсификации, заключающиеся в изменении гидродинамических условий и режимов течения жидкостей в каналах, а также проведен анализ нестационарных турбулентных потоков. При расчете пристенного трения в нестационарных условиях возникают проблемы с выбором параметров, учитывающих гидродинамическую несггационарность. Квазистационарный метод расчета / коэффициента гидравлического сопротивления трения в нестационарных условиях может нести в себе значительную погрешность. Двух- и трехмерные модели расчета гидромеханики потоков являются более корректными, чем одномерные модели. Математическое описание поверхностного трения при наличии нестационарности требует наличия функциональных зависимостей для

гидродинамических параметров поперек пограничного слоя. В нестационарных условиях возможна потеря как ламинарной, т&к и турбулентной устойчивости течения при относительно небольших изменениях чисел Рейнольдса.

Во второй главе проводится математическое

Рис. 1. Схема течения в закрытом канале

моделирование нестационарного течения и теплообмена в каналах. Целью моделирования является определение профилей скорости, локального коэффициента трения, участков гидродинамической стабилизации, потерь давления за счет пристенного трения для оценки энергоэффективности при различных режимах процесса.

Рассматривается нестационарное движение однофазного несжимаемого потока в осесимметричном канале. Нестационарность течения является ■ результатом изменения расхода по заданному закону. Расход жидкости на входе в канал меняется во времени. Профили скоростей осесимметричны. Уравнения пограничного слоя неразрывности, количества движения в нестационарной постановке записываются в форме интегральных соотношений сплошности

4ЯЯе** = Яео1(^о -1); (1)

движения

с!1У0 <17.

Ке,

01

сг

+р

4 Н

энергии

IX Кеш

М,

Уравнения (1 - 3) являются нелинейными и могут быть решены численным методом по координате если определены их правые части. Правые части полученных уравнений

определяются, если известны

относительные законы переноса импульса при соответствующих влияющих факторах.

Законы трения, теплоотдачи и диффузии получены на основе параметрических методов, разработанных Кутателадзе С.С. и Леонтьевым А.И.. Метод основан на изучении влияния на процессы в пограничном слое каждого отдельного возмущающего фактора с последующим исследованием их совместного влияния и установления функциональных связей между ними.

В основу модели положена двухслойная схема пограничного слоя

2м>т М

(2)

(3)

( шм

зтт

dtf.cN. т.'; 6, Ювк* 1

(»• ал* айеь

ПЕЧАТЬ ТВММХ ПЛРАКЕТТОВ

Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета нестационарной гидродинамики и теплообмена

(рис. 1), состоящая из турбулентного ядра (у\ < у < 6)' и вязкого подслоя (0<д'<>'|). Используя гипотезу Прандтля о распределении по пограничному слою касательных напряжений получим соотношение для коэффициента трения

#772 = 0-,уЩ^-; (4)

аналогично находим число Стантона

= (5)

V2 /^.Ьй,

а нижние пределы интегрирования определяются из условия сопряжения логарифмической (для турбулентной части пограничного слоя) и линейной (для ламинарной части пограничного слоя) областей профиля скорости.

Распределение касательных напряжений в пограничном слое задаются полиномами Федяевского К.К. и Фафурина A.B.

В рамках принятой модели воздействие на поток различных факторов, в том числе гидродинамической нестационарности, учитывается параметром

трения xw, который представляет собой комплекс

T^A+y + ß + Я, (6)

ГD

2 5

гдеу =--у g, - параметр продольного градиента гидростатического

С/ wr0

2 5 9w 0

давления; ß =------— - параметр гидродинамическои нестационарности;

Су мС0 dt

. 2 6

А, =----— - параметр продольного градиента давления.

С/ &

Формула (6) позволяет провести системный анализ как отдельного, так и совместного влияния различных факторов на поток. Так, замедление во

времени потока характеризуется положительными р, ускорение в пространстве

_ 1

- отрицательными к, а знак и значение параметра трения определяется

соотношением модулей параметров у, и X.

Численное интегрирование уравнений (1-3) совместно с соотношениями (4-5) при граничных условиях позволяет найти распределение всех кинематических, интегральных характеристик и коэффициента трения. Численное интегрирование проводился методом Рунге-Кутта.

Алгоритм расчета гидродинамических характеристик, представленный на рис. 2, состоит из следующих блоков:

• начальные (НУ) и граничные условия (ГУ);

• закон трения;

• интегрирование системы дифференциальных уравнений (ИСДУ).

В качестве начальных и граничных условий задаются следующие

параметры на входе в канал: (2=0, Ле" - Ке0]*\ гоь и'0], Т0|, на стенке Г,, = Ту,о-

8

Граничные условия задачи с течением времени меняются и представлены в виде функций С01 = /оКО, 7* = /»(•?)• Блок начальных и граничных условий содержит процедуры расчета теплофизических свойств жидкости.

Для итеративного определения коэффициента трения необходима первоначальная исходная информация по характеристикам пограничного слоя, которые задаются для "стандартных" течений (обтекания пластины) согласно работам Кутателадзе С.С. и Леонтьева А.И.

На рис. 3-4 представлены результаты расчета влияния нестационарности на толщину вязкого подслоя и интегральные характеристики теплового пограничного слоя, которые определяют кинематическую и тепловую структуру пограничного слоя.

Характер изменения данных величин позволяет сделать вывод о существенном влиянии нестационарности на параметры границы вязкого

подслоя. В замедленных течениях т № > 0 увеличение 6,1 с одновременным уменьшением м>1 приводит к понижению градиента скорости в пристеночной области и касательных напряжений на стенке канала т, что влечет за собой уменьшение С/ (рис. 5).

Изменение параметров на границе вязкого подслоя под воздействием нестационарности является причиной повышения или понижения абсолютного

о

1.4 1.0

(

0.8

0.6

ия коэффициента трения.

N и А

э

-2

-4

-6

1С. 3. Влияние нестационарное™ на толшину вязкого подслоя при различных числах [^е . Линии - расчет по (6): 1 - Яе" = 400, 2 - Ке" = 4000

Гб*

ЙГЛ Ч 1-ад"»ИШП 5?* а-я(**.зоо № 1,-я«". яо Л8

Рис. 4. Влияние гидродинамической нестационариости на интегральные характеристики теплового пограничного слоя

Ускорение является причиной более заполненного профиля скорости. При этом подавляются турбулентные пульсации и возрастают касательные напряжения в пристеночной области, что приводит к росту коэффициента трения (рис. 5). Обратная картина наблюдается при замедлении потока ф>0), профиль скорости становится менее заполненным. С ростом числа Рейнольдса Ке" влияние нестационарности уменьшает деформацию профилей скорости. При Ле"—>оо нестационарность не приводит к изменению гидродинамических характеристик.

Влияние г и дп од инамической нестационарное! и , на теплообмен качественно противоположно, а количественно менее выражена по сравнению с трением. Деформация профилей температуры в нестационарном потоке влияет на процесс переноса тепла в пограничном слое. На рис. 6 показана зависимость числа Стантона Й от параметра гидродинамической нестационарности. Ускорение потока может вызвать спад до 20%, а замедление рост до 10% числа Стантона при изменении параметра нестационарности до 10 по абсолютной величине.

с, _______________________31

Б тп 1, -

Рис. 5. Влияние нестационарности на относительный коэффициент трения для различных чисел Рейнольдса Ие**. Линии - расчет по (4), точки - опыты Маркова С.Б.

Рис. 6. Влияние гидродинамической нестационарноств на относительный

коэффициент теплоотдачи для различных чисел Рейнольдса Ке" и

В третьей главе определены характеристики пульсирующего движения потока в трубах. Для определения потерь давления в трубе дифференциальное уравнение пульсирующего течения жидкости в одномерном представлении, пренебрегая в первом приближении локальным ускорением записывается

Р

ф, = -Лоя—^ск; - рп%!]с1г1 - дрйг, ^

где Яод - коэффициент гидравлического сопротивления, отнесенный к среднерасходной скорости ''»'о;

1} = ~ = = ехр ~' ~ коэффициент затухания пульсаций;

и>п0 - мгновенная скорость жидкости у источника возмущения в заданный момент времени которая для поршневого пульсатора может быть задана; №„ -пульсационная скорость жидкости ниже по течению.

Коэффициент В является эмпирической константой, зависит от параметров пульсации, режимов течения и физических характеристик жидкости. Интегрируя уравнение (7) по периоду колебаний и продольной координате, получено,

Арсвж = Арс + Ар- + Арн , (в)

ю

где - перепад давления на преодоление гидравлических потерь; -

пульсационный перепад давления, обусловленный затуханием пульсационной скорости; Дрн - нивелирная составляющая.

На рис. 7, 8 представлены коэффициенты затухания пульсаций рассчитанные по опытным данным Федоткина И.М. и Фирисюка В.Ф. по продольной координате в зависимости от параметра относительной амплитуды AID и частоты пульсаций/и среднерасходной скорости w0.

120 160 Z/D

120 160 Z/D

Рис. 7. Затухание пульсаций в зависимости от параметра AID и продольной координаты для частоты /=0,5 Гц и Wo = 1 м/с: 1 -AID= 1,43; 2 - AID =2,85; 3 -AID = 7,13; 4 - AID =14,25

Рис. 8. Коэффициент затухания пульсаций в функции частоты пульсаций и продольной координаты для Л//>=1,43 и и>0 = 1 м/с: 1 -/=0,5 Гц; 2 -/=1,0 Гц; 3 -/=2,5 Гц

Пульсационный коэффициент

гидравлических сопротивлений имеет обратную зависимость от пульсационного числа Рейнольдса. При пульсирующем течении жидкости в трубах расход энергии, затрачиваемой насосом на прокачивание жидкости по трубопроводу, уменьшается на величину, которая расходуется пульсатором на генерацию пульсаций, причем явления резонанса уменьшают затраты энергии на генерацию колебаний.

Резонансные колебания столба жидкости также способствуют уменьшению затрат энергии, а упругие колебания стенок канала могут способствовать усилению этого эффекта, который зависит не от величины деформации стенок канала, а от ее скорости.

В главе четвертой представлены результаты численного исследования

нестационарного течения жидкофазного реагента в нефтяной скважине (рис. 9) для режима реализованного в натурных условиях группой

11

К ПУЛЬСАЦИОННОМУ НАСОСУ

? i t

щи

V%

щ

sfiLJiffii

WM

Кольцевой

канал

Трава

" ПРИЗАБОЙНАЯ ЗОНА

Рис. 9. Модель нефтяной скважины

пульсационной очистки, исследователей КГЭУ под

руководством проф. Гурьянова А.И. Расчеты проведены для нестационарного течения воды в скважине глубиной 1500 м. Внутренний диаметр трубы 0,065 м, кольцевого канала 0,145 м, стенки имеют стандартную шероховатость. Температура скважины меняется от 10 °С на отметке 0 м до +40 °С на глубине 1500 м. Массовый расход жидкости в трубе равен расходу в кольцевом канапе. Профиль скорости на входе в канал предполагается равномерным.

Расход на входе в трубу при 1°™' пульсационном дренировании ° щ,

призабойной зоны меняется по диаграмме (рис. 10).

Расчеты производились для шести ™ характерных точек (три в фазе ° замедления и три в фазе ускорения) ™ периода пульсаций объемного расхода

жидкости и изменения его скорости в Рис. 10. Период пульсаций расхода скважине. флюида в канале скважины

'—^ Qs ---

V h

s_ Q,

о : L_ Г i

i/o

Рис. 12. Характерное число Рейнольдса в кольцевом канале: 1 - ßi; 2 - ß2; 3 - Qy, 4 - Q4; 5 - Qs; 6 - Q6

' z/D

Рис. 13. Коэффициент трения в трубе Рис. 14. Коэффициент трения в

кольцевом канале

В результате проведенных расчетов были получены следующие кривые изменения основных параметров нестационарного потока в трубе и трубчато-кольцевом канале (рис. 11-14).

Рис. 11. Характерное число Рейнольдса в трубе:

1 - ßi! 2 - Qy, 3 - Qy, 4 - ß4; 5 - Qy, 6 - Q6

Рис. 15. Потери статического давления |Па1 за счет пристенного трения в трубе

Рнс. 16. Потери статического давления за счет пристенного трения в кольцевом канале

14

т 12

¡с

л Ю

5

-режим непрерывный

- - режим пульсационный

Сравнивая поведение этих величин в трубе и в кольцевом канале можно отметить, что длина начального участка изменения чисел Рейнольдса одинакова для трубы и кольцевого канала и составляет 20 диаметров. Для коэффициента трения, толщины вязкого подслоя и скорости на границе вязкого послоя характерно увеличение начального участка в трубе по сравнению с кольцевым каналом.

В целом качественное изменение гидродинамических и кинематических величин аналогично. Количественно результаты несколько отличаются.

Среднеинтегральные потери давления за период колебаний с учетом нестационарных эффектов оказались равны Д Р = 0,913 МПа, по квазистационарной методике АР = 0,897 МПа и стационарный метод расчета по

з

среднему расходу <2ср = 0,51 м/с дал результат АР = 0,55 МПа.

В главе пятой рассматриваются колебательные свойства скважины, возможные границы перехода от колебательного в экспоненциальный режим в зависимости от глубины скважины и наименее

энергозатратные режимы

пульсационной очистки. Анализ колебательных свойств скважины показывает, что естественные колебания рабочего флюида в открытой скважине происходят в основном в плавном режиме изменения

0

20 40 60 80 Время, с

Рис. 17. Теоретические энергозатраты !Ч'т = Рэци<2н(2) лля пульсационного и непрерывного режимов прокачки:

скорости вследствие значимости силы трения. Реализация высокочастотного режима требует создания больших давлений нагнетания. Фактор больших нагрузок нежелателен, так как это ведет к изменению структуры пласта и увеличению его неоднородности. Поэтому при создании аппаратуры для пульсационного воздействия на скважину нужно ориентироваться на

13

экспоненциальный режим с характерными временами естественных колебаний 2-3 мин (рис. 17).

Путем анализа энергозатрат при пульсациях подами жидкофазных реагентов предложены характеристики энергосберегающего режима, позволяющего снизить затраты электрической энергии на 5 %, что составляет 4 кВт на одну скважину при пульсационной обработке или около 300 кВт-час на период ремонта.

Основные результаты и выводы

1. Создана математическая модель нестационарного течения и теплообмена в скважине на основе теории пограничного слоя, отличающаяся нестационарными компонентами.

2. Разработаны алгоритм и программа расчета трения, теплообмена, кинематических, тепловых и интегральных характеристик потока в условиях внутренней задачи. Выполнен численный эксперимент по влиянию нестационарности на основные параметры потока и теплообмена.

3. Выявлено, что гидродинамическая нестационарность деформирует профили скорости и температуры, а также параметры на границе вязкого подслоя, что является причиной изменения коэффициентов трения и теплообмена. Применение стационарного метода расчета коэффициента трения приводит к возникновению значительных погрешностей.

4. Определено, что пульсации скорости потока в трубах затухают по продольной координате в зависимости от параметра относительной амплитуды и частоты пульсаций, а также среднерасходной скорости. Пульсационный коэффициент гидравлических сопротивлений имеет обратную зависимость от пульсационного числа Рейнольдса.

5. Установлено, что при колебательном режиме очистки скважины энергетические затраты по сравнению с непрырывным (экспоненциальным) уменьшаются в на 5 %, что составляет 4 кВт электрической энергии на одну скважину.

Основные условные обозначения:

г - продольная координата, м; у - поперечная координата, м; \ - безразмерная поперечная координата; 2 - безразмерная продольная координата; I - время, с; г • радиус канала, м; т - касательное напряжение, Н/м2; т = т/тн, - безразмерное касательное напряжение; тр - безразмерное касательное напряжение для стационарного течения; С/- коэффициент трения; >у01 - скорость на входе в канал, м/с; и>0 - скорость на внешней границе пограничного слоя, м/с; Ио= >У(/м>01 - относительная скорость; ж = безразмерная скорость; 5 - толщина

пограничного слоя, м; 5" - толщина потери импульса, м; Н, Н' -формпараметры пограничного слоя; Ке0] - число Рейнольдса по параметрам входа канала; Не* - характерное число Рейнольдса по толщине потери импульса. Индексы: 0 - параметры на границе основного потока; | -

параметры на границе вязкого подслоя; 0| - параметры на входе в канал.

14

Содержанке диссертации изложено в следующих работах:

1 Гильфанов К.Х., Богданова Н.В., Свинцов А.Д. Информационная система для теплофизического эксперимента и лабораторного практикума студентов (тезисы) // Научная сессия. Аннотация сообщений по итогам

2004 года, Казань: КГТУ, 2005, -С. 133.

2 Богданова Н.В., Аглеев Р.Ш. Нестационарная гидромеханика и теплоотдача на предвключенных участках расходомерных устройств. Материалы докладов I Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» /Под общ. ред. д. физ.-мат. наук проф. Ю Я.Петрушенко в 2 т.; Т.1.- Казань:Казан. гос. энерг. ун-т, 2006,- С. 117.

3. Богданова Н.В., Аглеев Р.Ш. Неустановившаяся гидромеханика и теплоотдача на предвключенных участках расходомерных устройств. Материалы докладов IX аспир.-магист. науч. семинара, посвящ. «Дню энергетика»/ Под общ. ред. д. физ.-мат. наук проф. Ю.Я.Петрушенко в 2 т.; Т.1. - Казань:Казан. гос. энерг. ун-т, 2006,- С. 134 с.

4 Богданова Н.В. Математическая модель трения и теплоотдачи в трубчато-кольцевых каналах. Материалы докладов II Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» /Под общ. ред. д. физ.-мат: наук проф. Ю.Я.Петрушенко в 4 т.; Т.З.- Казань-.Казан. гос. энерг. ун-т,

2007,-С. 131.

5 Гильфанов К.Х., Богданова Н.В. Нестационарные гидромеханика и пристенное трение в проточных частях энергетических установок при сбросе тепловой нагрузки. Энерго- и ресурсоэффекгивность ^ в энергобезопасности России. Пленарные доклады, материалы юбилеинои Международной научно-технической конференции/ Под общ. ред. д. физ -мат. наук проф. ЮЛ. Петрушенко-Казань, 2007, - С. 125-131.

6 Богданова Н.В., Зайнуллин А. Р. Математическое моделирование нестационарных процессов в трубчато-кольцевых каналах. Материалы докладов III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения, посвященной 40-летию КГЭУ»/Под общ. ред. д. физ.-мат. наук проф. Ю.Я.Петрушенко в 4 т.; Т.2.- Казань:Казан. гос.

энерг. ун-т, 2008,- С. 9.

7 Богданова Н.В., Ильясов Т.Ш. Гидромеханика и теплообмен в трубчато-кольцевом канале. Материалы конф. «Энергетика-2008: Инновации, решения, перспе1сгивы»/Под общ. ред. д. физ.-мат. наук проф. Ю.Я.Петрушенко в 5 кн.; Кн.1.- Казань:Казан. гос. энерг. ун-т, 2008,- С.

238.

8 Гильфанов К.Х., Богданова Н.В. Моделирование нестационарной гидромеханики и теплоотдачи в трубчато-кольцевых каналах. Научная сессия. Аннотация сообщений по итогам 2007 года, Казань: КГТУ, 2008,-С. 125-126.

9 Богданова Н.В. Численная модель течения. жидкости в труЬчато-кольцевом канале в условиях нестационарности. Материалы докладов VI

> ' Международной' молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения»/Под общ. ред. д. физ.-мат. наук проф. Ю.Я.Петрушенко в 4 т.; Т.2.- Казань-.Казан. гос. энерг. ун-т, 2011,-С. 185-186.

Ю.Богданова Н.В. Моделирование нестационарного потока в трубчато-кольцевом канале при пульсирующем течении жидкости. Материалы докладов XIII аспир.-магист. науч. семинара, посвящ. «Дню энергетика»/ Под общ. ред. д. физ.-мат. наук проф. Ю.Я.Петрушенко в 2 т.; Т.1. -Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2009,- С. 158.

И.Гильфанов К.Х., Богданова Н.В. Характеристики течения при пульсационном дренировании нефтяных скважин. Научная сессия. Аннотация сообщений по итогам 2008 года, Казань: КГТУ, 2009,- С. 111.

12. Гильфанов К.Х., Богданова Н.В., Зайнуллин А. Р.Численное исследование нестационарного течения жидкости в трубчато-кольцевом канале. Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2010, № 11 -12, С. 12-24.

13. Богданова Н.В. Моделирование нестационарной гидромеханики и теплоотдачи в трубчато-кольцевых каналах. Материалы докладов X аспир.-магист. науч. семинара, посвящ. «Дню энергетика»/ Под общ. ред. д. физ.-мат. наук проф. Ю.Я.Петрушенко в 2 т.; Т.1. - Казань:Казан. гос. энерг. ун-т, 2010,- С. 49.

14. Гильфанов К.Х., Богданова Н.В., Сибгатуллин И.Ф. Нестационарный метод расчета потери энергии при пульсационном дренировании нефтяной скважины. Вестник Казанского технологического университета. Т.14. №3; М-во образования и науки РФ, Казан, гос. технол. ун-т. - Казань: КГТУ, 2011,- С. 108-113.

Подписано к печати 11.11.2011 г. Формат 60 х 84 /16. Гарнитура «Times». Вид печати РОМ. Бумага офсетная. Усл. печ.л.1.0. Уч.-изд. л. 0.97. Тираж 100 экз. Заказ №$//^Типография КГЭУ. 420066, Казань, Красносельская, 51

61 12-5/859

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Богданова Наталия Владимировна

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ ПУЛЬСАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН ЖИДКОФАЗНЫМИ РЕАГЕНТАМИ

Специальность 05.14.04 «Промышленная теплоэнергетика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор, Гильфанов К.Х.

Казань

2011 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА I. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ 12 СТЕПЕНИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НЕФТИ И РАСЧЕТА ГИДРОМЕХАНИКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВНУТРЕННИХ ПОТОКОВ

1.1 Современные методы повышения нефтеотдачи пластов и их классификация 13

1.2 Гидродинамическое воздействие на призабойную зону пласта 15

1.2.1. Гидравлический разрыв пласта 15

1.2.2. Периодическое гидродинамическое воздействие 18

1.3. Химические способы обработки призабойной зоны 26 1.3.1. Сравнительная оценка различных способов извлечения нефти 27

1.4. Пульсационные методы интенсификации гидромеханических процессов в потоках 30

1.4.1. Пульсирующее течение жидкости в трубах 31

1.5. Пристенное трение в нестационарных условиях 3 5

1.5.1. Анализ нестационарных турбулентных потоков 39

1.5.2. Влияние гидродинамической нестационарности на поверхностное трение во внутренних турбулентных потоках 48

1.5.3. Гидродинамическая устойчивость нестационарных течений 57 Выводы по главе I 60 ГЛАВА II. НЕСТАЦИОНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ И ТЕПЛООБМЕН В УСЛОВИЯХ ВНУТРЕННЕЙ ЗАДАЧИ 61

2.1. Краевые условия 61

2.2. Модель течения. Основные уравнения 62

2.3. Законы трения и теплообмена 64 2.3.1. Закон трения 64

2.3.2. Закон теплообмена 72

2.4. Интегральные соотношения уравнений пограничного слоя 74

2.5. Алгоритм расчета и численный эксперимент 87

2.5.1. Алгоритм расчета 87

2.5.2. Численный эксперимент 91

2.5.3. Расчет среднего трения при пульсации расхода рабочего тела в цилиндрическом канале 101

Выводы по главе II 104 ГЛАВА III. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

ПРИ ПУЛЬСИРУЮЩЕМ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ 105

3.1. Основные параметры нестабилизированного пульсирующего 105 течения

3.2. Коэффициенты затухания пульсаций 111

3.3. Коэффициенты гидравлических сопротивлений 114

3.4. Пульсационный перепад давления 116

3.5. Расход энергии на генерацию пульсаций и перемещение жидкости 120 Выводы по главе III 122 ГЛАВА IV. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 123 НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВОМ КАНАЛЕ

4.1. Модель течения и расчетная схема 123

4.2. Нестационарное течение жидкости в трубе 127

4.3. Нестационарное течение жидкости в кольцевом канале 133

4.4. Потери давления на трение 140 Выводы по главе IV 143 ГЛАВА V. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЖИМОВ 144 ОЧИСТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

5.1. Колебательные свойства скважины 144

5.2. Конструкция пульсационной установки для очистки нефтяной

скважины 150

5.3. Анализ энергозатрат при пульсационной очистке 153

5.4. Критерий энергосберегающего режима очистки 154 Выводы поглавеУ 158 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 159 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 160 ПРИЛОЖЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

2 — продольная координата, м; у — поперечная координата, м;

= х/д- безразмерная поперечная координата; Z = z/D- безразмерная продольная координата; D - диаметр канала, м; t - время, с; Т - температура, К; г- радиус канала, м; р - плотность, кг/м3; v - кинематическая вязкость, м2/с; fx - динамическая вязкость, Па*с; Р - давление, Па; т - касательное напряжение, Н/м2; т = t/tw - безразмерное касательное напряжение;

то - безразмерное касательное напряжение для стационарного течения;

Cf коэффициент трения;

% - константа турбулентности;

Til = 11,6 - параметр устойчивости вязкого подслоя;

woi - скорость на входе в канал, м/с;

wq - скорость на внешней границе пограничного слоя, м/с;

W0= W(/wo\ - относительная скорость;

w = wz/wq- безразмерная скорость;

5 - толщина пограничного слоя, м;

С.**

5 - толщина потери импульса, м;

Н,Н'~ формпараметры пограничного слоя;

Reoi - число Рейнольдса по параметрам входа канала;

Re" - характерное число Рейнольдса по толщине потери импульса.

Индексы:

0 - параметры на границе основного потока; ! - параметры на границе вязкого подслоя;

01 - параметры на входе в канал.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Добыча нефти характеризуется значительными энергетическими затратами. Одновременно растут и финансовые затраты, что отражается на стоимости конечного продукта для потребителей. В качестве причин повышения энергозатрат можно указать множество факторов. Основными являются отложение асфальтеносмолопарафинистых веществ и минеральных осадков на стенках коллектора, что приводит к ухудшению его фильтрационных свойств, сосредоточение нефти повышенной вязкости в мелких порах пластов, потеря пластовой жидкостью ньютоновских свойств и рост на несколько порядков ее вязкости из-за кольматации (образования пространственных сеток в пластовом флюиде) и др.

Для увеличения длительности эксплуатации действующих скважин, восстановления неработающих чаще всего применяют обработку призабойной зоны нефтяного пласта и скважины, которая требует значительных затрат энергии и вносит существенную составляющую в стоимость добычи нефти.

Гидроимпульсная обработка призабойной зоны, представляющая собой неразрушающее воздействие на скважину и пласт низкочастотными пульсациями флюида, характеризуется высокой нестационарностью процессов. Эти процессы сопровождаются одновременным воздействием на пограничные слои ряда возмущающих факторов, таких как геометрия канала, состояние его стенок, особенности развития потока, температурная неоднородность, градиент давления, переменные кинематические и тепловые параметры и др. Они в нестационарных условиях приводят к значительным изменениям структуры потока, к нелинейности процессов, протекающих в нем. В таких условиях применение принципа суперпозиций отдельных возмущений становится невозможным и расчет энергетических потерь (трения и теплообмена) неизбежно будет сопровождаться с существенными ошибками.

Наиболее ответственным и трудным этапом исследований и расчетов нестационарных процессов является рациональное построение математических моделей. Математические трудности заключаются в нелинейности дифференциальных уравнений в частных производных. Краевые условия, необходимые для решения этих уравнений, являются сложными функциями времени.

Широкое распространение при изучении сложных явлений получили параметрические методы расчета пограничного слоя с применением полуэмпирических моделей турбулентности, которые успешно используются при исследовании нестационарных течений. Суть метода заключается в том, изучается влияние конкретного воздействия на законы переноса массы, кинематические, тепловые и интегральные характеристики пограничного слоя и течения в целом, с дальнейшим синтезом явления.

Цель диссертационной работы

Снижение энергозатрат на прокачку и подогрев флюида при пульсационной очистке нефтяной скважины. Разработать оптимальный гидродинамический режим на основе нестационарного метода расчета потерь давления за счет пристенного трения при пульсационной обработке.

Задачи диссертационной работы

1. Создать математическую модель нестационарного течения и теплообмена в скважине.

2. Разработать алгоритм и программу расчета трения, теплообмена, кинематических, тепловых и интегральных характеристик потока в условиях внутренней задачи, реализовать численный эксперимент по влиянию нестационарности на основные параметры потока.

3. Определить пульсации скорости потока и пульсационный коэффициент гидравлических сопротивлений в трубах.

4. Оценить влияние режима очистки нефтяной скважины на уровень энергетических затрат.

Методы исследования

Для достижения поставленных целей используются:

Аналитические методы описания гидродинамических и фильтрационных процессов в скважине;

- Мобильная установка для создания пульсаций в скважине;

- Аналитические методы анализа нестационарных турбулентных потоков;

- Современная вычислительная техника.

Научная новизна

Разработана двумерная математическая модель нестационарного течения и теплообмена в скважине на основе законов сохранения в приближении пограничного слоя. Составлена программа расчета трения, кинематических и интегральных характеристик потока в трубчатом и кольцевом канале. Проведен численный анализ по влиянию нестационарности на основные гидродинамические и тепловые параметры потока. Проведен анализ пульсационных характеристик течения в трубах по продольной координате.

Определены гидромеханические и энергетические характеристики потока, в том числе участки гидродинамической стабилизации, в трубчатом и кольцевом канале при различных режимах очистки нефтяной скважины. Даны оценки погрешности расчета потерь давления за счет пристенного трения по стационарным, квазистационарным и нестационарным методикам.

Выявлены и проанализированы энергосберегающие режимы пульсационной очистки нефтяных скважин.

Практическая ценность работы

Предложен и реализован метод расчета гидродинамической и тепловой структуры потока, потерь давления в нефтяной скважине в условиях гидродинамической нестационарности при пульсационном воздействии на призабойную зону скважины для оценки энергетических затрат. Создана программа расчета трения, кинематических и интегральных характеристик потока, потерь давления в трубчатом и кольцевом канале, позволяющая точнее выбирать наименее энергозатратные режимы работы при пульсационной

обработке призабойной зоны нефтяных скважин. Получены расчетные данные для выбора конкретного технологического оборудования. Предложен энергосберегающий режим пульсационной очистки нефтяной скважины.

Автор защищает

Математическую модель, отличающуюся нестационарными компонентами; компьютерную программу расчета параметров течения и теплообмена в условиях внутренней задачи; результаты численного эксперимента по влиянию нестационарности на характеристики потока и теплообмен; расчетные данные по пульсациям скорости потока в трубах по продольной координате и пульсационного коэффициента гидравлических сопротивлений, результаты моделирования течения в нефтяной скважине при гидроимпульсном воздействии на призабойную зону, данные по оценке влияния режима очистки нефтяной скважины на уровень энергетических затрат.

Достоверность результатов обеспечивается адекватностью математической модели на базе теории пограничного слоя, согласованием результатов расчета с данными полученными по разным методикам.

Личное участие

Все основные результаты работы получены лично автором под научным руководством д-ра техн. наук профессора Гильфанова К. X.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на I Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», 2006 г.

на IX аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2006 г.

- на II Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», 2007 г.

- на Международной научно-технической конференции КГЭУ, 2007 г.

на III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения, посвященной 40-летию КГЭУ», 2008 г.

- на конференции «Энергетика-2008: Инновации, решения, перспективы» КГЭУ, 2008 г.

на IV молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» КГЭУ, 2009 г.

на XIII аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2009 г.

- на X аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2010 г.

- на семинарах кафедры АТПП.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа изложена на 172' страницах, содержит 62 рисунка, 2 таблицы и 1 приложение. Список литературы насчитывает 183 наименования.

ГЛАВА I. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТЕПЕНИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НЕФТИ И РАСЧЕТ НЕСТАЦИОНАРНЫХ

ВНУТРЕННИХ ПОТОКОВ

Добыча нефти в России осуществляется в Западной Сибири и в европейской части. Условия добычи нефти, начиная с 80-х годов прошлого века, значительно ухудшились. Это происходит по причине естественного качественного ухудшения состояния сырьевой базы, так как на данный момент наиболее доступные и хорошо подготовленные месторождения выработаны. Среди месторождений, разрабатываемых нефтяными компаниями в России в настоящее время, средний показатель выработанности месторождений составляет 45% [1]. Если существующие сейчас объемы добычи нефти не снизятся, то, по данным Министерства энергетики РФ, разведанные запасы открытых месторождений будут исчерпаны к 2040 году [2].

Анализ существующих запасов нефти дает следующие данные. 19% запасов нефти находятся в подгазовых зонах нефтегазовых залежей. 14% относятся к тяжелым и высоковязким нефтям с вязкостью более 30 мПа-с. Доля активных запасов нефти продолжает снижаться и составляет 45%. Значительная часть (более 50%) разведанных перспективных запасов нефти находится в Арктике, Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, т.е. в неосвоенных или мало освоенных регионах страны.

Начиная с 1994 года, объем добычи нефти составил 2489,3 млн.т, а прирост запасов нефти составил 2030,1 млн.т, то есть не скомпенсировал добычи. Объемы разведочного и эксплуатационного бурения продолжают снижаться. Российские компании меньше вкладываются в сохранение фундаментальных показателей отрасли и воспроизводство ресурсной базы[3].

По данным [4] запасы уникальных и крупных месторождений катастрофически снижаются по сравнению с 1994 годом. Темпы снижения год от года увеличиваются. С другой стороны, увеличилось число средних и малых месторождений. К 2000 г. их стало более 2000. Их запасы возросли

соответственно с 1994 до 2000 года до 2424,69 млн.т. Эти месторождения сосредоточены в основном в Западной Сибири, на Урале в Поволжье и на европейском севере.

Дебит скважин существенно уменьшился. У 80% скважин дебит составляет менее 25 т/сут., у 55% - 10 т/сут. Обводненность скважин наоборот увеличивается. К 2000 году средняя обводненность скважин в России достигла почти 90%. Таким образом, при добыче 1 т нефти извлекается около5 т воды. Около 35 тыс. скважин уже не работают, что составляет около 25% добывающего фонда скважин.

Для того чтобы увеличить длительность эксплуатации действующих скважин, восстановить неработающие скважины необходимо эффективное и экономичное использование методов увеличения цефтеотдачи (МУН). Этот фактор является определяющим наряду со стоимостью энергоносителей.

1.1. Современные методы повышения нефтеотдачи пластов и их

классификация

Проблемы нефтедобычи, описанные выше, приводят к тому, что нефтедобывающие компании вынуждены использовать методы увеличения нефтеотдачи. Среди всех существующих методов более 90% составляет обработка призабойной зоны нефтяного пласта (ПЗП).

Методы обработки призабойной зоны используются давно и в разных целях. Причины обработки призабойной зоны определяются геологическим периодом образования нефтяных пластов. Так до конца 70-х годов прошлого века эксплуатировались в основном девонские объекты, для которых характерна зависимость уровня добычи от приемистости нагнетательных скважин. Позже, в 80-х годах стали больше применять обработку призабойной зоны в добывающих скважинах, так как началась эксплуатация залежей в карбонатных коллекторах. Эти залежи отличаются неоднородностью, низкой проницаемостью и высокой вязкостью нефти. В этом случае обработка ПЗ

проводится перед освоением скважины и в процессе ее эксплуатации, периодически.

Методы стимуляции скважин весьма многообразны, но все они могут быть объединены в 5 основных групп:

1. Физические методы обработки, которые подразделяются на 4 подгруппы. Первая подгруппа - это гидро- и газодинамичекие разрывы пластов [5, 6]. Вторая - это волновые и импульсные воздействия (акустическое, гидроакустическое, гидроимпульсное, электрогидравлическое, вибросейсмическое и термобарическое воздействия)[7, 8, 9]. Третья подгруппа - это методы очистки ПЗ путем создания многократных депрессий [9, 10]. К четвертой подгруппе относятся перфорационные методы обработки ПЗ;

2. Химические методы обработки. К ним относятся кислотная обработка (обработка серной кислотой, обработка соляной кислотой; направленная солянокислотная обработка [11, 12]), создание искусственных каверно-накопителей нефти, глинокислотная обработка; обработка растворителями и ПАВ [13];

3. Физико-химические методы, представляющие собой различные сочетания физических и химических методов обработки ПЗ;

4. Тепловая и термохимическая обработка ПЗ, которая включает '3 себя термогеохимические воздействия, внутрипластовую термохимическую обработку [14], стационарный и высокочастотный индукционный �