автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Регулирование теплового режима в технологических процессах нефтедобычи с целью повышения их эффективности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

АЗЕРБАЙДЖАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ НЕФТЯНАЯ АКАДЕМИЯ НИИ «ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НЕФТИ, ГАЗА И ХИМИИ»

? 7 Гмч

! г. ну 11

На правах рукописи

ВАЛИЕВ ГА РА АЛЫ оглы

регулирование теплового режима

в технологических; процессах нефтедобычи с целью повышения их эффективности

05.15.06 — Разработка и эксплуатация нефтяных и газогых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учемой степени , - кандидата ^ЧМнчсских наук

БАКУ-1994

Работа выполнена на кафедре «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождении» Азербайджанской Государственной Нефтяной Академии.

Научный руководитель: —доктор технических паук, профессор Велиев Ф. Г.

Официальные оппоненты:

—член-корреспондент АН Азербайджанской Республики,

доктор технических наук, профессор Гулиев А. М. —доктор технических наук, профессор Гусейнов К. Д.

Ведущая организация: «Производственное Объединение по добыче нефти и газа па море» Азербайджанской Государственной Нефтяной Компании.

Защита состоится „ 1994 года в // час.

на заседании Специализированного совета Д.054.02.03 НИИ Геотехнологических проблем нефти, газа и химии при Азербайджанской Государственной Нефтяной Академии по адресу: 370601, г. Баку, проспект Азадлыг, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

АзГНА.

199) г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор технических наук профессор

мамедбеков о. к.

Актуальность темы - Одной из актуальных проблем нефтегазодобычи является применение энерго- и ресурсосберегающих технологий. Решение этой задачи возможно путем создания Новой реотохнологки, основанной на использовании неровновесных свойств и нелинейных эффектов сложных гетерогенных систем.

В последние годи теоретические и экспериментальные исследования проведенные под руководством академика Л.Х. Мирзаджанзада позволили разработать основы новой микрозародшшой технологии, которая дает возможность повысить эффективность производственных процессов, учитывая релаксационные свойства гетерогенных систем в предперехсд-ном состоянии.

Системы являющиеся рабочими агентами процессов нефтегазодобычи являются, в основном, гетерогенными и многокомпонентными, что обуславливает многообразие термодинамических гфоявлоний этих систем. В результате анализа многочисленных экспериментальных исследований получен ряд фундаментальных выводов о нелинейных гидродинамических эффектах в газоэдкостных и газокондинсаткых системах, обусловленных процессом образования зародышей новой фазы в пределах существующей в докритических прэдпероходных условиях. Возникновешю микро- . зародышей проявляется в "аномальном" изменении термодинамических свойств систем, в частности, их калорических, термических и реологических характеристик вблизи критической точки фазового перехода.

Однако анализ существующих.работ'по исследованию предпереход-ных состояний показал, что отсутствует комплексный подход к изучению влияния леравновесных условий на параметры реальных гетерогенных систем.

В данной '.диссертационной работе на основе комплексного подхода рассмотрено изменение основных термогидродинамических свойств реальных жидкостных систем, в предперехсдной области.

Цель_даботы: Изучение тегмогидродинамических свойств реальных гетерогенных систем в предпэреходной области при фазовых превраао ниях с целью регулирования теплового реккма технологически: гг ■> сов добычи и транспорта нефтей.

0 работе решены следующие задачи:

I.Визуально изучены структурные изменения в парафишстнх сис-

темах в предпереходной температурной зоне ни основе фототекстурного вналига.

2.Экспериментально, на осиоЕе лазернооптоакустического метода рассмотрено изменение акустических свсйств парафишетых систем.

3.Сняты кривые течения парафшистих систем и произведена оценка изменении пропускной способности в соответствующем диапозоне.

4.Произведена экспериментальная оценка изменения релаксационных свойств систем при различных значениях температуры выше температуры массовой кристаллитщим.

5.Экспериментально определены теплофизические свойства газо-кидкостных систем в предпереходной зоне 'выше давления насыщения в свободном объеме.

6.Экспериментально определены теплофизические свойства пара-фкнистых систем в предпереходной температурной области.

МйТОДЦ ИССЛЭДОВОНИЙ '

г--аосмотренные в диссертационной работе задачи решались путем !:ро-т-делил лабораторных экспериментальных исследований и обработки по-лученн^х дзшшх с пранонением ЗБМ.

Ь'зуупча козизка заключается в следующем:

Х.Ьаорьые на ссяово фототекстурного анализа и характера изме-¡¡•л;;»! расиростреньккя ззуковых волн шявлэнь предпереходная температурная область для пьрЕфшистых систем.

2.1Грс'Х!Е£?до!80 кс!,стлокскоо изучение основных термогидродинами-чсскят. сг:оГ.с1о сложных систем в предпереходной области при фазовых проьращениях. ' ■

Практическая ценность

Полученные результаты указывают на то, что появление новой фазы в пределах существующей в предпереходной зоне монет привести к значительному изменению термохидрэдинамулеской ситуации, а это необходимо учитывать при проведении работ по интенсификации и регулированию технологических процессов добычи, подготовки и транспорта нефтей. В частности получены результаты по изменению теплообменник свойств сложных систем в предпёпеходоой зоне, указывающие на то, что небольшие температурные изменения в указанном интервале могут привести многократному изменению тешюоСменных характеристикв тем числе коэффициента температуропроводности. Этот результат не-

обходимо учитывать при выборе параметров термического воздействия на пласт, термической обработка призабоЛноЯ зоны сквагины и трубопроводных систем.

При различных этапах проектировать, разработки и эксплуатации нефтяных скважин могут бить учтены и другие результаты диссертации, в частности изменение пропускной способности, релаксационных и акустических свойств реалышх жидкостных систем. Полученные результаты по изучению акустических свойств дают возможность реально оценить термогидродкнамичоские параметры реальных систем, таких: как величина гидравлического удара, теплоемкость, коэффициент сжимаемости и т.д..

Разработан метод снижения потерь энергии при добыче и транспорте парафшшстых нефтей, внедрение которого в НГДУ "Ширванне'рть" позволило в 1993 году сэкономить 3075 тыс. квтч электроэнергии, (акт внедрения приводится в приложении т< диссертационной работе).

Апробация работы

ОсноЕние положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов (г.Баку, 1991 г.), на собрании главных специалистов НГДУ "Ширванне-фть"(г.Али-Байрамлы, 1993 г.), на научном семинаре НИШ "Гипромор-нефтегаз" (г.Баку, 1994 г.).

Структура работы

Циссвртащюнная работа состоит из введения, двух глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, насчитывающего 82 наименований. Работа изложена на 127 страницах, включая 64 рисунка . и 5 таблиц. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во., ¿ведении обоснована актуальность ресотн, сформулированы цель и основные задачи, решенные в работе, изложен!! научная новизи-ча и практическая ценность исследований.

Перь^я глава диссертационной работы посвящена исследованию основных реофизическмх свойств парьфшшотпх. си-тем в нредперэходкой температурной зоне.

Изучению кинетики образования микроскопических заооднс 'Я но-

вой фазы посвящено много' работ. Они связаны с опытами Фаренгейта, . Гей-Люссака, Шредора, Оствальда, Гельмгольца г др. При этом изучались такие проблемы, как. замерзашю води, кристаллизция растворов, спонтячное образование пузырьков в метастабильных газокид-костних смесях.

Стабильное существование микрозародышей новой фазы в пределах существующей теоретически обосновал Я.И.Френкель.

Исходя из.кинетической теории Я.И.Френкеля различают два типа флукту: дионных процессов з термодшамических системах."Гомофазные"-небольшие флуктуации плоТ|Юсти в пределах, при которых не происхо-ят разовые превращения. Если же флуктуации плотности под действием определенных инициирующих факторов возрастают, то они могут достичь фазовым превращением. Полученные при этом флуктуации называются "гетерофазнымп",' способствуют образованию зародышей новой фазы в пределах существующей. "Гетерофазные" флуктуации становятся особенно явновыраженными в непосредственной близости от кривой равновесия между существующей фазой об и образующейся в ней фазой р . На определенном уровне перехода ¿-гр> зародыши фазы р получают в пределах фазы сб. распределение определяемое формулой Больцмана:

_ ДФ

II-А е

В соответствии с характером "гетерофазшх" флуктуаций, еще до скачкообразного фазового перехода ¡¿—р , фаза и. уке содержит зародыши фазы р в виде пузырьков пара, капелек жидкости и т.д. Обнаружение этих зародышей и следовательно доказательство возможности "гетерофазных" флуктуаций в термодинамически устойчивой фэз? в непосредствешпй близости от точки перехода связано с определенными экспериментальными трудностями евиду относительно малого количества образующихся зародышшх центров.

Как известно, добыча и транспорт парафинистых нефтей связана с появл нием в потоке жидкости новой фазы, которая является основной причиной изменения реофизических сеойств этих нефтей.

В данной главе исследовано изменеше основных реФизических свойств парафинистых систем в и^едпереходной температурной области.

Учитывая большую значимость изучения процесса кристаллизации парафина в нефти, в данном параграфе проведено изучение структурных

изменений парасЬинисшх систем при фазовом переходе падкость твердое тело.

Опита проводились нетолм визуального наблюдения. Преимущест-ео этого метода заключается в непосредственном наблюдении за прот цессами кристаллизации и образованием структурированного раствора.

Для изучения процесса структурных изменений при кристаллизации парафгашстых систем в предпереходной температурной области методе!' визуального наблюдения была создана экспериментал-шя установка состоящая из поляризационного микроскопа, Tina Полам С-114, жидкостного ультратермостата типа UTU—I, Фотоаппарата, ячейки для образца с термостатирующей рубашкой, термопары, состоящей из мелю копстантошх проволок диаметром 0,1мм, сосуда Дьюарэ и унивзр-салыюго вольтметра типа B7-2I-6.

Спити проводились в следующей последовательности. Препарат с исследуемой средой помещался в ячейку <" термостатируемой рубадкой изготовленной из латуни. Температура в ячейке контролир.>влась с помощью медно-константовой термопари. Термостатирование с помецью ::с-пользуемого термостата позволяло поддержать температуру ячейки с точностью до 0,1 К. По достижении заданной температуры система оставалась е покое в течении 2 часов. По истечении данного промежутка времени осуществлялись визуальные наблюдения исследуемой системы. При этом картина наблюдаемая в пола поляризационного микроскопа фотографировалась. После этого темпорату: и з системе изменялась ¡I проводились аналогичные исследования.

В первой серии опытов в качестве модельной системы бил использован естественный нефтяной парафин с температурой массовой кристаллизации 'i'MKp=3Z5,G5 К, определешюй по стандартной методике.

Как показали результат экспериментальных исс.яе 'овани.. продпо-роходиая температурная зона находится в пределах 313 - 33G К.

Во второй серии опытов исследовалась система "нефтяной парафин 45 % м.к. + трансформаторное масло 55 % м.к." (ТМКр=314 К). Предпе-рвходная температурная зона для данной системы плодится в пределах 308 - 323 К.

Из полученных результатов, видно, что первые зародыши новс.Ч ¡фазы образуются при температурах значительно превк'.-ающих температуру массовой кристаллизации.

Как показали проведешше эксперимонтпдишо исследовании структурных изменений парафинистых систем методом визуального наблюдения по анализу фототекстур можно определить зону температурного интервала фазовс о перехода жидкость твердое тело. Установлено, что наиболее существенные изменения структуры происходят именно в зтой зоне.

Во втором параграфе первой главы исследуется распространение звуковых волн в парафинистых системах в предпереходной температурной области.

Методы ультраакустики завоевали прочное место в науке и применяются при решении многих научно-теоретических и практических задач. Применение ультраакустических волн малой амплитуды является очень ценным при.исследовании молекулярно-кинетических свойства вещества.

Экспериментальное определение скорости ультразвука наряду с изучением других паиаметров позволяет с необходимой точностью рассчитать такие важные характеристики вещества, как сжимаемость и теплоемкость. Ультраакустика позволила проводить подобные исследования даже для таких трудных в экспериментальном отношении областей как переход вещества из твердого состояния в жидкое, в критической области чистых веществ и смесей, в насыщенных парах и т. д.

Изучение распространения скорости звуковых волн представляет значительный интерес для понимания особенностей процессов происходящих в парафинистых системах- в предпереходной температурной золе, что позволит наряду с определением теплофизических характеристик установить и гидродинамические (время релаксации, параметры гидравлического удара).

В настоящей работб исследовалась скорость распространения ультразвука в предпереходной температурной области в парафинистых системах. Измерение скорости ультразвука в среде производилось ла~. зерным опто-акустическим методом. Суть данного метода заключается в том, что когда сильнопоглощающая среда облучается коротким лазерным импульсом ( где ^ -длительность лагерного излу-

чения, «£ -коэффициент поглощения лазерного излучения в среде ) нагрев среды можно считать практически тювенным. За время действия лазерного импульса плотность среды не успевает существенно

измениться, а за счет неоднородного температурного поля создается поле напряжений, а это в свою очередь, создает акустические волш, которые распространяются от ^оны тепловыделения. Эти напряжения распределяются поровну мекду волной, убегающей от границы 2=0, и волной, бегущей по направлению к границе. Вне области тепловыделения существует лишь волна, распространяющаяся от границы в глубь поглощающей среды. Ее временной профиль формируется кок прямой волной, так и волной распространяющейся к граница и отражающейся от нее. Профиль возбуждаемой в среде акустичеспй волны описывается следующей формулой

ь«- е*р|>(2-св0]

Р

2сй

Здесь f. -коэффициент объемного расширения среды, <£•„ -плотность поглощенной энергии, Н- (Рсъ)/(р'с') -соотношение акустических им-педанссв поглощающей и прозрачной сред.

Поскольку передний фронт импульса ( £"= £- ~ <0) формируется прямой волной, распространяющейся сразу от границы, его -профиль повторяет пространственное распределите источников напряжения и для однородно-поглощээдих сред ( оС-- const ) имеет'универсальную . экспоненциальную форму р'( Г < О )~exp(<^0oiC ). Отраженная от границы z-О волна также имеет экспоненциальную ¡юрму р'( Z>0 <•" ехр(—),а ее относительная величина определяется коэффициентом отражения звука.

По форме акустического сигнала измеренного в глубине z среды можно легко определить время распространения акустической волны.-Таким образом, зная толщину среды можно определить с зрость распространения звука,в среде: с = z/t.

Для изучения изменения скорости распространения звуковых волп. в ппрафинистых системах была создана экспериментальная установка. Источником оптического излуч-яия служил импульсный лазер работающий на длине волны 1,06 мкм. Длительность и энергия импульса составляли, соответственно, 20 не и 5 мОж. Часть излучения с помощью полупрозрачной пластинки направлялась на фотопргемник , который слуг-сил для запуска запоминающего осциллографа типа С9-8. Другая 'п-'гн л-i-

верного излучения зеркалом направлялась ка кювету с исследуемой средой.

Генератором ультр ювука служит тонкая прослойка раствора CuClp, TOJiL. .пой 0,0015 м, которая находится над исследуемой средой. Так как, коэффициент оптического поглощения раствора CuClg составляет 5000 м-1, оптическое излучение'полностью поглощается в этой среде и в исследуемую среду распространяется только акустический сигнал. Приемником акустического сигнала служила задемпфированная пластина изниобата-лития, которая приклеивалась к окну на дно кюьоти.

В качестве модельной систему использовался естествошшй нефтяной парафин. Расплавлетшй парафин заполнялся в термостатируемую кювету.

Кювета изготовлена из латуни. На ее наружной поверхности имеются бур'мкп для прикрепления рубашю. для термостатирования. Расстояние мекду наружной поверхности кюветы и внутренней поверхностью теркостатирующей рубааки равно 0,015 м, что обеспечивает быстрое выравнивание температуры. После заполнения исследуемой жид-кост;,:о закрывается крыика кюветы. На внешней резьбе крышки сделаны спецчу.т^шо вертикальные канавки,которые обеспечивают выход воздуха ira: закрытии и выхода гядкости при температурном расширении. Затем кльэта иэдэдэег'ся внутрь термостатирующей рубашки. термостатирова-г:лэ осуществляется с помокья ультратермостата, который обеспечивает седьмую сксросч-ь циркуляции жидкости внутри термостатирущей рубаа-гг.: л иэдлор»;ва-эт температуру с точностью до 0,1 К. Измерения про-поводились при определенной температуре чосле предварительной вы держи в течение трех часов при'заданной температуре. Температура кристаллизации заранее определялась стандартным методом и состэви-ла Тмкр= 325,65 К.

Результаты исследований показывают,что в области температур находящихся намного выгао и ниже температуры массовой кристаллиза -ции, зависимость скорости звука от температуры остается линейной. В области же фазового превращения наблюдается ск-.нго«? отклонение от линейности и происходит более интенсивное изменение скорости звука с ростом температуры.

Аналогичные эксперименты были пропедоны для системы "нефтяной

парафин + трансформаторное масло-' с содержанием парафина 45% и ¿5S.

Таким образом, по характеру зависимостей мспю определить прэдпереходнув зону с достаточной точностью. Для исследованных систем продпореходная область находится, соответствешю, и пределах 313 - 335 К. 308 - 323 К и 299 - 310 К.

На основании экспериментальных исследований установлено, что скорость звука в парафшшетых системах существенно поменяется в предлереходной температурной области к это изменен.носит нелинейный характер.

В третьем параграфе изучается процесс перераспределения давления в парафинистых системах в лредпереходной температурной области.

Для этого была создана экспериментальная установка. Она состоит из следующих узлов: баллона высокого давления, редуктора, м.ик-роредуктора, напорной емкости, трубки, с длиной рабочего участка L = 2,5 м и внутренним диаметром (1 = 0,006 м, образцовых манометров, датчика давления "Сапфир", источника питания постоянного тока, магазина сопротивления, самопишущего прибора, ультрэтермсстэ-та типа IJTV-3, краников.

В качестве исследуемой системы использовалась смесь "нефтяной парафин AbZ M.K.+ трансформаторное масло БЫТ. м.к". .температура кассовой кристаллизации определенная по стандартной методика состо.н-ляла-314,]5 К. Опыты проводились следующим о(5р"."ом. Систему нан;р-нэя емкость, капиллярная трубка заполняли расплавленной смесью. При этом было необходимо, чтобы отсутствовали пузырьки воздуха.

Смесь в контейнере нагруааЗШсь до определенного давления с помощью баллоьа высокого давлешш, и открнпая вход капилляра достигали установившегося режима течения смеси. Далее, однеремеш з перекрывали входной и выходной кранзнси и с помощью преобразователя давления (типа "Сапфир 22 ДЦ", модель 2440) и самопишущего потекиисм-г:--ра (КСП-4) снимались зависимости P=P(t) 1фя разных уровнях температуры .

Анализ полученных крш.ых показывает, что если при тонперзтурзл вниз начала кристаллизации давление Есзрпстпет до некоторого установившегося значения Р-Роо, то в лрвдггарехолной зоне характер кривых P-P(t) изменяется. №«энно а этой области довлонп:- н процессе

восстановления достигает определенного максимума, после чего происходит ого уменьшение до определенного уровня, на котором оно и стабилизируется. Это указывает на то, что система обладает релаксационными свойствами связанными с образованием зародышей (микро-кристялликов) парафина в смеси.

Кроме того, для сравнения полученных опытных данных кривые восстановления давления были перестроены в полулогарифмических координатах ln[(Po-Pee)/(P-Peo)]=r(t) (модель Догадгаша - Бертенева -Роз1Г.ыовского), где Ро - начальное давление на выходе трубки; Pj - уровень до которого восстанавливается давление; Р - текущее значв1гле давления.

Кз результатов видно, что в гредпереходной температурной области кривые восстановлешш давления в полулогарифмических координатах состоят из двух участков. При этом, возможно, первый участок характеризует гидродинамическое восстановление давления в системе,.а второй определяется релаксационными эффектами, проис- • ходящими в системе. Однако, по мере приближения к точке массовой кристаллизации КВД состоит из одной прямой. Можно предположить, что наблюдаемая картина обязана процессу зарождения микрозародышей (микрокристапликов) парафина в жидкости.

Ks:t известно, угол наклона прямых в полулогарифмических координатах характеризует время релаксации и по ним можно оцепить ре-лаксацио^наэ сисйствя системы.

Устекоалжо, что по мере приближения к точке массовой крис-т<-лл:;зоц.а! ь предпероходной зоне происходит увеличение времени р-злжс гздш.

Проведешшв экспериментальные исследования показывают,что с помощью кривых восстановлешш давления можно диагоностировать процесс образования зародышей твой фазы ч оценить изменения релаксационных свойств парафинистых систем.

Были проведены экспериментальные исследования изменения кривых течения в предггереходной температурной области.

Опыты осуществлялись на установке на которой снимались кривые восстановления давления.

В качестве исследуемой системы использовалась смесь "нефтяной парафин 45% м.к.+трансформаторное масло 55% м.к.",температура мае-

совой кристаллизации составляла 314,15 К. Опиты проводились следу- ' мщкм образом. Систему "напорная емкость- капиллярная трубка" заполняли расплавленной смесь». При этом было необходимо, чтобы отсутствовали пузырьки воздуха.Давление на входе поддерягивзлось при помощи реауктора и микроредуктора. С помощью регулирования выходного краника устанавливался стационарный режим течения смеси, и снимались кривые течения 0 = СКдР) при разных уровнях температуры. Перед каждым замером система термостатировала^ь в течении 4 часов с помощью ультратэрмостата, который обеспечивал большую скорость циркуляции внутри термостатируюших рубашек.

Результаты опытов оценивались сравнением экспериментальных кривых зависимости массовою расхода от перепада давления 0 = СЗ(лР) в предпереходной области.

Результаты показывают,что значительное расхождение кривых наблюдается в предпереходной зоне. Далее ¡.а основе этих кривых течения вычислены значения кинематической вязкости.

Из расчетов видно, что до верхней "границы" предпереходной зоны характер зависимости = v (Т) почти линейный, но е интервале температур зародыгвесбразовзния- экспоненциальный. Кинематическая вязкость в этой области значительно увеличивается.

На основе экспериментального исследования кривых течения па-рафинистых систем установлено, что изменение температуры в предпереходной области приводит к многократному изменению кинематической вязкости и пропускной способности.трубопровода. '.

Вторая глава диссертационной работы посвящена'исследованию тешюфизических свойств гетерогенных систем в 'предпереходной области. -

Исследование тешюфизических свойств гетерогрчных систем имеет большое практическое значение при регулировании технологических процессов нефтедобычи, а также при репгешот ряда задач, связанных с определнием параметров' фильтрации жидкости и газа в пористой среде."

В первом параграфе второй главы исследуется изменение теилооб-менных свойств газонидкостных систем в предпереходной зоне.

Проведенными в-последние- годы исследованиями установлено,что процесс образования зародышей новой фазы приводит к аномальному из- ' мененню реологических, теплофизическпх,'акустических я других спой-

сте гааожидкостных систем при давлениях превышающих давления насыщения .

В то же время не проведено систематическое изучение влияния предпороходного состояния на изменение .теплообменных свойств газо-кидкостннх систем.

Для проведения экспериментальных исследований была создана установка. Она состоит из двух надкостных термостатов типа UTV-4, бомбы PVT. гидравлического пресса с измерительной шкалой, дифференциальной термопары состоящей из хромель-капелевых проволок диаметром 0,0001 м, переключателя, потенциометра Р 36I/I, образцовых манометров.

Методика проведения экспериментов основана на первом методе регулярного решиа охлаждения (нагревания) разработанном Г.М. Кондратьевым.

Эксперименты проводились в следующей последовательности. Исследуемая газожидкостная смесь (трансформаторное масло + природный газ, давление насыщения-Рп=Э МПа) термостатировалась при начальной температуре Tj, посредством термостата. Затем с помощью переключателя в систему подключался второй термостат, предварительно разогретый до температуры Т2 = Tj + ДТ. Причем величина дт выбиралась с таким расчетам, чтобы не происходила термообработка исследуемой системы. Изменении температуры замерялось с помощью потенциометра от хромель-капедевой дифференциальной термопары, рабочий конец которой установлен в центро бомбы PVT, а холодный конец в термостате с температурой Т„.

■ * Эксперименты доводились для уровней давления 24,7; 21,0; 17,4; 16,0; 11,2; 9,9; 0,1 и 8,5 МПа. Перепад температуры лТ составлял I - 1,5 К.

Как видно из нолучешшх данных Намного выше давления насыщения значение темпа нагревают (охлаждения) га практически не изменяется с уменьшением давления и носит линейный характер. С уменьшением уровня давления низко 20 МПа, и приближением его к давлению насыщения значэние теша нагревания (охлаждения) начинает увеличп-расться.

Значение m достигает своего максимума при достижения давления насыщения. ••' '

Известно, что основной вклад в охлаждение газонефтяной смеси при ее движении от забоя до устья скважины вносят факторы связанные с процессом передачи тепла от потока к окружающей среде, а процесс выделения из нефти газа - незначительный.

' Результаты полученные в данном разделе дают возможность предположить, что усиление теплообменных характеристик газогадкостной смеси в гредпереходной зоне значительно влияет на изменение .температуры системы.

Установлено,что темп нагревания (охлаждения) для рассматрива-мой системы в зависимости от уровня давления значительно меняется, т. е. начиная с определенного уровня давления, намного превышающего давление насыщения, по море образования микрозародышей в системе начинает возрастать, благодаря усилению процесса переноса и соответствующего термодиф$узионного процесса.

Во втором параграфе изучается изменение калорических свойств гетерогенных систем в зависимости от температуры в продпереходной зоне.

С целью изучения изменеш!Я калорических свойств гетерогенных систем в предпереходной температурной облзсти рассмотрена зависимость между отношением изобарной теплоемкости Ср к коэффициенту термического расширения и температурой.

В опытах были использованы стандартные методика и установка. Адиабатичность процесса обеспечивается за счет изменения давления таким темпом, при котором теплообмен между рассматриваемой системой ( термодатчик + оболочка системы ) и окружающей термодинамической средой практически не успевает проявляться.

В качестве модельной системы использован естественный нефтяной парафин. Расплавленный парафин заполнялся в термоггатируемнй сосуд высокого давления и затем при атмосферном давлении в системе устанавливалась определенная начальная температура ( 365,15 К ) существенно превышающая температуру массовой кристаллизации ( 325,15 К.).' Далее посредством птока давление в кантейнере в адиабатическое, темпе повышалось на Р - Р0 = 0,5 !Я1а и замерялось соответствующее изменение температуры Т - Тд. Отмеченное повторялось последовательно при различных температурах в интервале 360,15 К-300 К.

Установлено,«то в интервалах температур,превышающих темп?рзту-

ру кристаллизации, соответствующих как твордой, так и жидкой фазе, Ср/и,р практически постоянно. Однако по мере приближения к критической Чочке", в системе появляются зародыши новой фазы, что отражается на характере зависимости СрДр(Т)

Для эффективного контроля и регулирования технологических процессов при добыче, подготовке и транспорте нефтей (особенно парафинистых) необходимо знать такие их характеристики, как температура застывания и Тс пература плавления. Температура застывания имеет большое ¡фактическое значение, так как при этой температуре нефть или нефтепродукты теряют подвижность, что обусловливается, главным образом, выпадением парафина образующего кристаллическую решетку по всей массе системы. Принято температурой застывания нефтепродукта называть температуру, при которой испытуемое вещество загустевает' настолько, что при наклоне стандартной пробирки с продуктом под углом 45°, уровень вещества остается неподзижным в течение I минуты. Как видно, это определение дает весьма условную оценку "температуры'застывания".

Большое значение для практики также имеет температура плав-линия, при которой застывшая нефть или твердый нефтепродукт переходят б кедкоо состояние. Одноко, очевидно, что переход сложной системы кз твердого состояния в жидкое не происходит при отделенной темпера-туре. Этот процесс происходит постепенно, в некотором интервале температур. Поэтому, во избежание неопределенности, в качестве температуры плавления принято брать температуру капле-надокил, т. е. ту температуру при которой образуется первая жидкая капля. На этой осноье в качестве стандартного способа определения каплепадения используется метод Уббелоде.

Очевидно, что температуры застывания или плавления определенные по указанным выше способам являются весьма условными величинам;! и качественно не характеризуют процессы застывания и плавления.

В этой связи проведенная экспериментальная работа дает возможность более качественно оценить температуры застывания и плавления. Как видно из полученных данных, в щпдпереходной области Ср/и.^ вначале уменьшается, затем увеличивается достигая определенного максимума .

Температура при которой отношение с становится максимальным ш-

кет быть определена как температура плавления или температура застывания .

Наряду с этим характер полученной зависимости Ср/^ //Т)указы-вает на то, что появление микрозародышей (микрокристалликов) новой фазы ь пределах существующей значительно изменяет калорические свойства систем.

В третьем параграфе второй главы исследуется влияние температурных изменений на теилообмешые свойства па; фшшстих систем в предпереходной зоне.

Ранее приведенные результаты экспериментальных исследований показали, что в предпереходной температурной области происходят процессы структурообразоваиия соответствующие каждому уровню температуры. В связи с этим представляет интерес изучение непосредственно теплообменных свойств ранее исследуемых систем в предпереходной температурной области. ■

3 последнее время все большее внимание уделяется нестационарным методам исследования. При этом 'определяются лииь теплофизичес-кие характеристики, а конвективный теплоперенос полностью исктачается ввиду большой вязкости исследуемых жидкостей.

К нестационарным методам в первую очередь относятся хорошо разработанные зондовые методы и методы регулярного режима, для которых требуется сравнительно мало времени. Они отличаются простотой технического осуществления и удовлетворительной во многих случаях инженерной практики точностью получаемых результатов.

Исходя из этого дтя определения теплообменных свойств парафи-нистых систем в предпереходной температурной зоне был использован первый метод регулярного режима охлаждения (нагревания) разработанный Г.М.Кондратьевым. •

С целью определения.коэффициента температуроводности. при разных уровнях температуры была собрана экспериментальная установка. Она состояла из двух жидкостных ультратермостатов типа иТУ-4, контрольных ртутных термометров, акалориметра, дифференциальнаЛ термопары, состоящей из хромель-капелевых проволок диаметром 0,001 м, потенциометра Р-361/1.

основным элементом данной установки является акалориметр цилиндрической формы изготовленный из латуни, теплоемкость которой

известна. Внутренние радиус и высота акалориметра составляют соответственно 0,024 и 0,070 м, толщина стенок 0,001 м. Акалориметр состоит из корпуса, крышки, фарфоровой трубки диаметром 0,002 м для ввода рабочего конца дифференциальной термопары' и расширительной трубки, в которую переходит часть жидкости при ее нагревании. Для уменьшения лучистой составляющей коэффициента теплоотдачи наружная поверхность акэлориметра отполирована. Коэффициент формы акалориметра вы'исляется по следующей формуле:

k-^âf+l-jr]"'

я ?

Для применяемого акалориметра К = 8297,23 10 м .

Опыты проводились в следующей последовательности. Акалориметр '■ с исследуемой системой погружался в первый ультратермостат с температурой Tj, а холодный конец дифференциальной термопары в ультратермостат с температурой Tg. Установление перепада температуры ûT = Tj- T?j ( дТ= 2,5 К) контролировалось с помощью потенциометра. После установления температуры акалориметр погружался во второй ультратермостат и снимались соответствующие кривые восстановления температур дТ = f(t).

Как видно из результатов исследований, в интервалах температур намного выше и ниже точки массовой кристаллизации, коэффициент температуропроводности практически постоянен, но в предпереходной зоне характер зависимости а = Г(Т) значительно меняется. При этом минимальное значошю соответствует температуре массовой кристаллизации. В сравнительно ..ебольшом интервале температур в предпереходной 1 области наблюдается значительное изменение теплообмешшх свойств системы. Так, например,уменьшение температуры от 333 К до 325 К приводит к более чем двадцатикратному изменению коэффициента тем. нературопроводности.

Аналогичные эксперименты проведет для системы "нефтяной па-графин 45% м.к. + трансформаторное масло 55% м.к." (ТКр=314,15 К). Гезультаты экспериментов показывают, что характер зависимости

а ■= i(T) для обоих систем одинаков, только минимум коэф5:ициен-та температуропроводности совпадает с массовой температурой кристаллизации.

На основании проведенных экспериментальных исследова"ий установлено, что процесс теплообмена в гетерогенных системах значительно изменяется с появлением микрозародышей новой фазы, и это надо учитывать при контроле, регулировании и технологических процессов добычи и транспорта нефти и нефтепродуктов.

Основные выводы и рекомендации

1.В результате визуализации структурных изменений парафинистых систем в предпереходной зоне зафиксировано, что первые зародыши новой фазы в пределах существующей образуются при температуре значительно превышающей температуру массогоЧ кристаллизации,а такие установлено, что наиболее существенное изменение структуры происходит в предпереходной температурном интервале в непосредственной близости от температуры массовой кристаллизации.

2.Установлено, что скорость звука в парафинистых системах существенно изменяется в зависимости от температуры в предпереходной области, что позволяет определить предпэреходную температурную область. _ •

3.Установлено, что релаксационные свойства парафинистых систем в предпереходной области по мере приближения к температуре массовой кристаллизации значительно усиливаются и при этом время релаксации изменяется по закону близкому к экспоненциальному,- достигая максимального значения вблизи ТШр.

■ 1.На основе снятых кривых течения установлено, что изменение температуры в предпереходной области приводит к значительному из-менешно вязкости парафинистых систем и к многократному изменению пропускной способности трубы.

5.Установлено, что теплофизичЕские свойства ге ерогашых систем в предпереходной области в значительной степени зависят от значения давления' и температуры. В частности, процесс теплообмена в газожидкоетных системах значительно усиливается с появлением м'.'чро-"-зародыией и с дальнейшим увеличением их числа по мерз приближения

к давлению насыщения, а небольшие температурные изменения могут привести к многократному изменению коэффициента температуропро -водности парафинистых систем.

6.Полученные результаты указывают на необходимость учета изме-

-гонения основных термоги'дродинамических характеристик реалышх систем при .контроле, регулировании и интенсификации технологических процессов добычи и.транспорта нефтей.

На основании проведенных исследований предложен метод снижения потерь энергии при добыче и транспорте парафшшстых нефтей, который был внедрен в КГДУ "Ширваннефть".

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

I. О продпореходных теплофизических яьлениях в парафинистых системах. Нефть и газ, М, 1994, с.60-63 (в соавторстве с Ф.Г. Беляевым).

■: 2. Об особегаюстьях распространения звуковых волн в парафинистых системах в предперзходной температурной области. Нефть и -газ, ЖЗ, 1994, с.45-49 (в соавторстве с Ф.Г.Беляевым ч М.А.Муса-овым). - .

Личный вклад внесенный соискателем.

В работе (I) - проведение экспериментальных исследований .и апробация результатов; в работе (2) - разработана конструкция кюветы для акустических исследований, проведение эксперименталь-.ных исследований.

Автор выражает благодарность к.т'.н., Ибишову Б.Г., в.н.с. Су-'.лейманову A.A., и с.н.с. Исмайлову Л.Д. за помощь оказа1шую в процессе работы над диссертацией.

Автор искренна признателен сотрудникам кафедр "Разработка и Эксплуатация нефтяных месторождений" и "Теоретическая механика" ¡(для нефтяных специальностей) APHA за постоянное внимание в период прохождения аспирантуры. .. . .

- 21 -CONCLUSION '

Analysts, of existed works on pre-transi t.ion states investigations shov/ that there i3 not complex approach the non-equilibrium conditions influence on real heterogenous systems' parameters investigation. This dissertation work considers the main.thermohydrody-namic properties of real fluid systems changing in pre-transition region.

The dissertation consists on Introduction, two chapters, conclusions and recommendations, used literature.

In introduction the actuality of work Is argumented, the aime and main tasks, scientific novelty and practical value of work are formulated.

In first chapter of work the results .of main rheophysical properties of paraffin systems in pre-transltion temperature zones investigation are given.

In second chapter of work the thermophysical properties of he-terogenouse systems in pre-transltlon region are considered.

In result of numerous experimental investigations the ne:.t main results are obtained: ;

1. First time on the base of photcstructural analyses and, changing character of sound wa"es propagation the pre-tran3ltion temperature zone for paraffin systems la established. First embryo of new ph33e takes place at the temperature more than mass crystallization temperature.

2. In pre-transltion region near to trass crystallization temperature the relaxation properties bt paraffin systems are increasing.

3. Thermophysical properties if heterogenous : .'/stems in pre-transition region depend on pressure and temperature. So, in particularly, heat transfer .in gas-fluid systems increase with their multiplying. A small- temperature changes can give the big changes-of heat-conducting coefficient in paraffin systems.

Obtained results show that it is necessary to take into account main t'hermohydrodynamical characteristic of real systems, .control regulation and intensification of technological pre?-?,:.? of oil production and transportation.

имев

ДпссертасиЛа шиндэ мэгсэд, нефт Ьасилаты ьэ нэглинин технологии просеслириндэ истилик режимшш танзим етмек вэ онлара нэзарэт етмок мэгеадилэ фаза.кечидгабаги зонада реал Ьетерокен системлерин термоЬлдродинамики хассэлэрини oJp8нмэкдиp.

ДиесертасиЛа ниш кириш, 2 башлыг, нэтичолэр, эдобиЛЛат сиЛа-Ыси вэ элавэле^эн ибарэтдир.

Кириц Ьиссэсиндэ гаршЛа гоЛулан мэгсэд вэ мэсэлелэрин Леринэ Летирилмэси учун апарылан тэ.цгигатларин актуаллигы во лазымлыгы эсасландырилыр.

•Биринчи башлигда парафинли системлерин кечидгабаги температур зонасинда эсас реофизики хассолэри тэдгиг едилмишдир.

]'кинчи башилда Ьетерокен системлердэ кечидгабаги зонада исти-лик-физики хассэлэрин дэЛишмэси еЛрэнилмишдир.

Апарылан тэчруби тэдгигатлар эсасында диссертасиЛа шиндэ реал маЛе снстемлэрин кечидгабаги зонада эсас термо1шдродинамики хассэ-лерия оЛр^кклюсинэ комплекс Ланашилмагла, ашагидакы эсас нэтичэлэр =»лд& едилмишдир.

1. Илк дьфо олараг парафинли системлердэ "фото-монзэрэ" тэ!иш-."•инэ, сес далгал&р'лг^н ЛаЛылма хусусиЛЛэтлэринэ есасэн кечидгабаги то;.-ператур ленаец ашкар "едилшш, парафинин илк кристал дэнэчиклери-н„и "ку'хловп мристаллашма температурундан" чох Лухарцда мовчуд ол-мзеы кестэрилмишдир.

2-, М',оЛЛэн едилмишдир ки, тезЛигин берпа эЛрилэринэ кере парафинли системлердэ кечидгабаги зоншш диагнозлашдирмаг олар, ашкар едилмишдир ки, беле систьллэр кечидгабаги зонада релаксасиЛа хусу-сиЛЛэтшш маликдирлер.

о. Тэчруби олараг те"Лин едилмишдир ки, газ-маЛе системлориндэ доЛма тэзЛигинэ Лзхинлашдыгча истилик мубадилоси кучлэнир.

4. Парафинли системлерин кечидгабаги'температур зонада исти-Лик-фязихй хассэлэринин температурдан асылн олараг даЛишмэ хусусиЛ-Лети муэЛЛон едилмишдир. Бу натичелэр эсасннда "Парафинли нефтлорин чыхарилмасы вэ мэ"дэндахили-нэгли замаш енержи иткилэрияин азал-днлмасы метода" шлэнмиш вэ "Ширваннефт" НГЧИ-де тотбиг едилмишдир.