Построение графиков изменения температуры горячей воды и геотермической температуры по глубине скважины

Постановка задачи

Горячая вода нагнетается в скважину глубиной по колонне НКТ с наружным диаметром и толщиной стенки. Температура воды на устье скважины составляет, а её объемный расход равен. НКТ концентрично установлены в ОК с наружным диаметром и толщиной стенки. Наружный диаметр цементного камня равен. Кольцевое пространство межу ОК и НКТ заполнено флюидом.

Определить температуру горячей воды на забое скважины через суток с начала нагнетания.

Построить графики изменения температуры горячей воды, геотермической температуры по глубине скважины и радиальное распределение температуры в середине скважины.

Исходные данные

Последовательность передачи теплоты от теплоносителя (закачиваемой воды) к горной породе:

1 — вынужденная конвекция в теплоносителе;

2 — теплоотдача от теплоносителя к стенкам колонны насосно-компрессорных труб (НКТ);

3 — теплопроводность через стенки колонны НКТ;

4 — теплоотдача от стенок колонны НКТ к флюиду (нефти) в затрубном пространстве;

5 — свободная конвекция флюида и теплообмен излучением в затрубном пространстве;

6 — теплоотдача от флюида в затрубном пространстве к стенкам колонны обсадных труб (ОК);

7 — теплопроводность через стенки ОК;

8 — теплопроводность через цементный камень (ЦК);

9 — теплопроводность в горной породе.

Совокупность этих процессов называется теплопередачей в скважине.

Теплопроводность представляет собой форму распространения теплоты путем непосредственного соприкосновения отдельных частиц тела, имеющих различную температуру. При этом процесс теплообмена происходит вследствие передачи энергии микродвижения одних элементарных частиц другим. Конвективным теплообменном называется форма переноса теплоты, в пространстве, осуществляемая перемещающимися частицами жидкости (капельная жидкость или газ). При перемещении в пространстве различно нагретых частиц жидкости происходит непосредственное их соприкосновение, поэтому здесь имеет место теплопроводность. Следовательно конвективный теплообмен представляет собой совокупное действие двух процессов — конвекции и теплопроводности. Лучистым теплообменом, или тепловым излучением называется форма передачи теплоты излучением между телами, который включает последовательное превращение внутренней энергии тела в энергию излучения, распространение ее в пространстве и превращение энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела.

Теплопередача — процесс переноса теплоты от горячей текучей среды к холодной через разделяющую твердую поверхность.

Расчет

1. Рассчитаем внутренние диаметры НКТ и ОК Внутренний диаметр НКТ:

Наружный диаметр НКТ:

Внутренний диаметр ОК:

Наружный диаметр ОК:

2. При закачке теплоносителя в пласт необходимо знать его температуру на забое. Зная температуру нейтрального слоя земли, определим температуру невозмущенной породы на забое:

3. Зная температуру нейтрального слоя земли и температуру невозмущенной породы на забое, построим график изменения геотермической температуры по глубине скважины.

4. Для определения теплофизических свойств флюида и элементов конструкции скважины, а также для определения изменения их температуры разделим глубину всей скважины на 10 равных участков по 250 м и рассмотрим каждый в отдельности.

5. Рассмотрим первый участок глубиной от 0 до 250 м.

5.1 Температура горячей воды на устье

Тогда,

Температура воды в колонне НКТ:

Температура внутренней поверхности НКТ:

Температура наружной поверхности НКТ:

Средняя температура НКТ:

Температура внутренней поверхности ОК:

Температура наружной поверхности ОК:

Средняя температура ОК:

Средняя температура нефти 3:

Температура наружной поверхности ЦК:

Средняя температура ЦК:

Температура породы:

5.2 Определим теплофизические свойства флюида (воды).

Коэффициент теплопроводности:

Изобарная теплоемкость:

Плотность:

Кинематический коэффициент вязкости:

Коэффициент температуропроводности:

Критерии подобия для воды:

Массовый расход:

Скорость движения жидкости:

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

Критерий Прандтля при температуре внутренней поверхности колонны НКТ:

Температурная поправка, учитывающая различие теплофизических свойств жидкости у поверхности теплообмена и вдали от неё:

Критерий Нуссельта:

Так как режим течения жидкости — турбулентный, т. е., то Коэффициент теплоотдачи:

5.3 Теплофизические свойства глины при Т=300 К (месторождение — Каражанбас):

Плотность породы:

Коэффициент теплопроводности:

Коэффициент температуропроводности:

5.4 Теплофизические свойства цементного камня:

Плотность цементного камня:

Коэффициент теплопроводности:

Коэффициент температуропроводности:

5.5 Теплофизические свойства стали для колонны НКТ и ОК:

Плотность стали

Коэффициент теплопроводности:

Коэффициент температуропроводности:

5.6 Теплофизические свойства нефти 3 при температуре от 30 до 90 0С:

Коэффициент теплопроводности:

Изобарная теплоемкость:

Плотность нефти 3

Кинематический коэффициент вязкости:

Коэффициент температуропроводности:

Коэффициент объемного расширения нефти 3:

Критерии подобия для нефти 3:

Критерий Прандтля:

Критерий Грасгофа:

Температурная поправка, учитывающая различие теплофизических свойств нефти 3 у поверхности теплообмена и вдали от неё в результате конвекции.

Так как, то:

В затрубном пространстве находится нефть 3 считаем эффективный коэффициент теплопроводности в кольцевом зазоре как передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией:

Степень черноты стали для НКТ и ОК выбираем по таблице 21 [3]:

скважина температура вода нагнетательный Приведенная степень черноты НКТ и ОК:

Эффективный коэффициент теплопроводности:

5.7 Определим диаметр прогретой (возмущенной) породы (известняков):

Найдем время прогрева породы.

Время прогрева НКТ:

Время прогрева нефти 3 в кольцевом зазоре:

Время прогрева ОК:

Время прогрева ЦК:

Время прогрева породы (известняков):

Отсюда, диаметр прогрева породы:

5.8 Коэффициент теплопередачи от нагнетаемой воды в окружающую породу:

5.9 Распределение температур по глубине:

Температура воды на первом интервале:

5.10 Погрешность расчетов:

По температуре Тепловой баланс первого участка:

Погрешность расчетов:

Проверим распределение температуры по радиусу Погрешность расчетов

6. Аналогично первому, рассчитаем остальные участки и запишем результаты вычислений в таблицы:

Таблица 2 — температуры флюида и элементов конструкции скважины

7. Построим график изменения температуры горячей воды

8. Построим график радиального распределения температуры горячей воды на устье и на забое скважины Таблица 3 -температуры флюида и элементов конструкции скважины на устье и забое скважины

10. Совместим графики распределения геотермической температуры и температуры флюида в скважине

Вывод

1. Работа оборудования и элементов конструкции наиболее благоприятна на глубине около 1500 м, т.к. перепад температур от воды в скважине до невозмущенной породы на этом участке (участок 6) наименьший, и составляет 3,8 0С, в то время как на устье и забое перепад 60,450С и 37,600С соответственно.

2. При движении воды от устья к забою происходит потеря тепла в стволе скважины, т. е. температура нагнетаемой воды на устье выше, чем на забое. Но, вместе с тем, температура невозмущенной горной породы повышается с ростом глубины скважины. В результате на забой поступает «холодная» вода, температура которой составляет 69,900С, что значительно ниже температуры невозмущенной породы, равной 107,5 0С. Минимальной эффективной температурой прогрева обводненного пласта нужно считать 120 — 1250С. Следовательно, данные (начальные) условия не подходят для повышения нефтеотдачи пласта.

Предлагаю применение альтернативных методов увеличения нефтеотдачи:

· нагнетание водяного пара;

· прогрев призабойной зоны скважины с использованием глубинных подогревателей;

· глино-кислотная и термо-кислотная обработка призабойной зоны пласта;

· гидропескоструйная обработка призабойной зоны пласта;

· внутрипластовое горение;

3. Данная скважина может использоваться в системе ППД (поддержания пластового давления). Температура нагнетаемой воды достаточна (69,900С на забое) для предотвращения выпадения АСПО (выше 400С), а также для предотвращения обледенения оборудования в зимнее время.

4. В верхних интервалах скважины (1 и 2 участки) перепад температур на цементном камне выше 200С, что приводит к разрушению цементного камня. Предлагаю применять термоизолированные нагнетательные трубы на глубине от 0 до 500 м.

1. Калинин А. Ф., Купцов С. М. Домашние задания по теплотехнике. Часть II. Теплопередача. — М.: РГУ нефти и газа, 2002. — 32с.

2. Краснощеков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплотехнике: Учеб. пособие для вузов. — 4-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1980. — 288 с., ил.

3. Купцов С. М. Теплофизические свойства пластовых жидкостей нефтяных месторождений. — М.: РГУ нефти и газа, 2005. — 125 с.

4. Поршаков Б. П., Бикчентай Р. Н., Романов Б. А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности): Учебник для вузов. — М.: Недра, 1987. — 349 с.

5. Трошин А. К., Купцов С. М., Калинин А. Ф. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. — М.: МПА-Пресс, 2006. — 78 с.