Читайте также:
|
|
Вариант 13
Выполнил: ст.гр. МО-07-9
Кузьмин А.В.
Проверил: Купцов С.М.
Москва 2010
Постановка задачи
Горячая вода нагнетается в скважину глубиной Н по колонне насосно-компрессорных труб с наружным диаметром d2 и толщиной стенки δ1. Объемный расход равен V. Насосно-компрессорные трубы концентрично установлены в обсадной колонне с наружным диаметром d4 и толщиной стенки δ2. Наружный диаметр цементного камня равен dцк. Кольцевое пространство между обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами заполнено флюидом.
Температура горячей воды на забое скважины t3 через суток с начала нагнетания должна быть выше температуры породы 10 150С.
Определить температуру воды на устье скважины tу и температуры элементов конструкции скважины на устье и забое скважины.
Построить графики изменения температуры горячей воды, геотермической температуры по глубине скважины и радиальное распределение температуры на устье и забое скважины.
Таблица 1 - Исходные данные
V, м3/сут | Г, 0С/м | τ, сут | Флюид, в КЗ | Горная порода |
0,028 | воздух | известняки |
Продолжение таблицы 1
Н, м | d4, мм | δ2, мм | d2, мм | δ1, мм | dцк, мм |
Краткая теория
Для решения задачи рассмотрим процессы, происходящие в нагнетательной скважине.
Рисунок 1 – Схема нагнетательной (добывающей) скважины:
1 – кондуктор;
2 – цементный камень;
3 – обсадная колонна;
4 – флюид;
5 – колонна НКТ;
6 – пакер;
7 – горная порода;
8 – пласт
Последовательность передачи теплоты от теплоносителя (нагнетаемой 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 (воздух) в затрубном пространстве;
5 – свободная конвекция флюида;
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 – процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении различных тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры.
Конвекция – процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.
Тепловое излучение – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. Теплообмен излучением представляет процесс последовательного превращения внутренней энергии одного тела в энергию излучения, распространения ее в пространстве и превращения энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела.
Теплопередача – это процесс передачи теплоты от горячей текучей среды холодной через разделяющую стенку.
Теплоотдача – конвективный теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела.
Расчет
1. Исходные данные:
V, м3/сут | Г, 0С/м | τ, сут | Флюид, в КЗ | Горная порода |
0,028 | воздух | известняки |
Продолжение таблицы 1
Н, м | d4, мм | δ2, мм | d2, мм | δ1, мм | dцк, мм |
Время работы скважины:
Флюид в КЗ – воздух
Горная порода – известняки (Усинск)
Внутренний диаметр НКТ:
Наружный диаметр НКТ:
Внутренний диаметр ОК:
Наружный диаметр ОК:
2. При закачке в пласт горячей воды важно знать её температуру на забое. Зная температуру нейтрального слоя земли, определим температуру невозмущенной породы на забое:
3. Так как температура горячей воды на забое через 21 суток с начала испытания должна быть на 10-150С выше температуры породы, то пусть
4. Зная температуру нейтрального слоя земли и температуру невозмущенной породы на забое, построим график изменения геотермической температуры по глубине скважины.
5. Для определения теплофизических свойств флюида и элементов конструкции скважины, а также для определения изменения их температуры разделим глубину всей скважины на 10 равных участков и рассмотрим каждый в отдельности.
6. Рассмотрим первый участок глубиной от 0 до 150 м.
6.1 Предположим, что температура горячей воды на устье
Тогда,
Температура воды в колонне НКТ:
Средняя температура участка:
Температура внутренней поверхности НКТ:
Температура наружной поверхности НКТ:
Средняя температура НКТ:
Температура внутренней поверхности ОК:
Температура наружной поверхности ОК:
Средняя температура ОК:
Средняя температура воздуха:
Температура наружной поверхности ЦК:
Средняя температура ЦК:
6.2 Определим теплофизические свойства воздуха(для температур от -30 до 500 °С).
Коэффициент теплопроводности:
Удельная изобарная теплоемкость:
Плотность:
Кинематический коэффициент вязкости:
Коэффициент температуропроводности:
Коэффициент объемного расширения воздуха:
Критерии подобия для воздуха:
Критерий Прандтля:
Критерий Грасгофа:
Температурная поправка, учитывающая различие теплофизических свойств воздуха у поверхности теплообмена и вдали от неё в результате конвекции.
Так как , то:
Степень черноты стали для НКТ и ОК выбираем по таблице:
Приведенная степень черноты НКТ и ОК:
В затрубном пространстве находится воздух считаем эффективный коэффициент теплопроводности в кольцевом зазоре как передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией:
Вода:
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:
6.3 Теплофизические свойства известняков при Т=300 К (месторождение – Усинск):
Плотность породы:
Коэффициент теплопроводности:
Коэффициент температуропроводности:
6.4 Теплофизические свойства цементного камня:
Плотность цементного камня:
Коэффициент теплопроводности:
Коэффициент температуропроводности:
6.5 Теплофизические свойства стали для колонны НКТ и ОК при соответствующих им средних температурах:
Плотность стали:
Коэффициент теплопроводности:
Коэффициент температуропроводности:
6.6 Определим диаметр прогретой (возмущенной) породы (известняков):
Время прогрева НКТ:
Время прогрева воздуха в кольцевом зазоре:
Время прогрева ОК:
Время прогрева ЦК:
Время прогрева породы (известняков):
Отсюда, диаметр прогрева породы:
6.7 Коэффициент теплопередачи от нагнетаемой воды в окружающую породу:
6.8 Распределение температур по глубине:
Температура воды на первом интервале:
6.9 Погрешность расчетов:
6.10 Теперь необходимо уточнить температуру элементов конструкции скважины в горизонтальном сечении, это, с достаточной степенью точности, можно сделать используя метод последовательной смены стационарных состояний:
6.11 Тепловой баланс первого участка:
Погрешность расчета:
2) Тепловой баланс:
Ошибка:
Погрешность меньше 10%, следовательно, расчет призведен верно.
6.12. Аналогично первому, рассчитаем остальные участки и запишем результаты вычислений в таблицы:
График изменения температуры нагнетаемой воды по глубине скважины:
Таблица 2 – температуры флюида и элементов конструкции скважины
Температура на участках, 0С | ||||||||||
75,0 | 73,3 | 72,4 | 71,7 | 71,2 | 70,7 | 70,2 | 69,9 | 69,6 | 69,5 | |
74,0 | 73,1 | 72,3 | 71,6 | 71,1 | 70,6 | 70,1 | 69,8 | 69,4 | 69,3 | |
73,9 | 73,0 | 72,2 | 71,5 | 71,0 | 70,5 | 70,0 | 69,7 | 69,3 | 69,2 | |
73,9 | 73,0 | 72,3 | 71,6 | 71,1 | 70,6 | 70,1 | 69,8 | 69,4 | 69,3 | |
45,6 | 47,4 | 49,1 | 50,9 | 53,1 | 54,7 | 56,6 | 58,7 | 60,7 | 62,7 | |
45,6 | 47,3 | 49,0 | 50,8 | 52,7 | 54,6 | 56,5 | 58,6 | 60,6 | 62,6 | |
45,6 | 47,4 | 49,1 | 50,9 | 52,9 | 54,7 | 56,6 | 58,7 | 60,7 | 62,7 | |
59,8 | 60,2 | 60,7 | 61,2 | 62,5 | 62,7 | 63,3 | 64,2 | 65,0 | 65,9 | |
38,1 | 40,6 | 43,0 | 45,5 | 48,2 | 50,7 | 53,2 | 55,7 | 58,6 | 61,1 | |
41,8 | 44,0 | 46,0 | 48,2 | 50,4 | 52,7 | 54,9 | 57,2 | 59,6 | 61,9 | |
23,4 | 27,6 | 31,8 | 40,2 | 44,4 | 48,6 | 52,8 |
Вывод:
Чтобы Температура горячей воды на забое скважины через 21 суток с начала нагнетания была выше температуры породы 10 150С необходимо, чтобы температура воды на устье на 6 0С превышала её температуру на забое. При движении воды от устья к забою происходит потеря тепла в стволе скважины.
Список использованной литературы:
1. Калинин А.Ф., Купцов С.М. Домашние задания по теплотехнике. Часть II. Теплопередача. – М.: РГУ нефти и газа, 2002. – 32с.
2. Трошин А.К., Купцов С.М., Калинин А.Ф. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок. – М.: МПА-Пресс, 2006. – 78 с.
3. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплотехнике: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1980. – 288 с., ил.
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. Купцов С.М. Теплофизические свойства пластовых жидкостей нефтяных месторождений. – М.: РГУ нефти и газа, 2005. – 125 с.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 170 | Нарушение авторских прав