Abstract

Abstract

Рассматривается тепловой метод удаления парафиновых отложений в нефтяных скважинах с помощью греющего кабеля. Определяются температурное поле в межтрубном пространстве и скорость конвективного теплового потока. Рассчитывается тепловое сопротивление воздушного зазора.

Full Text

Отложения парафина в нефтяных скважинах уменьшают добычу нефти. Одним из методов удаления парафина является нагрев скважины с помощью греющего кабеля [1, 2]. Расчет допустимого тока нагрева требует расчета тепловых сопротивлений элементов конструкции скважины. Наибольшую сложность представляет определение теплового сопротивления воздуха в межтрубном пространстве. На рис. 1 представлена нефтяная скважина с греющим кабелем 5, предназначенным для удаления парафиновых отложений 3. На рис. 2 представлена тепловая схема замещения. Тепловой поток, идущий от токопроводящей жилы греющего кабеля, проходит через тепловое сопротивление: изоляции (Sиз); нефти (скважинная жидкость), находящейся между кабелем и отложениями парафина (Sн); отложений парафина (Sп); воздуха (Sв) и грунта (S0). Насосно-компрессорная труба (НКТ) и обсадная колонная (ОК) выполнены из стали, которая обладает хорошей теплопроводностью по отношению к остальным материалам (нефти, парафину, грунту), поэтому при решении задачи не учитываются. Рис. 1. Нефтяная скважина: 1 – насосно-компрессорная труба, 2 – обсадная колонна, 3 – отложения парафина, 4 – выкидная труба, 5 – греющий кабель, 6 – поверхность земли, 7 – межтрубное пространство, 8 – динамический уровень нефти, T1 – температура НКТ, T2 – температура обсадной колонны Рис. 2. Тепловая схема замещения: Sиз – тепловое сопротивление изоляции, Sн – тепловое сопротивление нефти, Sп – тепловое сопротивление парафина, Sв – тепловое сопротивление воздуха, S0 – тепловое сопротивление грунта, Tж – температура токопроводящей жилы, T1 – температура НКТ, T2 – температура обсадной колонны, T0 – температура грунта Наибольшую сложность представляет определение тепломассообмена в межтрубном пространстве. Ставится задача: определить скорость конвективного теплового потока за счет разности температур НКТ (T1, см. рис. 1) и ОК (T2) и температурного поля в межтрубном пространстве. Скважина расположена горизонтально. Конвекция свободная. Радиус насосно-компрессорной трубы RНКТ = 36,5 мм, обсадной колонны RОК = 66 мм. Кольцевой зазор заменяется зазором между двумя параллельными пластинами: a = RОК – RНКТ = 29,5 мм. Теплофизические характеристики воздуха: теплопроводность, теплоемкость и плотность зависят от температуры. Задача решается с помощью среды моделирования ANSYS. На рис. 3 представлены эпюры скоростей конвективного теплового потока для двух вариантов: 1) температура НТК – 20 ºС, температура ОК – 0 ºС; 2) температура НТК – 80 ºС, температура ОК – 60 ºС. На рис. 3 видно, что в конвективных потоках возникают вихри, а это согласуется с [3]. Для варианта 1 расстояние между центрами ячеек составляет b1 = 78 мм, отношение этого числа к ширине зазора b1/a = 78/29,5 = 2,61. Число Рейнольдса = 423, где скорость U = 0,201 м/с, кинематическая вязкость ν = 1,4·10–5 м2/с. Рис. 3. Скорость конвективного теплового потока в межтрубном пространстве На рис. 4 представлены температурное поле и плотность теплового потока в межтрубном пространстве. На рис. 4 видно, тепловой поток передается от стенки с температурой T1 стенке с температурой T2 за счет вихревого движения (см. рис. 3) и одновременно поднимается вверх. Рис. 4. Температурное поле и плотность теплового потока в межтрубном пространстве Плотность теплового потока на стенке P = 43,4 Вт/м2. Тепловое сопротивление воздуха в зазоре в соответствии с тепловым законом Ома определяется как Sв = (T1 – T2)/P = 20/43,4 = 0,461 ºС м/Вт. Откуда удельное тепловое сопротивление σв = Sв/a = 0,461/0,0295 = 15,6 ºС м/Вт. Тепловое сопротивление воздушного зазора между НКТ и ОК на длине 1 м определяется как ºС м/Вт. Рассмотренный метод расчета теплового сопротивления воздуха в межтрубном пространстве нефтяной скважины предназначен для расчета тока нагрева греющего кабеля [4].