УДК 622.245

СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОПАРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПАРОТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОДУКТИВНЫЕ ПЛАСТЫВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ

Зырин Вячеслав Олегович
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
канд. тех. наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики,электромеханики

Аннотация
Рассмотрены электрические и тепловые процессы в скважинном электропарогенераторе с коаксиальным расположением электродов. Получены расчетные соотношения для определения сопротивления рабочей жидкости, парового и жидкостного объемов при заданной электрической мощности и заданном тепловом потоке нагревателя.

Ключевые слова: забойный электропарогенератор, импульсно-дозированное тепловое воздействие, паротепловое воздействие, повышение нефтеотдачи, электротермический комплекс


DOWNHOLE ELECTROSTEAM GENERATOR FOR COMBINED HEAT IMPACT ON THE HIGH VISCOSITY OIL’S PRODUCTIVE LAYERS

Zyrin Viacheslav Olegovich
National mineral resources university (university of mines)
Ph.D., Assistant of the Electrotechnical, electroenergtic, electromechanic department

Abstract
Electrical and thermal processes in the downhole electrosteam generatore with coaxial electrodes are axamined. The relations for determining the resistance of the working fluid vapor and liquid volumes for a given electrical power and a given heat flux heater are calculated.

Keywords: downhole electrical steam generator, electrothermal complex, enhanced oil recovery, impulse-dozed heating treatment, thermal steam treatment


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Зырин В.О. Скважинный электропарогенератор для комбинированного паротеплового воздействия на продуктивные пластывысоковязкой нефти // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 5. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/05/34793 (дата обращения: 04.10.2017).

Основной причиной, ограничивающей рост добычи нефти в России, является не физическое истощение недр, а значительное усложнение природных условий поисков, разведки и разработки месторождений. Разработкой и внедрением методов повышения нефтеотдачи пластов активно занимаются все нефтедобывающие страны, так как увеличение нефтеотдачи на эксплуатируемых месторождениях равносильно открытию новых. В России по оценкам имеет­ся около 10 млрд. м3 промышлен­ных запасов тяжелых нефтей высокой вязкости, освоение ко­торых до настоящего времени не нашло широкого распростра­нения и преимущественно осу­ществляется на двух месторож­дениях – Усинском (Республика Коми) и Гремихинском (Удмурт­ская Республика). Однако, несмо­тря на энергоемкость разра­ботки залежей тяжелых неф­тей, востребованность данного сырья в перспективе будет воз­растать, что, в свою очередь, требует поиска оптимальных путей их освоения. В связи с этим актуальными являются анализ и обобщение опыта внедрения технологий, обеспе­чивающих рентабельность до­бычи высоковязких нефтей.
Мировой опыт разработки залежей высоковязких нефтей показал, что нет альтернативы термическим мето­дам воздействия на пласт. В отечест­венной практике преимущественно используется вытеснение её паром [1]. 
Перспективным направлением развития термических методов добычи является разработка забойных теплогенераторов [2]. Одной из основных задач при проектировании скважинных нагревателей является выбор геометрических параметров устройства и физических свойств рабочей жидкости в зависимости от условий теплового нагружения пласта. Электродные жидкостные нагреватели достаточно широко применяются в промышленных электрокотлах (паровых и водогрейных). Однако, чтобы использовать подобные нагреватели в скважинах, необходимы конструктивные изменения. Предложенные ранее методы теплового  воздействия на пласт с помощью  скважного электродного нагревателя имеют ряд недостатков с точки зрения эффективности, т.к. в них отсутствовал комбинированный термогидродинамический эффект воздействия за счет передачи теплоты от нагревателя и фильтрации пара в пласт.
Рассмотрим тепловой расчет устройства тепловой обработки скважины с коаксиальным расположением электродов (рис.1,а). В таком теплогенераторе, благодаря интенсификации теплообмена за счёт создания конвективного контура с малым гидравлическим сопротивлением, достигается эффективное преобразование электрической энергии в теплоту. Отличительной особенностью рассматриваемого теплогенератора является простота конструкции изготовления, монтажа и эксплуатации.
Для определения электрического сопротивления R проводящей жидкости в устройстве тепловой обработки призабойной зоны скважины воспользуемся методом сечений Релея [3], который оказался наиболее плодотворным среди множества аналитических методов расчета. 

 

 

Рис. 1. Расчетная схема забойного теплогенератора с коаксиальным расположением электродов:

а) конструктивная схема;  б) электрическая схема

В этом случае кусочно-составная зона проводимости разбивается вспомогательными бесконечно тонкими поверхностями, одни из которых изопотенциальны, а другие непроницаемы для линий тока. Такое дробление позволяет линеаризовать исходное потенциальное поле, что существенно упрощает решение задачи. Схема соединения сопротивлений представлена на рис.1,б. 
Выражения для сопротивлений отдельных участков Ri будут выглядеть следующим образом

                        (1)

где  - электрическое сопротивление рабочей жидкости;  - высота устройства;  - внутренний диаметр устройства;  - внутренний диаметр обсадной колонны.
В связи с тем, что при расчете R1 и R6 учитывалось как “адиабатное” дробление участка, так и изопотенциальное дробление, то целесообразно использовать комбинированное дробление, в результате чего значения  R1 и R6   будут наиболее близки к истинным [4]:

                                        (2)

В итоге получаем        

                                        (3)
                                                (4)

Полное сопротивление проводящей фазы, исходя из схемы соединения (рис.1, б), можно определить по формуле:

                       

С учетом того, что  R2 =R4 , в итоге получаем

                        (5)
Мощность нагрева N с учетом ограничения со стороны кабельных линий примем равной 0,5 МВт. Диаметр устройства D в соответствии с диаметром обсадной трубы в зоне продуктивного пласта равен 0,127м. Напряжение питания U=6 кВ.
Запишем уравнение теплового баланса для устройства тепловой обработки. С одной стороны полная мощность Q, рассеиваемая с поверхности нагревателя, равна

                         (6)

где - удельная мощность теплового потока, Вт/м2- длина нагревателя; - длина  участка, заполненного жидкостью; - длина участка, заполненного паром.

Рис. 2.  Зависимость длины нагревателя от плотности теплового потока при различных значениях D: 1 – D = 0.127 м, 2 - D = 0.140 м

 С другой стороны мощность, выделяемую в проводящей зоне при протекании по ней электрического тока, можно определить по формуле:

N=U2/R.                                                         (7)
Приравнивая Q к N, и задаваясь геометрическими параметрами, можно найти удельное электрическое сопротивление рабочей жидкости , необходимое для поддержания нормального режима работы нагревательного устройства.
Соотношение длин жидкостной и паровой фаз  и определим из следующих соображений. Для получения заданной мощности при нормальном напряжении необходимо обеспечить требуемое соотношение между объемами пара и воды в нагревательном устройстве, которые определяются температурой и давлением в замкнутом объеме. Для изохорного процесса нагрева воды можно записать уравнение постоянства объема нагревателя

                                         (8)
где V – объем нагревателя; х – масса пара при заданных температуре и давлении; mo – масса воды в нагревателе при 20оС;  и - удельные объемы пара и воды при заданной температуре, соответственно.
Из (8) находим  х                                                                 (9)

По таблицам состояния “вода-пар” [5] для различных значений температур и давлений определяется масса пара x при заданных объеме нагревателя и массе залитой в него воды. По полученному значению x определяются: объем пара в нагревателе ,  объем воды, высота столба пара        .                                Зная , находим высоту столба жидкости 

                                         (10)
Максимальное значение плотности теплового потока , рассеиваемого в пласт при кипении и конденсации, достигает значений 5105 Вт/м2. На рис.2 представлены зависимости длины нагревателя l0 от плотности теплового потока при различных значениях диаметра нагревателя. Определим по формуле (5) электрическое сопротивление рабочей жидкости , необходимое для поддержания нормального режима работы нагревательного устройства, при этом электрические сопротивления отдельных участков нагревательного устройства определяются по формулам (1) – (4). В результате получаем: . Расчет проводился при следующих значениях параметров: 
 
Применение в регионах с высокой электровооруженностью скважинного электротермического оборудования позволит снизить стоимость термических скважин, автоматизировать процесс термообработки, за счёт высокой манёвренности увеличить число добычных скважин и получить экологически чистые и ресурсосберегающие технологии термической добычи тяжёлых высоковязких нефтей.

Библиографический список
  1. Артеменко А.И., Кащавцев В.Е.  Приоритет – за пароцикликой // Нефть России, 2005, №10, с.108.
  2. Загривный Э.А., Козярук А.Е., Маларев В.И., Мельникова Е.Е. Перспективы использования забойных электротермических комплексов для повышения нефтеотдачи пластов с тяжелой высоковязкой нефтью // Электротехника,2010 г., №1.,  с. 50–56.
  3. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л., Энергия, 1974, 264.
  4. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Эффективный коэффициент систем с взаимопроникающей проводимостью // Инженерно-физический журнал, 1977, т.33, № 2, с. 271.
  5. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М. Физматгиз,1963 г., 708 с.


Все статьи автора «Зырин Вячеслав Олегович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: