CC BY
32
УДК 550.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СВОБОДНОЙ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИИ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
© Р. А. Валиуллин, Р. Ф. Шарафутдинов, В. Я. Федотов, И. В. Канафин*
Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел./факс: +7 (347) 272 60 56.
*ЕтаИ: vradlik@gmail.com
В данной работе рассматривается экспериментальная установка для изучения конвективного теплопереноса в системе «вертикальная труба-горная порода» при индукционном нагреве стальной трубы. Экспериментальная установка позволяет моделировать распределение температуры флюида внутри стальной трубы и в имитирующей пласт песчаной засыпке. При нагреве трубы в жидкости возникает тепловая конвекция, которая регистрируется системой распределенных датчиков температуры.
Ключевые слова: конвекция, конвективный теплоперенос, индукционный нагрев, заколон-ный переток, теплообмен, активная термометрия.
На модели имеются два нагревателя (4 - верх-еде е ний и 6 - нижний). Геометрические и мощностные
На сегодняшний день одной из кшных задач параметры нагревателей соответствуют тепловому
контроля за техническим состоянием скважин явля- воздействию скважинного индуктора.
ется диагностика заколонных перетоков. Для решения данного вопроса применяются различные геофизические методы, включающие и традиционную термометрию. Несмотря на совершенствование технологии геофизических исследований скважин, в ряде случаев точное определение наличия заколон-ного перетока проблематично, в частности, заколонных перетоков «сверху». Поэтому развитие новых методов поиска ЗКЦ весьма актуально.
Одним из перспективных направлений развития скважинной термометрии является использование искусственных тепловых полей (метод активной термометрии [4]), заключающийся в исследовании формирования теплового поля, создаваемого искусственным источником тепла [2], в частности, при индукционном воздействии [5]. К настоящему времени по данной методике исследовано более 30 скважин в различных регионах России [1]. Эффективность метода активной термометрии оказалась высокой.
Однако при проведении исследований был выявлен ряд проблем, снижающий однозначность заключений. Одной из них является тепловая конвекция жидкости в стволе скважины, вызванная нагревом эксплуатационной колонны. Конвективные потоки приводят к «экранированию» процессов, происходящих за колонной. Для изучения этой проблемы создана экспериментальная модель скважины [3].
Экспериментальные исследования
Модель представляет собой систему (рис. 1), состоящую из внешней полиэтиленовой трубы (3) и стальной колонны (5), установленной по центру полиэтиленовой трубы. В модели также присутствует среда, имитирующая горную породу (2). Стальная колонна (5) заполнена водой.
Рис. 1. Экспериментальная установка.
Для регистрации радиального распределения температуры в песчаной засыпке установлены датчики температуры (7). Всего в модели имеются 8 «уровней», установленных с определенным шагом и обозначенных на рис. 1 римскими цифрами от I до VIII.
В данной модели три термопары размещены напротив середины нижнего нагревателя (уровень III, рис. 1), отстоящих на определенном расстоянии
от стальной колонны. На остальных уровнях установлено по одному датчику температуры, они плотно прижаты к стальной колонне для контроля ее температуры.
Температура флюида внутри стальной колонны измеряется многоуровневым температурным зондом (рис. 2а), который состоит из:
• центрального стержня (1);
• крестовин (4), предназначенных для крепления термопар - три крестовины с ассиметричным (по 4 термопары) и четыре с симметричным (по 8 термопар) расположением термопар;
• охранного кольца (3), прикрепленного к крестовине;
• специального устройства для аэрирования флюида в колонне (5).
На рис. 2б приведена схема размещения датчиков температуры в модели.
Система регистрации температуры реализована на базе шасси National Instruments NIcDAQ-9174, имеющего четыре слота для измерительных модулей NI9213. Каждый модуль имеет 16 каналов регистрации для подключения термопар (рис. 3а). Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на результаты измерений шасси National Instruments NIcDAQ-9174 с установленными модулями NI9213 был теплоизолирован (рис. 3б). Каждая термопара (рис. 3в) помещена в защитную трубку из нержавеющей стали.
На рис. 4-7 приведены результаты эксперимента. Измерения проводились при следующих условиях:
• Труба (скважина) вертикальная;
• Проводилось три цикла нагрева и восстановления температуры.
• На графиках представлены замеры температуры на трех уровнях:
• рис. 4 - верхняя точка интервала нагрева (уровень IV, рис. 1);
• рис. 5 - на уровне выше интервала нагрева на половину длины индуктора (уровень V, рис. 1);
• рис. 6 - на уровне выше интервала нагрева на расстояние, равное полутора длинам индуктора (уровень VII, рис. 1).
а температурный зонд 6 размещение датчиков температуры
в модели
Рис. 2. Конструкция температурного зонда и схема размещения датчиков температуры в модели скважины.
Измерительный Рис. 3. Система регистрации.
Рис. 4. Зависимость избыточной температуры флюида в модели от времени в верхней точке интервала нагрева (уровень IV, рис. 1).
На каждом уровне замеры проводились четырьмя датчиками, расположенными по радиусу колонны на расстоянии 5 мм, 25 мм, 45 мм от внутренней стенки стальной трубы и в 5 мм от оси трубы.
Из рис. 4 видно, что наибольшие колебания температуры, вызванные конвекцией при нагреве колонны, наблюдаются непосредственно у стенки стальной трубы (датчик №36). При удалении от источника нагрева величина амплитуды колебаний температуры уменьшается на стенке трубы, но увеличивается на оси трубы (рис. 5 и 6, датчики №37 и 41).
Зарегистрированные температурные кривые (рис. 7) характеризуют температурное поле в водо-насыщенной горной породе (обозначено 2, рис. 1).
Регистрация производилась на уровне III (рис. 1). По графику можно судить о темпе изменения температуры в породе в зависимости от радиуса. За три цикла нагрева и остывания при постоянной мощности индуктора был произведен разогрев горной породы на 4 °С в радиусе 139.5 мм.
Выводы
В результате физического моделирования процесса индукционного нагрева стальной трубы установлено, что:
1. Экспериментальная установка и система измерения температуры позволяют регистрировать распределение теплового поля жидкости, помещенной в стальную трубу. Как было показано, при ин-
0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000 6600 7200 -№37 (10мм) -№38 (30мм) -№39 (50мм) -№40 (70мм) t, с
Рис. 5. Зависимость избыточной температуры флюида в модели от времени на уровне выше интервала нагрева
на половину длины индуктора (уровень V, рис. 1).
Рис.6. Зависимость избыточной температуры флюида в модели от времени на уровне выше интервала нагрева на расстоянии, равном полутора длинам индуктора (уровень VII, рис. 1).
Рис. 7. Зависимость избыточной температуры от времени в имитирующей горную породу песчаной засыпке
напротив середины индуктора (уровень III, рис. 1).
дукционном воздействии на стальную трубу в жидкости формируется тепловая конвекция, которая также успешно регистрируется с помощью данной установки.
2. Нагрев трубы приводит к возникновению флуктуаций температуры жидкости внутри трубы, вызванных свободной конвекцией в интервале нагрева и выше области нагрева. Максимальная амплитуда флуктуаций температуры наблюдается в верхней точке интервала нагрева (уровень IV, рис. 1).
3. Величина флуктуаций температуры сопоставима с температурными сигналами от заколон-ных перетоков. Поэтому она должна учитываться при проведении исследований и обработке результатов.
4. В результате индукционного нагрева стальной трубы затрубное пространство было прогрето в радиусе до 139.5 мм на 4 °С за 108 минут нагрева.
Таким образом, мощности индуктора будет достаточно для прогрева жидкости в затрубном пространстве для эффективного решения проблемы выделения каналов заколонного перетока.
Работа выполнена при финансовой поддержке компании Schlumberger.
ЛИТЕРАТУРА
1. Валиуллин Р. А., Шарафутдинов Р. Ф., Федотов В. Я., За-киров М. Ф., Шарипов А. М., Ахметов К. Р., Азизов Ф. Ф. Использование нестационарной термометрии для диагностики состояния скважин // Нефтяное хозяйство. 2015. №5. С. 93-96.
2. Валиуллин Р. А., Шарафутдинов Р. Ф., Закиров М. Ф., Федотов В. Я. К вопросу диагностики заколонного перетока снизу методом активной термометрии // Сборник статей конференции «PERSPECTIVE INNOVATIONS IN SCIENCE, EDUCATION, PRODUCTION AND TRANSPORT '2013». Одесса. 2013.
3. Канафин И.В, Гафуров А. И. Изучение тепловой конвекции при индукционном нагреве колонны // Материалы 21-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. Омск. 2015. С. 425-427.
4. Патент №»2194160. Способ активной термометрии действующих скважин. Авт. Валиуллин Р. А., Шарафутдинов Р. Ф., Ра-мазанов А. Ш., Дрягин В. В., Адиев Я. Р., Шилов А. А. 2002 г.
5. Федотов В. Я., Закиров М. Ф. Применение индукционных нагревателей при исследовании скважин // Тезисы докладов конференции, XXII Международная специализированная выставка «Газ. Нефть. Технологии-2014». Уфа. 2014. С. 69-71.
Поступила в редакцию 25.02.2016 г.
EXPERIMENTAL DEVICE FOR STUDYING FREE HEAT CONVECTION DURING INDUCTION HEATING OF THE CASING
© R. A. Valiullin, R. F. Sharafutdinov, V. Y. Fedotov, I. V. Kanafin*
Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 272 60 56.
*Email: vradlik@gmail.com
The article devoted to experimental device for studying convective heat transfer in the system of vertical tube-rock in the process of induction heating of the casing. The experimental device allows one to simulate temperature distribution in the tube and in the sand saturated with water that imitate the rock (formation). Free heat convection formed in the tube is registered by the system of distributed temperature sensors during the heating of casing. Use of artificial thermal fields (this method is called active thermometry [4]) is one of the promising direction of wellbore thermometry. Active thermometry is method of studying the formation of thermal fields created by artificial heat source [2], particularly from induction heating [5]. More than 30 wells were tested by this method in the various regions of the Russia to date [1]. The measurement accuracy of active thermometry method is very high. During field study many problems were identified that could reduce the accuracy of the result. One of the problem is a thermal convection of liquid in the borehole due to heat of production casing. Convective flows interfere with registering of real processes that are occur behind the casing. For detailed study of these questions an experimental model of the borehole was constructed [3].
Keywords: free convection, convective heat transfer, induction heating, behind-casing flow, heat exchange, active thermometry.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Valiullin R. A., Sharafutdinov R. F., Fedotov V. Ya., Zakirov M. F., Sharipov A. M., Akhmetov K. R., Azizov F. F. Neftyanoe khozyaistvo. 2015. No. 5. Pp. 93-96.
2. Valiullin R. A., Sharafutdinov R. F., Zakirov M. F., Fedotov V. Ya. Sbornik statei konferentsii «PERSPECTIVE INNOVATIONS IN SCIENCE, EDUCATION, PRODUCTION AND TRANSPORT '2013». Odessa. 2013.
3. Kanafin I.V, Gafurov A. I. Materialy 21-i Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii studentov-fizikov i molodykh uchenykh. Omsk. 2015. Pp. 425-427.
4. Patent No. 2194160. Sposob aktivnoi termometrii deistvuyushchikh skvazhin. Avt. Valiullin R. A., Sharafutdinov R. F., Ramazanov A. Sh., Dryagin V. V., Adiev Ya. R., Shilov A. A. 2002 g.
5. Fedotov V. Ya., Zakirov M. F. Tezisy dokladov konferentsii, XXII Mezhdunarodnaya spetsializirovannaya vystavka «Gaz. Neft'. Tekhnologii-2014». Ufa. 2014. Pp. 69-71.
Received 25.02.2016.
