Экспериментальное исследование термодинамических эффектов в жидкостях

Шарафутдинов Рамиль Фаизырович; Валиуллин Рим Абдуллович; Рамазанов Айрат Шайхуллинович; Асылгареев Альберт Азаматович; Космылин Денис Владимирович

кандидат физико-математических наук, доцент

доцент кафедры геофизики

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»

ул. Заки Валиди, 32

450076, Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0009-0000-0644-1438

E-mail: [email protected]

Candidate of Physical and Mathematical Science Associate Professor of the Department of Geophysics

FGBOU VO "Ufa University of Science and

Technology"

st. Zaki Validi, 32

450076, Ufa, Russian Federation

ORCID ID: 0009-0000-0644-1438

E-mail: [email protected]

аспирант

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»

ул. Заки Валиди, 32

450076, Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0009-0003-0211-0465

E-mail: [email protected]

доктор технических наук

академик АН Республики Башкортостан

профессор

заведующий кафедрой геофизики

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»

ул. Заки Валиди, 32

450076, Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0000-0002-3705-8260

E-mail: [email protected]

graduate student

U FGBOU VO "Ufa University of Science and

Technology"

st. Zaki Validi, 32

450076, Ufa, Russian Federation

ORCID ID: 0009-0003-0211-0465

E-mail: [email protected]

Doctor of Technical Sciences

Academician of the Academy of Sciences of the

Republic of Bashkortostan

Professor

Head of the Department of Geophysics

FGBOU VO "Ufa University of Science and

Technology"

st. Zaki Validi, 32

450076, Ufa, Russian Federation

ORCID ID: 0000-0002-3705-8260

E-mail: [email protected]

УДК 550.8 йО! 10.24412/1728-5283_2023_2_51_57

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ

ЭФФЕКТОВ В ЖИДКОСТЯХ*

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки и технологий», Уфа, Российская Федерация

Температурные измерения в скважинных условиях широко используются при контроле за разработкой нефтегазовых месторождений. Термометрия изучает тепловые поля в скважинах с целью

* Для цитирования:

Шарафутдинов Р. Ф., Валиуллин P.A., Рамазанов А. Ш., Асылгареев A.A., Космылин Д.В. Экспериментальное исследование термодинамических эффектов в жидкостях // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2023. №2. С. 51-57. DOI 10.24412/1728-5283 2023 2 51 57.

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/ __

' 2023, том 47, № 2(110) llllllllllllllllllllllllllllllll ED

решения задач региональной геологии и геотермии, разведки месторождений полезных ископаемых, контроля за эксплуатацией продуктивных пластов и определения технического состояния скважин. Измерение температуры по стволу скважины производят в целях изучения: естественного теплового поля Земли; местных (локальных) тепловых полей, наблюдаемых в скважине в процессе бурения и эксплуатации; искусственных тепловых полей, вызванных наличием в скважине промывочной жидкости и цементного раствора в затрубном пространстве. Результаты температурных измерений в скважине являются основой для изучения теплового поля Земли и находят широкое применение для решения ряда практических задач при бурении и эксплуатации скважин. Изменение температуры в пласте при изменении давления обусловлено проявлением эффекта Джоуля-Томсона и адиабатического эффекта. Одним из основных эффектов при определении работающих интервалов методами скважинной термометрии является эффект Джоуля-Томсона, который связан с коэффициентом адиабатического расширения. Знание коэффициентов адиабатического и Джоуля-Томсона эффектов для различных флюидов позволяет повысить уровень интерпретации термограмм с переходом к количественной интерпретации данных термометрии. В настоящее время адиабатический коэффициент и коэффициент Джоуля-Томсона хорошо изучены для различных чистых жидкостей и газов. Коэффициент Джоуля-Томсона может определяться на основе использования дроссельной ячейки при создании перепада давления и потока флюида, т.е. при дросселировании флюида. Этот подход требует создания специальной установки в котором создается дроссельный процесс. Второй подход для определения коэффициента Джоуля-Томсона основан на определении адиабатического коэффициента и теплоемкости флюида. Преимущество такого подхода основано на сравнительно простом

Ключевые слова: термометрия, эффект Джоуля-Томсона, адиабатический эффект, коэффициенты, Джоуль-Томсон, адиабатический коэффициент

EXPERIMENTAL STUDY OF THERMODYNAMIC EFFECTS IN LIQUIDS

FGBOU VO "Ufa University of Science and Technology", Ufa, Russian Federation

Temperature measurements in downhole conditions are widely used in monitoring the development of oil and gas fields. Thermometry studies thermal fields in wells in order to solve problems of regional geology and geothermy, exploration of mineral deposits, control over the exploitation of productive formations and determine the technical condition of wells. Temperature measurement along the wellbore is carried out in order to study: the natural thermal field of the Earth; local (local) thermal fields observed in the well during drilling and operation; artificial thermal fields caused by the presence of flushing fluid in the well and cement slurry in the annulus. The results of temperature measurements in a well are the basis for studying the thermal field of the Earth and are widely used to solve a number of practical problems in the drilling and operation of wells. The change in temperature in the reservoir with a change in pressure is due to the manifestation of the Joule-Thomson effect and the adiabatic effect. One of the main effects in determining working intervals using borehole thermometry is the Joule-Thomson effect, which is associated with the adiabatic expansion coefficient. Knowing the coefficients of the adiabatic and Joule-Thomson effects for various fluids allows you to increase the level of interpretation of thermograms with the transition to a quantitative interpretation of thermometry data. At present, the adiabatic coefficient and the Joule-Thomson coefficient are well studied for various pure liquids and gases. The Joule-Thomson coefficient can be determined based on the use of a throttling cell in creating differential pressure and fluid flow, i.e. during fluid throttling. This approach requires the creation of a special installation in which a throttling process is created. The second approach for determining the Joule-Thomson coefficient is based on the determination of the adiabatic coefficient and

эксперименте по определению адиабатического коэффициента различных жидкостей и теплоемкости.

the heat capacity of the fluid. The advantage of this approach is based on a relatively simple experiment to

Key words: thermometry, Joule-Thomson effect, adiabatic effect, coefficients, Joule-Thomson, adiabatic coefficient

determine the adiabatic coefficient of various liquids and heat capacity.

Введение. Актуальность проведенного исследования заключается в том, что на сегодняшний день адиабатический коэффициент и коэф-фициент Джоуля-Томсона практически не изучены для дисперсионных сред, а именно эмульсий [1, 2, 3]. В свою очередь при добыче нефти в условиях обводнения часто возникают серьезные осложнения, связанные с образованием водоне-фтяных эмульсий [4, 5, 6]. Это требует более детального изучения коэффициента Джоуля-Томсо-на и адиабатического коэффициентов для чистых жидкостей и эмульсий различного рода.

Целью исследования являлось проведение серии экспериментов по определению адиабатического коэффициентов и определение теплоемкости флюидов для следующих типов жидкостей: вода, масло, декан и последующего определения коэффициента Джоуля-Томсона, сравнение с уже известными значениями коэффициента Джоуля-Томсона. Для определения адиабатического коэффициента использовалась специальная эк-

спериментальная установка, а для определения теплоемкости использовался калориметр [7].

Материалы и методы исследования. Определение численного значения адиабатического коэффициента для жидкости основано на мгновенном снижении давления с регистрацией изменения температуры и давления при условии постоянства энтропии. Последнее означает, что изменение давления должно пройти за такое время, что теплообменом с внешней средой можно пренебречь.

Ниже на (рисунке 1) представлена схема лабораторной установки для определения численного значения коэффициента адиабатического эффекта. Установка представляет из себя систему гидравлических камер высокого давления. Данная установка работает в комплексе с программно-измерительным комплексом ПИК - ОФП/ЭП-2-1-4-СУ-80-40-1-РР-ЭС/ФС производства ЗАО «Геологика» г. Новосибирск.

Рисунок 1 Схема экспериментальной установки по определению адиабатического коэффициента

где: 1 - подвижный поршень; 2 - рабочая ячейка; 3 - трубка; 4 - кран для сброса давления; 5 - емкость для слива жидкости; 6 - регистратор, 7 - гидравлический пресс; 8 - емкость с исследуемым флюидом; 9 - кран

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ /

' 2023, том 47, № 2(110)

В состав установки входят: гидравлический пресс с возможностью быстрого сброса давления; трубки, по которым давление подается в рабочую ячейку и рабочая ячейка. Система измерения температуры включает в себя 4-х канальный узел для включения термопар NI Compact DAQ 9211, термопара КТХА 01.02-002 с диапазоном измерений от -40 °С до 700 °С, рабочую ячейку, где находиться термопара.

На рисунке 2 представлена рабочая ячейка,

которая представляет собой капсулу, изготовленную из корпусной стальной трубы, внутренний диаметр которого составляет 76 мм. Малые размеры позволяют использовать небольшое количество изучаемой жидкости (вода, масло, нефть, эмульсии). Критическое время отсутствия влияния внешней среды, в точке измерения температуры, не менее 5 минут, для всех типов исследуемых жидкостей. Система уплотнения обеспечивает надежную работу до 60 МПа.

Рисунок 2 Схема рабочей ячейки для определения адиабатического коэффициента где: 1 - трубки; 2 - вход для термопары.

Работа на экспериментальной установке по определению адиабатического коэффициента включает следующие этапы (рис.1): при помощи плунжерных насосов осуществляется движение подвижного поршня (1), который приводит в движение жидкость по трубке (3), а затем в рабочую ячейку и дальше по трубке к датчику давления. При достижении необходимого давления в системе, подача давления прекращается при помощи специального вентиля (9), и затем происходит сброс давления через вентиль (4).

Зная температуру до и после сброса давления и изменение давления, можно рассчитать адиабатический коэффициент по формуле:

"= AT/AP (1)

где: AT - изменение температуры до и после подачи давления, К; AP - изменение давления, МПа; "л - адиабатический коэффициент, К/МПа.

Методика проведения экспериментов по изучению адиабатического коэффициента состоит в следующем:

- заполнение рабочей ячейки исследуемой жидкостью;

- повышение давления в рабочей ячейке (3-4 МПа) при работе плунжерных насосов, при этом происходит стабилизация изменения температуры через 300 секунд;

- далее происходит сброс давления и измерение изменения давления и температуры (длительность одного замера составляет 5-10 секунд);

- далее по известным значениям изменения температуры и давления определяется адиабатический коэффициент по формуле (1).

Основные результаты. Первым этапом в экспериментах по исследованию адиабатическо-

го коэффициента, использовались чистые жидкости: масло, вода декан, для проверки работоспособности экспериментальной установки. В ходе экспериментов для чистых жидкостей были определены адиабатические коэффициенты для данных жидкостей. Далее проведены соответствующие расчеты и оценка адиабатического коэффициента для флюидов (таблица 1, 2 и 3).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 1 — Измеренные значения ЛР, ЛТ и результаты расчета п для воды

№ ЛР, МП а Т , К т , К Т , К п, К/МПа

1 16.26 31.43 31.46 0.032 0.017

2 14.93 31.55 31.58 0.024 0.016

3 16,95 31.08 31.11 0,025 0,014

4 18,14 31.07 31.09 0,026 0,014

5 13,15 31.05 31.07 0,018 0,014

6 20,42 29.10 29.13 0,027 0,013

7 27,59 29.21 29.26 0,046 0,016

8 20,65 29.10 29.13 0,030 0,014

9 17,26 29.15 29.17 0,024 0,014

10 21,92 29.01 29.33 0,317 0,014

Ср. знач. - - - - 0.015± 0,0008

В таблице 1 приведены значения адиабатического коэффициента для воды, среднее значение и отклонение, рассчитан-

ные из серии экспериментов.

Таблица 2 — Измеренные значения ЛР, ЛТ и результаты расчета п для масла

№ АР, МП а Т , К Т , К т , К п, К/МПа

1 25.14 30.78 30.97 0.194 0.077

2 25.71 30.73 30.94 0.211 0.082

3 27.37 30.68 30.91 0.224 0.082

4 28.12 25.21 25.45 0.239 0.085

5 28.56 25.19 25.42 0.229 0.080

6 27.25 25.14 25.36 0.216 0.079

7 27,56 25.13 25.35 0.217 0.077

8 28.04 25.09 25.33 0.241 0.084

9 28.01 25.08 25.3 0.214 0.076

10 27.82 25.08 25.3 0.215 0.077

Ср. знач. - - - - 0.08± 0,002

В таблице 2 приведены значения адиабатического коэффициента для масла, среднее значение и отклонение, рассчитанные из серии экспериментов.

Таблица 3 — Измеренные значения ЛР, ЛТ и результаты расчета п для декана

№ ЛР, МП а Т , К Т , К Т , К п, К/МПа

1 26.44 23.64 23.87 0.227 0.086

2 27.73 23.72 23.96 0.246 0.089

3 27.17 23.75 23.98 0.227 0.084

4 28.93 23.78 24.03 0.248 0.086

5 27.00 23.97 24.22 0.237 0.088

6 28.29 24.04 24.28 0.245 0.086

7 27.47 24.12 24.35 0.234 0.085

8 28.05 24.02 24.27 0.249 0.088

Ср. знач. - - - - 0.086± 0,0005

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/ __

' 2023, том 47, № 2МЮМ1111111111111111111111111111111ЕЗ

В таблице 3 приведены значения адиабатического коэффициента для декана, среднее значение и отклонение, рассчитанные из серии экспериментов.

Далее по определенным значениям адиабатического коэффициента проведены расчеты коэффициента Джоуля-Томсона для различных сред, т.е. зная адиабатический коэффициент, теплоемкость и плотность жидкости можно оценить коэффициент Джоуля-Томсона по формуле: £ = ±- - Л (2)

СР 1

где: с - удельная теплоемкость исследуемого флюида, Дж/кг К; р - плотность жидкости, кг/м3; ^ - адиабатический коэффициент, К/МПа; е- ко -эффициент Джоуля-Томсона, К/МПа.

Для определения теплоемкости флюида использовался калориметр и, например, для воды теплоемкость составила - 4,1 МДж/м3К.

После измерения всех величин, коэффициент Джоуля-Томсона вычисленный по формуле (2) для данных жидкостей составил, соответственно: для воды- е = 0,22 К/МПа, для масла-

ем = 0,35 К/МПа, для декана- ед = 0,63 К/МПа. Проведены оценки коэффициента Джоуля-Том-сона в базе данных М8Т для воды при температуре 30 °С и давлении 2.0 МПа и декана при температуре 24 °С и давлении 2.5 МПа. Соответствующие значения приведены ниже: е= 0,22 К/МПа и для декана- ед = 0,65 К/МПа.

Сравнение с известными значениями коэф-фициентов Джоуля-Томсона для рассмотренных чистых жидкостей показывают хорошее согласование.

Ключевые выводы.

1. Разработана экспериментальная установка для исследования термогидродинамических процессов и оценки адиабатического коэффици-ента для различных жидкостей.

2. Проведена оценка коэффициента Джоуля-Томсона через экспериментально определенные значения адиабатического коэффициента и теплоемкости. Расчетные значения коэффициента Джоуля-Томсона для чистых жидкостей в этом случае совпадают со стандартными значениями.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ по теме: "Создание интеллектуальной комплексной технологии исследования и интерпретации данных промыслово-гео-физических исследований скважин, включая оптоволоконные измерения для контроля за разработкой нефтегазовых месторождений и экологического мониторинга состояния недр, на основе использования математического моделирования, машинного обучения, алгоритмов обработки и роботизированной аппаратуры индукционного воздействия", соглашение № 075-11-2021-061 от 25 июня 2021 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Исследование температурного поля в скважине c индукционным нагревом колонны при наличии каналов заколонного перетока жидкости / Р. А. Валиуллин, Р. Ф. Шарафутдинов, В. Я. Федотов, Д. В. Космылин, И. В. Канафин. // Вестник Тюменского государственного университета. Физико- математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2017. Том 3. № 3. С. 17-28. DOI: 10.21684/2411-7978-2017-3-3-17-28.

2. Экспериментальное изучение термодинамических эффектов в газожидкостных системах / Валиуллин Р.А., Кулагин О.Л., Шарафутдинов РФ. // Физико-химическая гидродинамика: Межвузовский сборник. Уфа: БГУ, 1995. С. 10-15.

3. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965. 240 с.

4. Gladkov S.O. (2003) On the connection of Joule-Thompson's coefficient with dissipation properties of filtrating media // Eur. Phys. J. E 10. pp. 171-174.

5. Direct molecular-level Monte Carlo simulation of Joule-Thomson processes / Martin Lisal, William R.

Smith, Karel Aim // Molecular Physics, 2003, vol. 101, no. 18. pp.2875-2884.

6. A Research into thermal field in Fluid-saturated Porous Media / Valiullin R.A., Sharafutdinov R.F., Ramazanov A.Sh. // Powder Technology, 2004, v. 148, is.1. pp.72-77.

7. Шарафутдинов, Д.В. Космылин, И.А. Комаров. О физической модели добывающей скважины с имитацией интервала перфорации //Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2021. Том 41. № 4 (104). С.28-33.

REFERENCES

1. Valiullin R.A., Sharafutdinov R.F., Fedotov V.Ya., Kosmylin D.V., Kanafin I.V. Investigation of the temperature field in a well with inductive heating of the string in the presence of behind-the-casing fluid flow channels. // Bulletin of the Tyumen State University. Physical and mathematical modeling. Oil, gas, energy. 2017. Volume 3. No. 3. S. 17-28. DOI: 10.21684/24117978-2017-3-3-17-28

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ

/

2023, том 47, № 2(110)

А

2. Valiullin R.A., Kulagin O.L., Sharafutdinov R.F. Experimental study of thermodynamic effects in gasliquid systems. // Physical and chemical hydrodynamics: Interuniversity collection. Ufa: BGU, 1995. S. 10-15.

3. Chekalyuk E.B. Thermodynamics of an oil reservoir. M.: Nedra, 1965. 240 p.

4. Gladkov S.O. (2003) On the connection of Joule-Thompson's coefficient with dissipation properties of filtrating media // Eur. Phys. J. E 10. pp. 171-174.

5. Direct molecular-level Monte Carlo simulation of Joule-Thomson processes / Martin Lisal, William R.

Доктор физико-математических наук, профессор

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»,

ул. Заки Валиди, 32

450074, г. Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0000-0001-6980-8364

Эл. почта: [email protected]

Доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»,

ул. Заки Валиди, 32

450074, г. Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0000-0002-3705-8260

Эл. почта: [email protected]

Доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»,

ул. Заки Валиди, 32

450074, г. Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0000-0001-5501-3755

Эл. почта: [email protected]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Аспирант

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»,

ул. Заки Валиди, 32

450074, г. Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0009-0000-2193-9103

Эл. почта: [email protected]

Старший преподаватель

ФГБОУ ВО «Уфимский университет науки

и технологий»,

ул. Заки Валиди, 32

450074, г. Уфа, Российская Федерация

ORCID ID: 0009-0001-9260-0200

Эл. почта: [email protected]

Smith, Karel Aim // Molecular Physics, 2003, vol. 101, no. 18.pp.2875-2884

6. A Research into thermal field in Fluid-saturated Porous Media / Valiullin R.A., Sharafutdinov R.F., Ramazanov A.Sh. // Powder Technology, 2004, v. 148, is.1. pp.72-77.

7. Sharafutdinov D.V. Kosmylin, I.A. Komarov. On the physical model of a production well with imitation of a perforation interval // Bulletin of the Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan. 2021. Volume 41. No. 4 (104). pp.28-33.

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

Ufa University of Science and Technology, Ul. Zaki Validi St., 32

Address: 450074, Ufa, Russian Federation ORCID ID: 0000-0001-6980-8364 E-mail: [email protected]

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department

Ufa University of Science and Technologies", Ul. Zaki Validi St., 32 450074, Ufa, Russian Federation ORCID ID: 0000-0002-3705-8260 E-mail: [email protected]

Doctor of Technical Sciences, Professor Ufa University of Science and Technology, Ul. Zaki Validi St., 32 450074, Ufa, Russian Federation ORCID ID: 0000-0001-5501-3755 E-mail: [email protected]

Postgraduate student

"Ufa University of Science and Technologies",

Ul. Zaki Validi, 32

450074, Ufa, Russian Federation

ORCID ID: 0009-0000-2193-9103

E-mail: [email protected]

Senior teacher

Senior lecturer, Ufa University of Science and Technology,

33, Zaki Validi str. Zaki Validi St., 32 450074, Ufa, Russian Federation ORCID ID: 0009-0001-9260-0200 E-mail: [email protected]

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/ __

' 2023, том 47, № 2(110) llllllllllllllllllllllllllllllll Е9

Экспериментальное исследование термодинамических эффектов в жидкостях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Experimental study of thermodynamic effects in liquids

Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование термодинамических эффектов в жидкостях»