CC BY
40
We consider a number of the essential aspects of the installation of the converter "resistance-voltage" used as part of a multi-channel measurement system continuously measure and record the temperature of the rotating parts of technological systems. It is paying considerable attention to the issues of noise immunity of the converter.
Key words: measurement temperature transducer, resistance, voltage, assembly, construction.
Korobenkova Svetlana Viktorovna, undergraduate, tppizi@yandex. ru, Russia, Tula State University
УДК 642.245
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ДОБЫЧИ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ
В.И. Маларев, Э.А. Загривный, А.В. Коптева, И.Н. Войтюк
В работе представлен тепловой расчет электротермического комплекса на основе скважинного электродного нагревателя, с учетом зависимости электрофизических свойств рабочей жидкости от температуры, позволяющего проводить тепловую обработку призабойной зоны пласта высоковязкой нефти. В работе показано, что учет зависимости электрофизических свойств рабочего тела от температуры позволяет обрабатывать высоковязкие нефтяные пласты на глубинах более 1000 метров при более высоких температурах, что повышает эффективность всего процесса.
Ключевые слова: электротермический комплекс, повышение нефтеотдачи, высоковязкая нефть, скважинный электродный нагреватель, электропроводность, энергоэффективность, тепловая обработка.
На сегодняшний день особенно актуальным вопросом в области нефтедобычи является разработка залежей высоковязкой нефти (ВВН), запасы которой во всем мире приблизительно в 7 раз превышают запасы легкой нефти. Наиболее эффективными и не имеющими на сегодня альтернативы признаны мировыми специалистами методы термовоздействия на продуктивные пласты [1-3].
Рабочим агентом в таких устройствах является водяной пар и горячая вода, обладающие высокими значениями удельной теплоемкости и нефтевытесняющей способности и при нагнетании которых в пласт повышает его температуру, уменьшая при этом вязкость и плотность нефти, повышая упругость паров, что благоприятно влияет на нефтеотдачу. В результате этого производительность скважин по нефтеотдаче может быть увеличена в 10...30 раз так как дебит нефти обратно пропорционален ее вязкости. Для тяжелых нефтей резкое снижение вязкости происходит при нагреве до температуры 140...160°С. Эффективность процесса вытеснения
575
нефти теплоносителями зависит от термодинамических условий пласта, свойств пластовых жидкостей, пористости среды, технологии и других факторов и может изменяться в широких пределах [4-7].
Однако, современные и широкоиспользумые на сегодняший день термические методы добычи ВВН имеют ряд недостатков, основные из которых: высокие материало- и капиталоёмкость теплоэнергетического оборудования, низкая эффективность за счет потери теплоты в распределительной трубопроводной системе и в скважине, а также из-за сжигания части добытой нефти или газа в парогенераторах, негативное влияние на окружающую среду.
1. Метод тепловой обработки пласта высоковязкой нефти
В Санкт-Петербургском Горном университете проводится исследование методов повышения нефтеотдачи ВВН и разрабатываются принципиально новые решения в данной области на основе применения комплексов, основанных на скважинных электродных нагревателях (СЭН), являющиеся наиболее перспективными термическими методами добычи и лишенные перечисленных выше недостатков [8-10]. Эффективность метода достигается за счет одновременного наложения эффектов гидро- и термодинамического воздействия, при этом тепло в нефтяном пласте оказывает влияние на все ее компоненты и радикально изменяет связи и фильтрационные условия, что выражается в уменьшении вязкости нефти, увеличении ее подвижности, ослаблении структурно-механических свойств, улучшении условий для капиллярной пропитки и, как следствие, увеличении коэффициента вытеснения и конечной нефтеотдачи. Разрабатываемые забойные электротермические устройства обладают относительно малыми метало- и капиталоемкостями, позволяют создать эффективные экологически безопасные и ресурсосберегающие технологии добычи ВВН.
Электротермический комплекс позволяет выполнять технологические операции по паротепловому воздействию (ПТВ), импульсно-дозированному тепловому воздействию (ИДТВ) и термогидродинамическому воздействию. Режим ПТВ реализуется при заданных часовых расходах тепловой энергии и котловой воды, которые обеспечивают определённое количество пара в зоне продуктивного пласта с сухостью, зависящей от соотношения часовых количеств энергии и воды. Режим ИДТВ обеспечивается чередующимися импульсами ПТВ и подачей котловой воды с увеличенными часовыми расходами, чем достигается ускоренное продвижение теплового фронта в пласте.
СЭН (рис.1) закрепляется на конце колонны насосно-компрессорных труб и состоит из металлического корпуса (1), выполненного в форме цилиндра диаметром 127 мм. Центральный токовод (2) закреплён в верхней части корпуса через проходной изолятор. Внутри корпуса на токовод нанизаны диски (3) площадью 30 см2, играющие роль фазных электродов. Вода подается с поверхности по трубам с объемным расходом О не менее 3 м3/час, а в сам нагреватель поступает по центральному отверстию внутри токовода. По силовому кабелю на фазные электро-
ды, расположенные друг от друга на расстоянии 1 = 10 см, подают напряжение и=6 кВ, после чего от фазных электродов через воду к нулевому электроду-корпусу течёт ток, вызывая нагрев воды, которая подается в забой, производя в дальнейшем тепловую обработку призабойной зоны.
2. Исследование режима работы электротермического комплекса
В связи с тем, что выделяемая в электродном нагревателе мощность во многом зависит от электрофизических свойств рабочей жидкости, подаваемой с поверхности, необходимо более детально рассмотреть вопросы, касающиеся теплового режима работы СЭН. Это в свою очередь позволит проводить корректную водоподготовку в процессе эксплуатации электротермического комплекса вцелом и повышать его энергоэффективность.
Рис.1. Схема скважинного электродного нагревателя: 1 - корпус СЭН;
2 - центральный токовод; 3 - фазные электроды;
4 - эксплуатационная колонна
Рассмотрим элементарный участок СЭН высотой ёх и площадью поперечного сечения 8, через который движется рабочая жидкость (вода) с объемным расходом О. За счет протекания в нем электрического тока происходит нагрев на температуру ёТ. При этом введем допущение, что выделяемая в рабочей жидкости мощность расходуется на ее нагрев, без тепловых потерь наружу через стенки корпуса СЭН. Данное допущение правомочно для установившегося режима работы нагревателя, поскольку с наружной стороны он будет окружен нагретым водяным слоем и, соответственно, стенки корпуса можно считать адиабатами, т.е. непроницаемыми для теплового потока.
Запишем уравнение теплового баланса с учетом того факта, что удельная теплоемкость с и плотность у воды на данном участке СЭН слабо зависят от температуры и их можно принять постоянными:
е]Ос1Т = (Т )Бс1х (1)
Объемную плотность источников теплоты дУ(Т), выделяемую в межэлектродном интервале СЭН длиной I и площадью поперечного сечения Б, определим по формуле
М(2)
Я, (Т) V, р(Т). I Б. I
где 5Эфф - эффективная площадь поперечного сечения проводящего участка рабочей жидкости в межэлектродном интервале (рис.2) с удельным электрическим сопротивлением р(Т), в общем виде зависящим от температуры. Площадь проводящих окон в изоляционной вставке подбиралась равной площади фазного электрода. В первом приближении эффективную площадь ^эфф проводящего участка также можно принять равной площади фазного электрода. В случае, если принять электрическое сопротивление не зависящим от температуры и равное постоянной величине , то исходя из формулы (2), qv=const и, соответственно, с учетом (1), изменение температуры Т(х) по длине СЭН описывается линейной зависимостью:
T ( х) =
Т +
U2 £
эфф
12ре^О
■ х
(3)
Рис.2. Фрагмент межэлектродного интервала СЭН 3. Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования зависимости электрического сопротивления рабочей жидкости проводилось в интервале температур 2о-1000С для водного раствора ИаС1 при различной концентрации (рис.3). Полученные экспериментальные данные хорошо аппроксимируются функциональной зависимостью вида:
р(Т) = А ■ ехр(-В ■ Т) (4)
В таблице приведены коэффициенты А и В, полученные после обработки результатов измерений, для различных значений концентрации соли. Подставив из (4) выражение для р(Т) в формулу (2), и проинтегрировав его, получим
Т (х) = - В - ■ 1п(ехр(-ВТ0) - Кх).
(5)
где К
и 2 £ эфф В
12 е]ОА
Численные значения коэффициентов А и В для различных
концентраций соли
А, Ом ~м В, К-1
6 % 0,898 0,012
10 % 0,602 0,012
12 % 0,450 0,010
Анализ полученных результатов показывает, что при таких значениях концентрации соли нагрев воды до температуры кипения происходит в нижней части СЭН в пределах первых трех-четырех межэлектродных интервалов. При дальнейшем подъеме рабочей жидкости происходит ее парообразование, с последующим выпуском пара в пласт.
Рис.3. Зависимость электрического сопротивления водного раствора НаС1 при различной концентрации: 1 - 6 %, 2 -10 %, 3 -12 %
При работе скважинного нагревателя в режиме нагнетания в пласт горячей воды с учетом снижения затрат на водоподготовку, предполагается использовать рабочую жидкость с достаточно низкой минерализацией, характерной для естественных водоемов. С этой целью проведены исследования нагрева жидкости в СЭН при концентрации соли в пределах от 0.005 до 0.01%. Поскольку выделяемая в рабочей жидкости тепловая мощность ^ обратно пропорциональна р (2), то вследствие зависимости р от Т (4) даже при достаточно низкой минерализации по мере нагрева и продвижения жидкости по длине СЭН, она на выходе в пласт будет нагрета до температуры, достаточно для эффективной тепловой обработки пласта.
На рис.4 приведены графики зависимости температуры рабочей жидкости по длине СЭН. Прямые 1 и 3 рассчитывались для случаев, когда р(Т)=сот1 и взято для крайних значений температур 100 и 200С соответственно. Кривая зависимости 2 соответствует случаю, когда р(Т)фсот1 и описывается выражением (4).
Рис.4. Изменение температуры рабочей жидкости по длине СЭН: 1 - р = р(1000С), 2 - р = р(Т), 3 - р = р(400С)
Заключение
Из графиков видно, что значения температуры по длине нагревателя могут существенно отличаться друг от друга. Для оценочных расчетов рекомендуется использовать величину р для средних значений температур от 60 до 800С. Данное обстоятельство следует учитывать при проектировании скважинного электротермического оборудования, планируемого эксплуатировать на скважинах глубиной порядка 1000 - 1500 м, поскольку температура кипения воды в районе пласта для таких скважин будет значительно выше, чем 1000С, что позволяет, в свою очередь, нагревать рабочую жидкость так же до более высоких температур.
Список литературы
1. Бурже Ж., Сурио П., Комбарну М. Термические методы повышения нефтеотдачи пластов. Пер. с франц. М.: Изд. «Недра», 1989. 422 с.
2. Кудинов В.И. Совершенствование тепловых методов разработки месторождений высоковязких нефтей. М.: Изд. «Нефть и газ», 1996. 284 с.
3. Антониади Д.Г., Гарушев А.Р., Ишханов В.Г. Настольная книга по термическим методам добычи нефти. Краснодар: Изд. «Красная Кубань», 2000. 464 с.
4. Молчанов А.А., Агеев П.Г. Внедрение новых технологий -надежный путь извлечения остаточных запасов месторождений углеводородов // Записки Горного института. 2017. Т. 227. С. 530-539.
5. Алексеев А.Д., Жуков В.В., Стрижнев К.В., Черевко С.А. Изучение трудноизвлекаемых и нетрадиционных объектов согласно принципу «фабрика коллектора в пласте» // Записки Горного института. 2017. Т. 228. С. 695-704.
6. Хисамов Р.С. Анализ эффективности выработки запасов сверхвязкой битуминозной нефти при парогравитационном воздействии // Нефтяное хозяйство. 2014. № 7. С. 24-27.
7. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А. Проблемы обеспечения энергетической безопасности предприятий минерально-сырьевого комплекса// Записки Горного института. 2016. Т. 217. С. 132-139.
8. Загривный Э.А., Козярук А.Е., Батаев С.Н. Электротермический комплекс на основе скважинного электродного нагревателя мощностью более 500 кВт для теплового воздействия на продуктивный пласт высоковязкой нефти// Электротехника. 2003. № 5. С. 61-69.
9. Загривный Э.А., Козярук А.Е., Маларев В.И., Мельникова Е.Е. Перспективы использования забойных электротермических комплексов для повышения нефтеотдачи пластов с высоковязкой нефтью// Электротехника. 2010. № 1. С. 50-56.
10. Загривный Э.А., Маларев В.И., Лакота О.Б., Зырин В.О. Экологические и экономические перспективы применения электротермических комплексов для добычи высоковязкой нефти// Нефтяное хозяйство. 2012. № 11. С. 118-121.
Маларев Вадим Игоревич, канд. техн. наук, доцент, malarev@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет.
Загривный Эдуард Анатольевич, д-р техн. наук, профессор, zagrivnyy_ea@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет.
Коптева Александра Владимировна, канд. техн. наук, доцент, kopteva_av@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет.
Войтюк Ирина Николаевна, канд. техн. наук, доцент, voytyuk_in@pers. spmi. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет.
RESEARCH OF THE OPERATION MODE OF THE ELECTROTHERMAL COMPLEX
FOR PRODUCING HIGH VISCOUS OIL
V.I. Malarev, E.A. Zagrivny, A. V. Kopteva, I.N. Voytyuk
The paper presents a thermal calculation of an electrothermal complex based on a borehole electrode heater, taking into account the dependence of the electrophysical properties of the working fluid on temperature, which allows heat treatment of the bottom-hole formation zone of highly viscous oil. The work shows that taking into account the temperature dependence of the electrophysical properties of the working fluid allows us to process high-viscosity oil reservoirs at depths of more than 1000 meters at higher temperatures, which increases the efficiency of the whole process.
Key words: electrothermal complex, enhanced oil recovery, high viscosity oil, down-hole electrode heater, electrical conductivity, energy efficiency, heat treatment.
Malarev Vadim Igorevich, candidate of technical sciences, associate professor, ma-larev@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University.
Zagrivnyy Eduard Anatolievich, doctor of technical science, professor, zagrivnyy_ea@pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University.
Kopteva Alexandra Vladimirovna, candidate of technical sciences, associate professor, kopteva_av@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University.
Voytyuk Irina Nikolaevna, candidate of technical sciences, associate professor, voy-tuk_irina@,mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University.
