CC BY
47
Л.А. Ковригин, И.Б. Кухарчук
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В МЕЖТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ С ГРЕЮЩИМ КАБЕЛЕМ
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.
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 (З'из); нефти (скважинная жидкость), находящейся между кабелем и отложениями парафина (З'н); отложений парафина (£„); воздуха (&) и грунта (£о).
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, Т\ - температура НКТ,
Т2 - температура обсадной колонны
5П 5В 5о
Рис. 2. Тепловая схема замещения: - тепловое сопротивление
изоляции, £н- тепловое сопротивление нефти, £п- тепловое сопротивление парафина, 5В - тепловое сопротивление воздуха, 5о - тепловое сопротивление грунта, Тж - температура токопроводящей жилы, Т\ - температура НКТ, Т2 - температура обсадной колонны, Т0 - температура грунта
Наибольшую сложность представляет определение тепломассообмена в межтрубном пространстве. Ставится задача: определить скорость конвективного теплового потока за счет разности температур НКТ (7ь см. рис. 1) и ОК (Гг) и температурного поля в межтруб-
ном пространстве. Скважина расположена горизонтально. Конвекция свободная. Радиус насосно-компрессорной трубы Днкт = 36,5 мм, обсадной колонны Док = 66 мм. Кольцевой зазор заменяется зазором между двумя параллельными пластинами: а = Док - Днкт= 29,5 мм. Теплофизические характеристики воздуха: теплопроводность, теплоемкость и плотность зависят от температуры.
Задача решается с помощью среды моделирования ^Л/5У5'. На рис. 3 представлены эпюры скоростей конвективного теплового потока для двух вариантов: 1) температура НТК - 20 0С, температура ОК - 0 0С; 2) температура НТК - 80 0С, температура ОК - 60 0С.
На рис. 3 видно, что в конвективных потоках возникают вихри, а это согласуется с [3]. Для варианта 1 расстояние между центрами ячеек составляет Ь\ = 78 мм, отношение этого числа к ширине зазора Ь\!а = 78/29,5 = 2,61. Число Рейнольдса Яе = иа/V = 423, где скорость и= 0,201 м/с, кинематическая вязкость V = 1,4-10_5 м2/с.
Скорость, м/с
Вариант 1 ^1 Вариант 2
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 Т\ стенке с температурой за счет вихревого движения (см. рис. 3) и одновременно поднимается вверх.
Температура, °С
Рис. 4. Температурное поле и плотность теплового потока в межтрубном пространстве
Плотность теплового потока на стенке Р = 43,4 Вт/м2. Тепловое сопротивление воздуха в зазоре в соответствии с тепловым законом Ома определяется как = (Т\ - Т2)/Р = 20/43,4 = 0,461 0С м/Вт. Откуда удельное тепловое сопротивление св = Бв/а = 0,461/0,0295 = 15,6 0С м/Вт. Тепловое сопротивление воздушного зазора между НКТ и ОК на длине 1 м определяется как
Я = —Ьп(-^) = ^Ьп(—) = 1,47 0С м/Вт. в 2% Днкт 2% 36,5
Рассмотренный метод расчета теплового сопротивления воздуха в межтрубном пространстве нефтяной скважины предназначен для расчета тока нагрева греющего кабеля [4].
Библиографический список
1. Персиянцев М.Н. Добыча нефти в осложненных условиях. -М.: Недра-Бизнесцентр, 2000. - 653 с.
2. Малышев А.Г., Черемсин H.A., Шевченко Г.В. Выбор оптимальных способов борьбы с парафиногидратообразованием // Техника и технология добычи нефти. - 1997. - № 9.
3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. -М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.
4. Кухарчук И.Б., Ковригин Л.А. Расчет тока нагрева греющего кабеля в нефтяной скважине // Электротехника. - 2011. - № 11.
Получено 06.09.2012
