CC BY
9
УДК 621.5; 621.7-97
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-387-391
РАЗРАБОТКА СКВАЖИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
П.Л. Павлова, П.М. Кондрашов
В статье представлена разработанная опытная конструкция скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами для изменения теплового потока добывающей скважины, которая эксплуатируется в районах с многолетнемерзлыми породами. По результатам работы представлены найденные технические решения. Даны рекомендации по возможному применению скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами и пути дальнейшего развития.
Ключевые слова: оборудование, конструкция, мёрзлые породы, скважина, растепление.
Процесс эксплуатации нефтяных и газовых скважин в условиях распространения мно-голетнемёрзлых пород сопровождается изменением физических свойств горных пород в результате действия положительной температуры добываемой жидкости (флюида). В процессе добычи нефти эффективным способом уменьшения теплового потока скважины в радиальном направлении является применение термозащитного оборудования, например, теплоизолированного направления [1].
Конструкция теплоизолированного направления, разработанная компанией ЗАО «Сибпромкомплект», представлена на рис.1.
Теплоизолированное направление рекомендуется применять при неглубоких слоях мёрзлых грунтов от 20 до 50 м. Основным преимуществом использования теплоизолированного направления является возможность уменьшения расстояния между устьями скважин в 2 раза [2, 3].
В зарубежной практике наиболее широкую известность приобрели теплоизолированные подъемные трубы типа «Термокейс». Выбор указанных труб в качестве основного звена тепловой изоляции скважины объясняется тем, что, исходя из общефизических представлений, величина теплового потока обратно пропорциональна диаметру. Диаметр подъемных (насосно-компрессорных) труб - наименьший в поперечных габаритах конструкции скважины. Таким образом, теплоизоляция насосно-компрессорных труб с теплоэнергетической точки зрения наиболее эффективна. Основные технические характеристики теплоизолированной насосно-компрессорной трубы отечественного производства представлены в табл. 1.
1
Рис. 1. Конструкция теплоизолированного направления: 1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3, 9 - теплоизолирующий материал; 4 - верхняя часть направления; 5 - нижняя часть направления; 6, 7 - фланцевое соединение; 8 - обечайка;
10 - крепежи 387
Таблица 1
Техническая характеристика теплоизолированной насосно-компрессорной трубы типа ТТ _89/50 компаний ОАО «Удмурнефть», ОАО «Вакууммаш»_
Характеристика Значение
Диаметр наружный, мм 89
Условные проход, мм 38
Тип присоединительной резьбы НКМ - 89
Рабочая температура, °С 323
Рабочее давление, МПа 16
Тип изоляции Экранно-вакуумный
Потери температуры на 1000 м, °С 27
Как показывает практика, применение данных типов конструкций пассивной теплоизоляции обсадных труб нефтяной и газовой скважины, недостаточно эффективно [3,4].
Использование теплоизолирующего оборудования, например термокейсов, применение самых современных материалов и покрытий в условиях оттаивания многолетнемёрзлых пород может только уменьшить скорость роста площади талой зоны. Например, для Ванкор-ского месторождения, ожидается такое протаивание многолетнемерзлых пород, при котором размер талой зоны составит за 25 лет примерно 10 м для постоянного и 8 м для убывающего дебита скважины [4]. То есть применение термокейсов растягивает процесс протаивания многолетнемёрзлых пород лишь на 25 лет, и только на это время можно ожидать соблюдение требований по предотвращению растепления мёрзлых пород вокруг устья скважин.
Для решения проблемы растепления многолетнемёрзлых пород, предлагается новое скважинное оборудования для уменьшения теплового потока скважины, основанное на применении термоэлектрических элементов [5, 6, 7]. В результате разрабатывается оборудование с нагревом внутренней поверхности насосно-компрессорной трубы и охлаждением наружной поверхности в сочетании со свойствами теплоизоляционных материалов.
Реализация проекта включает основные этапы опытно-конструкторских работ по ГОСТ 15.000-2016. В результате реализации проекта созданы сборочные чертежи, деталировка, спецификация и 3D-модели изготавливаемых изделий, технология сборки, методика расчета.
Опытная конструкция скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами состоит из муфты, переходника, внутренней трубы, изготовленной из насосно-компрессорной трубы, теплоизоляционного слоя, наружного корпуса для фиксирования термоэлектрической сборки, кабеля для питания термоэлектрических элементов.
Сборка скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами происходит следующим образом (рис.2.): на внутреннюю трубу насосно-компрессорной трубы [8] с наружным диаметром 73 мм, толщиной стенки 5,5 мм и длиной 6 м монтируются термоэлектрические сборки 2. Термоэлектрическая сборка состоит из корпусов, разработанных с помощью 3D-печати, термоэлектрического элемента, радиаторов охлаждения из алюминия, а также верхнего алюминиевого корпуса. Перед посадкой термоэлектрический элемент, места посадки рекомендуется смазывать теплопроводящей пастой (например, КПТ-8). Разработано и изготовлено 36 термоэлектрических сборок. Расстояние и места установки термоэлектрических сборок соответствуют результатам расчета по разработанной формуле [8]:
I а2 I -т1 тг ,| , I -т1 -тг
I т —- Iе е +1 т + — Iе е
,=1_и--+^
2лХг„ / т1 . -т[\ . а2 / т1 -пй\
м т ^е + е ) + ^е - е ^
где т = Л —; гм - длина работающего термоэлектрического элемента, м; I - длина рассмат-
V Хо' м
риваемого участка, м; Х - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м°С); а1 -коэффициент теплоотдачи наружной трубы, Вт/(м2°С); а2 - коэффициент теплоотдачи торца трубы, Вт/(м2°С); о - толщина стенки наружной трубы, м; /окр - температура окружающей среды, °С.
Расположение термоэлектрических сборок на насосно-компрессорной трубе показано на рис. 2. Наружная труба скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами состоит из двух стальных сегментов. Наружная труба не является несущей, поэтому данная конструкция допустима для нефтяной отрасли. Монтирование наружной трубы показано на рис. 3.
Межтрубное пространство скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами заполняется теплоизоляционной пеной.
Далее крепятся специально разработанный переходник (рис. 4) и муфта. Конец переходника удлинен для захвата гидравлическим ключом при проведении спуско-подъемных операций.
1
Рис. 2. Расположение термоэлектрических сборок на насосно-компрессорной трубе: 1 - насосно-компрессорная труба; 2 - термоэлектрическая сборка
Рис. 3. Монтирование наружной трубы
Рис. 4. Конструкция специально разработанного переходника
Таблица 2
Температурный диапазон эксплуатации комплектующих опытного образца скважинного
оборудования с термоэлектрическими элементами
Наименование Наименьшая температура эксплуатации Наибольшая температура эксплуатации
Труба внутренняя: изготовлена из насосно-компрессорной трубы по ГОСТ 633-20 Температура эксплуатации (ГОСТ 633-80, ГОСТ Р 53366 (ИСО 11960:2004), API Spec 5CT/ISO 11960) от -40 °С до +250 °С
Специальная муфта (НКТ ГОСТ 633-80, ГОСТ Р 53366 (ИСО 11960:2004), API Spec 5CT/ISO 11960)) от -40 °С до +250 °С
Наружная труба (материал ГОСТ 4543-71) от - 40 °С до +100 °С
Переходник (материал ГОСТ 4543-71) от - 40 °С до +100°С
Теплоизоляционный материал от-50°С до +90 °С
Термоэлектрический элемент от -50 °С до +90 °С
Кабель ВВГ от -50 °С до +60 °С
Скважинное оборудование с термоэлектрическими элементами работает следующим образом: через блок питания подается определенное значение силы тока и напряжения. В результате термоэлектрический элемент начинает отводить тепло с наружной стороны скважин-ного оборудования, а внутренняя труба нагреваться. Теплоизоляционный материал, находящийся в межтрубном пространстве не дает перетекать тепловому потоку с наружной поверхности во внутреннюю трубу. За счет этого происходит снижение температуры на наружной поверхности трубы.
В табл. 2 приведен температурный диапазон эксплуатации комплектующих опытного образца скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами.
По выбранным основным материалам и разработанным деталям опытный образец скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами может храниться и эксплуатироваться при температурах окружающей среды от 0 до +60 °С. Разработанная конструкция является термозащитным оборудованием активного типа.
Далее планируется проведение стендового испытания опытного образца скважинного оборудования с термоэлектрическими элементами.
Павлова Прасковья Леонидовна, канд. техн. наук, доцент, ppavlova@sfu-kras. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Кондрашов Петр Михайлович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, pkondrashov@sfu-kras.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет
Список литературы
1. Быков И.Ю., Бобылёва Т.В. Термозащита конструкций скважин в мерзлых породах: учебное пособие. Ухта: УГТУ, 2007. 131 с.
2. Долгих Г.М. Технологии строительства объектов нефтегазовой отрасли в сложных условиях // Газовая промышленность. 2013. № 3/687. С. 86-87.
3. Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечно-мерзлых породах. М.: Недра, 1987, 230 с.
4. Горелик Я.Б., Солдатов П.В., Селезнев А.А. Инженерно-геокриологические условия Ямбургского газоконденсатного месторождения и динамика состояния кустовых площадок эксплуатационных скважин // Научный журнал «Криосфера Земли». 2015. № 1. С. 58-69.
5. Полозков А.В., Близнюков В.Ю. и др. Исследование тепловых режимов при испытании, отработке разведочных, добывающих скважин в условиях многолетнемерзлых пород // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2008. №7. С. 15-27.
6. Аргунова К.К., Бондарев Э.А., Рожин И.И. Тепловое взаимодействие нефтедобывающих скважин с многолетнемерзлыми породами // Наука и образование. 2008. № 4. С. 78-83.
7. Патент 2625830 РФ. Устройство для термоизоляции скважин в многолетнемёрзлых породах / Павлова П.Л., Кондрашов П.М. опубл 19.07.2017. Бюл. №1.
8. Патент 2655263 РФ. Теплоизолированная колонна / Павлова П.Л., Кондрашов П.М. опубл 24.05.2018. Бюл. №1.
9. Патент № 202466 РФ. Скважинный термоэлектрический экранный модуль / Павлова П.Л., Кондрашов П.М., Шнар Э.Г., Смоляков А.В., Мякишев А.В., Бас П.Д., Лысенко А.А. Опубл. 18.02.2021. Бюл. №1.
10.Павлова П.Л. Разработка термоэлектрического экранного модуля управления процессом теплообмена подъемной колонны нефтяных скважин: дис. ... канд. техн. наук. Ухта, 2019. 174 с.
Павлова Прасковья Леонидовна, канд. техн. наук, доцент, ppavlova@sfu-kras. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,
Кондрашов Петр Михайлович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, pkondrashov@sfu-kras.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет
DEVELOPMENT OF THE BOREHOLE EQUIPMENT WITH THERMOELECTRIC ELEMENTS
P.L. Pavlova, P.M. Kondrashov 390
The article presents a developed experimental design of the borehole equipment with thermoelectric elements for changing the heat flow of a producing well, which is operated in areas with permafrost. Based on the results of the work, the technical solutions found are presented. Recommendations on the possible use of borehole equipment with thermoelectric elements and ways of further development are given.
Key words: equipment, construction, frozen rocks, borehole, thawing.
Pavlova Praskovya Leonidovna, candidate of technical sciences, docent, ppavlova@sfu-kras.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Kondrashov Peter Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, pkondrashov@sfu-kras. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University
УДК 622.23.05
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-391-396
АППАРАТ ВИХРЕВОГО СЛОЯ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
ТОРФЯНЫХ ГРУНТОВ
Г.В. Селиверстов, С.А. Мотевич, Ю.О. Вобликова
Задача по измельчению и подготовке различных грунтов в настоящее время решается на дробилках и мельницах различного типа. Но при этом в ряде случаев применяется и ручная подготовка грунта с просеиванием и измельчением для дальнейшего использования в виде аппликаций и обертываний в медицинских учреждениях и грязелечебницах. Необходимо отметить, что этот процесс в достаточной степени трудоемок и требует значительного времени для осуществления, поэтому предлагается внедрение аппарата вихревого слоя для решения этой задачи.
Ключевые слова: аппарат вихревого слоя, торф, окислительно-восстановительный потенциал, диспергация, ферромагнитные элементы.
Современные тенденции в подготовке и обработке грунтов подразумевают использование различных технологий, направленных на сохранение и бережное отношение как к ним, так и к энергозатратам, необходимым для их измельчения [1, 2]. Одним из наиболее деликатных вопросов по обработке сапропельных и торфяных грунтов является их подготовка перед дальнейшим использованием в медицинских целях.
Ни для кого не секрет, что забота о собственном здоровье предполагает ряд медицинских мероприятий, которые необходимы для компенсации стрессов, возникающих в повседневной жизни, различных неблагоприятных экологических факторов, малого количества физической активности. При этом существуют природные источники полезных биологических и минеральных элементов, которые позволяют осуществлять поддержку организма и защиту от перечисленных факторов. В данном случае речь идет о пелоидах, полезные свойства которых известны достаточно давно. Однако при классической схеме их применения в виде аппликаций и обертываний воздействие хоть и оказывает положительный эффект, но коэффициент полезного действия не такой высокий, что требует длительных экспозиций и большого расхода самого пелоида. Это связано с тем, что, например, гуминовые кислоты, фульвовая кислота и прочие находятся в связанном виде в кластерах. Для вскрытия кластеров необходимо применить технологию, позволяющую получать мелкодисперсную однородную структуру с размерами частиц около 0,01 мм. Второй положительный момент, который наблюдается при высвобождении кислот - это изменение окислительно-восстановительного потенциала, получение устойчивых отрицательных значений которого позволяет ускорить процесс насыщения клетки гумино-выми кислотами и минеральными элементами [3].
391
