Расчет тепловых потерь в процессе нагнетания горячего теплоносителя при обработке призабойной зоны пласта

Размещено на http://allbest.ru

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теплотехника»

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В ПРОЦЕССЕ НАГНЕТАНИЯ ГОРЯЧЕГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА



ЗАДАНИЕ

на выполнение курсовой работы

Студент ___ ____ группа

Дисциплина: Теплотехника

Тема: Расчет тепловых потерь в процессе нагнетания горячего теплоносителя при обработке призабойной зоны пласта.

Исходные данные для расчета курсовой работы

Задание 1. Составление теплового баланса прямоточного парового котла передвижной парогенераторной установки. Составить и начертить схему теплового баланса прямоточного парового котла передвижной парогенераторной установки, паропроизводительностью D_п.п, работающей на топливе заданного состава. Давление перегретого пара Р_п.п, температура перегретого пара t_п.п, температура питательной воды t_п.в, температура окружающей среды t_в. Температура уходящих газовt_ух, коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом _ух.

Задание 2. Расчет тепловых потерь наземного паропровода. Для подачи пара имеется паропровод диаметром D_нар/D_вн и длиной L. Начальная температура пара t₁ при давлении р₁. Требуется рассчитать д_из изоляции так, чтобы у потребителя температура пара была не ниже t₂ при р₂, если температура окружающей среды ф₀, скорость протекания пара w.

Задание 3. Расчет тепловых потерь в стволе скважины при закачке горячего теплоносителя. Для интенсификации отдачи нефтяного пласта по теплоизолированным трубам НКТ в течение времени Ж нагнетается насыщенный водяной пар. Рассчитать и начертить график изменения температуры теплоносителя на участке нагнетательной скважины х₁ - х₂ (показать не менее 4 точек).

Представить следующие материалы в указанные сроки:

1. Введение.

2. Цель и задачи курсовой работы

3. Краткая теория по теме курсовой работы

4. Примеры числовых расчетов и графических решений

4.1. Составление теплового баланса прямоточного парового котла передвижной парогенераторной установки.

4.2. Расчет тепловых потерь наземного паропровода.

4.3. Расчет тепловых потерь в стволе скважины при закачке горячего теплоносителя.

5. Заключение. Выводы и рекомендации

6. Список использованных источников

Дата выдачи «_г.

Срок сдачи курсовой работы г.

Преподаватель __ __ Студент __ __



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Составление теплового баланса прямоточного парового котла передвижной парогенераторной установки

1.1 Исходные данные

1.2 Располагаемая теплота топлива

1.3 Теплота, полезно использованная в котлоагрегате

1.4 Потери теплоты q2 с уходящими газами

1.5 Потери теплоты q3 от химической неполноты сгорания топлива

1.6 Потери теплоты q4 от механической неполноты сгорания топлива

1.7 Потери теплоты q5 в окружающую среду

1.8 Ответ на теоретический вопрос (каков элементарный состав твердого, жидкого и газообразного топлив? Что такое органическая, горячая, сухая и рабочая масса топлива? Как проводятся пересчет состава топлива из одной массы в другую?

2 Расчет тепловых потерь наземного паропровода

2.1 Исходные данные

2.2 Допустимые тепловые потери при наличии изоляции

2.3 Потери тепла с одного погонного метра трубопровода

2.4 Расчет изоляции

3 Расчет тепловых потерь в стволе скважины при закачке горячего теплоносителя

3.1 Исходные данные

3.2 Схемы оборудования для нагнетания пара

3.3 Изменение температуры теплоносителя на участке скважины х1 - х2

3.4 Изменение температурного поля в радиальном направлении

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Нефтяная и газовая промышленность является одной из ведущих и быстро развивающихся отраслей народного хозяйства. Она же является и одним из крупнейших потребителей топлива в стране.

Расход топлива на собственные энергетические нужды в добыче нефти и газа составляет около 13 процентов от общего расхода топлива по отрасли.

В основных направлениях экономического и социального развития России на период до 2010 года ставятся задачи удовлетворения прироста потребностей в топливе, энергии, сырье и материалах на 75-80 процентов за счет экономии, снижения энергоемкости национального дохода и широкого использования вторичных энергоресурсов. Экономия становится основным источником ресурсного обеспечения, дальнейшего роста производства.

Увеличить добычу нефти можно не только за счет ввода в разработку новых месторождений, но и за счет повышения нефтеотдачи пластов старых нефтяных залежей. Одной из причин, вызывающих снижение нефтедобычи, является выделение из нефти твердой фазы, состоящей из парафина, асфальто-смолистых веществ, смол. Откладываясь на внутренних стенках насосно-компрессорных труб, в устьевом оборудовании и выходных линиях, они уменьшают проходное сечение и резко снижают продуктивность скважины. С этим явлением борются различными методами, в том числе термическими (стационарный и циклический электропрогрев), применяются электро-магнитная обработка, термоакустическое воздействие, циклическая паротепловая обработка и т. д. Проведенные исследования показали, что при нагнетании в пласт горячей воды вытесняется 46-62 процента нефти, при нагнетании пара 67-80 процентов нефти.

Циклическая паротепловая обработка заключается в том, что в специально оборудованную остановленную скважину по насосно-компрессорным трубам нагнетают насыщенный пар. Скважину герметизируют и выдерживают до полной конденсации пара в пласте, затем возобновляется эксплуатация. Радиус прогретой зоны достигает 30 метров. Продолжительность остывания прогретой зоны составляет от 2 до 3 месяцев. Применение циклической паровой обработки целесообразно для месторождений с высоковязкими нефтями и глубиной залегания пласта до 1500 метров. Обводненность продукции до обработки не должна превышать 60 процентов. Коллектор должен быть прочным, так как паротепловое воздействие может вызвать его разрушение.

Термическую обработку пласта скважины и оборудования осуществляют с помощью передвижной парогенераторной установки (ППУ), смонтированной на шасси автомобиля КРАЗ.

При нагнетании перегретого пара нагревание пласта в первую очередь происходит за счет теплоты перегрева, что сопровождается снижением температуры пара до температуры насыщения (т. е. до температуры кипения воды при существующем давлении). При дальнейшем движении пара по пласту последнему отдается скрытая теплота парообразования, и пар будет конденсироваться. До тех пор, пока не используется вся скрытая теплота парообразования, температура пароводяной смеси (следовательно, и пласта) будет равна температуре насыщенного пара. После того, как весь пар сконденсируется, пласт будет нагреваться за счет теплоты горячего конденсата (т. е. горячей воды), что сопровождается снижением его температуры до начальной температуры пласта. При нагнетании в пласт насыщенного пара зона перегретого пара будет отсутствовать.

При использовании пара в качестве нагнетаемого в скважину теплоносителя в ходе тепловой обработки неизбежны потери тепла, включающие: потери в парогенераторной установке, потери в поверхностных паропроводах на пути движения теплоносителя от нагревательной установки до устья нагнетательной скважины, потери в стволе скважины при движении теплоносителя от устья к забою, потери в окружающие породы через кровлю и подошву пласта.



1. Составление теплового баланса прямоточного котла передвижной парогенераторной установки

Составить и начертить схему теплового баланса прямоточного парового котла передвижной парогенераторной установки, паропроизводительностью D_пп, работающей на топливе заданного состава. Давление перегретого пара Р_пп, температура перегретого пара t_пп, температура питательной воды t_пв, температура окружающей среды t_в. Температура уходящих газов t_ух, коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом _ух.

1.1 Исходные данные

Для решения задания используем следующие исходные данные

1) марка топлива, МС;

2) температура топлива, t_т = 83 °C;

3) расход топлива, B = 100 кг/ч;

4) паропроизводительность, D_пп = 1 т/ч;

5) давление перегретого пара, Р_пп = 8 МПа;

6) температура перегретого пара, t_пп = 320 °С;

7) температура питательной воды, t_пв = 15 °С;

8) температура окружающей среды, t_в = 16 °С;

9) температура уходящих газов, t_ух = 165 °С;

10) коэффициент избытка воздуха, _yx = 1,37;

1.2 Располагаемая теплота топлива

Тепловые потери в парогенераторной установке достигают 20 процентов. Для расчета потерь составляется тепловой баланс парогенераторной установки.

Тепловым балансом называют распределение теплоты, вносимое в котлоагрегат при сжигании топлива, на полезно использованную теплоту и тепловые потери. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого (жидкого) топлива или на 1 м³ газообразного топлива применительно к установившемуся тепловому состоянию котельного агрегата.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

(1)

Или в процентах от величины :

(2)

где - располагаемая теплота топлива,;

( - теплота, полезно использованная в котлоагрегате на получение пара,;

- потери теплоты с уходящими газами, ;

- потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, ;

- потери теплоты от механического недожога топлива, ;

- потери теплоты в окружающую среду через ограждение топки и конвективные газоходы,.

Располагаемое количество тепла, вносимое в топку , складывается из низшей теплотворной способности топлива и физического тепла топлива

; (3)

Низшая теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива определяется по формуле Менделеева, с использованием данных по составу топлива (таблице А.6 приложения).

Для мазута малосернистого элементарный состав определяем в процентах (таблица А.6 приложений):

(4)

Физическая теплота топлива определяется по формуле:

; (5)

где - теплоемкость топлива, для жидкого топлива, ; - температура топлива (исходные данные), .

Располагаемая теплота топлива:

(6)

1.3 Теплота, полезно использованная в котлоагрегате

Теплота, полезно использованная в котлоагрегате, т.е. расходуемая на получение пара:

(7)

где - паропроизводительность котельного агрегата пара (исходные данные),;

- расход натурального топлива (исходные данные), ;

- соответственно энтальпии перегретого пара и питательной воды, ( выбирается по диаграмме-iS или по справочным данным (таблица А.4 приложений), - рассчитывается как произведение массовой изобарной теплоемкости питательной воды на температуру питательной воды (исходные данные)

(8)

Где: ср= 4,19кДж/кг•С - массовая изобарная теплоемкость питательной воды;

t пв = 15°С - температура питательной воды;

Определяем энтальпию перегретого пара при

Теплота, полезно использованная в котлоагрегате:

Теплота q₁, процент полезно используемая в котлоагрегате:



1.4 Потери теплоты q₂, процент с уходящими газами

Потери теплоты q_2, проценты с уходящими газами определяются как разность между энтальпией продуктов сгорания, покидающих агрегат, и энтальпией холодного воздуха, поступающего в топку агрегата с поправкой на механический недожог

(9)

Теоретический объем воздуха , необходимый для сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле:

= (10)

Объем трехатомных газов находим по формуле:

(11)

Объем азота определяем по формуле:

(12)

Объем водяных паров находим по формуле:

(13)

Значения объемных энтальпий , и для 1 м³ газа находим
по справочным данным (таблица А.2 приложения) при (исходные данные):

Энтальпия теоретического объема продуктов сгорания
при

(14)

Значение энтальпий воздуха , для 1 м³ воздуха находим по справочным данным в зависимости от температуры воздуха (таблица А.2)

Энтальпию воздуха при и определяем по формуле: (15)

Энтальпию продуктов сгорания при температуре уходящих газов и (исходные данные) находим по формуле: (16)

Энтальпию холодного воздуха определяем по формуле: (17)

,

где - средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха (при температуре воздуха до равна ;

- температура окружающей среды (исходные данные),

Потери теплоты q₂, % составят

(18)

1.5 Потери теплоты q₃,процент от химической неполноты сгорания топлива

Потери теплоты q₃, процент от химической неполноты сгорания топлива определяются содержанием в продуктах горения СО и принимаются в зависимости от вида топлива и типа топки согласно таблиц А.7, А.8 приложений, так как в нашем случае горит мазут малосернистый, то потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива будут ровны

1.6 Потери теплоты q₄, процент от механической неполноты сгорания топлива

Потери теплоты q₄, процент от механической неполноты сгорания топлива складываются из трех составляющих: потерь теплоты топлива со шлаком, потерь теплоты с провалом топлива под колосниковую решетку и потерь теплоты с частичками топлива, уносимыми уходящими газами, и также принимаются в зависимости от вида топлива и типа топки согласно таблиц А.7, А.8 приложений

1.7 Потери теплоты q₅, процент в окружающую среду

Потери теплоты q₅, процент в окружающую среду зависят от размеров поверхности котлоагрегата, качества обмуровки и тепловой изоляции.
В данном случае находим по формуле: (19)

По полученным данным можно начертить схему рассчитанного теплового баланса (рисунок 1.1).

тепловой баланс наземный паропровод ствол скважина

Рисунок 1.1 - Схема теплового баланса парогенераторной установки

Вывод

Самая большая в процентном соотношении в нашем задании стала теплота, полезно использованная в котолоагрегате, т. е. расходуемая на получение пара q₁ = 72,41 % (соответствует диапазону 60-90 процентов). За 100 процентов мы принимаем располагаемое количество тепла, вносимое в топку. Далее рассчитали по формулам потерю теплоты q₂ = 8,130 % с уходящими газами и определили потерю теплоты q₅ = 18,96 % в окружающую среду, которая зависит от размеров поверхности котлоагрегата, качества обмуровки и тепловой изоляции, т. е. путем вычитания из полезно использованной теплоты всех остальных. Получили и изобразили графически схему теплового баланса парогенераторной установки.

1.8 Ответ на теоретический вопрос

Каков элементарный состав твердого, жидкого и газообразного топлив? Что такое органическая, горячая, сухая и рабочая масса топлива? Как проводятся пересчет состава топлива из одной массы в другую?

В базовой и промышленной энергетике для получения электрической и тепловой энергии используется в основном топливо органического происхождения.

Все виды органического топлива (горючие) представляют собой углеводородные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.

К твердому топливу относят: антрацит, каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопильных заводов и деревообделочных цехов, а также растительные отходы сельскохозяйственного производства -- солому, костру, лузгу и др.

К жидкому топливу относят нефть, а также различные продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки нефти -- мазут.

До 70 процентов и более видов жидкого топлива используется на транспорте -- авиационном, автомобильном, специальном водном, железнодорожном (тепловозы), около 30 процентов сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях и в промышленных котельных.

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих элементов - углерода (С), водорода (Н) и летучей серы, негорючих элементов - кислорода (О) и азота (N), балласта топлива - золы (А) и влаги (W).

К газообразному топливу относят природный газ, добываемый из недр земли, попутный нефтяной газ, газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газ), крекинговый газ, а также генераторный газ, получаемый искусственным путем из твердого топлива в особых газогенераторных установках.

Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топки котлов или в двигатели внутреннего сгорания, называется рабочим.

Газообразные топлива состоят из горючих и негорючих (N2, O2, СО2) газов и небольшого количества водяного пара (Н2О).

Таблица 1

Агрегатное состояние	Топливо
	естественное	искусственное
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, дизельное, мазут, спирт, бензол, смолы (каменноугольная, торфяная, сланцевая) и др.
Газообразное	Природный и нефтепромысловый газы	Газы (генераторный, водяной, светильный, коксовый, полукоксовый, доменный, нефтеперерабатывающих заводов и др.)
Твердое	Ископаемые угли, горючие сланцы, торф, дрова	Каменноугольный кокс и полукокс, брикетированное и пылевидное топливо, древесный уголь и др.

Состав твердых и жидких топлив принято представлять в виде суммы масс химических элементов:

Cp + Hp + Sp + Op + Np + Ap + Wр = 100 %. (20)

В топливе различают рабочую, сухую и горючую массы:

Горючей называют часть массы топлива без балласта. Название " горючая масса" условно, т. к. действительно горючими элементами являются только углерод, водород и сера. Горючую массу можно характеризовать как топливо, не содержащее золы и в абсолютно сухом состоянии. Состав горючей массы топлива обычно приводят в справочниках.

Горючая масса и минеральные соединения составляют сухую массу топлива. Данное понятие удобно использовать для видов топлива, содержащих большое количество влаги (бурый уголь, торф, дрова)

Сухая масса топлива и влага образуют рабочую массу топлива. Понятие рабочей массы используют при определении рабочих характеристик топлива в условиях эксплуатации.

Пересчет элементарного состава топлива с одной массы на другую

При пересчете элементарного состава топлива с одной массы на другую известное содержание компонента умножается на коэффициент, вычисляемый по одной из формул, приведенных в помещаемой ниже таблице.

Таблица 2. Формулы для пересчета состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса топлива	Искомая масса топлива
	рабочая	сухая	горючая
Рабочая	-------
Сухая		-------
Горючая			-------

Если требуется пересчитать какой-либо компонент (например. С) с сухой массы топлива на горючую, то Сг определяется из выражения : (21)

Пересчет рабочей массы топлива с одной влажности:

W

или зольности: A

на другую влажность или: W

Зольность: A



2 Расчет тепловых потерь наземного паропровода

Для подачи пара имеется паропровод диаметром D_нар/D_вн и длиной L. Начальная температура пара t₁ при давлении Р₁. Требуется рассчитать д_из изоляции так, чтобы у потребителя температура пара была не ниже t₂ при Р₂, если температура окружающей среды ф₀, скорость протекания пара w.

2.1 Исходные данные

Для решения задания используем следующие исходные данные:

1) внутренний диаметр паропровода, D_вн = 150 мм;

2) наружный диаметр паропровода без изоляции, D_нар = 160 мм;

3) скорость движения пара, w = 10 м/с;

4) количество арматурных соединений, n = 4 шт.;

5) вид изоляции, стекловолокно;

6) длина паропровода, L = 190 м;

7) начальная температура пара, t₁ = 310 °C;

8) конечная температура пара, t₂ = 270 °C;

9) начальное давление пара, P₁ = 1,6 МПа;

10) конечное давление пара, Р₂ = 1,3 МПа;

11) температура окружающей среды, ф₀ = 17 °С.

2.2 Допустимые тепловые потери при наличии изоляции

Тепловые потери в наземных паропроводах достигающие 5-6 процентов от общего количества транспортируемого тепла понижают температуру теплоносителя. Если потери велики, требуется дополнительный расход топлива. Зависят тепловые потери от физических свойств теплоизоляции, перепада температур между теплоносителями и окружающей средой, от наличия соединительных фланцев, задвижек и других деталей, которые невозможно покрыть равномерным слоем тепловой изоляции

Для расчета тепловой изоляции применяются обычные формулы теплопередачи.

При расчете изоляции следует придерживаться следующего порядка. Сначала устанавливаются допустимые тепловые потери объекта при наличии изоляции. Эти потери определяются, исходя из технических условий процесса.

Если теплоноситель - пар с массовым расходом (расчетные данные), то тепловые потери можно определить исходя из заданного падения температуры и давления пара по диаграмме-iS для водяного пара или по таблице 4 приложения.

Тепловые потери рассчитываются по формуле: (23)

где - изменение энтальпии пара (выбирается по диаграмме-iS для водяного пара или по таблице А.4 приложения в зависимости от параметров пара на входе и на выходе), кДж/кг;

- расход пара, кг/с.

Определим энтальпию пара на входе при:

Определим энтальпию пара на выходе при

Изменение энтальпии пара составит:

Расход пара определяется по формуле: (24)

где - скорость движения пара (исходные данные),;

- внутренний диаметр паропровода (исходные данные),;

- удельный вес пара,

Удельный объем пара выбирается по диаграмме-iS для водяного пара или по таблице А.4 по средней температуре пара и среднему давлению пара.

Определим средний удельный объем пара методом интерполяции:

Удельный вес пара составит:

Расход пара составит:

Тепловые потери:

2.3 Потери тепла с одного погонного метра длины паропровода

Потеря тепла одним вентилем или задвижкой эквивалентна потере тепла трубопроводом длиной . Если количество арматурных соединений , то допустимые потери с одного погонного метра длины паропровода

(25)

где - длина паропровода (исходные данные), ;

- количество арматурных соединений (исходные данные), .;

Теплопередача от пара, движущегося по паропроводу, в окружающую среду складывается из трех последовательных процессов:

1) переноса тепла вынужденной конвекцией от движущегося пара к внутренней металлической стенке паропровода (характеризуется коэффициентом теплоотдачи );

2) переноса тепла за счет теплопроводности через металлическую стенку трубы паропровода и слой изоляции;

3) переноса тепла свободной конвекцией от наружной поверхности изоляции паропровода в окружающую среду характеризуется коэффициентом теплоотдачи ).



2.4 Расчет изоляции

При расчете изоляции термическими сопротивлениями теплоотдачи от пара к стенке и самой стенки трубы можно пренебречь. Тогда температуру изолируемой поверхности можно принять равной максимальной температуре пара, при этом берется начальная температура пара.

Затем, зная сорт изоляции (согласно условиям задания) и, задаваясь температурой на наружной поверхности изоляции , определяют среднюю температуру изоляционного слоя (26)

По из таблицы А.1 приложения находится соответствующее значение коэффициента теплопроводности . Зная температуры на поверхности изоляции и под изоляцией , а также коэффициент теплопроводности для стекловолокна, можно определить толщину изоляции

; (27)

где - наружный диаметр паропровода без изоляции (исходные данные), ;

При проверочных расчетах коэффициент теплоотдачи в окружающую среду для паропроводов рассчитывается по критериальным уравнениям для свободной конвекции. Определяющая температура - средняя температура между выбранной температурой наружной поверхности изоляции паропровода и температурой окружающей среды. Физические параметры воздуха выбираются по таблице А.5 приложения.

Для расчета можно воспользоваться упрощенной формулой, учитывающей конвекцию и излучение

(28)

где - температура окружающей среды (исходные данные),.

После этого проводится проверочный расчет, и определяются значения температуры на наружной поверхности изоляции

(29)

Если от предварительно принятого значения отличается существенно, то весь расчет повторяется снова до тех пор, пока расхождение температур не будет в допустимых пределах .

Произведем перерасчет с температурой на наружной поверхности изоляции (30)

; (31)

где - наружный диаметр паропровода без изоляции (исходные данные), ;

После этого проводится проверочный расчет, и определяются значения температуры на наружной поверхности изоляции

Если от предварительно принятого значения отличается не существенно, то весь расчет повторяется снова до тех пор, пока расхождение температур не будет в допустимых пределах .

Вывод

Тепловые потери в наземных паропроводах достигающие 5-6 процентов от общего количества транспортируемого тепла понижают температуру теплоносителя. Если потери велики, то требуется дополнительный расход топлива. Для расчета тепловой изоляции мы применили обычные формулы теплопередачи.

При расчете изоляции придерживались следующего порядка: сначала установили допустимые тепловые потери объекта при наличии изоляции затем, зная сорт изоляции (согласно условиям задания) и, задаваясь температурой на наружной поверхности изоляции t_из^нар (в нашем случае принимаем равной 46 С), определяют среднюю температуру изоляционного слоя t_из^ср = 173 С: после этого проводится проверочный расчет и определяются значения температуры на наружной поверхности изоляции t_из^нар = 44 С. В нашем случае отличие от предварительно назначенной в допустимых пределах 1…3 С.



3. Расчет тепловых потерь в стволе скважины при закачке горячего Теплоносителя

Для интенсификации отдачи нефтяного пласта по теплоизолированным трубам НКТ в течение времени z нагнетается водяной пар в состоянии насыщения. Рассчитать и начертить график изменения температуры теплоносителя на участке нагнетательной скважины x₁ - x₂ (показать не менее 4 точек). Рассчитать и начертить график изменения температурного поля в любом из сечений скважины в радиальном направлении.

3.1 Исходные данные

Для решения задания используем следующие исходные данные:

1) расход пара, G = 5 т/ч;

2) скорость пара по стволу скважины, = 30 м/с;

3) время закачки пара, z = 260 ч;

4) координаты исследуемого участка скважины, x₁ = 200 м; x₂ = 600 м;

5) геотермический градиент, Г = 0,0137 °С/м;

6) температура пара на устье, t_1у = 250 °С;

7) среднее давление пара, Р_ср = 7,1 МПа;

8) средняя температура пара, t_п = 185 °С;

9) внутренний диаметр трубы НКТ, d₀ = 63 мм;

10) толщина стенки трубы НКТ, д_нкт = 4,0 мм;

11) коэффициент теплопроводности материала трубы НКТ,

л_нкт = 45 Вт/(м·°С);

12) толщина изоляции трубы НКТ, д_из = 2,0 мм;

13) коэффициент теплопроводности изоляции трубы НКТ,

л_из = 0,21 Вт/(м·°С);

14) коэффициент эффективности теплопроводности среды кольцевого пространства, л_эф = 19 Вт/(м·°С);

15) внутренний диаметр обсадной колонны, d_з = 163 мм;

16) наружный диаметр обсадной колонны, d₄ = 203 мм;

17) коэффициент теплопроводности материала обсадной колонны,

л_ок = 50 Вт/(м·°С);

18) толщина цементного камня, д_ц = 21 мм;

19) коэффициент теплопроводности породы, л_п = 2,36 Вт/(м·°С);

20) коэффициент температуропроводности породы, a_n = 8,610^-7 м²/с;

21) коэффициент теплопроводности цементного камня,

л_ц = 0,36 Вт/(м·°С).

3.2 Схема оборудования скважины для нагнетания пара

При расчете тепловых потерь в стволе скважины нужно знать, что при нагнетании высокотемпературных теплоносителей в нефтяной пласт наиболее напряженный тепловой режим характерен для нагнетательных скважин. Нагнетательная скважина (рисунок 3.1) конструктивно представляет собой многослойную цилиндрическую систему, состоящую из насосно-компрессорной трубы 1 с изоляцией 2, обсадной колонны 4, цементного камня 5 и горной породы 6. Кольцевое пространство 3 между трубой НКТ и обсадной колонной может быть заполнено воздухом, жидкостью или другой средой. При нагнетании теплоносителя в пласт значение толщины прогретого слоя горной породы прямо пропорционально коэффициенту температуропроводности породы и времени нагнетания теплоносителя.

При подаче высокотемпературного теплоносителя (водяного пара или горячей воды) в скважину теплота передается (рисунок 3.2):

- от однородного теплоносителя к внутренней поверхности трубы НКТ вынужденной конвекцией (характеризуется коэффициентом теплоотдачи б₁);

- через стенку трубы НКТ теплопроводностью (характеризуется коэффициентом теплопроводности л_нкт);

- через изоляцию стенки трубы НКТ теплопроводностью (характеризуется коэффициентом теплопроводности л_из);

- через среду кольцевого пространства - теплопроводностью и конвекцией, если среда - жидкость, или теплопроводностью, конвекцией и излучением, если среда - газ (характеризуется коэффициентом теплопроводности л_эф);

- через стенку обсадной колонны, цементную оболочку и горную породу - теплопроводностью (характеризуется коэффициентами теплопроводности л_ок., л_ц, л_n).

1 - обсадная колонна; 2 - нагнетательная колонна; 3 - устьевой сальник; 4 - лубрикатор; 5 - разгрузочная стойка; 6 - паровая передвижная установка (ППУ); 7 - центрирующая шайба; 8 - сальниковая муфта; 9 - термостойкий пакер; 10 - нефтеносный пласт

Рисунок 3.1 - Схема оборудования скважины для нагнетания пара

1 - трубы НКТ; 2 - изоляция; 3 - среда кольцевого пространства;
4 - обсадная колонна; 5 - цементный камень; 6 - горная порода

Рисунок 3.2 - Схема участка нагнетательной скважины

3.3 Изменение температуры теплоносителя на участке скважины

(200-600) м

Температура пара в любом сечении скважины определяется по формуле: (33)

где - температура нейтрального поля Земли (исходные данные), ;

- температура пара на устье нагнетательной скважины (исходные данные),;

- осевая координата сечения скважины (исходные данные),
;

- геотермический градиент (исходные данные),;

где - коэффициент теплопередачи (расчетные данные);

- диаметр трубы НКТ, по которой осуществляется нагнетание пара (исходные данные),;

- расход пара (исходные данные),;

- изобарная теплоемкость пара, выбирается по таблице А.3 приложения в зависимости от средней температуры пара (расчетные данные), .

Коэффициент теплопередачи, для данного случая рассчитывается по упрощенной формуле вида: (34)

где - коэффициент теплоотдачи от пара к площади внутренней поверх-ности трубы НКТ, по которой осуществляется нагнетание (расчетные данные),;

- толщина i-го слоя многослойной цилиндрической стенки нагнетательной скважины (исходные, расчетные данные), м;

- толщина разогретого слоя породы (расчетные данные), м;

где - коэффициент температуропроводности породы (исходные данные), ;

- время закачки пара (исходные данные), ;

и - коэффициенты теплопроводности материала i-го слоя и слоя горной породы (исходные данные),;

и - средние логарифмические значения диаметров i-го слоя и разогретого слоя породы (расчетные данные), м: (35)

а) определяем среднее логарифмическое значение диаметра трубы НКТ:

;

б) определим среднее логарифмическое значение диаметра изоляции:

;

в) определим среднее логарифмическое значение диаметра кольцевого пространства:

г) определим среднее логарифмическое значение диаметра обсадной колонны:

д) определим среднее логарифмическое значение диаметра цементного камня:

е) определим среднее логарифмическое значение диаметра породы:

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается с помощью критериальных зависимостей для случая вынужденной конвекции. Определяющая температура теплоносителя - средняя температура пара (исходные данные). Физические параметры пара выбираются по таблице А.3 приложения.

Свойства водяного пара в состоянии насыщения при средней температуре пара при (таблица А.3 приложения):

- изобарная теплоёмкость пара

- коэффициент теплопроводности пара

- кинематическая вязкость водяного пара

- критерий Прандтля

Найдем число Рейнольдса: (36)

- режим турбулентный,

где - скорость пара по стволу скважины (исходные данные), ;

- внутренний диаметр трубы НКТ (исходные данные), ;

- кинематическая вязкость водяного пара,.

При этом температура стенки трубы будет равна:

,

где - средняя температура пара (исходные данные), ;

- избыточная температура между температурой стенки трубы НКТ и средней температурой пара, .

Коэффициент теплопроводности цементного камня:

лц.к. = 0,36 Вт/(м°С).

Температура нейтрального поля Земли:

ф0 = 6 °С.

Число Прандтля при по таблице А.3 приложения составит:

Определим число Нуссельта: (37)

Коэффициент теплоотдачи составит: (38)

Определим коэффициент теплопередачи: (39)

Для построения графика изменения температуры теплоносителя на участке нагнетательной скважины 200-600 метров выбираем сечение и определяем для каждого температуру невозмущённой породы и температуру t пара: (40)

Определим температуру пара в различных сечениях скважины по формуле: (41)

а) рассчитаем температуру пара для первого сечения, х₁ = 200 м

+

б) рассчитаем температуру пара для второго сечения, х₂ = 300 м

+

в) рассчитаем температуру пара для третьего сечения, х₃ = 400 м

+

г) рассчитаем температуру пара для четвертого сечения, х₄ = 500 м

+ ;

д) рассчитаем температуру пара для пятого сечения, х₅ = 600 м

+

Сведём полученные данные в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

	200	300	400	500	600
	8,74	10,11	11,48	12,85	14,22
	239,91	196,00	195,25	194,66	194,22

где - осевая координата сечения скважин;

- температура невозмущенной породы для каждого сечения;

- температура пара в сечении.

По полученным расчётным данным построим график изменения температуры пара на участке нагнетательной скважины (200-600) м (рисунок 3.3)

Рисунок 3.3 - График изменения температуры пара на участке нагнетательной скважины (200-600) м

3.4 Изменение температурного поля в радиальном направлении

Рассмотрим сечение скважины с координатой:

Суммарное термическое сопротивление в конце зоны теплового влияния определяется по формуле: (42)

Полное термическое сопротивление, определяемое всей зоной теплового влияния: (43)

Определяем термические сопротивления и температуры на границах рассматриваемых слоёв:

а) определим термическое сопротивление в конце зоны влияния

+

б) определим термическое сопротивление между слоями цементного камня и горной породы:

+

118,366;

в) определим суммарное термическое сопротивление между слоями обсадной колонны и цементного камня:

+

г) определим суммарное термическое сопротивление между слоями среды кольцевого пространства и обсадной колонны:

+

;

д) определим суммарное термическое сопротивление между слоями изоляции и средой кольцевого пространства:

;

e) определим суммарное термическое сопротивление между слоями трубы НКТ и изоляцией:

;

ж) определим суммарное термическое сопротивление с внутренней стороны НКТ:

Сведем полученные данные в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Термическое сопротивление слоев скважины в зоне теплового воздействия

Определяемые границы слоев
В конце зоны влияния
Между ГП и ЦК		118,366
Между ЦК и ОК
Между ОК и КП
Между КП и изоляцией
Между изоляцией и НКТ
С внутренней стороны НКТ

Для построения графика изменения температурного поля в нагнетательной скважине в радиальном направлении, определим радиусы:

По полученным данным построим график изменения температурного поля в радиальном направлении (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - График изменения температурного поля в радиальном направлении

Вывод

При подаче высокотемпературного теплоносителя (водяного пара или горячей воды) в скважину теплота передается:

- от однородного теплоносителя к внутренней поверхности трубы НКТ вынужденной конвекцией (характеризуется коэффициентом теплоотдачи ₁);

- через стенку трубы НКТ теплопроводностью (характеризуется коэффициентом теплопроводности л_нкт);

- через изоляцию стенки трубы НКТ теплопроводностью (характеризуется коэффициентом теплопроводности л_из);

- через среду кольцевого пространства - теплопроводностью и конвек-цией, если среда-жидкость или теплопроводностью, конвекцией и излучением, если среда - газ (характеризуется коэффициентом теплопроводности л_эф);

- через стенку обсадной колонны, цементную оболочку и горную породу - теплопроводностью (характеризуется коэффициентами теплопроводности л_ок, л_ц, л_n).

Участок нагнетательной скважины выбрали в диапазоне 200-600 м разбили на 5 сечений: 200; 300; 400; 500; 600 м.

Эти данные нам помогли в построении графика изменения температуры на участке 200-600 м, также мы рассчитали температуру пара для выделенных сечений скважины.

Также мы произвели предполагаемый разрез скважины на расстоянии
300 м (₃ = 11,48 С, t₃ = 195,25 C), это нам понадобилось для построения графика изменения температурного поля в радиальном направлении.

Коэффициент теплоотдачи мы рассчитали с помощью критериальных зависимостей для случая вынужденной конвекции. Определяющая температура теплоносителя - средняя температура пара (исходные данные).



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теплотехника - наука, объектом исследования которой является теоретические и практические методы и конструктивное оформление получения, преобразования, передачи и использования теплоты.

Человек использует теплоту во всех областях своей деятельности. Установление рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов невозможно без знания теоретических основ теплотехники. Теплота используется человечеством по двум принципиально различным направлениям: энергетическом и технологическом. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).

Теплотехника является общетехнической дисциплиной при подготовке специалистов технической специальности и состоит из трех взаимосвязанных предметов: технической термодинамики, основ теплопередачи и теплоиспользующих установок.

Инженер в своей практической деятельности имеет дело с различными тепловыми процессами и с их конструктивным оформлением в виде теплотехнического оборудования. Поэтому он должен уметь грамотно и эффективно использовать тепловое оборудование и, как руководитель эксплуатацией энерготехнологических систем производства, заниматься выявлением и использованием вторичных энергоресурсов.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Теплотехника: учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.: ил.

2. Проселков, Ю.М. Теплопередача в скважинах / Ю.М. Проселков. - М.: Недра, 1975. - 224 с.: ил.

3. Поршаков Б.П. Основы термодинамики: учебник для техникумов / Б.П. Поршаков, Б.А. Романов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 300 с.: ил.

4. Ерофеев В.Л. Теплотехника: учебник для вузов / В.Л. Ерофеев, П.Д. Семенов, А.С. Пряхин; под ред. д-ра техн. наук проф. В.Л. Ерофеева. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 456 с.: ил.

5. Учеб.-метод. пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине «Теплотехника» на тему «Расчет тепловых потерь в процессе нагнетания горячего теплоносителя при обработке призабойной зоны пласта» [Электронный ресурс] / сост.: И.Ф. Галиуллина, О.В. Филимонов. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2021. - Режим доступа: http://biblrusoil.net.

6. Учеб.-метод. пособие по дисциплине «Теплотехника» на тему «Структура и правила оформления курсовых работ» [Электронный ресурс] / сост.: И.Ф. Галиуллина. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2018. - Режим доступа: http://biblrusoil.net.

Размещено на Allbest.ru

...