Введение к работе
Актуальность темы
Добыча нефти характеризуется значительными энергетическими затратами. Одновременно растут и финансовые затраты, что отражается на стоимости конечного продукта для потребителей. В качестве причин повышения энергозатрат можно указать множество факторов. Основными являются отложение асфальтеносмолопарафинистых веществ и минеральных осадков на стенках коллектора, что приводит к ухудшению его фильтрационных свойств, сосредоточение нефти повышенной вязкости в мелких порах пластов, потеря пластовой жидкостью ньютоновских свойств и рост на несколько порядков ее вязкости из-за кольматации (образования пространственных сеток в пластовом флюиде) и др.
Для увеличения длительности эксплуатации действующих скважин, восстановления неработающих чаще всего применяют обработку призабойной зоны нефтяного пласта и скважины, которая требует значительных затрат энергии и вносит существенную составляющую в стоимость добычи нефти.
Гидроимпульсная обработка призабойной зоны, представляющая собой неразрушающее воздействие на скважину и пласт низкочастотными пульсациями флюида, характеризуется высокой нестационарностью процессов. Эти процессы сопровождаются одновременным воздействием на пограничные слои ряда возмущающих факторов, таких как геометрия канала, состояние его стенок, особенности развития потока, температурная неоднородность, градиент давления, переменные кинематические и тепловые параметры и др. Они в нестационарных условиях приводят к значительным изменениям структуры потока, к нелинейности процессов, протекающих в нем. В таких условиях применение принципа суперпозиций отдельных возмущений становится невозможным и расчет энергетических потерь (трения и теплообмена) неизбежно будет сопровождаться с существенными ошибками.
Наиболее ответственным и трудным этапом исследований и расчетов нестационарных процессов является рациональное построение математических моделей. Математические трудности заключаются в нелинейности дифференциальных уравнений в частных производных. Краевые условия, необходимые для решения этих уравнений, являются сложными функциями времени.
Широкое распространение при изучении сложных явлений получили параметрические методы расчета пограничного слоя с применением полуэмпирических моделей турбулентности, которые успешно используются при исследовании нестационарных течений. Суть метода заключается в том, изучается влияние конкретного воздействия на законы переноса массы, кинематические, тепловые и интегральные характеристики пограничного слоя и течения в целом, с дальнейшим синтезом явления.
Цель диссертационной работы
Снижение энергозатрат на прокачку и подогрев флюида при пульсационной очистке нефтяной скважины. Разработать оптимальный
гидродинамический режим на основе нестационарного метода расчета потерь давления за счет пристенного трения при пульсационной обработке.
Для достижения поставленной цели решить следующие задачи:
Создать математическую модель нестационарного течения и теплообмена в скважине.
Разработать алгоритм и программу расчета трения, теплообмена, кинематических, тепловых и интегральных характеристик потока в условиях внутренней задачи, реализовать численный эксперимент по влиянию нестационарности на основные параметры потока.
Определить пульсации скорости потока и пульсационный коэффициент гидравлических сопротивлений в трубах.
Оценить влияние режима очистки нефтяной скважины на уровень энергетических затрат.
Научная новизна
Разработана двумерная математическая модель нестационарного течения и теплообмена в скважине на основе законов сохранения в приближении пограничного слоя. Составлена программа расчета трения, кинематических и интегральных характеристик потока в трубчатом и кольцевом канале. Проведен численный анализ по влиянию нестационарности на основные гидродинамические и тепловые параметры потока. Проведен анализ пульсационных характеристик течения в трубах по продольной координате.
Определены гидромеханические и энергетические характеристики потока, в том числе участки гидродинамической стабилизации, в трубчатом и кольцевом канале при различных режимах очистки нефтяной скважины. Даны оценки погрешности расчета потерь давления за счет пристенного трения по стационарным, квазистационарным и нестационарным методикам.
Выявлены и проанализированы энергосберегающие режимы пульсационной очистки нефтяных скважин.
Практическая ценность работы
Предложен и реализован метод расчета гидродинамической и тепловой структуры потока и потерь давления в нефтяной скважине в условиях гидродинамической нестационарности при пульсационном воздействии на призабойную зону скважины. Создана программа расчета трения, кинематических и интегральных характеристик потока, потерь давления в трубчатом и кольцевом канале, позволяющая точнее выбирать наименее энергозатратные режимы работы при пульсационной обработке призабойной зоны нефтяных скважин. Получены расчетные данные для выбора конкретного технологического оборудования. Предложен энергосберегающий режим пульсационной очистки нефтяной скважины
Достоверность результатов обеспечивается адекватностью
математической модели на базе теории пограничного слоя, согласованием результатов расчета с данными полученными по разным методикам.
Диссертация соответствует формуле специальности «...поиск структур и принципов действия теплотехнического оборудования, которые
обеспечивают сбережение энергетических ресурсов, уменьшение энергетических затрат на единицу продукции, сбережение материальных ресурсов, направляемых на изготовление теплопередающего и теплоиспользующего оборудования, защиту окружающей среды, области исследований - разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках.
Автор защищает
Математическую модель, отличающуюся нестационарными
компонентами; компьютерную программу расчета параметров течения и теплообмена в условиях внутренней задачи; результаты численного эксперимента по влиянию нестационарности на характеристики потока и теплообмен; расчетные данные по пульсациям скорости потока в трубах по продольной координате и пульсационного коэффициента гидравлических сопротивлений, результаты моделирования течения в нефтяной скважине при гидроимпульсном воздействии на призабойную зону, данные по оценке влияния режима очистки нефтяной скважины на уровень энергетических затрат.
Личное участие
Все основные результаты работы получены лично автором под научным руководством д.т.н. профессора Гильфанова К. X.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
- на I Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские
чтения», 2006 г.
на IX аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2006 г.
на II Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», 2007 г.
на Международной научно-технической конференции КГЭУ, 2007 г.
на III молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения, посвященной 40-летию КГЭУ», 2008 г.
- на конференции «Энергетика-2008: Инновации, решения, перспективы»
КГЭУ, 2008 г.
на IV молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» КГЭУ, 2009 г.
на XIII аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном «Дню энергетика», 2009 г.
- на X аспирантско-магистерском научном семинаре КГЭУ, посвященном
«Дню энергетика», 2010 г.
- на семинарах кафедры АТПП.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах, из них 2 - статьи в центральных журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа изложена на 186 страницах, содержит 62 рисунка, 2 таблицы и 1 приложение. Список литературы насчитывает 183 наименования.
