Введение к работе
Актуальность темы. В диссертации исследуются процессы разогрева многофазной среды объемными 'источниками тепла, возникающими в результате поглощения высокочастотного электромагнитного излучения, и процессы, которые сопровождают этот разогрев: фазовые переходы и движение границы раздела фаз, фильтрационное движение в насыщенной пористой' среде, возникающее или усиливающееся из^за уменьшения вязкости и теплового расширения жидкой фазы, а также обратное влияние разогрева на поглощение электромагнитного' излучения, связанное с изменением диэлектрических параметров среды.
Интерес к подобным задачам обусловлен возможностью применения высокочастотного электромагнитного излучения для интенсификации различных процессов в нефтегазовой технологии: для увеличения добычи высоковязких и битумных нефтей и газогидратов; для борьбы с осложнениями в скважинах и трубопроводах, связанными с выпадением парафинов и образованием газогидратов; для обработки водонефтяных эмульсий; для локального оттаивания мерзлых грунтов и др. О перспективности этого направления свидетельствуют результаты лабораторных и промысловых испытаний (Россия) и десятилетний опыт практического использования данной технологии в промышленных масштабах (США, Канада).
Добыча высоковязких нефтей, битумов и газогидратов является важной практической задачей, т.к. запасы в таких месторождениях огромны, и их роль в общих запасах органического сырья постоянно возрастает. Высоковязкая нефть есть и в Тюменской области (например, Русское месторождение, глубина залегания которого ок. 900 м). Разработка таких месторождений карьерным или шахтным способом рентабельна лишь при неглубоком (десятки метров) залегании пластов, а добыча при помощи скважин становится возможной только после предварительной тепловой обработки пласта. Однако, традиционные методы теплового воздействия - нагретым паром или горячей жидкостью -в данном случае малоэффективны; кроме того, их широкомасштабное применение может повлечь тяжелые экологические последствия в виде нарушений гидрогеологической обстановки.
Не менее важной задачей является борьба с осложнениями в скважинах, системах сбора и трубопроводах. В процессе
эксплуатации нефтяных месторождений, как правило, происходит ухудшение нефтепроницаемости пласта в прискважинной зоне, возникающее вследствие отложения коллоидных поверхностно-активных компонентов нефти. Широко применяемое искусственное заводнение пластов холодной водой приводит к снижению температуры пласта, отложению парафина и других тяжелых углеводородов, образованию газогидратов в коллекторах прискважинной зоны. Подобные явления, приводящие к "склерозу" труб и образованию пробок, происходят и при транспортировке нефти и нефтепродуктов в системах сбора и трубопроводах, особенно в зимнее время.
Решить эти проблемы может применение высокочастотного электромагнитного разогрева продуктивных пластов, скважин, нефтей и нефтепродуктов в трубопроводах. Благодаря глубокому проникновению и возникающему вследствие этого объемному тепловыделению, а также благодаря отсутствию теплоносителя, электромагнитное излучение способно обеспечить (по сравнению с традиционными способами) гораздо более высокую скорость и равномерность нагрева, возможность быстрого и гибкого управления, осуществить автоматизацию технологического процесса, практически исключить вредное воздействие на окружающую среду. Все это может дать большой экономический и социальный эффект.
Однако, чтобы реализовать эти возможности, необходимо выполнить большой цикл физических исследований, инженерно-технических разработок и решить многие организационные проблемы. Выполнению первой части этой программы -физическим исследованиям указанных процессов - и посвящена данная диссертационная работа.
Целью работы является детальное исследование методами математического моделирования процессов тепломассопереноса в многофазных средах, характерных для нефтегазовой технологии, при воздействии на эти среды высокочастотным электромагнитным излучением. Лабораторные, а тем более промысловые испытания очень трудоемки, требуют много времени и средств. Численное моделирование значительно дешевле и позволяет быстро проверить большое количество различных вариантов воздействия. Основная задача, которая при этом ставится - на моделях, максимально приближенных к реальным условиям, определить оптимальные режимы воздействия: частоту и мощ-
ность излучения, размеры излучателя, возможность использования нелинейных свойств среды для повышения эффективности воздействия.
Научная новизна диссертации состоит в следующем: 1) Разработаны математические модели, расчетные методики и создан пакет программ численного моделирования, позволивший решить ряд проблемных задач тепломассопереноса в многофазных средах под действием высокочастотного электромагнитного излучения. Исследования впервые выполнены на двумерных моделях, в которых принималась во внимание пространственная неоднородность среды, зависимость тепло- и электрофизических параметров от температуры, учитывались фазовые переходы и некоторые другие особенности, что позволяет считать эти модели весьма близкими к реальности. Наиболее важные результаты следующие:
Впервые исследован процесс электромагнитного прогрева среды с учетом нелинейной зависимости показателя поглощения от температуры. Показано, что используя повышенное (резонансного вида) поглощение вблизи температуры плавления на некоторых частотах, можно реализовать прогрев в режиме тепловой волны, что существенно повышает его эффективность, а также получить температурную волну, движущуюся в обратном направлении: от удаленного конца пробки к источнику излучения, т.е. получить эффект, невозможный для обычных условий. Найден критерий и определены границы релаксационных параметров среды, при которых может быть получена обратная температурная волна.
Исследован процесс электромагнитного прогрева пробки из застывших нефтепродуктов в скважине или трубопроводе для различных условий теплообмена на боковой поверхности трубы; определены оптимальные значения показателя поглощения электромагнитных волн в веществе пробки и найдены максимально возможные значения глубины проплавлення.
- Впервые промоделирован процесс электромагнитного
прогрева пробки в скважине с вытеснением продуктов расплава
тяжелой жидкостью (например, четыреххлористым углеродом).
Получены и исследованы стационарное и автомодельное
решения этой задачи, в результате чего определены: пороговое
значение мощности электромагнитного излучения, при котором
начинается (или прекращается) плавление на некоторой глубине;
минимальная мощность, необходимая для полного проплавления пробки заданных размеров; максимальная глубина проплавления при заданной мощности излучения. Показано, что вытеснение продуктов расплава позволяет ликвидировать пробку значительно быстрее и с меньшими энергетическими затратами, чем при обычном прогреве.
- Исследован процесс электромагнитного прогрева нефтяного пласта с учетом конвективного теплопереноса и зависимости вязкости нефти от температуры; впервые для конкретного набора физических параметров, характерных для Русского месторождения высоковязкой нефти Тюменской области, определены оптимальные значения частоты и мощности излучения, а также оптимальный размер излучателя.
2) С целью получения надежных исходных данных для численного моделирования исследованы ранее не изучавшиеся электрофизические параметры (диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь) некоторых видов высоковязких нефтей (в том числе Русской нефти), водонефтенасыщенных песков и водонефтяных эмульсий. Предложена и впервые применена отличающаяся от традиционной методика обработки результатов измерений этих параметров. Создан пакет программ, реализующий эту методику. Полученные результаты позволяют с помощью небольшого количества экспериментально найденных констант описать поведение исследованных веществ в электромагнитном поле с хорошей точностью в широком диапазоне частот и температур.
Практическая ценность. Результаты численного моделирования, изложенные в диссертации (размеры прогретой зоны пласта, увеличение дебита скважины в результате прогрева, максимальная длина пробки, которая может быть ликвидирована, необходимая для этого минимальная мощность и др.) могут быть использованы в качестве ориентиров при оценке возможной эффективности данной технологии в случае создания установок для электромагнитного воздействия с оптимальными параметрами. При конструировании этих установок могут быть использованы оптимальные значения параметров, полученные в диссертации в результате моделирования (размеры излучателя, частота и мощность излучения и т.д.).
Пакет программ численного моделирования тепломассопере-носа может использоваться для исследования большого класса
разнообразных теплофизических задач: оттаивания и промерзания грунта, сушки влагонасыщенных пористых материалов, переноса тепла и фильтрации жидкости в средах с параметрами, зависящими от температуры и для изучения других подобных процессов, не обязательно связанных с применением электромагнитного воздействия.
Методика и результаты измерения электрофизических параметров нефтей, водонефтенасыщенных песков и водонефтяных эмульсий могут быть использованы не только для определения оптимальных параметров электромагнитного воздействия, но и для получения информации о составе и размерах структурных образований в этих средах, а также могут быть использованы для диэлькометрического экспресс-анализа.
Результаты диссертации вошли в отчеты по хоздоговору с Научно-производственным объединением "Техника и технология добычи нефти" Главтюменнефтегаза. По результатам, относящимся к практическому применению электромагнитного излучения в нефтегазодобыче, получено два авторских свидетельства.
Обоснованность и достоверность результатов, изложенных в диссертации, обусловлены корректностью применения общих законов и уравнений тепломассопереноса; применением хорошо изученных вычислительных схем для численного моделирования; тестированием пакета программ; согласием полученных результатов с экспериментальными данными и с результатами промысловых испытаний.
На защиту выносятся:
1). Математические модели тепломассопереноса в многофазных средах под действием высокочастотного электромагнитного излучения.
2). Результаты численного моделирования электромагнитного прогрева диэлектрической пробки, заполняющей скважину или трубопровод (оптимальная частота излучения, время прогрева, максимально возможная глубина проплавлення).
3). Результаты исследования электромагнитного прогрева с использованием нелинейных свойств среды (оптимальная частота; организация прогрева в режиме температурной волны; возможность получения температурной волны, движущейся к источнику излучения).
А). Результаты моделирования электромагнитного прогрева пробки в скважине с вытеснением продуктов расплава тяжелой
жидкостью (стационарное и автомодельное решения, границы их
применимости; решение с областью . объемного плавления
ненулевой толщины). -
5). Результаты численного моделирования электромагнитного прогрева нефтяного пласта; оптимальные параметры воздействия (оптимальная частота, мощность, размер излучателя, время прогрева).
6). Результаты исследования электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь) многофазных сред нефтяной технологии и методика обработки результатов измерения этих параметров.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались:
на международном семинаре "Проблемы сбора, подготовки и магистрального транспорта нефти" (Уфа, 1988),
на международной конференции "Современная подземная гидромеханика" (Москва, 1992),
на Седьмом Европейском симпозиуме по увеличению нефтеотдачи пластов (Москва, 1993),
на международной конференции "Проблемы комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов" (Казань, 1994),
на международной конференции "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах" (Тверь, 1996),
а также на семинарах в Институте механики многофазных систем СО РАН (Тюмень) под рук. акад. РАН Р.И.Нигматулина, на семинаре по теплофизике кафедры Механики многофазных систем Тюменского госуниверситета под рук. проф. А. Б. Шаба-рова, на семинаре ЗапСибНИГНИ (Тюмень) под рук. проф. Р.И.Медведского, на семинаре Научно-производственного объединения "Техника и технология добычи нефти" Главтюмен-нефтегаза.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 30 научных работ; список основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации - 280 страниц, в том числе 78 рисунков и 17 таблиц. Список литературы содержит 205 наименований.