Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Многофазный поток в скважинах

..pdf
Скачиваний:
135
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
17.52 Mб
Скачать

теплообмена в стволе скважины, однако отметим, что применительно к другим типам заканчивания скважин расчеты необходимо модифицировать.

Теплообмен внутри трубопровода или затрубного пространства, заполненного флюидами, возникает в результате конвекции. Теплообмен, происходящий через стенки обсадной и стволовой труб, а также через пространство, заполненное цементом (об­ ласть между обсадной колонной и стенкой буровой скважины) обеспечивается главным образом проводимостью (теплопроводностью).

Теплообмен, вызываемый проводимостью, можно описать уравнением Фурье в ра­

диальных координатах [15]:

 

q = -2тгr A L k ^ ,

(2.76)

or

 

где q — количество теплоты, распространяющееся в радиальном направлении по твердо­ му веществу с удельной теплопроводностью к. Интегрируя уравнение (2.76), получаем:

Г2 - Т 1

,

|пй )

(2.77)

 

27гА L

к\—2

 

Теплообмен, вызываемый радиальной конвекцией, можно описать следующим об­

разом [15]:

 

 

 

q = 2тгrA L h A T ,

(2.78)

где h — локальный коэффициент теплопроводности за счет конвекции между стенкой и пленкой жидкости.

Если процесс теплообмена в стволе скважины является устойчивым, значение q постоянно. Из уравнений (2.77) и (2.78) можно вывести выражения для расчета темпе­ ратурных изменений в стволе скважины.

Для конвективной теплопередачи внутри стволовой трубы:

 

Tf - Тн =

1

(2.79)

2жАЬ rtihf

 

 

Для теплопередачи через стенку стволовой трубы1:

- lnf e )

l to (2.80) 2тгA L

Для конвективной теплопередачи внутри затрубного пространства, образованного обсадной и стволовой трубами:

Ч 1

(2.81)

27гД1/ Vd h an

Для теплопередачи через обсадную трубу:

,

- 0 5 )

(2.82)

2п A L

кс

 

'Здесь и далее индексы при коэффициентах теплопередачи указывают на физические свойства раз­ личных веществ, заполняющих те или иные пространственные объемы, и подробно расшифрованы в при­ ложении А. — Прим. ред.

Для теплопередачи через цемент, находящийся внутри затрубного пространства, образованного обсадной трубой и стенкой ствола скважины:

Т

ГО

- Т —

In ( й )

(2.83)

 

-LW 27тАЬ

кГ[

Теплообмен, происходящий внутри горных пород, обеспечивается теплопроводно­ стью и является переходным процессом. Переходный процесс радиальной теплопере­ дачи описывается уравнением, аналогичным уравнению диффузии, применяемому при анализе результатов испытания переходных процессов в скважине [31]. Для бесконеч­ ного пласта имеем следующее линейное решение:

,

_ т

я

m

(2.84)

w

е

ЪтАЬ

ке

 

где Те — геотермальная температура грунта, а функция f(t)

№ = \Ei

Здесь а — температуропроводность грунта, равная:

4 1 * II e

задается соотношением:

(2.85)

(2.86)

При отслеживании температурных изменений в стволе скважины пользуются логариф­ мической аппроксимацией Ei, которая дает значение температуры на период, превы­ шающий одну неделю [32]. То есть для х < 0,0025

E i( - x ) и \п(х) + 0,5772

(2.87)

и

 

 

f(t) = 0,405 + 0,5 \n{tDw),

(2.88)

где

at

 

.

(2.89)

tDw —

9•

г' w

Хасан и Кабир [33] доказали, что применительно к обычным скважинам аппрокси­ мация (2.88) может давать значительные ошибки, если использовать ее для периода, не превышающего 250 часов. Они вывели упрощенные уравнения (2.90) и (2.91), которые можно использовать для всех периодов.

Если tDw < 1 ,5 ,

fit) = 1,1281\ДБ«;(1 - 0

,

3 ( 2 .

9 0 )

Если to w > 1,5,

 

 

 

 

/

o r

(2.91)

fit) = [0,4063 + 0,51n(i£>u,)]

( 1 +

J2-

 

\

lDw

 

Также в работе [34] указано, что почти всегда при добыче нефти перепад темпера­ тур внутри затрубного пространства невелик, и поэтому особую роль играет естествен­ ная конвективная теплопередача. К сожалению, на сегодняшний момент нет опублико­ ванных работ, посвященных естественной конвекции внутри вертикального затрубного пространства. Хасан и Кабир предложили использовать следующую формулу:

hnn

0,049(ArGrWpr)1/37Vp’r074

(2.92)

 

г to In

где N QT это число Грасхофа, характеризующее степень движения флюида внутри затрубного пространства вследствие естественной конвекции.

N GT = (r ci n o ) 3g p ln 0 (T to

^сг)

(2.93)

№ап

Плотность нагретого флюида, соприкасающегося со стенкой стволовой трубы, меньше плотности флюида, соприкасающегося со стенкой обсадной трубы, в результате че­ го начинает действовать выталкивающая сила. Произведение коэффициента теплового расширения (3 на разницу температур дает величину разности плотностей. Сила вязкого сопротивления противодействует силе выталкивания, что приводит к вращательному движению флюида внутри затрубного пространства. Взаимодействие между гидроди­ намическим и тепловым пограничными слоями характеризуется числом Прандтля, N p r, равным:

JVpr =

ЦапСPan

(2.94)

кап

 

 

Объединяя уравнения (2.79) и (2.84), получаем выражение для разницы темпера­ туры флюида и неизменной геотермальной температуры окружающих горных пород:

Т — __1__

In

m

- +

■ °fe), infe )

+

(2.95)

2тгA L

+ -

+ -

 

 

m h j

h

 

 

 

 

 

Применяя закон Ньютона для процесса охлаждения [15], приходим к простому уравнению, описывающему общие потери тепла для флюидов внутри стволовой трубы:

 

q =

2тгrtoA L U A T ,

(2.96)

где

U — общий коэффициент теплопередачи. Обратите внимание, что

выраже­

ние

(rtoU)~l соответствует сумме,

заключенной в квадратные скобки в

уравне­

нии (2.95).

 

 

2.6.2. Прогнозирование температуры

Задача прогнозирования распределения температуры в скважинах связана с при­ менением законов сохранения массы, импульса и энергии. Иногда удобнее пользовать­ ся уравнениями градиентов давления и энтальпии ((2.5) и (2.72)). Поскольку данные уравнения являются достаточно сложными, невозможно получить их точное аналити­ ческое решение. Численный метод решения будет представлен в главе 3. Однако Сагар

и др. [35], Алвес и др. [36], Хасан и Кабир [34] предложили приближенные аналити­ ческие методы решения рассматриваемой задачи. Метод Алвеса и др. был разработан для потока в трубах при любом угле их наклона. Применительно к нагнетательным скважинам данный метод сводится к уравнениям Реми [32], а применительно к гори­ зонтальным трубам — к уравнениям Коултера и Бардона [37]. Ввиду того, что метод Ал­ веса и др. был сопряжен с меньшим числом ограничений, он приводит к более точным результатам прогнозирования. Впоследствии появилось множество других исследова­ ний, посвященных задаче прогнозирования температуры в скважинах, нагнетающих пар в пласт, а также в добывающих скважинах, но все они либо являются модифика­ циями самого метода Реми, либо модифицируют собственно сам расчет коэффициента теплопередачи. Далее будут рассмотрены общие принципы метода Алвеса и др. [36].

Поскольку энтальпия характеризует внутреннее состояние вещества, h = h(p, Г), необходимо учитывать ее изменение с ростом температуры и зависимость от давления. Полный дифференциал энтальпии можно представить в виде суммы:

d /,= ( § ) ^ Г

+ ( | ) r

dP = Cpd T + ( | ) T dp.

(2.97)

Считая процесс изоэнтальпическим, приходим к уравнению:

 

dh = 0 = СрдТ

+

dh

dp,

 

др

 

 

 

 

т

 

то есть

 

 

 

 

 

dh

= - С р

 

 

- C p V ,

(2.98)

др

 

 

т

 

 

 

 

где г] — коэффициент Джоуля-Томпсона, характеризующий изоэнтальпическое охла­ ждение (нагревание) вследствие расширения. Объединяя уравнения (2.97) и (2.98), по­

лучим:

dh = CpdT -

Cpfjdp.

 

 

(2.99)

 

 

 

Из уравнений (2.99) и (2.72) следует:

 

 

 

 

 

dTf_

gsmO

v

dv

Ujrd

CT f - T c ).

(2.100)

Сп

9сJ

9сJ dL

w

dL

 

 

 

Уравнение (2.100) можно переписать в виде:

 

 

 

 

 

dTf

Tj

те

i

dp

 

(2. 101)

Ж

+ ~A ~ ~A + JpCpKL*'

 

 

 

где

 

Cpw

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 2. 102)

 

 

= Uml

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

dp

pgnine

 

 

 

 

 

 

pv_ dv ^

 

 

J M Cv-AL

~

 

 

Ik dL

 

(2.103)

 

 

dp

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

dI

 

 

 

 

Если температура окружающей среды меняется линейно с глубиной, то

Те = Tei - до L sin 6,

(2.104)

где Tei — температура окружающей среды у входа в трубу, которую часто полагают рав­ ной температуре пласта. Значение градиента геотермальной температуры дс меняется, как правило, в пределах от —56,5°С /100м до —54,5° С /100м , в зависимости от тол­ щины земной коры, наличия вулканической активности и других подобных факторов.

Объединяя уравнения (2.101) и (2.104), получаем обобщенное дифференциальное уравнение, полностью коррелируемое с уравнениями градиента энтальпии и градиента давления без каких-либо ограничений:

dT/ Tf

= Tei

dcLsm O

1 dp

(2.105)

dL + A

A

A

+ J p C p d L ^

 

Подставляя вместо С/, Cp, ту, д с , в, v, dv/dL и dp/dL соответствующие постоянные значения, уравнение (2.105) можно проинтегрировать. В результате получим:

Tf — (Tei — gG ^sin0) + (Ti — Tei)e L!A+

+ gG sm 0 A (l - e~L!A) + - Л ^ - ^ ф А { 1 - e~L/A). (2.106)

Уравнение (2.106) можно свести к еще более простым приближенным аналити­ ческим выражениям для различных случаев течения при введении дополнительных ограничений.

Для случая горизонтального потока (т. е. в = 0°) и, пренебрегая ускорением в вы­ ражении (2.103), т. е. при

ф = JprjCp,

(2.107)

уравнение (2.106) упрощается и имеет вид:

T j = Tei + (Ti - Tei)e~L/A + 7 7 ^ ( 1 - e~L/A).

(2.108)

Заметим, что полученное уравнение (2.108) эквивалентно соотношению Коултера и Бардона [37], используемому для прогнозирования температуры в горизонтальных трубах.

Для идеального газа (ту = 0) без учета эффекта ускорения соотношение (2.103) упрощается:

 

рд sin в \

 

Ф =

Тс

(2Л09)

dp

 

 

 

dL

 

а уравнение (2.106) преобразуется и сводится к виду:

 

Tf = (тсг - gcL sin в) + (Ti - Tei) e - ^ A+

 

+ (Ю А\лвА(\ - e~L/A) - ^ ^ - А ( l - e ~ L/A),

(2. 110)

 

*7g

 

которое эквивалентно уравнению Реми [32] для идеального газа.

Для случая, когда жидкость является несжимаемой, имеем:

 

V = -

1

 

 

 

JCPP

 

 

1 dp

рд sin в

pv dv \

(

T7T(l \

dZ ”

9c dL

 

A

 

dp

J

 

dp

 

dZ

V

dL J

Пренебрегая трением, получим ф = 0, а уравнение (2.106) приобретает вид:

Tf = {Т,.л - CJGL Sтв) + (Ti - Tei)e -L/A + 5G s in M ( l - e~L>A).

(2.111)

(2.113)

Данное соотношение эквивалентно уравнению Реми для несжимаемого потока.

Сравнивая уравнения

(2.106) и (2.113), видим, что получаемые методом Алве­

са и др. [36] корреляции

соответствуют уравнению Реми для однофазной жидкости

с учетом дополнительного поправочного члена. При этом поправочный член зависит от общего градиента давления и безразмерного параметра ф. Дополнительный анализ данного безразмерного коэффициента дает ответ на вопрос, в каких случаях поправоч­ ный член является необходимым.

Расчет температуры потока в зависимости от глубины и времени может оказаться очень трудоемким процессом, поскольку общий коэффициент теплопередачи, входя­ щий в уравнение (2.96), вычислить довольно сложно. Шиу и Беггз [38], опираясь на многочисленные исследования по изучению профилей температуры в потоке, получили

эмпирическую корреляцию для параметра

А, не зависящую от времени:

 

А = 69,8 • 10- 8(W)0’5253( ^ ) - 0’2904

(7API)0’2608(73)4’414G(PL )2’9303,

(2.1 И )

где w выражено в кг/сек, (1/, — в метрах, a p i в кг/м3

В тех случаях, когда поток в скважинах многофазный, для расчета изменений тем­ пературы предпочтительно использование уравнения (2.106). Однако предварительно необходимо установить некоторые физические свойства многофазной смеси, которые более подробно будут обсуждены в главе 3.

Пример 2.4. Сравнение результатов прогнозирования температуры.

Внутри системы напорно-компрессорных труб движется восходящий поток нефти (течение полагается однофазным). Труба по всей длине зацементирована. Необходимо рассчитать темпе­ ратуру на устье скважины после двух недель ее фонтанирования (используя уравнение (2.113) и корреляции Шиу-Беггза для параметра А ).

Известны следующие параметры:

кссп1 = 0,7269 Вт/мК,

кя - 43,268 Вт/мК,

К - 2,423 Вт/мК, к„ =* 0,1385 Вт/мК,

Сро — 2,7200 кДж/кг-К,

ас ^ 0,00372 м2/час,

q„ —795 M'Vсутки,

Т п - T hh =* T ci = 93° С= 366К, ц,() =*=1,0 сГ1 *= 10_:*кг/м-с, П о - 0,0698 м,

щ = 0,0621 м, rw = 0,1016 м,

Ъ = 0,8,

да = 0,0273 К/м,

TAPI = 30° API = 0,876 г/см3, L = 3 048 м,

0 = 75°

1. Рассчитаем /г/. Уравнение Диттеса и Боултера [39] включает в себя корреляцию числа Нуссельта для турбулентного потока (А^це > Ю4) в трубе с эффектом охлаждения:

JVNu = 0 , 0 2 3 < ^ f

Число Рейнольдса:

795 м3/сутки

 

 

 

0,759 м/сек,

(86 400 сек/сут)7г(0,0621 м)2

р0 = (0,876) (1000 кг/м3) = 876 кг/м3,

 

141,5

0,876

 

131,5 + 30

 

 

 

и

 

(876Н0,759)(0,124)

 

 

 

 

Ю" 3

 

Поскольку Nne > 2 000, поток является турбулентным.

Число Прандтля [15] равно:

 

 

 

Npr =

(10—3)(2,7209)

 

19,66.

 

 

0,138510" 3

Следовательно,

 

 

 

hfdti

 

 

iVNu =

(0,023)(8,259 • 104)о,8(19,66)0,3 = 482,3

 

ко

 

 

,

(482,3)(0,1385 • 10-3 )

# 9

hf =

-----— бд21 ----------- =

0,537 кВт - К /м 2

2.По уравнению (2.89) рассчитаем временную функцию пласта, /(£).

_

at _

(0,00372 м2/час)(2 недели)(168 часов/неделю)

tDw =

-у =

(0,1016)2

 

= 120,96.

 

г

 

 

 

 

1

=

0 ,0 0 2 1 .

 

 

4tDw 4(120,96)

Поскольку х < 0,0025, то согласно уравнению (2.87) имеем:

f(t) = -i[ln(0,0021) + 0,5772] = 2,794.

3.Рассчитаем коэффициент теплопередачи по уравнению (2.95).

(rtoU)-1

1

+

+

 

 

 

г till f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In

0,0698\

In

0,1016\

 

 

 

0,0621)

0,0698 )

 

(0,0621) (0,537

103) + ■

43,268

 

0,7269

 

2,794

 

 

 

 

 

+

2,423 = 0,0299 + 0,00272 + 0,5155 + 1,1531 = 1,701 MK/BT.

4. Найдем значение параметра A:

 

 

 

 

w = pvAp = (876)(0,759)тг(0,0621)2 = 8,06 кг/сек =

2,9 • 104 кг/час.

По уравнению (2.102)

 

 

 

 

 

 

_ (2,9 • 104 кг/час)(2,7209 кДж/кг К) _ с плп _ —--------------------------------------------— —о 940 м.

2тг(0,06985 м)(0,00842 К • кВт/м2)

По методу Шиу-Беггза (уравнение (2.114))

А= (69,8 • 10—8)(8,06)°’5253(0,124)—0,2904(З0)°’2608(0,8)4’4146(876)2’9303 = = (69,8 ■10~8)(2,993)(1,8334)(2,428)(0,373)(419198560) = 1458 м.

5.По уравнению (2.113) найдем Тш/,:

Тюк = [366-

(0,0273)(3048) sin75°] + 0 +(0,0273) sin75°(5940)(1 - е “ 3048/5940) =

= 366 -

336 + 318 = 348° К = 75,8° С.

По методу Шиу-Беггза (уравнения (2.113) и (2.114)):

Tuth = [366 -

(0,0273)(3048)sin75°] + 0 + (0,0273)sin75°(1458)(1 - е"3048/ 1458) =

= 366 -

335,87 + 289,09 = 319,22°К = 46°С.

Литература

[1]Knudsen, J. G. and Katz, D. L.: «Fluid Dynamics and Heat Transfer», McGraw-Hill Book Co. Inc., New York City (1958).

[2]Moody, L. F.;«Friction Factors for Pipe Flow», Trans., ASME (1944) 66, No. 8, 671.

[3]Allen, T. Jr. and Ditsworth, R. L.: «Fluid Mechanics», McGraw-Hill Book Co. Inc., New York City (1975).

[4] Poiseuille, J. L.: «Compte Rendus» (1840) 11, 961 and 1041; (1840) 12, 112.

[5]Drew, T. B-, Koo, E. c ., and McAdams, W. H.: Trans., AlChE (1930) 28, 56.

[6]Blasius, H-: Z. Math. Phys. (1908) 56, 1.

[7]Nikuradse, J.: «Forschungsheft» (1933) 301.

[8]Colebrook, C.F.: «Turbulent Flow in Pipes With Particular Reference to the Transition Region Between the Smooth and Rough Pipe Laws» J. Inst. Civil Eng. (1939) 11, 133.

[9]Brill, J. P. and Beggs, H. D.: «Two-Phase Flow in Pipes», U. of Tulsa, Tulsa, Oklahoma (1991).

[10] Zigrang, D.J. and Sylvester, N.D.: «А Review of Explicit Friction Factor Equations»,

J. Energy Res. Tech. (June 1985) 107, 280.

[11]«Theory and Practice of the Testing of Gas Wells», third edition, Energy Resources Conservation Board, Calgary (1975).

[12]Cullender, M. H. and Smith, R. V.: «Practical Solution of Gas-Flow Equations for Wells and Pipelines With Large Temperature Gradients», JPT(December T956) 281; Trans., AIME, 207.

[13]] Burington, R. S.: «Handbook of Mathematical Tables and Formulas», fifth edition, McGraw-Hill Book Co. Inc., New York City (1973).

[14] Martinez, A. E. et al.: «Prediction of Dispersion Viscosity of Oil/Water Mixture Flow in Horizontal Pipes», paper SPE 18221 presented at the 1988 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, 2-5 October.

[15] Bird, R. B., Stewart, W. E., and Lightfoot, E.N.: «Transport Phenomena», John Wiley

& Sons, New York City (1960).

[16]Metzner, A. B. and Reed, J. C.: «Flow of Non-Newtonian Fluids — Correlation of the Laminar, Transition, and Turbulent-Flow Regions», AlChE J. (1955) 1, 434.

[17]Dodge, D. W. and Metzner, A. B.: «Turbulent Flow of Non-Newtonian Systems», AlChE J. (1959) 5, 189.

[18]Govier, G. W. and Aziz, K.: «The Flow of Complex Mixtures in Pipes», Van Nostrand Reinhold Co., New York City (1972).

[19]Szilas, A. P., Bobok, E., and Navratil, L.: «Determination of Turbulent Pressure Loss of Non-Newtonian Oil Flow in Rough Pipes», Rheologica Acta (1981) 20, No. 5.

[20]Heyda, J. F.: «А Green’s Function Solution for the Case of Laminar Incompressible Flow Between Non-Concentric Circular Cylinders», J. Franklin Inst. (January 1959) 267,25.

[21] Snyder, W. A. and Goldstein, G. A.: «An Analysis of Fully Developed Laminar Flow in an Accentric», AlChE J. (1965) 11, 462.

[22]Dodge, N. A: «Friction Losses in Annular Flow», ASME PN (1964) 63-WA-ll.

[23]Winkler, H. W: «Singleand Two-Phase Vertical Flow Through 0.996x0.625-Inch Fully Eccentric Plain Annular Configurations», PhD dissertation, U. of Texas, Austin, Texas (1968).

[24]Gunn, D.J. and Darling, C.W. W.: «Fluid Flow and Energy Losses in Non Circular Conduits», Trans., AlChE (1963) 41, 163.

[25]El-Saden, M. R.: «Heat Conduction in an Eccentrically Hollow, infinitely Long Cylinder with Internal Heat Generation», J. Heat Transfer (1961) 83, 510.

[26] Redberger, R J. and Charles, M. E.: «Axial Laminar Flow in a Circular Pipe Containing a Fixed Eccentric Core», Cdn. J. Chem. Eng. (1962) 40, 148.

[27]Caetano, E. F., Shoham, O., and Brill, J. P.: «Upward Vertical Two-Phase Flow Through an Annulus, Part I: Single-Phase Friction Factor, Taylor Bubble-Rise Velocity and Flow-Pattern Prediction», J. Energy Res. Tech. (March 1992) 114, 1.

[28]Haciislamoglu, M. and Langlinais, J.: «Non-Newtonian Flow in Eccentric Annuli», J. Energy Res. Tech. (June 1990) 112, 163.

[29]Bourgoyne, A. T. Jr. et at.: «Applied Drilling Engineering», Textbook Series, SPE, Richardson, Texas (1991) 2.

[30]Sas-Jaworsky, A. II: «Coil Tubing Operations and Services — Part 4», World Oil (March 1992) 71.

[31]Matthews, C.S. and Russell, D.G.: «Pressure Buildup and Flow Tests in Wells», Monograph Series, SPE, Richardson, Texas (1967) 1.

[32]Ramey, H. J. Jr.: «Wellbore Heat Transmission», JPT (April 1962) 427; Trans., AIME, 225.

[33] Hasan, A.R. and Kabir, C.S.: «Heat Transfer During Two-Phase Flow in Wellbores: Part 1 — Formation Temperature», paper SPE 22866 presented at the 1991 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, 6-9 October.

[34]Hasan, A.R. and Kabir, C.S.: «Aspects of Wellbore Heat Transfer During Two-Phase Flow», SPEPF (August 1994) 211.

[35]Sagar, R., Doty, D. R., and Schmidt, Z.: «Predicting Temperature Profiles in a Flowing Well», SPEPE (November 1991) 441.

[36]Alves, I. N., Alhanati, F. J. S., and Shoham, 0.: «А Unified Model for Predicting Flowing Temperature Distribution in Wellbores and Pipelines», SPEPE (November 1992) 363.

[37]Coulter, D. M. and Bardon, M. F.: «Revised Equation Improves Flowing Gas Temperature Prediction», Oil & Gas J. (26 February 1979) 107.

[38]Shiu, К. C. and Beggs. H. D.: «Predicting Temperatures in Flowing Wells», J. Energy Res. Tech. (March 1980) 102, 2.

[39]Dittus, F. W. and Boelter, L. M.K.: Pub. Eng., U. of California, Berkeley, California (1930) 2, 443.