Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пиротехнические составы и средства для интенсификации нефтедобычи. Монография
.pdf
Таблица 8.8
Распределение прироста температуры
Время, с
0 130,0 45,0 30,0 23,9 17,5
0,5 69,0 27,4 20,5 13,0 5,0
5,0 39,0 25,5 15,2 8,5 6,1
15,0 24,8 18,5 14,7 9,4 7,1
21,6 20,5 15,9 14,0 9,7 7,6
23,0 19,7 15,2 13,1 9,7 7,6
31,1 17,0 13,7 12,2 10,1 7,8
35,0 15,5 12,8 11,8 10,1 8,0
45,0 13,3 11,9 11,0 10,1 8,0
60,0 11,3 10,5 10,2 9,8 8,3
70,0 10,5 9,9 9,8 9,6 8,4
80 10,0 9,6 9,5 9,5 8,4
90 9,5 9,2 9,2 9,2 8,4
105 9,0 9,0 9,0 9,0 8,4
120 8,5 8,5 8,5 8,5 8,2
135 7,4 7,4 7,4 7,4 7,4
150 7,2 7,2 7,2 7,2 7,2
165 6,7 6,7 6,7 6,7 6,7
180 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4
195 5,7 5,7 5,7 5,7 5,7
210 5,1 5,1 5,1 5,1 5,1
230 4,4 4,4 4,4 4,4 4,4
240 4,1 4,1 4,1 4,1 4,1
255 3,7 3,7 3,7 3,7 3,7
270 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3
290 2,8 2,8 2,8 2,8 2,8
310 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6
320 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2
330 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0
340 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7
350 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
360 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3
12,0 20,0 40,0 60,0 90,0
Радиус фильтрации, мм
131
Окончание таблицы 8.8
Время, с
370 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
380 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
390 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
400 0 0 0 0 0
12,0 20,0 40,0 60,0 90,0
Радиус фильтрации, мм
Результаты показывают, что в начальный период времени наиболее
высокие значения температур имеют зоны, расположенные в наиболее
близком расстоянии от источника тепловой энергии. С увеличением
расстояния температуры снижаются. Так прирост температуры у
обсадной колонны достигает 1300°С, а на расстоянии 90 мм – 17,50С.
С течением времени происходит охлаждение близлежащих зон за счет
передачи тепла зонам с более низкой температурой. Через некоторое
время температура во всех сечениях выравнивается с температурой
окружающей среды. Воздействие тепловой энергии на обсадную
колонну и породу согласно расчету может длиться в течение семи
часов. Из вышесказанного можно сделать вывод, что тепловой
энергии, выделяемой при сгорании образца, достаточно для
расплавления асфальтено-смолистых соединений и на некотором
удалении от источника энергии.
В реальных условиях в скважине содержится большое количество
пластовой воды. Были проведены эксперименты с участием воды.
Вода подавалась в зону горения в момент воспламенения состава.
Проводилось несколько параллельных опытов. Определяли скорости
горения составов, распределение температур. Результаты испытаний
представлены в табл. 8.9.
Таблица 8.9
Распределение прироста температур на расстоянии
Время, с
1 2 3 4 5 6
0 74,3 31,7 3,0 2,1 0,8
0,3 36,3 15,5 3,0 2,1 0,8
0 12,0 40,0 70,0 110
Радиус фильтрации, мм
132
Окончание таблицы 8.9
1 2 3 4 5 6
1,0 47,9 17,0 7,3 4,5 3,46
2,0 40,0 26,9 9,1 4,8 4,0
3,0 37,5 25,5 10,6 5,3 4,1
4,0 35,1 24,1 11,3 5,8 4,2
5,0 33,5 23,5 11,6 6,2 4,2
6,0 31,0 21,9 1,8 6,6 4,4
7,0 29,8 21,0 11,9 6,8 4,5
8,0 28,0 20,3 11,9 7,1 4,6
9,0 27,0 19,8 11,9 7,2 4,7
10,0 25,5 19,0 11,8 7,4 4,8
15,0 20,3 16,4 11,4 8,0 5,5
30,0 15,0 13,0 11,0 10,0 7,0
60,0 12,0 12,0 10,4 8,1 6,0
120,0 2,0 2,0 2,0 2,0 1,0
180,0 0 0 0 0 0
Результаты показывают, что прогрев происходит так же, как и при
сжигании без подачи воды в зону горения. Меньшее значение
температуры может быть объяснено тем, что в процессе горения
участвует большое количество воды, которое требует значительной
тепловой энергии на свой нагрев. Из проведенного эксперимента
можно сделать вывод, что порода прогревается достаточно хорошо,
даже при участии воды.
8.5 Влияние продуктов горения на физико-механические свойства
цементного кольца и материала трубы после ТГХВ
После окончания бурения нефтяной скважины ствол ее закрепляют
обсадными трубами, наружный диаметр которых несколько меньше
диаметра ствола скважины. Между трубами и стеной скважины
остается некоторое пространство, называемое заколонным
(затрубным). Чтобы прочно прикрепить обсадную трубу к стенкам
скважины и обеспечить ее устойчивость, осуществляется
цементирование заколонного пространства по всей глубине скважины.
После затвердения цементного раствора вокруг обсадной колонны
133
(трубы) образуется цементное кольцо. Обсадная колонна выполняет
следующие функции:
− сдерживает давление пласта и предотвращает растрескивание
верхней, менее прочной зоны;
− предохраняет скважину от обрушения;
− удерживает добываемые жидкости в стволе скважины;
− служит якорем наземному оборудованию;
− служит якорем газлифтному оборудованию;
− разделяет пласты и обеспечивает приток только из тех зон,
которые определены инженером-нефтяником.
Технология цементирования обсадной колонны является
дорогостоящей и очень важной операцией во время бурения и ремонта
скважины. Поэтому сохранение обсадной колонны и цементного
кольца после сжигания в ней пиротехнического состава является
важной задачей по сохранению эксплуатационных свойств нефтяной
скважины.
Влияние процесса горения на прочностные характеристики
цементного камня и материала трубы оценивались на модели
скважины, уменьшенной в 5,2 раза. Оценивали изменение прочности
цементного камня, твёрдости металлической трубы. Испытания
проводили при атмосферном давлении на воздухе и в условиях,
моделирующих скважинные. Расчётами, базирующимися на
промысловых испытаниях, установлено, что воздействие продуктов
горения на материал скважины происходит в пропорции 100 г состава
на 1 кг обсадной колонны.
Испытания цементного камня проводили при следующих условиях:
высота цементной трубы – 95 мм, внешний диаметр – 51 мм,
внутренний диаметр – 24 мм, давление испытаний атмосферное.
После испытаний определяли изменение прочности камня методом
сжатия. Масса образцов термогазогенераторов изменялась от 2 г до 20
г, что соответствует натурным условиям воздействия на ПЗС от 10 до
100 % массы используемого термогазогенератора с учётом
коэффициента пропорциональности 5,2. Использовался
термогазогенератор с содержанием магния 53,5%. Результаты
испытаний приведены на рис. 8.17.
Из рисунка видно, что при воздействии 100% массы образца
термогазогенератора прочность на сжатие цементного камня
понижается на 52%. Отсутствие значимых изменений прочности
134
Рис. 8.17. Зависимость прочности цементного
Изменение прочности
наблюдается при воздействии на камень 40% массы
термогазогенератора. Изменения прочности может быть связанно с
изменением структуры при тепловом воздействии, т.е. разрушаются
внутрикристаллические связи.
70
60
50
40
30
цементного камня, %
20
10
0
45 55 65 75 85 95 105
Масса сгораемого образца, %
кольца от массы сгораемого образца
Оценка влияния процесса горения на свойства металлической
трубы в условиях, близких к скважинным проводилась в различных
средах – на воздухе, в воде и песке. В качестве основного состава был
выбран термогазогенератор с содержанием магния 53,5%. Масса
состава составляла 20 г. Готовый образец вставлялся в металлическую
трубку. Воспламенение производили дистанционно.
После испытаний оценивали твердость испытуемой стальной
трубки.
Определение твердости стальной трубки производили при помощи
прибора ТЭМП-2 (твердомер электронный малогабаритный
переносной). Изначально была определена твердость стальной трубки,
не подверженная теплового воздействия. Затем определяли твердость
остальных трубок после испытания для дальнейшего их сравнения.
Для определения твердости использовали шкалы Роквелла (HRC),
Шора (HSD), Виккерса (HV), а также по пределу прочности R
.
m
135
крит.
∆Хфакт.
После определения твердости стальных трубок по всем шкалам
были произведены математические расчеты и сравнение свойств
стальных трубок. Результаты расчетов приведены в табл. 8.10.
Таблица 8.10
Результаты расчётов твёрдости
Объект сравнения ∆Х
1 2 3 4
HL – шкала:
Исходное/воздух
Исходное/вода
Исходное/песок
Вода/воздух
Вода/песок
Воздух/песок
НВ – шкала:
Исходное/воздух
Исходное/вода
Исходное/песок
Вода/воздух
Вода/песок
Воздух/песок
HRC – шкала:
Исходное/воздух
Исходное/вода
Исходное/песок
Вода/воздух
Вода/песок
Воздух/песок
Исходное/песок
Вода/воздух
Вода/песок
Воздух/песок
30,25
28,84
28,84
30,25
28,84
30,25
29,8
28,4
28,4
29,8
28,4
29,8
4,05
3,86
3,86
4,05
3,86
4,05
4,05
3,86
4,05
13,2
6,2
19,8
19,4
26
6,6
12,1
5,5
17,8
17,6
23,3
5,7
3,36
1,02
3,25
4,38
4,27
0,11
4,38
4,27
0,11
Примечание
Отличаются
незначительно
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
— / —
Отличаются
значительно
— / —
отличаются
незначительно
Отличаются
значительно
— / —
Отличаются
незначительно
136
Окончание таблицы 8.10
1 2 3 4
HV – шкала:
Исходное/воздух
Исходное/вода
Исходное/песок
Вода/воздух
Вода/песок
Воздух/песок
HSD – шкала:
Исходное/воздух
Исходное/вода
Исходное/песок
Вода/воздух
Вода/песок
Воздух/песок
Rm:
Исходное/воздух
Исходное/вода
Исходное/песок
Вода/воздух
Вода/песок
Воздух/песок
По данным табл. 8.10 видно, что в системах: исходное/воздух,
исходное/вода, воздух/песок значения твердости отличаются
незначительно; а в системах: исходное/песок, вода/песок,
вода/воздух имеются отличия по твердости.
6,08
5,76
5,76
6,08
5,76
6,08
17
17
16,3
18
17
17
2,11
2,02
2,11
2,11
2,11
2,23
3,7
1,8
5,53
5,5
7,33
1,83
11,05
11,15
16,65
22,2
27,8
5,6
1,44
0,82
2,92
2,26
3,74
1,48
Отличаются
незначительно
— / —
Отличаются
значительно
— / —
— / —
Отличаются
незначительно
Отличаются
незначительно
— / —
Отличаются
значительно
— / —
— / —
Отличаются
незначительно
Отличаются
незначительно
— / —
— / —
— / —
Отличаются
значительно
Отличаются
незначительно
137
В системе исходное/песок отличия составляют 5,5%, в системе
вода/песок – 11,1%, а в системе воздух/вода – 8,3%. Эти отличия не
существенны. Поэтому можно предположить, что свойства
металлической трубы в зависимости от среды практически не
изменяются, температура влияет не существенно.
По результатам исследований можно сделать следующие
заключения: небольшое увеличение твердости металлической
трубы в процессе горения происходит за счет закалки поверхности
трубы. Закалка сопровождается двумя процессами: быстрым
разогревом продуктами сгорания и резким охлаждением
металлической трубы после сгорания ТГГ, в результате чего
происходит закалка и увеличение твердости трубы. Однако
температурный коэффициент линейного расширения у цементного
кольца и металлической трубы разный, поэтому происходит
растрескивание цементного кольца. Тем не менее, в условиях
скважины такой процесс может не происходить, так как цементное
кольцо подпирается горной породой. В то же время при подобных
испытаниях такое явление может иметь место, так как за
цементным кольцом могут быть пустоты. Поэтому обработки ПЗП
с помощью ТГГ на основе металлизированных составов
целесообразно проводить открытых забоях, т.е. в забоях, где
отсутствует цементное кольцо. При обработке в обсадной колонне
скважины, для обеспечения целостности цементного кольца состав
ТГГ не должен выделять тепла более 1МДж/с.
8.6 Математическая модель оценки эффективности применения
ТГГ при ТГХВ на призабойную зону скважины
Математическое моделирование методов обработки позволяет
предсказывать результаты воздействия на пласт, оценивать
технологические параметры и эффективность воздействия. В
настоящее время в литературных источниках содержится
незначительная информация о математическом моделировании
методов обработки скважин. Разработаны и описаны математические
модели следующих методов обработки скважин.
Математическая модель внутрипластового горения, включает в
себя неизотермическую многокомпонентную фильтрацию с фазовыми
переходами и химическими реакциями. Многокомпонентный
138
d
массоперенос, теплоперенос и фазовое состояние представляются как
взаимосвязанные явления. Они описываются различными
математическими соотношениями и могут быть условно разбиты на
три взаимосвязанные группы.
Первый «гидродинамический» блок представляет собой
дифференциальные уравнения с начальными и граничными
условиями многофазной многокомпонентной фильтрации.
Номенклатура компонентов, используемых в качестве энергетической
основы в ТГГ, позволяет варьировать энергетические и
эксплуатационные характеристики в широких пределах.
Второй блок описывает фазовые равновесия многокомпонентной
системы и определяет насыщенность и давление в каждом элементе
пласта, а также составы газовой и жидкой фазы.
Третий «термодинамический» блок представляется одним
дифференциальным уравнением теплопереноса в пласте с учетом
ухода тепла в кровлю-подошву пласта по схеме Ловерье и
генерирование тепла за счет экзотермической окислительной реакции.
Математическая модель воздействия на пласт продуктами горения,
с выводом систем уравнений, описывающих физические процессы,
происходящие при термогазохимической обработке скважин,
позволяет узнавать динамику изменения полей температуры, давления
и т.д. позволяет оценивать мощность теплового, механического и
химического воздействия, тепловую и механическую нагрузку на
обсадную колонну и цементное кольцо.
Вычислительная схема математической модели основана на
следующих основных законах:
1. Зависимость скорости горения от давления при горении в
жидкой среде. Основное воздействие на призабойную зону скважины
(ПЗС) будут оказывать продукты сгорания термогазогенератора.
Функция прихода продуктов сгорания за единицу времени будет
пропорциональна скорости горения термогазогенератора в условиях
нарастающего давления, т.е.
dM
τ
где
Зависимость скорости горения от давления описывается линейной
или степенной моделью и имеет следующий вид:
– скорость горения при атмосферном давлении.
ãîðU0
ãîð
×≈
),(0PfU
(8.1)
139
+
=
K
µ
Линейная модель
GAPU
,
Степенная модель
G
APU =
,
где A, G – константы законов скорости горения (определяются
экспериментально).
2. Фильтрация продуктов сгорания в породу оценивалась с по
закону фильтрации жидкости в пористой среде с использованием
уравнения Дарси. Закон Дарси без учета сил энергии, отражающий
скорость фильтрации в зависимости от перепада давления
динамической вязкости, проницаемости и пористости породы имеет
следующий вид:
UP
где
U
– скорость фильтрации, µ – динамическая вязкость жидкости,
f
m – пористость породы, К – проницаемость.
давлений:
3. Уравнение состояния газа в условиях высоких температур и
РV = МВТ,
m
×=∆
f
,
где М – масса продуктов сгорания в скважине; В = R/Мо, где R –
универсальная газовая постоянная, Мо – средняя молекулярная масса
продуктов сгорания; Т – температура; Р – давление.
4. Уравнение нестационарного теплообмена точечного источника.
Дифференциальное уравнение теплопроводности:
2
∂
∂
2
∂
+
2
∂
2
∂
+
2
2
zyx
∂
∂×
1
=
υυυυ
t
∂×
χ
(8.2)
(8.3)
(8.4)
(8.5)
(8.6)
Уравнение для температуры:
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]