Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3




НазваниеУчебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3
страница15/16
Дата публикации19.08.2013
Размер2.04 Mb.
ТипДокументы
zadocs.ru > Физика > Документы
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

3. Приближенное решение задачи нагревания двигателя

установки электроцентробежного насоса
С точки зрения надежности погружного двигателя наиболее важным является рассмотрение переходных периодов, в частности периода освоения скважины, когда теплообмен между ПЭД и окружающей средой значительно ухудшается вследствие перераспределения потоков в зоне установки. Появляются предпосылки для напряженной работы двигателя, увеличивается вероятность отказа установки из-за перегрева, особенно в наклонных скважинах. В связи с этим рассмотрим закономерности изменения температуры в зоне погружного электродвигателя. При этом исходим из того, что в наклонных скважинах прилегание двигателя к стенке обсадной колонны не происходит, так как применяются центраторы.

Примем обозначения: Rд - радиус погружного электродвигателя; κд - коэффициент температуропроводности цилиндра; α - коэффициент теплоотдачи; λд - коэффициент теплопроводности цилиндра.

Распределение температуры в теле погружного электродвигателя можно определить из решения уравнения теплопроводности в неограниченном цилиндре с непрерывно действующим источником:

(4.17)

при t > 0, Rд > r >0.

Краевые условия получаются из следующих физических соображений. В начальный период времени (t = 0) температура двигателя равна температуре окружающей жидкости Тc. Поэтому для момента включения ПЭД можно написать

(4.18)

Происходит конвективный теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой и в соответствии с законом Ньютона граничное условие третьего рода запишется в виде

(4.19)

Очевидными становятся также условия, вытекающие из соотношений

(4.20)

Уравнение (4.7) при условиях (4.18)—(4.20) имеет классическое решение, которое приведено, например, в монографии А. В. Лыкова. Применительно к процессам нагрева ПЭД бесконечный ряд, описывающий распределение температуры, может быть заменен первым членом, а в качестве искомой температуры можно принять среднюю. Последняя на основе известной зависимости с учетом того, что Тс - То = 0, записывается так:

(4.21)

где T - средняя температура в теле цилиндра; Вi = α Rд/ λд - критерий Био; Fo = κд · t /Rд2 - число Фурье; В, μ - параметры, зависящие от критерия Био (табл. 4.4).

Формула (4.21) справедлива при Bi = const, поэтому при практических расчетах реальная функция изменения величины Вi(t) должна представляться ее ступенчатой модификацией. В частности, зона ламинарного обтекания ПЭД пластовой жидкостью (или рабочим агентом) в некоторых случаях может быть представлена одной ступенью, так как коэффициент теплоотдачи

Таблица 4.4

Численные значения параметров В и μ.

Bi

B

Μ

Bi

B

μ

0,00

-

0,0000

2,0

0,9535

1,5994

-0.19954,00,89841.90810,04-0,28145,00,87211,98980,06-0,34386,00,85322,04900,080,99990,39607,00,83752,09370,100,99980,44178,00,82422,12860,150,99950,53769,00,81332,15660,200,99920,617010,00,80412.17950,300,99830,746515,0-2,25090,400,99700,85160,01

-

0,1412

3,0

0,9225

1,7887

20,0-2,28800,500,99500,940830,00,73592,32610,600,99361,018440,0-2,34550,700,99161,087350,00,71702,36720,800,98931,149060,0-2,36510,900,02

0,9868

1,2048

80,0

-

2,3750

1,00

0,9843

1,2558

100,0

-

2,3809

1,50

0,9694

1,4569



0,6917

2,4048


при Re ≤ 2000 имеет невысокий темп изменения в зависимости от числа Re, а следовательно и от расхода жидкости. Переходный и турбулентный режимы обтекания требуют большей детализации, так как они характеризуются высоким темпом изменения коэффициента теплоотдачи.

Температурный режим погружного электродвигателя для первого участка (режим обтекания ламинарный) рассчитывается по формуле (4.21) при Вi =Вiлам. Последующие участки (режим обтекания турбулентный) рассчитывают на основе общего соотношения

(4.22)

где Bij—критерий Био для j - го интервала времени; Тоj - температура цилиндра в начале j - го интервала времени; Bj, μj - параметры, соответствующие Bij (их численные значения представлены в табл. 4.4).

М
ногочисленные расчеты для скважин Ромашкинского месторождения показали, что характер изменения температуры погружного двигателя от времени в период освоения зависит от многих факторов. При этом в большинстве случаев вид этой зависимости идентичен графику, представленному на рис. 4.2, т. е. имеется ясно выраженный максимум.

В начальные промежутки времени наблюдается резкое повышение температуры ПЭД, с течением времени темп изменения функции T(t) падает, а начиная с некоторого момента, погружной электродвигатель. остывает и его температура стремится к некоторой постоянной величине


(4.23)

где Вiном - критерий Био, соответствующий условиям работы. скважины на стационарном режиме.

Особый интерес с точки зрения температурного режима ПЭД представляют начальные участки зависимости T(t), а также максимальные температуры, наблюдаемые в период освоения.
^ 4. Влияние свойств охлаждающей жидкости

на нагревание погружного двигателя
Выведенные выше соотношения (4.17)—(4.23) позволяют оценить изменение температуры ПЭД в зависимости от условий его эксплуатации. Условия эти многообразны. В частность в широком диапазоне меняются свойства добываемой и, следо вательно, обтекающей ПЭД жидкости. Меняются также свойства технологической жидкости, используемой для задавки.

Учитывая, что резкое возрастание температуры происходит при ламинарном обтекании ПЭД, т. е. в начальный период,. проанализируем этот процесс по (4.21). При малых значениях. критерия Био с достаточной для практических расчетов точностью можно принять В =1 и μ2 = 2Bi, а уравнение (4.21) переписать в виде

(4.24)

Данная упрощенная формула позволяет провести в явном виде анализ роли свойств охлаждающей жидкости на нагрев ПЭД. Эти свойства в приведенных здесь формулах действуют через критерий Био. Приняв в качестве отправной формулу для числа Нуссельта при вынужденном ламинарном движении жидкости в трубе, критерий Био можно записать в виде

(4,25)

где Gд - весовой расход омывающей ПЭД жидкости, г/с; Дд, Д - диаметры двигателя и колонны соответственно, см; λд, λ - коэффициенты теплопроводности цилиндра и жидкости соответственно, кал/(г·см· ºС); С - теплоемкость жидкости, кал/(г·ºС); η - вязкость жидкости, г/(см·с). На рис. 4.3 представлена зависимость температуры ПЭД-40 от времени при ламинарном обтекании его пластовой водой Ромашкинского месторождения в скважине с обсадной колонной диаметром 146 мм.

Использование Другой жидкости для охлаждения приведет к изменению степени нагрева погружного двигателя. Для заданного времени степень этого изменения (Т - Тс)/(Тв— Тс) будет однозначно определяться отношением Bi/Biв

(427)

Из графика этой зависимости (рис. 4.4) видно, что чем меньше Bi/Biв, тем больше нагревается погружной двигатель.

Например, при охлаждении ПЭД безводной пластовой нефтью Ромашкинского месторождения (Вi/Вiв = 0,3) степень перегрева по сравнению с пластовой водой при 2BiвFо = 2, что соответствует 0,5 - 0,6 ч, составляет 1,7. Это имеет принципиальное значение, в особенности при малом темпе притока и» пласта. Если кризис ламинарного течения наступает при t = 0,5 - 0,6 ч, обтекание двигателя нефтью приводит к недопустимому его перегреву (121 °С против 71 °С при охлаждении водой).

Таким образом, в самый начальный период освоения насосных скважин наиболее оптимальной для охлаждения ПЭД является технологическая жидкость, которая обеспечивает максимальные значения критерия Био. Такие условия, согласно формулы (4.25), обеспечиваются жидкостями с высокими значениями теплоемкости и теплопроводности. Влияние вязкости непосредственно на критерий Био при ламинарном режиме обтекания незначительно. В то же время от вязкости в определяющей степени зависит продолжительность начального интервала времени, при котором сохраняется ламинарный режим потока в кольцевом пространстве между погружным двигателем и обсадной колонной. Чем больше вязкость, тем при более высоких значениях расхода жидкости происходит кризис ламинарного режима течения, тем более продолжителен начальный промежуток времени, характеризующийся высоким темпом роста температуры ПЭД. Таким образом, можно сказать, что маловязкая технологическая жидкость будет обеспечивать при прочих равных условиях более благоприятный температурный режим погружного двигателя в период его освоения.

Качественно характер влияния теплофизических свойств жидкости на температуру ПЭД сохраняется и при выходе скважины на стационарный режим G = Gном. Критерий Био в этом случае вычисляется по формуле

(4.27)

а средняя температура ПЭД по формуле (4.23).

Из этих соотношений следует, что в безводных скважинах температура погружного двигателя выше, чем в сильно обводненных, так как продукция последних имеет более низкую вязкость и более высокое значение теплоемкости и теплопроводности. Например, для условий Ромашкинского месторождения критерий Био безводной скважины в 5 - 6 раз меньше, чем в полностью обводненной. Величина же нагрева двигателя (Т - Тс) в безводной скважине в 2,5 - 3 раза выше, хотя абсолютные значения температуры двигателя Т при стационарном режиме работы скважины незначительны и всегда находятся в пределах допустимого.
^ 5. влияние размеров и мощности погружного

электродвигателя на его нагревание
Определяющим размером ПЭД является внешний диаметр Дд, а показателем, характеризующим его мощность, служит мощность теплового источника qд. Влияние этих параметров может быть условно оценено по величине tдоп, которая показывает время, в течение которого температура достигает допустимого значения Тдоп при условии сохранения ламинарного режима обтекания ПЭД. Формула для допустимого времени может быть получена из уравнения (4.24), если температуру в этом уравнении принять равной Тдоп:

(4.28)

Однако такая оценка будет неполной, поскольку существенное значение, видимо, имеет и диаметр скважины Д, в которой действует тепловой источник мощностью qд и диаметром Дд. Влияние диаметра скважин сказывается на величине критерия Био и критического дебита Gдоп. Последний характеризует кризис ламинарного режима и начало резкого возрастания Bi. На рис. 4.5 представлены результаты расчетов Gдоп и tдоп по скважинами с УЭЦН и диаметрами обсадных колонн 146 и 168 мм. Погружные установки оснащены двигателями различной мощности, но одинакового диаметра Дд=103 мм. Технологическая жидкость - пластовая вода Ромашкинского месторождения. Результаты расчета для разных значений Дд приведены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Результаты расчетов Gдоп и qдоп для различных значений диаметра ПЭД

Тип двигателя

Диа-метр двига-теля, мм

Допустимые дебит и время при диаметрах обсадной колонны 146 и 168 мм* •

Мощность теплового истчника qд, тыс. ккал/ (м3.ч)

Gдоп, т/сут

Tдоп, ч

Gдоп / tдоп

ПЭД 20-103МЗ

103

4,6 / 7,0

0,322 / 0,243

14,3 / 29,8

104

ПЭД 28-103M3

103

4,6 / 7,0

0,192 / 0,170

25,0 / 41,2

142

ПЭД 40-103МЗ

103

4,6 / 7,0

0,130 / 0,121

36,4 / 57,9

189

ПЭД С55-103

103

4,6 / 7,7

0,175 /0,155

26,3 / 45,1

152

ПЭД 45-117

117

3,1 / 5,5

0,655 / 0,230

4,72 / 24,0

123

ПЭД 55-123МЗ

123

- / 4,8

- / 0,200

- / 24,0

123

ПЭД 100-123МЗ

123

- / 4,8

- / 0,110

- / 44,0

-


* В числителе для колонны 146 мм, в знаменателе - для 168 мм.

Для анализа температурных процессов в зависимости от параметров системы насосная установка-скважина может служить отношение Gдоп/tдоп, т. е. минимально допустимая интенсивность освоения скважины. Это отношение приблизительно характеризует тот минимальный темп изменения притока в начальный период освоения, ниже которого наступает недопустимый перегрев ПЭД. С увеличением Gдоп/tдоп вероятность перегрева возрастает и, наоборот, если величина Сдоп/^доп в данной скважине незначительна, то даже при небольшой интенсивности освоения вероятность перегрева ПЭД будет мала.

А
нализ данных, представленных на рис. 4.5 и в табл. 4.5, показывает, что допустимая интенсивность освоения возрастает с ростом мощности теплового источника qд. При этом надо учесть, что большие значения qд не обязательно соответствуют большей мощности ПЭД, так как величина qд удельная (на единицу объема). Например, для двигателей диаметром 103мм максимальной мощностью теплового источника обладает ПЭД 40-103МЗ, а не ПЭД С55-103МЗ. Таким образом, большая мощность двигателя не предопределяет, напряженных условий его работы. Двигатель малой мощности в период освоения может оказаться в напряженных термодинамических условиях.

Что касается размеров (диаметра) двигателя и скважины, то здесь важным являются не только их абсолютные значения, но и их разность. Если двигатель диаметром 103 мм, предназначенный по техническим условиям для скважины диаметром 146 мм, поместить в скважину диаметром 168 мм, то вероятность перегрева в период освоения резко возрастает. Величина отношения Gдоп/tдоп для указанного класса двигателей при этом увеличивается в 1,5-2 раза..

Для погружного двигателя диаметром 117 мм отношение Gдоп/tдоп в скважине диаметром 168 мм в 2,5-5 раз выше, чем в скважине диаметром 146 мм. На рис. 4.6 приведены результаты гипотетических расчетов параметра Gдоп/tдоп в непосредственной зависимости от Д и Дд при qд = const.

Практический интерес представляет влияние физических свойств источника теплоты на параметр Gдоп/tдоп. На основе формул (4.25) и (4.28), расшифровки критерия Био и коэффициента температуропроводности с использованием соотношения



выводится соответствующее уравнение:

(4.29)

Из формулы (4.29) видно, что с ростом теплоемкости и плотности теплового источника величины Gдоп/tдоп падает; влияние теплопроводности не отмечается.

Представленные здесь расчетные формулы не отражают влияния положения ПЭД в скважине. Аналогичные уравнения, учитывающие неосесимметричность теплового источника, весьма громоздки и здесь не приводятся. Достаточно отметить, что в предельном случае касания ПЭД к обсадной колонне величина Gдоп/tдоп, подсчитанная по формуле (4.29), должна быть увеличена на 10-15%, а значение tдоп, определенное по формуле (4.28), - соответственно уменьшено на ту же величину.

Использование отношения Gдоп/tдоп в качестве минимизируемого показателя может оказаться целесообразным и при анализе влияния свойств охлаждающей жидкости на вероятность перегрева погружного двигателя. Не останавливаясь на этом подробно, отметим, что использование технологической жидкости типа пластовой нефти вместо пластовой воды Ромашкин-ского месторождения приводит к росту параметра Gдоп/tдоп с 35 - 40 до 140 - 150 т/(сут-ч) (ПЭД 40-103МЗ, Дд = 146 мм). Следовательно, во втором случае (пластовая нефть) приток из пласта в период освоения должен осуществляться в 3,5 - 4 раза интенсивнее.
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

Похожие:

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс информация о дисциплине
Транспортное право: учебно-методический комплекс (информация о дисциплине, рабочие учебные материалы, информационные ресурсы дисциплины,...

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс Блок контроля освоения дисциплины
Информатика: учебно-методический комплекс (блок контроля освоения дисциплины: методические указания к выполнению курсовой работы;...

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс «История экономических учений и управленческой мысли»
Учебно-методический комплекс утвержден на заседании кафедры экономики и финансов. Протокол № от

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс удк 342 ббк
Учебно-методический комплекс предназначен для студентов государственно-правовой специализации

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс по курсу «прогнозирование и планирование экономики»
Учебно-методический комплекс подготовили: доцент, к э н. Трушин Ю. М., ассистент Гаркавая В. Г

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс институты
Техника транспорта, обслуживание и ремонт: учебно-методический комплекс / сост. Л. Л. Зотов, С. Е. Иванов. Спб.: Изд-во сзту, 2009....

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс по дисциплине «цены и ценообразование»
Учебно-методический комплекс обсужден и утвержден на заседании кафедры налогов и таможенного дела (протокол №3 от 18 октября 2010...

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс по дисциплине «Экономическая теория»
Учебно-методический комплекс предназначен для самостоятельной работы студентов экономического факультета дневной формы обучения

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины психология делового общения 100200. 62 «Туризм»
Учебно-методический комплекс одобрен методической комиссией факультета социального управления

Учебно-методический модуль №4 «эксплуатация скважин» учебно-методический блок №3 iconУчебно-методический комплекс дисциплины «Международное право»
Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов