Online Electric

     В стране в течение четырех десятилетий происходит падение средней проектной нефтеотдачи, вследствие чего потери потенциальных извлекаемых запасов нефти уже составили примерно 14 млрд.т, что почти соответствует добыче нефти за всю историю нефтяной промышленности России. Падение проектной нефтеотдачи объясняется ухудшением структуры запасов, увеличением доли трудноизвлекаемых запасов и отсутствием целеустремленной государственной политики создания условия противопоставления падению объемов нефтедобычи путем применения прогрессивных методов увеличения нефтеотдачи.
     Согласно прогнозам ученых, через 10-15 лет придется иметь дело в основном с трудноизлекаемыми запасами [2].
      «Энергетическая стратегия развития России до 2020 года» [6] утверждает необходимым повышение коэффициентов нефтеотдачи в целях более полного извлечения углеводородов и увеличения уровней текущей добычи разрабатываемых месторождений.

Рис.1 – Конструкция СЭН

Основными направлениями научно-технического прогресса в добыче нефти является создание и освоение технологий и оборудования, обеспечивающих высокоэффективную разработку трудноизвлекаемых запасов нефти и, в первую очередь, для условий низкопроницаемых коллекторов, остаточных запасов нефти обводненных зон, высоковязких нефтей, запасов нефти в подгазовых зонах; совершенствование существующих и создание новых методов воздействия на пласты и увеличения нефтеотдачи.      В Санкт-Петербургском государственном горном университете на кафедре электротехники совместно с кафедрой бурения был разработан скважинный электродный нагреватель (СЭН) теплоты, на основе которого спроектирован электротермический комплекс для добычи высоковязкой нефти [3].      Конструкция электронагревательного устройства тепловой обработки призабойной зоны скважин, размещённого в зоне продуктивного пласта внутри эксплуатационной колонны 1, включает в себя скважинный электродный нагреватель, который закреплен на конце колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) 8 (Рис. 1). Он состоит из герметичного металлического корпуса 3, выполненного в форме цилиндра. Центральный токопровод 2 закреплён в верхней части корпуса через проходной изолятор. Внутри корпуса на токопровод 2 нанизаны собранные в чередующиеся пары диски-электроды. С токопроводом 2 соединены размещённые через интервалы с термостойкими изоляторами 4 фазные электроды 7. Между дисками-электродами 7 размещены также металлические перфорированные, выполненные с большим центральным отверстием, диски-электроды 6, которые соединены с корпусом 3 устройства. Междисковое расстояние определяется мощностью устройства, питающим напряжением, поверхностной плотностью тока и удельным сопротивлением токопроводящей жидкости. Верхняя часть корпуса, свободная от дисков-электродов, образует паровую зону 9 электронагревателя. В верхней части корпуса СЭН находится водоподающий узел 12.

     Электронагревательное устройство тепловой обработки призабойной зоны скважин работает следующим образом. По силовому кабелю на фазные диски-электроды 7 устройства, заполненного токопроводящей жидкостью 10, подают напряжение, после чего от дисков-электродов 7 через жидкость к дискам-электродам 6 потечёт ток, вызывая нагрев, кипение и образование пара, что в свою очередь приведёт к теплообмену между стенкой корпуса и внутрискважинной жидкостью 11, производя в дальнейшем тепловую обработку призабойной зоны. При работе происходит рост давления внутри корпуса нагревателя, жидкость 10 превращается в пар и происходит снижение её уровня с освобождением фазных дисков-электродов, уменьшением тока устройства, что косвенно определяет соотношение объёмов вода-пар и позволяет судить о параметрах термодинамического процесса. При остывании и конденсации пара уровень жидкости в корпусе восстанавливается, сопротивление скважинного электронагревателя принимает первоначальное значение.
     При проектировании СЭН необходимо знать, какое количество пара производит объект в единицу времени. Это определяется исходя из уравнения теплового баланса:
(1)
где, G – расход пара [кг/с], Q – тепловой поток [Вт] , с – удельная теплоемкость воды [Дж/(кг·К)], ΔT– изменение температуры воды [К], r – теплота парообразования [Дж/кг].
     Основной задачей является нахождение теплового потока Q, который непосредственно рассчитывается по формуле:
(2)
где k – коэффициент теплопередачи [Вт/м² ·К], F – площадь поверхности [м²] α₁ - коэффициент теплоотдачи нагревателя [Вт/(м²middot;К)], α₂ - коэффициент теплоотдачи кольцевого канала [Вт/(м²·К)], δ_ст/λ_ст – коэффициент теплоотдачи стенки, δ_ст - толщина стенки [м], λ_ст- коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м·К]
     Необходимо заметить, что процессом, происходящим внутри нагревателя, является пузырьковое кипение. В данном случае алгоритм нахождения коэффициента α₁ будет следующим:
     1. Рассчитывается тепловой поток на единицу площади в зависимости от мощности нагревателя
, (3)
где h-толщина стенки, D₂-наружный диаметр СЭН;
     2. Находится число Рейнольдса [1]
Re=A·q (4) где A - коэффициент критериального уравнения;
     3. Далее, в зависимости от полученного значения числа Рейнольдса, находится критерий Нуссельта. Если Re>=0.01 то критерий Нуссельта вычисляется по формуле [4]
Nu=0.125·Re^0.65Pr^1/3 (5)
если Re<0.01, то
Nu=0.0625·Re^0.5Pr^1/3; (6)
     4. Находится
. (7)
     Коэффициент теплоотдачи кольцевого канала α₂ напрямую зависит от отношения диаметров внутренней и внешней стенок.
     Критерий Нуссельта для кольцевого канала находится по формуле [5]
.
     Зная значение Nu, определяем коэффициент теплоотдачи α₂;
. (8)
     Для реализации представленного алгоритма расчета была разработана программа на языке С++, целью которой является расчет конечного объема производимого пара при заданных технических параметрах нагревателя и параметрах среды.
     Для расчета были приняты значения, представленные в таблице 1.:
Таблица 1 – Параметры СЭН

Параметр СЭН	Значение
Внутренний диаметр D1, м	0,127
Внешний диаметр D2, м	0,146
Высота h, м	5
Мощность Q, Вт	1000000
Параметры нагрева:
Температура нагрева, °С	340
Давление нагнетания, МПа	12

     Результаты расчета представлены на рис.2. Видно, что при изменении мощности, расход меняется по линейному закону.


Рис.2. Зависимость мощности от расхода нагревателя

     Созданная программа позволяет автоматизировать процесс расчета расхода пара от мощности, выбор мощности электропарогенератора. С помощью данной программы можно выбрать оптимальные размеры устройства и мощность при данном давлении.

Библиографический список
     1. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена. М. Энергоатомиздат, 1986, 144 с.
     2. Концепция государственного управления рациональным использованием запасов нефти/ ОАО «Зарубежнефть», ОАО «ВНИИнефть», ОАО «Сибур». – М.: ОАО «ВНИИнефть», 2005. – 121 с. илл.
     3. Загривный Э.А. Устройство тепловой обработки призабойной зоны пласта/ Э.А. Загривный, В.И. Маларев, Е.Е. Мельникова. – Патент РФ № 2368760, МПК Е21В36. Опубл. 27.09.2009.Бюл.№27. Приоритет 09.06.2008.
     4. Исаченко В.П. Теплопередача. Учебник для вузов, Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия»,1975.
     5. С.С. Кутателадзе – «Основы теории теплообмена. Издание пятое», М АТОМИЗДАТ 1979
Электронные источники:
     6. http://energystrategy.ru/projects/es-2020.htm