Разработка конвективно-тепловых преобразователей для систем контроля толщины осадка парафина в нефтяных скважинах

Актуальность. При добыче нефти в скважину опускается насосно-компрессорная труба (НКТ). При высоком процентном содержании парафинов в нефти и температуре 17±-3°С, что соответствует глубинам примерно 150.200 м, на поверхности трубопровода и обсадной трубы скважины осаждается парафин. Это снижает пропускную способность скважины, увеличивает нагрузку на нефтяные насосы и ускоряет износ оборудования. Смыкание слоев парафина на наружной поверхности НКТ и внутренней поверхности обсадной трубы в большинстве случаев приводит к выходу скважины из строя. Потери при однократном ремонте (очистке от парафина или восстановлении после полного запарфинивания) одной скважины исчисляются сотнями тысяч рублей и складываются из затрат на проведение ремонта и упущенной от простоя скважины выгоды.

Определение толщины осадка парафина в скважине в настоящее время производится методом динамометрии по изменению нагрузки на штангу насоса или путем измерения дебита скважины. Оба метода дают интегральную оценку и не позволяют выявить локальные изменения толщины осадка.

Совершенствование и внедрение методов слежения за отложением парафинов, в частности, путем установки датчиков толщины парафина в местах их наиболее вероятного осаждения позволяет своевременно принимать меры по очистке скважин, что снижает риск выхода их из строя и способствует повышению эффективности нефтедобычи.

Таким образом, разработка и внедрение систем контроля толщины осадка парафина в нефтепроводах и первичных преобразователей для них является актуальной научно-технической проблемой, которая решается в данной диссертационной работе.

Объект исследования — первичные преобразователи толщины осадка парафина в нефтяных скважинах для информационно-измерительных (ИИС) и управляющих систем, обслуживающих нефтепроводы.

Предмет исследования — принципы построения, модели и физические процессы в первичных преобразователях толщины осадка парафина и принципы построения ИИС контроля толщины парафина в нефтепроводах.

Целью работы является разработка и научное обоснование конвективно-тепловых преобразователей толщины осадка парафина в нефтепроводах скважин, внедрение которых будет способствовать повышению достоверности и оперативности получения информации о состоянии трубопроводов, более оптимальному планированию графиков их ремонтов и, в конечном итоге, повышению эффективности использования нефтедобывающего оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

— провести обзор и анализ существующих методов и средств измерения толщины покрытий и осадков, выбрать и обосновать способ измерения толщины осадка парафина в скважине;

— создать модель первичного преобразователя толщины осадка парафина в скважине и провести исследования влияния его параметров на характеристику преобразования;

— провести экспериментальные исследования метрологических характеристик первичных преобразователей различных конструктивных исполнений;

— разработать принципы построения информационно-измерительной системы контроля толщины осадка парафина в скважине.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований конвективно-тепловых преобразователей использованы методы теории теплопроводности, метод конечных разностей численного решения тепловых задач и метод моделирования тепловых процессов на основе электротепловой аналогии. Численные и электрические модели преобразователей реализованы в средах Borland Delphiи Micro Сар, Температурные поля построены с помощью программы Surfer.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на физическом макете скважины, заполненной нефтью, с использованием измерительных приборов, результаты обрабатывались с применением методов теории погрешностей.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждены корректным использованием методов теории теплообмена, численного метода конечных разностей решения тепловых задач, метода электротеплового моделирования, сравнением результатов численного расчета и электротеплового моделирования с результатами аналитического расчета и экспериментальными результатами, воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием при экспериментальных исследованиях аттестованных средств измерений, оценками погрешностей исследований.

На защигу выносятся:. конвективно-тепловой преобразователь для измерения толщины осадка парафина на поверхности нефтепроводов и классификация его модификаций;

• программная реализация численной модели конвективно-теплового преобразователя;

• электротепловые модели конвективно-тепловых преобразователейметодика определения и значения локальных коэффициентов конвективной теплоотдачи на поверхности конвективно-теплового преобразователя4 цилиндрической формы с локализованным источником теплоты, погруженного в нефть;

• взаимосвязи между метрологическими характеристиками конвективно-тепловых преобразователей и их теплофизическими и конструктивными параметрами.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

• впервые предложено и обосновано для измерения толщины осадка на поверхности трубопровода применение метода конвективно-теплового" преобразования, заключающегося в возбуждении конвективного теплообмена между поверхностью и жидкой средой и измерении электрическими методами параметров теплообмена, зависимых от толщины осадкавпервые предложен, обоснован и исследован новый тип первичных преобразователей толщины осадка парафина на поверхности трубопровода скважины, принцип действия которых основан на конвективно-тепловом преобразованиипредложен и обоснован новый способ определения степени запарафинива-ния скважины, основанный на установке в зоны скважины с наибольшей вероятностью осаждения парафина первичных преобразователей толщины осадка, включенных в измерительную систему, являющуюся частью общей системы управления нефтедобычей.

Практическая ценность исследования: разработана на основе численного решения краевой задачи теплопроводности и апробирована компьютерная программа для моделирования конвективно-тепловых первичных преобразователей толщины осадка на поверхности трубопровода, которая может быть использована при разработке их конструкций и анализе эффективностиопределены значения коэффициентов теплоотдачи на поверхности трубопровода с нефтью при естественной конвекции, возникающей в процессе работы конвективно-тепловых преобразователей цилиндрической конструкцииразработаны конструкции конвективно-тепловых преобразователей — свидетелей и встраиваемых в трубопровод, отвечающие требованиям применения при измерении толщины осадка парафина в скважинеопределен состав и разработана структурная схема подсистемы измерения толщины осадка парафина в нефтяной скважине, подключаемая к общей системе управления скважинами на уровне контроллера автоматизированного объекта.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002), научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2004), международной научной конференции «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (Таганрог, 2005), международной научно-технической конференции «Информационные технологии в управлении и моделировании» (Белгород, 2005), 10-ой юбилейной международной отраслевой выставке нефтяников «Нефтьгазхим-2006. Повышение эффективности разведки и разработки нефтегазовых месторождений поволжского региона» (Саратов, 2006), второй международной научно-технической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С. Петербург, 2006), научно-технических конференциях ученых ИжГТУ (Ижевск, 2008, 2009, 2010).

Публикации. Результаты работы отражены в 13 публикациях, в том числе: 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК- 1 статья — в материалах международной выставки нефтяников «Нефтьгазхим-2006" — 4 статьи — в материалах международных научно-технических конференций- 3 статьи — в материалах отраслевых и региональных научно-технических конференций и конференций ученых ИжГТУ- 1 статья — в межвузовском сборнике научных трудовполучены патент на полезную модель конвективно-теплового преобразователя и свидетельство о регистрации компьютерной программы расчета конвективно-тепловых преобразователей.

Структура и объем* работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав заключения, представленных на 129 страницах машинописного текста. В работу включены 73 рисунка, 14 таблиц, список литературы состоит из'85 наименований.

':с' Выводы по главе 4.

1. Анализ существующих средств технологического обеспечения нефтедобычи показывает, что информационно-измерительную систему контроля толщины осадка парафина целесообразно выполнить как подсистему общей информационной системы управления скважиной.

2. Подсистема контроля толщины осадка парафина должна состоять из скважинного прибора, установленного в точке наиболее активного осаждения парафина, прибора на устье скважины как специализированного контроллера, управляющего процессом измерения толщины осадка парафина, и стандартного контролера автоматизированного объекта входящего в состав имеющихся средств управлениями скважинами.

3. Связь между скважинным прибором и наземной аппаратурой может быть обеспечена по имеющемуся кабелю для питания насоса или выделенному каналу с применением известных в геофизических измерениях технических решений.

4. В качестве контролера автоматизированного объекта могут быть использованы модули типа «Mera».

5. При реализации информационно-измерительной системы контроля толщины осадка парафина, как подсистемы общей информационной системы управления скважиной минимизируются затраты на ее разработку, а введение ее в действие не требует доработки специализированного программного обеспечения и может осуществляться без прерывания процесса управления скважинами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе путем теоретических и экспериментальных исследований выполнено научное обоснование разработки конвективно-тепловых преобразователей для информационно-измерительных систем контроля толщины осадка парафина в нефтяных скважинах, внедрение которых обеспечит повышение достоверности и оперативности получения информации о степени запарафинивания скважины и снижение затрат на ее очистку за счет оптимизации графиков ремонтов.

1. Проведен анализ методов и средств измерения толщины покрытий и осадков на поверхностях, предложен и обоснован метод конвективно-теплового преобразования для измерения толщины осадка парафина в скважине, основанный на определении границы между слоем парафина и жидкой средой по пограничному слою, возникающему в результате конвективного теплообмена.

2. На базе теории теплообмена разработан программный пакет моделирования тепловых процессов в конвективно-тепловых преобразователях, использованный при исследовании основных закономерностей их функционирования. Пакет может применяться при детальной разработке конструкции конвективно-теплового преобразователя конкретного применения.

3.Предложена классификация конвективно-тепловых преобразователей толщины парафина по конструктивному исполнению, схеме измерений, виду измерительного сигнала, причинам возникновения конвекции и длительности возбуждающего конвекцию теплового импульса. Разработаны тепловые модели преобразователей, исследованы преобразователи нескольких исполнений, оп-ределены'их достоинства, недостатки и варианты применения.

Путем моделирования установлены и подтверждены экспериментально взаимосвязи метрологических характеристик конвективно-тепловых преобразователей и их теплофизических и конструктивных параметров.

Путем численного моделирования тепловых процессов в недифференциальных динамических конвективно-тепловых преобразователях установлено, что для повышения чувствительности и расширения диапазона измерения необходимо уменьшать расстояние между нагревателем и термометром. Это позволяет также уменьшить мощность теплового воздействия, которая определяет потребляемую преобразователем мощность. Для изготовления КТП металлические конструктивные элементы могут изготавливаться из стали, что позволяет обеспечивать необходимую прочность и надежность конструкции, а также устойчивость КТП к агрессивным воздействиям внутри скважины. При встраивании КТП в насосно-компрессорную трубу необходимо теплоизолировать нагреватель и датчик температуры от трубы, что обеспечивает расширение диапазона измеряемых толщин парафина.

4. На основе анализа существующих средств обслуживания нефтедобычи определено место информационно-измерительной системы контроля толщины парафина, как подсистемы в общей информационной системе управления скважинами. Разработаны принципы построения подсистемы контроля толщины парафина. Показано, что применение КТП требует использования канала измерения температуры с разрешающей способностью 0,004 К. Канал может быть реализован на основе металлических термопреобразователей сопротивления и современных электронных компонентах.

5. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «ТНГ-Ижгеофизсервис» и в ИжГТУ.