Введение к работе
Актуальность. При добыче нефти в скважину опускается насосно-компрессорная труба (НКТ). При высоком процентном содержании парафинов в нефти и температуре 17±3С, 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 Delphi и Micro Сар. Температурные поля построены с помощью программы Surfer.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на физическом макете скважины, заполненной нефтью, с использованием электроизмерительных 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 экспери-
ментальными результатами, воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием при экспериментальных исследованиях аттестованных средств измерений, оценками погрешностей исследований. На защиту 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 преобразователей;
методика определения и значения локальных коэффициентов конвективной теплоотдачи на поверхности конвективно-теплового преобразователя 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 осадка;
впервые предложен, обоснован и исследован новый тип первичных преобразователей толщины осадка парафина на поверхности трубопровода скважины, принцип действия которых основан на конвективно-тепловом преобразовании;
предложен 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 теплопроводно-
сти 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 эффективности;
определены значения коэффициентов теплоотдачи на поверхности трубопровода с нефтью при естественной конвекции, возникающей в процессе работы конвективно-тепловых преобразователей цилиндрической конструкции;
разработаны конструкции конвективно-тепловых преобразователей - свидетелей и встраиваемых в трубопровод, отвечающие требованиям применения при измерении толщины осадка парафина в скважине;
определен состав и разработана структурная схема подсистемы измерения толщины осадка парафина в нефтяной скважине, подключаемой 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 трудов; получены 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 и заключения, представленных на 129 страницах машинописного текста. В работу включены 73 рисунка, 14 таблиц, список литературы состоит из 85 наименований.
