Теоретические основы и порядок расчета
Горячего теплоносителя при обработке
Призабойной зоны пласта
Г. Октябрьский, 2009
Настоящие методические указания и контрольные задания, по расчету тепловых потерь в процессе нагнетания горячего теплоносителя при обработке призабойной зоны пласта, подготовлены в соответствии с рабочей программой по курсу «Теплотехника» и составлены с учетом использования их для подготовки по теплотехнике инженеров всех специальностей вуза.Даны рекомендации по выполнению работы, справочные данные.
Составитель Мухаметдинова Л.Д., ст. преподаватель
Галиуллина И.Ф., преподаватель
Рецензент Арсланов И.Г., профессор, д.т.н.
ВВЕДЕНИЕ
Нефтяная и газовая промышленность является одной из ведущих и быстро развивающихся отраслей народного хозяйства. Она же является и одним из крупнейших потребителей топлива в стране.
Расход топлива на собственные энергетические нужды в добыче нефти и газа составляет около I3% от общего расхода топлива по отрасли.
В основных направлениях экономического и социального развития России на период до 2010 года ставятся задачи удовлетворения прироста потребностей в топливе, энергии, сырье и материалах на 75 – 80% за счет экономии, снижения энергоемкости национального дохода и широкого использования вторичных энергоресурсов. Экономия становится основным источником ресурсного обеспечения, дальнейшего роста производства.
Увеличить добычу нефти можно не только за счет ввода в разработку новых месторождений, но и за счет повышения нефтеотдачи пластов старых нефтяных залежей. Одной из причин, вызывающих снижение нефтедобычи, является выделение из нефти твердой фазы, состоящей из парафина, асфальто-смолистых веществ, смол. Откладываясь на внутренних стенках насосно-компрессорных труб, в устьевом оборудовании и выходных линиях, они уменьшают проходное сечение и резко снижают продуктивность скважины. С этим явлением борются различными методами, в том числе термическими (стационарный и циклический электропрогрев), электромагнитная обработка, термоаккустическое воздействие, циклическая паротепловая обработка и т.д.. Проведенные исследования показали, что при нагнетании в пласт горячей воды вытесняется 46-62% нефти, при нагнетании пара 67-80% нефти.
Одним из распространенных методов обработки скважин и призабойной зоны пласта является циклическая паротепловая обработка.
Циклическая паротепловая обработка заключается в том, что в специально оборудованную остановленную скважину по насосно-компрессорным трубам нагнетают насыщенный пар (см. рис 3.1). Скважину герметизируют и выдерживают до полной конденсации пара в пласте, затем возобновляется эксплуатация. Радиус прогретой зоны достигает 30 м.Продолжительность остывания прогретой зоны составляет 2..3 месяца. Применение циклической паровой обработки целесообразно для месторождений с высоковязкими нефтями и глубиной залегания пласта до 1500 м. Обводненнооть продукции до обработки не должна превышать 60%. Коллектор должен быть прочным, так как паротепловое воздействие может вызвать его разрушение.
Термическую обработку пласта скважины и оборудования осуществляют с помощью передвижной парогенераторной установки (ППУ) смонтированной на шасси автомобиля КРАЗ.
Установка, смонтированная на автомашине или салазках, состоит из прямоточного парового котла-парогенератора и вспомогательного оборудования, приводимого в действие двигателем. В состав установки входит топливный бак, бак для питательной воды, трубопроводы с арматурой и приборами.
Из бака питательная вода поступает в насос, подающий ее по питательной линии в конвективный змеевик парогенератора. Здесь питательная вода подогревается за счет тепла газов, уходящих из парогенератора. Из конвективного змеевика вода поступает в радиационную часть парогенератора, а из нее – в пароперегреватель.
Из пароперегревателя перегретый пар, соответствующих давленияи температуры, направляется по паропроводу через дроссельный вентиль к запарафиненным трубам. От основного паропровода перегретого пара ответвляются служебные паропроводы, по которым пар направляется в сажесдуватель, служащий для очистки наружных поверхностей нагрева от сажи и золы, в бак для подогрева топлива и в бак для подогрева питательной воды.
Топливо (мазут, соляровое масло) поступает из топливного бака через фильтр к топливному насосу и от него под давлением в механическую форсунку, расположенную в нижней части парогенератора.
Воздух, необходимый для горения топлива, подводится вентилятором через кожух парогенератора в топку к корню факела. Электрогенератор установки служит для ее освещения.
Потребителем топлива в установке являются парогенератор, двигатели автомобиля и силового привода.
Эффективность паротеплового воздействия на пласт зависит от отношения количества полезно использованного в пласте тепла к количеству затраченной энергии при выработке пара.
При нагнетании перегретого пара нагревание пласта в первую очередь происходит за счет теплоты перегрева, что сопровождается снижением температуры пара до температуры насыщения (т. е. до температуры кипения воды при существующем давлении). При дальнейшем движении пара по пласту последнему отдается скрытая теплота парообразования, и пар будет конденсироваться. До тех пор, пока не используется вся скрытая теплота парообразования, температура пароводяной смеси (следовательно, и пласта) будет равна температуре насыщенного пара. После того, как весь пар сконденсируется, пласт будет нагреваться за счет теплоты горячего конденсата (т. е. горячей воды), что сопровождается снижением его температуры до начальной температуры пласта.
При нагнетании в пласт насыщенного пара зона перегретого пара будет отсутствовать.
При использовании пара в качестве нагнетаемого в скважину теплоносителя в ходе тепловой обработки неизбежны потери тепла, включающие
· потери в парогенераторной установке;
· потери в поверхностных паропроводах на пути движения теплоносителя от нагревательной установки до устья нагнетательной скважины;
· потери в стволе скважины при движении теплоносителя от устья к забою;
· потери в окружающие породы через кровлю и подошву пласта.
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
1.1 К выполнению курсовой работы следует приступать только после изучения материала по лекциям и учебной литературе.
1.2 Исходные данные к курсовой работе приведены в таблицах к каждому заданию преподавателя. Формулировки условий задач нужно переписывать полностью.
1.3 Выбор варианта производится по двум последним цифрам номера зачетной книжки студента.
1.4. Вычисления проводить в системе СИ. Решения нужно сопровождать краткими объяснениями и подробными вычислениями. Нужно указывать какая величина определяется, по какой формуле, какие величины подставляются в формулу и откуда они взяты (из условия задачи, по справочным данным или были определены выше). Расчеты выполняются с точностью до 3-го знака после запятой, размерности должны быть проставлены.
1.5 Ответы на вопросы должны быть полными и исчерпывающими.
1.6 Графическая часть курсовой работы должна содержать схему оборудования скважины для нагнетания пара, схему передвижной парогенераторной установки (ППУ), графики изменения температуры теплоносителя в стволе скважины в осевом и радиальном направлениях.
1.7 После каждого задания дать краткий анализ результатов и сделать выводы.
СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
Выполненная курсовая работа оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД.
Пояснительная записка должна содержать:
1) исходные данные к каждому заданию с указанием номера варианта (п.п. 1.2, 1.3, 1.4);
2) расчетную часть (п.п. 1.5, 1.6);
3) графическую часть (п. 1.7);
4) список использованной литературы.
ЗАДАНИЕ 1 СОСТАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПРЯМОТОЧНОГО ПАРОВОГО КОТЛА ПЕРЕДВИЖНОЙ ПАРОГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Теоретические основы и порядок расчета
Тепловые потери в парогенераторной установкедостигают 20%. Для расчета потерь составляется тепловой баланс парогенераторной установки.
Тепловым балансом называют распределение теплоты, вносимое в котлоагрегат при сжигании топлива, на полезно использованную теплоту и тепловые потери. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого (жидкого) топлива или на 1 м3 газообразного топлива применительно к установившемуся тепловому состоянию котельного агрегата.
Уравнение теплового балансаимеет вид
(1)
или в процентах от величины 
q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 = 100% (2)
где – располагаемая теплота топлива;
(q1) – теплота, полезно использованная в котлоагрегате на получение пара;
(q2) – потери теплоты с уходящими газами;
(q3) – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
(q4) – потери теплоты от механического недожога топлива;
(q5) – потери теплоты в окружающую среду через ограждение топки и конвективные газоходы.
Располагаемое количество тепла, вносимое в топку , складывается из низшей теплотворной способноститоплива 
и физического тепла топлива 
:
(3)
Низшая теплота сгораниярабочей массы твердого и жидкого топлива определяется по формуле Менделеева, с использованием данных по составу топлива (по таблице 6 приложения).
, кДж/кг (4)
Физическая теплота топлива:
, (5)
где ст - теплоемкость топлива, для жидкого топлива: ст = 2,1, кДж/кг ×С .
tт – температура топлива (исходные данные).
Теплота, полезно использованная в котлоагрегате, т.е. расходуемая на получение пара:
(6)
где Dпп, – паропроизводительность котельного агрегата пара (исходные данные), кг/с;
В – расход натурального топлива, кг/с (исходные данные).;
iпл, iпв – соответственно энтальпии перегретого пара и питательной воды, кДж/кг (iпл выбирается по диаграмме – iS или по справочным данным, iпв – рассчитывается как произведение массовой изобарной теплоемкости питательной воды ср = 4,19 кДж/кг×С на температуру питательной воды).
Теплота q1 (%), полезно использованная в котлоагрегате:
(7)
численно равна коэффициенту полезного действия q1 = к.а.
где к.а – к.п.д. котельного агрегата.
Потери теплоты q2 в (%) с уходящими газами определяются, как разность между энтальпией продуктов сгорания, покидающих агрегат, и энтальпией холодного воздуха, поступающего в топку агрегата с поправкой на механический недожог.
(8)
Энтальпию продуктов сгорания Iух при температуре уходящих газов tух (исходные данные) находим по формуле:
(9)
Энтальпию теоретического объема продуктов сгорания Iг0 при tух
(10)
Объем трехатомных газов VRO2 находим по формуле
, м3/кг (11)
Объем азота VN2 определяем по формуле:
, м3/кг (12)
Объем водяных паров Vн2o находим по формуле:
, м3/кг (13)
Теоретический объем воздуха V0, необходимый для сгорания 1кг топлива, определяется по формуле:
, м3/кг(14)
Значения объемных энтальпий iCO2, iNO2 и iн2о для 1куб.м газа находим по справочным данным (таблицы 2, Приложение).
Энтальпию воздуха 
при = 1 и tух определяем по формуле:
, кДж/кг (15)
Значение энтальпий воздуха iв, для 1 куб.м воздуха находим по справочным данным в зависимости от температуры tух воздуха (таблицы 2, Приложение).
Энтальпию холодного воздуха 
определяем по формуле
, кДж/кг (16)
где c¢рв – средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха (при температуре воздуха до 300 0С равна 1,33 кДж/(м3×К)).
Потери теплоты q3 (%) от химической неполноты сгорания топлива определяются содержанием в продуктах горения СО и принимаются в зависимости от вида топлива и типа топки согласно таблиц 7,8 приложения.
Потери теплоты q4 (%) от механической неполноты сгораниятоплива складываются из трех составляющих: потерь теплоты топлива со шлаком, потерь теплоты с провалом топлива под колосниковую решетку и потерь теплоты с частичками топлива, уносимыми уходящими газами, и также принимаются в зависимости от вида топлива и типа топки согласно таблиц 7,8 приложения.
Потери теплоты q5(%) в окружающую средузависят от размеров поверхности котлоагрегата, качества обмуровки и тепловой изоляции. В данном случае
q5 = 100 – (q1+q2 + q3+ q4) (17)
По полученным данным можно начертить схему рассчитанного теплового баланса
Рисунок 3.1 – Схема теплового баланса