Разработка и исследование кабелей нагревания для нефтяных скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.02, кандидат технических наук Буренков, Александр Евгеньевич

• Буренков, Александр Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буренков, Александр Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Процессы парафинообразования в нефтяных скважинах и методы борьбы с ними.

1.1 Способы эксплуатации нефтяных скважин.

1.2 Отложения парафина в нефтяных трубах и способы борьбы с ними

1.3 Теплотехнический и электрический расчет в соответствии с инструкцией [13].

1.4 Механизм образования смоло-парафиновых отложений.

1.5 Условия добычи нефти и парафинообразования на предприятиях ОАО «Оренбургнефть».

1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи от скважины в грунт.

1.7 Обсуждение результатов по главе 1. Задачи дальнейших исследований.

ГЛАВА 2. Исследование процессов теплопередачи и процессов отложения-растворения парафина в скважинах.

2.1 Исследование процессов отложения и растворения парафина.

2.2 Процессы теплопередачи и массообмена в реальной конструкции скважины.

2.3 Обсуждение результатов исследований в главе 2.

ГЛАВА 3 Расчет режимов работы кабелей нагревания с учетом особенностей теплопередачи в нефтяных скважинах.

3.1 Система уравнений для расчета температуры в скважинах.

3.2 Расчет температуры нефти, стенки НКТ, жил кабеля и глубины начала отложения парафина.

3.3 Расчет мощности кабеля и температур нефти и жилы кабеля при периодическом включении кабеля в режиме растворения парафина.

3.4 Экспериментальное исследование нагревания нефти в скважинах с применением нагревательного кабеля.

3.5 Совместная работа кабелей питания насосов и кабелей нагревания

3.6 Условия работы кабелей при их непрерывном и периодическом включении. Общие рекомендации для применения кабелей нагревания и методика расчета.

ГЛАВА 4. Конструирование и расчет кабелей нагревания для нефтяных скважин.

4.1 Определение оптимальных длин кабелей, площади сечения жил и оптимальных конструкций кабелей.

4.2 Расчет и экспериментальное определение электрических и тепловых параметров кабелей нагревания.

4.3 Материалы для изоляции и оболочки кабелей нагревания.

4.4 Конструкции и основные параметры кабелей нагревания, изготовляемых ОАО «Камкабель».

ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования процессов теплопередачи на модели нефтяной скважины.

5.1 Устройство установки.

5.2 Основные технические характеристики оборудования и приборов, используемых в установке по определению параметров теплопередачи.

5.3 Результаты исследований и методика их обработки.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование кабелей нагревания для нефтяных скважин»

Актуальность темы.

Эксплуатация многих нефтяных скважин осложняется интенсивным пара-финогидратообразованием, предупреждение которого традиционными средствами (применение ингибиторов, растворителей и др.) не обеспечивается. Одним из путей профилактики пробкообразования является подогревание продукции скважин до температуры, исключающей выпадение твердой фазы при работе скважин. Источниками тепла для такого подогревания могут быть греющие кабели, расположенные внутри или снаружи нефтепроводящей трубы.

Нефтяные предприятия имеют опыт применения греющих кабелей в нефтяных скважинах, в качестве которых использованы или силовые кабели для питания электродвигателей погружных насосов или геофизические кабели. Однако, такие кабели имеют параметры не полностью удовлетворяющие оптимальным режимам подогревания скважин. Для этого необходимы специальные кабели нагревания. Целью диссертационной работы является расчет условий работы кабелей нагревания в нефтяных скважинах и их конструирование с целью оптимизации технико-экономических параметров их применения.

Новизна научных исследований.

1. На основе теоретического и экспериментального изучения процессов тепломассообмена в нефтяных скважинах и кабелях нагревания предложены:

- методика расчета теплового сопротивления при теплопередаче от обсадной трубы в окружающий грунт в зависимости от времени работы скважины и кабеля нагревания;

- методика расчета тепловых сопротивлений при теплопередаче между элементами конструкции скважины: кабель - нефть, кабель - нефтепроводящая труба, нефтепроводящая труба - обсадная труба;

- методика расчета теплового сопротивления кабелей плоской конструкции;

- разработаны схемы замещения тепловых потоков и тепловых сопротивлений для расчета температур жилы кабелей и нефти при расположении кабелей внутри и снаружи нефтепроводящей трубы;

- методика расчета допустимых токов нагрузки при работе силовых кабелей, кабелей нагревания, а также при их совместной работе;

- метод расчета кабеля нагревания со снижением необходимой мощности с увеличением времени его работы.

2. В результате анализа расчетов тепловых режимов при работе кабелей нагревания и силовых кабелей питания электродвигателей насосов предложены методы расчета мощности кабелей нагревания и температуры их жил и установлено:

- при расположении кабелей нагревания снаружи нефтепроводящей трубы целесообразна только непрерывная работа кабеля нагревания;

- при расположении кабелей внутри нефтепроводящей трубы возможны режимы непрерывной и периодической работы кабелей нагревания, причем в высокодебитных скважинах целесообразно преимущественно периодическое включение кабеля нагревания в режиме растворения отложившегося слоя парафина.

3. В результате тепловых расчетов показано, что с целью снижения расхода электроэнергии целесообразно ступенчатое увеличение сечения жил кабеля по его длине по мере углубления в скважине и автоматическая регулировка мощности кабеля для поддержания постоянной температуры нефти при ее выходе из устья скважины.

На защиту выносятся положения:

Методики расчета тепловых сопротивлений при теплопередаче от обсадной трубы в окружающий грунт, между отдельными элементами конструкции скважины и кабелей плоской конструкции.

Методики расчета необходимой мощности кабелей нагревания, допустимого тока нагрузки и температуры жил и нефти при работе силовых кабелей, кабелей нагревания и при их совместной работе.

Рекомендации по режимам работы кабелей нагревания при их расположении снаружи и внутри нефтепроводящей трубы.

Разработанные конкретные конструкции кабелей нагревания и результаты их применения в нефтяных скважинах.

Практическое применение.

Разработаны трехжильные кабели нагревания марок КНСППоБ, КНСПШБ, КНППоБ, КНПШБ, изготовляемые в ОАО «Камкабель» по техническим условиям ТУ 16.К09-120-2000, а также аналогичные четырехжильные кабели.

Получен опыт применения этих кабелей в нефтяных скважинах предприятий:

1. Башнефть НГДУ - Уфа - нефть. Скважина 665, длина кабеля со стальными жилами 180 м. Заказано 20 линий с длиной кабеля нагревания 320 м.

2. Сибнефть, г.Ноябрьск. Работает 8 линий с длиной кабеля с медными жилами 1000 м (кабели КНППоБ 4x5.5 мм2).

3. «Пермтекс» (г.Соликамск). Скважина 146. Имеются положительные отзывы. Увеличился межочистной период и увеличился дебит нефти.

В результате применения кабелей нагревания увеличился дебит нефти и отпала необходимость остановки скважин для проведения чистки нефтепрово-дящих труб.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические материалы и изделия», Буренков, Александр Евгеньевич

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., к.т.н., Мерзляков Б.Л., Смильгевич В.В., к.т.н., Холодный С.Д., д.т.н. «Расчет нагревания потока нефти в скважине при применении нагревательного кабеля». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль - МГ, 2001 г., с.37 - 41.

2. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., к.т.н., Смильгевич В.В., к.т.н., Мерзляков Б.Л., Холодный С.Д., д.т.н. «Расчет допустимого тока нагрузки в кабелях для погружных электронасосов с применением нагревательного кабеля». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль - МГ, 2001 г., с.41 - 44.

3. Буренков А.Е. «Кабель нагрева». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль - МГ, 2001 г., с.36 - 37.

4. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., к.т.н, Савченко В.Г. «Разработка и качество кабелей для УЭЦН». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль - МГ, 2001 г., с. 16 - 26.

5. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., к.т.н., Савченко В.Г. «Исследование и производство кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией для установок, применяемых при добыче нефти». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль - МГ, 2001 г., с.26 - 35.

6. Буренков А.Е., Смильгевич В.В., к.т.н., Холодный С.Д., д.т.н. «Расчет допустимого тока нагрузки в кабелях для погружных электронасосов». «Электро» № 4, 2001 г., с.9- 11.

7. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., к.т.н., Патрушев А.И., Савченко В.Г., Холодный С.Д., д.т.н. «Производство и качество силовых кабелей низкого напряжения с изоляцией из силаносшиваемого полиэтилена». «Электро», № 2, 2001 г., с.38 - 41.

8. Буренков А.Е., Валеев Н.С., д.т.н., Смильгевич В.В., к.т.н., Холодный С.Д., д.т.н. «Физикомеханические и физикохимические свойства материалов для изоляции и оболочек кабелей, применяемых в нефтяных скважинах». Электро № 3, 2002, с.21 -23.

9. Беляков С.Ю., Буренков А.Е., Логунов В.В., Макиенко Г.П., Мерзляков Б.Л., Савченко В.Г., Турбин П.В., Холодный С.Д. Свидетельство на полезную модель № 22579 от 10.04.02 «Плоский нагревательный кабель для системы обогрева нефтескважины».

10. Буренков А.Е., Холодный С.Д., д.т.н. «Конструкции и области применения нагревательных кабелей». Электро № 2, 2002 г., с.28 - 30.

11. Буренков А.Е., Смильгевич В.В., к.т.н, Мерзляков Б.Л., Холодный С.Д., д.т.н. «Расчет режимов работы греющих кабелей в нефтяных скважинах с учетом особенностей процессов теплопередачи». Электро № 1, 2003 г., с.27 - 31.

12. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., к.т.н, Савченко В.Г. Свидетельство на полезную модель № 22284 от 10.03.02 «Самонесущий нагревательный кабель».

13. Смильгевич В.В., Буренков А.Е., Демин А.В., Логунов В.В., Мерзляков Б.Л. Свидетельство на полезную модель № 20697 от 20.11.01 «Электронагревательный кабель».

173

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буренков, Александр Евгеньевич, 2003 год

1. Муравьев И.М. и Крылов А.П. Эксплуатация нефтяных месторождений. М-Л.: Гостехиздат, 1949, 776 с. (учебник для нефтяных вузов).

2. Малышев А.Г., Черемисин Н.А. «Применение греющих кабелей для предупреждения парафиногидратообразования в нефтяных скважинах». Нефтяное хозяйство, № 6, 1990 г., с.5 8 60.

3. Малышев А.Г., Черемисин Н.А., Шевченко Г.В. «Выбор оптимальных способов борьбы с парафиногидратообразованием». Нефтяное хозяйство, № 9, 1997 г., с.62 69.

4. Технология предупреждения гидратообразования в насосно-компрессорных трубах (НКТ) нефтяных скважин электрообогревом. РД 39-0148070-043 ВНИИ 86. - Тюмень: СибНИИНП, 1986. - 25 с.

5. Технология применения химических реагентов для борьбы с парафинизаци-ей нефтепромыслового оборудования. РД 39 - 23 - 1216 - 84. - М.: Мин-нефтепром, 1986 - 40 с.

6. Трояновский Ю.В. Особенности парафинизации промыслового оборудования и разработка мер по борьбе с отложениями в условиях месторождений западной Сибири: Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Тюмень, 1971 г.

7. Пудовкин М.А., Саламатин А.И., Чугунов И.А. Температурные процессы в действующих скважинах. Казань: КГУ, 1997. - 200 с.

8. Черемисин Н.А. Исследование механизма образования парафиногидратных пробок в нефтяных скважинах с целью совершенствования методов борьбы с ним: Автореферат диссертации к.т.н. Тюмень, 1991 г.

9. Федоров Е.Е. Разработка методов понижения вязкости и депарафинизации промысловых трубопроводов с использованием электрического поля: Автореферат диссертации к.т.н. Иваново-Франковск, 1982 г.

10. Тронов В.П. Механизм образования смоло-парафиновых отложений и борьба с ним. М.: Недра, 1970. - 220 с.

11. Чаронов В.Я. и др. «Проблема электронагрева нефтескважин при очистке их от отложений парафина». Электротехника, 1995, № 12.

12. Пудовкин М.А., Саламатин А.И., Чугунова В.А. Температурные процессы в действующих скважинах. Казань: изд. КГУ, 1997.

13. Непримеров Н.Н., Пудовкин М.А., Марков А.И. «Особенности теплового поля нефтяного месторождения» изд. КГУ, Казань, 1968 г.

14. Шохин В.Ф. «О теплопередаче через стенки скважины». Труды Гидротю-меннефтегаза, вып. 18, Тюмень, 1969 г.

15. Шохин В.Ф., Герасимов В.П. «Экспериментальное изучение теплоперадачи через многослойную цилиндрическую стенку». Проблемы нефти и газа Тюмени, вып.20, Тюмень, 1973 г.

16. Люшин С.Ф. и др. Борьба с отложениями парафина, М: изд. «Недра», 1965.

17. Невеженко В.Ф. Методика определения температуры начала кристаллизации парафина в нефти. Тр. Куйбышев НИИ НП, вып.9, Куйбышев, 1961 г.

18. Персиянцев М.Н. Добыча нефти в осложненных условиях. Москва, «Недра», 2000 г.

19. Ашмян К.Д., Губкина Г.Ф., Мраченко Е.А. Методика выявления месторождений нефти, насыщенных парафинами, с использованием корреляционных зависимостей // Нефтяное хозяйство. 1995. - № 1, 2 - с.51 - 52.

20. Стандарт МЭК. Публикации 287 (1982 г) и 853-1 (1985 г).

21. Основы кабельной техники // под ред. В.А.Привезенцева. М: «Энергия», 1975 г.

22. Буренков А.Е., Смильгевич В.В, Холодный С.Д. «Расчет допустимого тока нагрузки в кабелях для погружных электронасосов». «Электро» № 4, 2001 г.,

23. Буренков А.Е., Холодный С.Д., Мерзляков Б.Л. и др. «Расчет нагревания потока нефти в скважине при применении нагревательного кабеля». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль МГ, 2001. - 176 с.

24. Буренков А.Е., Холодный С.Д., Мерзляков Б.Л. и др. «Расчет допустимого тока нагрузки в кабелях для погружных электронасосов с применением нагревательного кабеля». Там же.

25. Лыков А.В. Тепломассообмен (справочник). М.: «Энергия», 1972.

26. Кейс В.М. Конвективный тепло и массообмен. М.: «Энергия», 1972.

27. Буренков А.Е. «Кабель нагрева». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль МГ, 2001.

28. Вопросы высоковольтной кабельной техники на XX сессии Международной конференции по крупным энергосистемам. М.: ВНИИЭМ, 1965, доклад 233.

29. Месенжник Я.З., Новиков Д.В., Свалов Г.Г. «Кабельная продукция для нужд нефтегазовой промышленности». Кабели и провода, 2001, №1.

30. Фризен Н.И., Олеар М.Г., Бочкарева Л.Н., Сотников В.Г. «Разработка кабеля для нефтепогружных электронасосов, изолированного на основе полипропилена. Сб. научн. тр. ВНИИКП. Исследование и производство кабелей и проводов. М.: Энергоатомиздат, 1991.

31. Кабели и провода для ядерных энергетических установок. Под ред. Э.Э. Финкеля. М.:Энергоатомиздат, 1983.

32. Смильгевич В.В., Макиенко Г.П. «Новые кабели с пластмассовой изоляцией для кабельных линий У ЭЦН». Химическое и нефтегазовое машиностроение, 8, 2000 г. Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль МГ, 2001.

33. Макиенко Г.П., Смильгевич В.В., Савченко В.Г., Холодный С.Д. «Применение полимеров со сшитой структурой при изготовлении кабелей для УЭЦН.» Химическое и нефтегазовое машиностроение, 11, 2000 г.

34. Григорьян А.Г., Дикерман Д.Н., Пешков И.Б. Производство кабелей и проводов с применением пластмасс и резин. М.: Энергоатомиздат, 1992

35. Новиков Д.В. Разработка и исследование теплостойких кабелей для погружных электронасосов. Автореферат дисс. М.: 1999 г.

36. Смильгевич В.В., Макиенко Г.П. ОАО «Камкабель» крупнейший производитель кабельной продукции для нефтегазовой индустрии». Химическое и нефтегазовое машиностроение, 5, 2000 г.

37. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., Савченко В.Г. «Разработка и качество кабелей для УЭЦН». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль МГ, 2001.

38. Буренков А.Е., Макиенко Г.П., Савченко В.Г. «Исследование и производство кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией для установок, применяемых при добыче нефти». Пермская обл. для нефтегазовой индустрии. Сборник, Пермь 2001. Агентство «Стиль МГ, 2001.

39. Буренков А.Е. и др. «Производство и качество силовых кабелей низкого напряжения с изоляцией из силаносшиваемого полиэтилена». «Электро», № 2, 2001 г.

40. Месенжник Я.З., Новиков Д.В., Пироговский Р.А. «Новые исследования в области создания силовых кабелей повышенной теплостойкости для погружных нефтенасосов». Электротехника, 1997, № 6.

41. Месенжник Я.З., Новиков Д.В., Пироговский Р.А. «Кабели промежуточной теплостойкости для питания погружных нефтенасосов». Кабели и провода, 1999, № 1.

42. Образцов Ю.В. «Силовые кабели среднего напряжения с силаносшиваемой полиэтиленовой изоляцией». Кабели и провода, № 4, 2001.

43. Поливанов К.М. Теоретические основы электротехники, ч.З. Теория электромагнитного поля. М.: «Энергия», 1969 г.

44. Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник. М.:Энергоатомиздат, 1987 г.

45. Буренков А.Е., Холодный С.Д. «Конструкции и области применения нагревательных кабелей». «Электро», № 1, 2002.

46. Буренков А.Е., Валеев Н.С., Смильгевич В.В., Холодный С.Д. «Физикомеха-нические и физикохимические свойства материалов для изоляции и оболочек кабелей, применяемых в нефтяных скважинах». «Электро», № 2, 2002.

47. Ютау Жу, Хо Гиу Йон, Кван С Су «Сравнение электрических свойств сила-носшиваемого полиэтилена и полиэтилена, сшитого с применением перекиси дикумила». IEEE Transactions on Dielektric and Electrical Insulation, vol. 6, № 2, April, 1999.

48. Тернер P.B. «Основные процессы переработки полимеров». М:, Химия, 1972 г.

49. Сополимеры этилена с пропиленом. JI. Химия, 1965 г.

50. Буренков А.Е. и др. Свидетельство на полезную модель № 22579. Приоритет от 27.08.2001.

51. ТУ 16.К09 120 - 2000. Кабели нагрева. Введены впервые от 15.02.2001 г.

52. ОАО ТИТ. «Энергоснабжение». Инструкция «Комплексная технологияборьбы с отложениями при добыче нефти и защита от замораживания нефтепромысловых объектов электрообогревом» РД 36253509 - . - 97 Р.1. Тюмень, 1997.

53. Диткин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению, М.: Высшая школа, 1965.