Буренков Александр Евгеньевич. Разработка и исследование кабелей нагревания для нефтяных скважин

Короткий опис

Буренков Александр Евгеньевич. Разработка и исследование кабелей нагревания для нефтяных скважин : Дис. ... канд. техн. наук : 05.09.02 : Пермь, 2003 178 c. РГБ ОД, 61:04-5/461-7

Работа выполнена в ОАО «КАМКАБЕЛЬ»
На правах рукописи
Буренков Александр Евгеньевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАБЕЛЕЙ НАГРЕВАНИЯ ДЛЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Специальность 05.09.02- Электротехнические материалы и изделия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук профессор С. Д. Холодный

Пермь 2003
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Процессы парафинообразования в нефтяных
скважинах и методы борьбы с ними 7
1.1 Способы эксплуатации нефтяных скважин 7
1.2 Отложения парафина в нефтяных трубах и способы борьбы с ними 15
1.3 Теплотехнический и электрический расчет в соответствии с инструкцией [13] 32
1.4 Механизм образования смоло-парафиновых отложений 38
1.5 Условия добычи нефти и парафинообразования на предприятиях ОАО «Оренбургнефть» 40
1.6 Расчет коэффициентов теплопередачи от скважины в грунт 44
1.7 Обсуждение результатов по главе 1. Задачи дальнейших
исследований 45
ГЛАВА 2. Исследование процессов теплопередачи и процессов отложения-растворения парафина в скважинах 49
2.1 Исследование процессов отложения и растворения парафина 49
2.2 Процессы теплопередачи и массообмена в реальной конструкции скважины 70
2.3 Обсуждение результатов исследований в главе 2 84
ГЛАВА 3 Расчет режимов работы кабелей нагревания с учетом особенностей теплопередачи в нефтяных скважинах 85
3.1 Система уравнений для расчета температуры в скважинах 85
3.2 Расчет температуры нефти, стенки НКТ, жил кабеля и глубины начала отложения парафина 89
3.3 Расчет мощности кабеля и температур нефти и жилы кабеля при периодическом включении кабеля в режиме растворения парафина 104
3.4 Экспериментальное исследование нагревания нефти в скважинах с применением нагревательного кабеля 106
3.5 Совместная работа кабелей питания насосов й кабелей нагревания 113
3.6 Условия работы кабелей при их непрерывном и периодическом включении. Общие рекомендации для применения кабелей нагревания
и методика расчета 119
ГЛАВА 4. Конструирование и расчет кабелей нагревания для нефтяных скважин 122
4.1 Определение оптимальных длин кабелей, площади сечения жил и оптимальных конструкций кабелей 122
4.2 Расчет и экспериментальное определение электрических и тепловых параметров кабелей нагревания 128
4.3 Материалы для изоляции и оболочки кабелей нагревания 141
4.4 Конструкции и основные параметры кабелей нагревания, изготовляемых ОАО «Камкабель» 150
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования процессов теплопередачи на модели нефтяной скважины 153
5.1 Устройство установки 153
5.2 Основные технические характеристики оборудования и приборов, используемых в установке по определению параметров теплопередачи 158
5.3 Результаты исследований и методика их обработки 159
ВЫВОДЫ 169
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 173
ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность темы.
Эксплуатация многих нефтяных скважин осложняется интенсивным пара- финогидратообразованием, предупреждение которого традиционными средст¬вами (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 ка¬бели, расположенные внутри или снаружи нефтепроводящей трубы.
Нефтяные предприятия имеют опыт применения греющих кабелей в неф¬тяных скважинах, в качестве которых использованы или силовые кабели для питания электродвигателей погружных насосов или геофизические кабели. Од¬нако, такие кабели имеют параметры не полностью удовлетворяющие опти¬мальным 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 це¬лью 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 обсад¬ной 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 конструк-
- разработаны схемы замещения тепловых потоков и тепловых сопротив¬лений для расчета температур жилы кабелей и нефти при расположении кабе¬лей внутри и снаружи нефтепроводящей трубы;
- методика расчета допустимых токов нагрузки при работе силовых кабе¬лей, 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 уста¬новлено:
- 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 пара¬фина.
3. В результате тепловых расчетов показано, что с целью снижения расхо¬да 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 вы¬ходе из устья скважины.
На защиту выносятся положения:
Методики расчета тепловых сопротивлений при теплопередаче от обсад¬ной трубы в окружающий грунт, между отдельными элементами конструкции скважины и кабелей плоской конструкции.
Методики расчета необходимой мощности кабелей нагревания, допусти¬мого 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 расположе¬нии 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 усло¬виям ТУ 16.К09-120-2000, а также аналогичные четырехжильные кабели.
Получен опыт применения этих кабелей в нефтяных скважинах предпри¬ятий:
1. Башнефть НГДУ - Уфа - нефть. Скважина 665, длина кабеля со сталь¬ными 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.

Список літератури

Выводы.
1. В результате анализа условий теплопередачи между элементами конструк¬ции скважины показано, что для определения условий начала образования отложений парафина следует рассматривать не температуру нефти, а темпе¬ратуру стенки нефтепроводящей трубы.
2. Показано, что тепловое сопротивление окружающего грунта увеличивается с возрастанием времени эксплуатации скважины и это позволяет постепенно снижать необходимую мощность кабеля нагревания.
3. Установлено, что при расчете температур нефти и жилы кабеля нагревания, расположенного снаружи нефтепроводящей трубы, основное значение имеет тепловое сопротивление между броней кабеля и стенкой трубы. Для сниже¬ния этого сопротивления целесообразно увеличивать ширину кабеля пло¬ской конструкции и располагать поверх кабеля защитный кожух из про¬фильного металла.
4. Разработаны схемы соединения тепловых сопротивлений для расчета темпе¬ратур жилы кабеля, стенки нефтепроводящей трубы и нефти при располо¬жении кабелей внутри и снаружи нефтепроводящей трубы. Получены фор¬мулы для расчета этих температур и необходимой мощности кабелей.
5. Показано, что периодический режим включения кабеля для растворения образовавшихся отложений парафина целесообразен только при расположении кабеля внутри нефтепроводящей трубы. При расположении снаружи трубы необходимая мощность кабеля и температура жил будут неоправданно высокими.
6. Непрерывный режим включения кабеля нагревания рекомендован для малодебитных скважин при расположении кабеля снаружи нефтепроводящей трубы. В скважинах с центробежными насосами возможно также расположение кабеля внутри трубы.
7. Разработаны методы расчета тепловых сопротивлений при теплопередаче: кабель - нефть, кабель — стенка нефтепроводящей трубы, нефтепроводящая труба - обсадная труба, обсадная труба - окружающий грунт.
8. Разработаны обоснованные методы расчета допустимого тока нагрузки с учетом всех тепловых сопротивлений для силовых кабелей, кабелей нагре¬вания, а также при их совместной работе. Полученные токи нагрузки сило¬вых кабелей соответствуют рекомендациям зарубежных фирм для аналогич¬ных кабелей.
9. Разработаны конструкции трех и четырехжильных кабелей нагревания и тех¬нические условия для этих кабелей ТУ 16.К09-120-2000. Организовано производство кабелей нагревания на предприятии ОАО «Камкабель».
10. Разработаны рекомендации по применению кабелей нагревания с сечением жил 5.5 мм2 в нефтяных скважинах.
Кабели с медными жилам. Трехжильные с напряжением питания перемен¬ного тока до 400 В и четырехжильные с напряжением питания постоянного то¬ка до 400 В - длина до 1000 м с расположением снаружи нефтепроводящей трубы.
Кабели со стальными жилами. Трехжильные с напряжением питания пере¬менного тока 500 В, длина 500 м. Четырехжилььные кабели с напряжением пи¬тания постоянного тока до 600 В, длина 500 м. Расположение снаружи нефте-проводящей трубы.
11. В качестве изоляции для кабелей нагревания с максимально допустимой температурой 120 °С рекомендован силансшитый полиэтилен высокой плот¬ности (СПЭВП) и блоксополимер этилена с пропиленом (СЭП). Возможно применение комбинированной изоляции из двух слоев — первый слой СПЭВП и второй слой СЭП.
12. Применение разработанных кабелей в нефтяных скважинах предприятий Башнефть НГДУ - Уфа - нефть, Сибнефть (г. Ноябрьск), «Пермьтекс» (г.Соликамск) позволило увеличить дебит нефти и устранить необходимость периодической очистки нефтепроводящей трубы от отложений парафина.
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». Перм¬ская 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 индуст¬рии. 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 произ¬водство кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией для установок, при¬меняемых 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 допус¬тимого тока нагрузки в кабелях для погружных электронасосов». «Элек- тро» № 4, 2001 г., с.9 - 11.