Диссертация (1173025), страница 9
Текст из файла (страница 9)
В области образования газогидратов - скорость образования газогидрата. Газ в стволе скважины расходуется, в негенерирующей области48газогидрата, - скорость разложения газогидрата, количество газа в стволескважины увеличивается.В течение dt времени внутреннее изменение массы сегмента ds, т. е. увеличение массы, вызванное изменением плотности и площади поперечного сечения:(2-7)В соответствии с законом сохранения массы разница между притоком иистечением единицы ds газа в период времени dt равна изменению массы единицы за время dt, т. е.
(2-2) + (2-5) - (2-4) - (2-6) = (2-7)+−+dt −=(2-8)После преобразований, получим:+=−(2-9)уравнение неразрывности жидкой фазы и скелета пласта:()+()=− 1−(2-10)=(2-11)уравнение для скелета пласта:()+уравнение для газогидрата:(где,,)+()=(2-12)- плотность бурового раствора и шлама, кг/м3,бурового раствора и шлама, м/с;，- скорость- скорость становления шлама, кг/с.Уравнение количества движенияСогласно теореме об изменении количества движения скорость изменения кинетической энергии тела по времени равна действующим внешним силам.()=∑(2-13)Общее количество кинетической энергии всех жидкостей на единицу объема имеет полную производную времени, состоящую из двух частей: одна эквивалентна локальной производной, равной временной скорости измененияобщего количества всей кинетической энергии жидкости на единицу объема,а другая равна разнице кинетической энергии оттока и притока на единицувремени.∑+(∑)−∑=0(2-14)49Внешняя сила F состоит из силы тяжести и силы сопротивления и можетбыть выражена как:∑cos (∑=−)−()(−)(2-15)где, -сила трения, Па.Уравнение количества движения для газожидкостного и твёрдого трехфазного многофазного потока может быть представлено в следующем виде:+Ag cos+++++()+()=0(2-16)где, -угол отклонения ствола скважины, -падение давления сопротивления трения, Па, p-давление в затрубном пространстве.Уравнения для расчета температуры в различных участках скважиныУравнение температурного поля для участка ствола скважины под морским дномПроцесс переноса тепла после распада гидрата в залежи и попадания образованного газа в ствол скважины является неустойчивым процессом, из-зафазовых обменов между природным газом и гидратом в условиях низкой температуры и высокого давления в стволе скважины при которых поглощаетсяили отдается определенное количество тепла.
В процессе распада гидрататепло поглощается, в процессе генерации – отдается. Ханада, ВH (Hanada,YH)(1986) [67], Rueff R. RM (1988) [68], Loevois JS (1996) [69] измеряли теплоту газогидратного разложения, в которой Rueff R. RM (1988) использовалкалориметрию (DSC). Теплота распада метан-гидрата измерялась при среднейтемпературе 285 К (54,49 кДж/моль).
Поэтому следует учитывать влияние фазового перехода гидратов в уравнении энергии.Принятая физическая модель показана на рис.20. При предположении,что поток представляет собой газожидкостный двухфазный поток, с термодинамической точки зрения устанавливается энергетическое уравнение нестабильного течения и теплообмена со стволом скважины. Для газовой фазы закон сохранения энергии микроблока в затрубном пространстве выражаетсякак:50Рис.18.
Схема для вывода уравнения сохранения энергии в стволе скважиныa. Количество тепла, которое «входит» в микро-блок：( +где，)=( +-массовый расход газовой фазы,кг/с；)(2-17)-удельная газовойфазы，Дж/kг℃; -температура в кольцевом пространстве, ℃。b. Количество тепла, вытекающего из микро-блока：( )=()(2-18)b. Теплообмен между пластом и затрубным пространством и теплообменмежду бурильной колонной и затрубным пространством：−(2-19)где=(−),=()−(2-20)(2-21)=(2-22)=это полный коэффициент теплопередачи между жидкостями в затрубном пространстве и пластом[70]，с учетом величин теплопроводности жидкости в затрубном пространстве, материала обсадной трубы и цементным кольцом, из-за большой теплопроводности стали обсадной трубы,температура внутри и снаружи корпуса примерно одинаковая, поэтому=(2-23)+уравнение нестационарного теплообмена в точке[71],= 1.128√ [1 − 0.3√ ]10= [0.4036 + 0.5 ln( )] 1 +.≤≤ 1.5> 1.5(2-24)(2-25)51=,(2-26)=где, -теплопроводность пласта, W/(м ∙ ℃); -внешний диаметр обратноготрубопровод, м; -внутренний диаметр бурильной трубы, м;-радиус награнице между стволом скважины и пластом, м；ℎ -коэффициент теплопередачи конвекцией кольцевого пространства с той же стеной ， Вт/(м ∙ ℃);-теплопроводовность цемента，Вт/(м ∙ ℃); - удельная тепло-ёмкость пласта，Дж/( г ∙ ℃);-внутренняя температура затрубного про-странства，℃； -пластовая плотность，kг/м 。c.
Изменение теплоты на единицу объема газовой фазы:(2-27)=где, A-площадь поперечного сечения затрубного пространства, м2.d. Газогидраты поглощают тепло во время процесса распада, а тепло выделяется во время процесса их образования. Теплота распада газогидрата можетбыть получена с использованием уравнения Клаузиуса-Клапейрона[72].=−∆(2-28)где, P и T - равновесные давления и температуры в гидратной фазе, Zкоэффициент сжимаемости, R-универсальная газовая постоянная; ∆ -теплота разложения газогидратов, Дж/моль. когда образуются газогидраты, ∆является положительным, когда разлагается, ∆является отрицательным.За время dt, выделение тепла из-за образования газогидратов составит∙=где,(2-29)∙∆-средняя молекулярная масса газогидратов, kг/моль。e. По закону сохранения энергии, количество тепла на единицу объема притока - количество тепла на единицу объема оттока - теплообмен между бурильной трубой и пластом и корпусом агрегата = изменение тепла в микроблоке.
Изменение тепла в микроблоке включает в себя две части, одна изкоторых - изменение тепла, вызванное изменением параметров физическихсвойств в микроблоке, а другая – тепло, генерируемое или поглощаемое изза фазового перехода в газогидрате.( +)−( )+−=+∙∆(2-30)то есть：+∙∆−=(2-31)52Учитывая, что у=()−,=(−)=(−,получим∙∆+−)−(−)(2-32)f. Так как изменение теплоты, вызванное фазовым переходом в газогидрате,было учтено в газовой фазе, этот фактор не может быть рассмотрен в уравнении энергии жидкой фазы. Точно так же получается уравнение температурного поля жидкой фазы в кольцевом пространстве:()−()(=)−−()−(2-33)где, -плотность жидкой фазы, kг/м3; -объемная доля жидкой фазы，безразмерный;-удельная теплоёмкость， Дж/( г ∙ ℃) ;-массовый расходжидкой фазы, kг/с。Добавив уравнения=,==и, по-лучим уравнение температурного поля для нестационарного течения газожидкостной смеси в кольцевом пространстве:+() +∙∆−+()=2((−−)−) (2-34)Также можно получить уравнение температурного поля в бурильной колонне:(где,)+()=(−)-массовый расход газовой фазы и жидкой фазы, kг/с；емная доля газовой фазы и жидкой фазы, безразмерный;ного сечения бурильной колонны，м2;жидкости，Дж/( г ∙ ℃); 、、 -объ--площадь попереч-、 -удельная теплоёмкость газа ии -температура в кольцевом пространстве, впласте и в бурильной трубе, ℃；м;(2-35)--внешний диаметр обратного трубопровод,-внутренний диаметр бурильной трубы, м; -теплоемкость жидкости встволе скважиныДж/( г ∙ ℃)；Уравнение температурного поля для участка ствола скважины над морским дномКольцевое пространство на участке скважины над морским дном и уравнение теплового баланса в бурильной трубе являются такими же, как 2-28, 229, с разницей в форме выражения.53(2-36)=Уравнение энергииЕсли рассматривать внутренний энергетический баланс ствола скважинывместо теплового равновесия, уравнение становится более сложным, внутренняя энергия в формуле (2-34, 2-35) становится полной энергией ℎ +∙ cos−∙, где h – это теплосодержание, включая внутреннюю энергию и энер-гию давления.
Совокупное уравнение баланса энергии в стволе скважины ибурильной колонне, соответственно:ℎ+12−∙ ∙ cosℎ++−ℎ+−∙ ∙ cos∙ ∙ cosℎ+−=212+−∙∆∙ ∙ cos+1(−)−1(−)(2-37)ℎ+12ℎ+−∙ ∙ cos+−∙ ∙ cos=2(−)(2-38)2.2. Расчет распределения температуры в стволе глубоководных скважинИспользуя температурное уравнение, установленное в предыдущемпункте, температурное поле вычисляется для следующих основных данных.Глубина скважины составляет 4500 м ниже поверхности воды. Глубинаводы составляет 1500м. Скважина состоит из обсадной трубы 235мм, протяженностью от дна моря до забоя 3000 метров.
Диаметр буровой колонны составляет 127мм, диаметр бурового долота215,9мм, в толще воды скважина отделена райзера диаметором 533,4мм.Расход бурового раствора при бурении составляет 60 л / с, геотермальныйградиент составляет 2,7 ℃/(100м), температура поверхности морской водысоставляет 25 °С, плотность морской воды 1020 кг/м3, удельная теплоемкостьморской воды 4,282 Дж/(кг ∙ ℃),теплопроводность морской воды составляет0,6 Вт/(м ∙ ℃). Плотность бурового раствора на морской водной основе - 120054кг/м3, удельная теплоемкость бурового раствора 1,670 Дж/(кг ∙ ℃), теплопроводность бурового раствора 1,7 Вт/(м ∙ ℃). Плотность стали 7800 кг/м3 теплоемкость стали составляет 4Дж/(кг ∙ ℃), теплопроводность колонки составляет всего 43,75 Вт/(м ∙ ℃), плотность цемента составляет 1900 кг/м3, удельная теплоемкость цемента составляет 2 Дж/(кг ∙ ℃), а теплопроводность цемента составляет 1,0 Вт/(м ∙ ℃), плотность порода в пласте 2640 кг/м3, удельная теплоёмкость порода в пласте 0,83736 Дж/(кг ∙ ℃) , теплопроводностьпласта пород 2.25 Вт/(м ∙ ℃).（1） Результаты вычислений температурного поля в затрубном пространстве при разном содержании газа в буровом растворе показаны нарис.19.Рис.19.
Диаграмма распределения температуры в затрубном пространстве сразным объемным содержанием газа, выделившегося в результате разложения газогидратов, при расходе бурового раствора 60 л/сИз результатов расчетов видно, что по мере увеличения количества выделяющегося газа (средняя объемная доля газа) температура в стволе скважиныближе к температуре внешней среды. В области выше 2600 м температура вкольцевом пространстве постепенно уменьшается с увеличением объемнойдоли газа, а в области ниже 2600 м температура в кольцевом пространстве постепенно увеличивается с увеличением объемной доли газа.
Когда газ55поступает в ствол скважины, с одной стороны, плотность бурового раствора,теплопроводность и удельная теплоемкость в кольцевом пространстве снижаются, а с другой стороны, из-за образования гидрата после поступления газа вствол скважины будет выделяться определенное количество тепла. Интрузиягаза увеличивает скорость потока бурового раствора в кольцевом пространстве, сокращая время, в течение которого буровой раствор подвергнут теплообмену с внешней средой. Поэтому температура в скважине после разложениягидрата является результатом сочетания различных факторов.（2）На рис.20 показана температурная кривая в затрубном пространстве и бурильной колонне при расходах бурового раствора 15 л/с и 50 л/с соответственно.Из результатов расчетов видно, что величина циркуляции бурового раствора может значительно изменить распределение температурного поля вкольцевом пространстве и бурильной колонне.
Это происходит главным образом потому, что время теплообмена между буровым раствором и внешнимпластом или морской водой становится более продолжительным после снижения скорости циркуляционного потока. При расходе бурового раствора 15 л/сминимальная температура в кольцевом пространстве и бурильной трубе составляет 7,0°C и 18,8°C, тогда как скорость потока составляет 50 л/с, самаянизкая температура в кольцевом пространстве и бурильной трубе составляет11,3°C и 22,7℃, соответственно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
