Полная версия

Главная arrow География arrow Защита насосного оборудования нефтяных скважин в осложненных условиях эксплуатации

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Исследование теплообменных процессов между погружным электродвигателем насоса и взвесесодержащей жидкостью

В работах С. А. Брэндона (1970) и Р. Зиссельмара (1979) было отмечено, что сильное взаимодействие между флюидом и твердой фазой может вызвать турбулентное перемешивание [35, 56]. В этом случае улучшается теплопередача от стенки суспензии, что достигается уменьшением вязкого пограничного слоя (образующегося в пристеночной области ПЭД), внутри которого температура резко изменяется в отличие от ядра потока, по сечению которого температура суспензии практически не изменяется. Приведем безразмерный параметр

где dp - внутренний диаметр эксплуатационной колонны, м; Dm - диаметр ПЭД, м; Rem = Dh ит рт/ хт - число Рейнольдса для смеси; ит- скорость смеси, м/с; р,и = Ф Р/? + О — ср) р/ — средняя плотность смеси, кг/м3; ф - локальное объемное содержание частиц, д. е.; рр - плотность частицы, кг/м3; р/ - плотность жидкости, кг/м3; цт - средняя вязкость смеси, Па с.

Эксперименты показали, что при dp* = 4,4 для суспензии типа водостеклянный порошок наблюдается максимальный коэффициент теплопередачи [56-58].

Исследована теплопередача для смеси вода - частицы полевого шпата с турбулентным режимом движения в кольцевом пространстве. Экспериментально показано комбинированное влияние на коэффициент теплопередачи размера частиц, гидравлического диаметра кольцевого пространства, отношения гидравлического диаметра к среднему диаметру частицы, концентрации частиц в смеси, чисел Прандтля и Рейнольдса. На рис. 45 приведен график экспериментальной зависимости относительного увеличения коэффициента теплопередачи^//?^ - 1)* 100 (hs - коэффициент теплопередачи для потока смеси вода - частицы полевого шпата в кольцевом пространстве, Вт-К/м2; hsw - коэффициент теплопередачи для однофазного потока воды в кольцевом пространстве, Вт*К/м2) от безразмерного параметра dp*.

Результат аппроксимации экспериментальных значений коэффициента теплопередачи для смеси вода - частицы полевого шпата функцией Лоренца d*

Рис. 45. Результат аппроксимации экспериментальных значений коэффициента теплопередачи для смеси вода - частицы полевого шпата функцией Лоренца dp*

Как видно из рис. 45, при определенной комбинации вышеперечисленных параметров коэффициент теплопередачи для смеси может достичь значений, превышающих значения для однофазного потока более чем два раза [58].

Таким образом, неучет механической примеси в модели теплообмена между ПЭД и песчаножидкостной смесью может приводить к погрешностям расчета коэффициента теплопередачи более чем в 2 раза.

Объяснение такого поведения параметра (hs/hsw - 1) 100 на графике может быть следующим. При средних значениях Rem и высоких концентрациях частиц радиальная функция распределения частиц (РФРЧ) становится равномерной, т. е. смесь в кольцевом пространстве имеет стабильную однородность. Взаимодействие частиц друг с другом и с турбулентными вихрями может подавлять турбулентный режим течения и, как следствие, снижать до минимума отношение hs / hsw. Вместе с тем увеличение плотности смеси рш в некоторой степени может способствовать теплопередаче за счет уменьшения толщины вязкого пограничного слоя, причиной которого является увеличение взаимодействия твердых частиц со стенкой. В таких условиях уменьшается степень свободы движения частиц в радиальном направлении.

Достаточно значительным фактором для теплообменных процессов являются удельные теплоемкости жидкости и механических частиц. При увеличении концентрации механических примесей теплоемкость смеси становится ниже, чем у воды, так как теплоемкость частиц полевого шпата почти в 5 раз меньше теплоемкости воды [59, 60].

При низких значениях Rem и небольшой концентрации частиц (режим движения остается турбулентным) влияние РФРЧ на теплопередачу становится более значимым. Экспериментальные данные [61] показали, что содержание частиц вблизи стенки ПЭД меньше, чем у стенки эксплуатационной колонны при восходящем потоке смеси. Это означает, что твердые частицы, находящиеся вблизи внутренней стенки кольцевого зазора, имеют большую степень свободы для взаимодействия со стенкой, что уменьшает толщину пограничного слоя. Это обстоятельство будет стимулировать процесс теплопередачи, так как он проходит через внутреннюю стенку кольцевого зазора. Противодействие двух указанных эффектов (взаимодействие частиц со стенкой и изменение теплоемкости смеси), увеличение коэффициента теплопередачи hj hsw будут меняться в зависимости от плотности смеси и радиального распределения частиц. При высоких значениях Rem параметр (hs/ hsw - 1)100 уменьшается, так как твердые частицы приобретают достаточно большой импульс в направлении движения потока. При этом радиальное движение частиц подавляется, а толщина вязкого пограничного слоя за счет взаимодействия частиц со стенкой больше не уменьшается. Этот эффект может исчезнуть из-за увеличения концентрации частиц, которое приведет к более интенсивному столкновению частиц со стенкой. Параметр (hs/hsw - 1)* 100 снова возрастет с увеличением числа Рейнольдса, особенно при относительно высоких концентрациях мелких и средних частиц, которые легко увлекаются вихрями, что положительно влияет на процесс теплопередачи. Более крупные частицы будут снова подавлять турбулентный режим течения даже при высоких числах Рейнольдса.

Для моделирования теплообмена плотность и теплоемкость смеси необходимо усреднить по объемному и массовому содержанию частиц по формулам [6]:

где Ст, Ci, Ср - удельная теплоемкость, соответственно, смеси, жидкости и частицы, Дж/(кг/К); X - локальное массовое содержание частиц, д. е.

Для расчета вязкости и коэффициента теплопроводности Кофа- нов (1964) и Смит (1982) [59] рекомендуют следующие соотношения:

где 11/, ki - соответственно вязкость, Па*с и теплопроводность, Вт/(м*К), жидкости; кт - теплопроводность песчаножидкостной смеси, Вт/(м*К); кр - теплопроводность частицы, Вт/(м*К).

С помощью приведенных соотношений рассчитаем коэффициент теплопередачи для любого режима течения. Для турбулентного режима течения необходимо учесть взаимодействие твердых частиц с вязким пограничным слоем.

Для потока жидкости без механических примесей коэффициент теплопередачи определим из числа Нуссельта, которое рассчитывается из соотношения Петухова - Розена [60]:

где Re/ = Dh щ p/ / p/; Pr/ = С/ p// ki Q, ki, р/, р/ - соответственно теплоемкость, Дж/(кг*К), теплопроводность, Вт/(м*К); динамическая вязкость, Па с, и плотность, кг/м3, жидкости без учета механических примесей.

Учет влияния взаимодействия частиц с пограничным слоем учитывается с помощью уравнения [61]:

где у = (hs/hsw - 1) • 100; x = dp*; у0 = -25,85; хс = 3,90; w = 3,89; А = 878,49.

Выразив из уравнения (4.27) отношение hs/hsw как функцию dp* и умножив на это отношение рассчитанный коэффициент теплопередачи hi, используя (4.29), получим коэффициент теплопередачи для песчаножидкостной смеси.

Экспериментальные зависимости между параметрами теплообменного процесса (для ПЭД140-117М, частиц полевого шпата среднего размера в 50 мкм с концентрацией 1 000 мг/л) показаны на рис. 46, 47 [6, 34].

Зависимость температуры ПЭД от скорости смеси с учетом (1) и без учета (2) механической примеси

Рис. 46. Зависимость температуры ПЭД от скорости смеси с учетом (1) и без учета (2) механической примеси

Зависимость температуры ПЭД от скорости смеси с учетом (1) и без учета (2) взаимодействия частиц с вязким пограничным слоем

Рис. 47. Зависимость температуры ПЭД от скорости смеси с учетом (1) и без учета (2) взаимодействия частиц с вязким пограничным слоем

Из рис. 47 видно: при небольших скоростях жидкости (около 0,3 м/с) различие в температуре двигателя может быть существенным и достигать 6 °С и выше. Это означает, что неучтенный теплообмен в моделях твердой фазы занижает температуру ПЭД.

Как видно из рис. 47, при небольших скоростях жидкости (0,8- 0,9 м/с) взаимодействие частиц с пограничным слоем интенсифицирует теплопередачу. Эффект обеспечивается тем, что большая степень свободы твердых частиц способствует улучшению теплообмена.

Зависимость температуры ПЭД от скорости песчаножидкостной смеси и среднего диаметра частиц dp представлена на рис. 48.

При скорости 0,4-1,3 м/с компоновка установки кожухом ухудшает теплообменный процесс, что видно из рис. 49.

Согласно предложенной теории это связано с комбинированным влиянием среднего диаметра частиц, гидравлического диаметра кольцевого пространства, концентрации частиц в смеси, входящих в безразмерный параметр dp*. При указанной скорости потока и величине зазора 16,5 мм параметр dp* имеет величину от 2 до 6. При таких значениях параметра частицы твердой фазы активно взаимодействуют с пограничным слоем, уменьшая его толщину и тем самым усиливая теплопередачу [60]. После установки кожуха величина зазора снижается, а параметр d* становится больше 8 (в соответствии с формулой (4.29) при скорости потока 0,4-1,3 м/с.

но

Зависимость температуры ПЭД от скорости песчаножидкостной смеси и среднего диаметра частиц d

Рис. 48. Зависимость температуры ПЭД от скорости песчаножидкостной смеси и среднего диаметра частиц dp

Зависимость температуры ПЭД от скорости песчаножидкостной смеси и величины кольцевого зазора между электродвигателем и эксплуатационной колонной

Рис. 49. Зависимость температуры ПЭД от скорости песчаножидкостной смеси и величины кольцевого зазора между электродвигателем и эксплуатационной колонной

Приведенные выше рассуждения позволяют считать диапазон изменения параметра dp* в пределах 2-6 самым оптимальным для эффективной работы УЭЦН в условиях пескопроявления. Особенно

in важное значение имеет сохранение параметра dp* в указанных пределах для вывода скважин на режим после ее освоения или проведения геолого-технических мероприятий. Необходимо запрограммировать технологические параметры эксплуатации УЭЦН таким образом, чтобы не допускать перегрева электродвигателя. Периодические остановки на охлаждение электродвигателя приводят к недобору скважинной продукции, ухудшают экономические показатели нефтедобывающего предприятия.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>