Экспериментальное определение коэффициента Джоуля — Томсона пластовой воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический институт

Кафедра геофизики

Направление подготовки - (специальности) «Технология

геологической разведки»

Курсовая работа

«Экспериментальное определение коэффициента Джоуля -- Томсона пластовой воды»

Студент

Федотов В.Я

УФА - 2015

Содержание

Введение

1. Теоретическое обоснование эффекта Джоуля - Томсона

2. Применение эффекта Джоуля - Томсона в нефтепромысловой отрасли

3. Экспериментальное определение коэффициента Джоуля -Томсона

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В процессе эксплуатации месторождений нефти и газа необходимо получать достоверную информация о пласте и должен осуществляться контроль технического состояния скважины. Для этого применяется множество геофизических методов, основанных на измерении параметров различных физических полей вдоль ствола скважины. Основными эффектами, обуславливающими температурное поле в пласте и в скважине, являются: эффект Джоуля-Томсона, адиабатический, баротермический, смешивания и теплоты разгазирования [1]. Решение практических задач базируется на анализе формы температурной кривой и величины температурной аномалии. Температурная аномалия, в свою очередь, выделяется на основе сопоставления зарегистрированной термограммы с геотермической (базовой). Опыт показывает, что эффект Джоуля-Томсона оказывает значительное влияние на распределение температуры и её аномалий в стволе скважины [2].

1. Теоретическое обоснование эффекта Джоуля - Томсона

Эффектом Джоуля -- Томсона называется изменение температуры газа или жидкости при адиабатическом дросселировании -- медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку). Данный эффект является одним из методов получения низких температур.

Эффект Джоуля-Томсона объясняется тем, что внутренняя энергия газа определяется не только хаотическим тепловым движением молекул. В реальном газе существуют и межмолекулярные силы взаимодействия, где присутствуют и притяжение, и отталкивание; соотношение между ними определяется как природой газа, так и температурой и давлением. О силах притяжения писал Д. И. Менделеев, когда объяснял “точку абсолютного кипения” жидкостей[4].

При дросселировании производится внутренняя работа, затрачиваемая на раздвижение молекул вопреки силам их взаимного притяжения. В результате часть энергии теплового движения молекул переходит в потенциальную энергию их взаимодействия. Соответственно температура газа понижается, хотя общая его энергия не изменяется. Происходит лишь ее перераспределение - убыль кинетической и рост потенциальной [9].

Эффект был обнаружен и исследован английским учёными Дж. Джоулем У. Томсоном в 1852--62 г. В опытах Джоуля - Томсона измерялась температура в двух последовательных сечениях непрерывного и стационарного потока газа (до дросселя и за ним, рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема опыта Джоуля -- Томсона.

Примечание: в теплоизолированной трубке создаётся стационарный проток газа. После прохождения газа через дроссель(ограничитель, регулятор) его давление - p, удельный Объём - V и температура - Т изменяются.

Значительное трение газа в дросселе (мелкопористой пробке из ваты) делало скорость газового потока ничтожно малой, так что при дросселировании кинетическая энергия потока была очень мала и практически не менялась. Благодаря низкой теплопроводности стенок трубы и дросселя теплообмен между газом и внешней средой отсутствовал. При перепаде давления на дросселе Дp = p₁ -- р₂, равном 1 атмосфере (1,01*10⁵ н/м²), измеренная разность температур ДT = T₂ -- T₁ для воздуха составила -- 0,25°С (опыт проводился при комнатной температуре). Для углекислого газа и водорода в тех же условиях ДТ оказалась, соответственно, равной -1,25 и +0,02°С. Эффект Джоуля - Томсона принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (ДТ < 0), и отрицательным, если газ нагревается (ДТ > 0).

Изменение энергии

Изменение энергии газа в ходе этого процесса будет равно работе:

U₂-U₁ = P₁V₁-P₂V₂ (1.1)

Следовательно, из определения энтальпии

(H = U + PV) (1.2)

H=U+PV) следует, что процесс изоэнтальпиен. Изменение температуры

Изменение температуры при малом изменении давления (дифференциальный эффект) в результате процесса Джоуля -- Томсона определяется производной,

(1.3)

Называемый коэффициентом Джоуля -- Томсона. С помощью элементарных преобразований можно получить выражение для этого коэффициента:

(1.4)

где -- теплоёмкость при постоянном давлении, Т - температура, Р - давление, Н - постоянная энтальпия, V - объем газа, б - коэффициент теплового расширения. Для идеального газа , а для реального газа он определяется уравнением состояния. Если при протекании газа через пористую перегородку температура возрастает (), то эффект называют отрицательным, и наоборот, если температура убывает (), то процесс называют положительным. Температуру, при которой меняет знак, называют температурой инверсии [5].

Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества, Эффект Джоуля - Томсона свидетельствует о наличии в газе сил межмолекулярного взаимодействия (обнаружение этих сил было целью опытов Джоуля и Томсона). Действительно, при взаимном притяжении молекул внутренняя энергия (U) газа включает как кинетическую энергию молекул, так и потенциальную энергию их взаимодействия. Расширение газа в условиях энергетической изоляции не меняет его внутренней энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетической. В результате тепловое движение молекул замедлится, температура расширяющегося газа будет понижаться. В действительности процессы, приводящие к Эффекту Джоуля - Томсона, сложнее, т.к. газ не изолирован энергетически от внешней среды. Он совершает внешнюю работу (последующие порции газа, справа от дросселя, теснят предыдущие), а слева от дросселя над самим газом совершают работу силы внешнего давления (поддерживающие стационарность потока). Это учитывается при составлении энергетического баланса в опытах Джоуля -- Томсона. Работа продавливания через дроссель порции газа, занимающей до дросселя объём V₁, равна p₁V₁. Эта же порция газа, занимая за дросселем объём V₂, совершает работу p₂V₂. Проделанная над газом результирующая внешняя работа A = p₁V₁ -- p₂V₂ может быть как положительная, так и отрицательная. В адиабатических условиях она может пойти только на изменение внутренней энергии газа: A = U₂ -- U₁. Отсюда, зная уравнение состояния газа и выражение для U, можно найти ДT [11].

Величина и знак эффекта Джоуля Томсона определяются соотношением между работой газа и работой сил внешнего давления, а также свойствами самого газа, в частности размером его молекул.

Для идеального газа, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, не взаимодействующие между собой Эффект Джоуля - Томсона равен нулю .

В зависимости от условий дросселирования один и тот же газ может как нагреваться, так и охлаждаться. Температура, при которой (для данного давления) разность ДT, проходя через нулевое значение, меняет свой знак, зависимости температуры инверсии от давления показана на рис. 1.2. называется температурой инверсии эффекта. Кривая инверсии отделяет совокупность состояний газа, при переходе между которыми он охлаждается, от состояний, между которыми он нагревается. Значения верхних температур инверсии (Ti, max, рис. 1.2) для ряда газов приведены в таблице 1.1 [9].

Рис. 1.2. Кривая инверсии азота. В пределах кривой эффект Джоуля -- Томсона положителен (ДT < 0), вне кривой -- отрицателен (ДТ > 0). Для точек на самой кривой эффект равен нулю

Эффект Джоуля -- Томсона характеризуемый малыми значениями ДT при малых перепадах давления Др, называют дифференциальным. При больших перепадах давления на дросселе температура газа может изменяться значительно. Например, при дросселировании от 200 до 1 атмосферы и начальной температуре 17°С воздух охлаждается на 35°С. Этот интегральный эффект положен в основу большинства технических процессов сжижения газов[6].

Табл. 1.1 Значения верхних температур инверсии для ряда газов.

Суть физического процесса заключается в том, что эффект в решающей степени зависит от небольшого отклонения от идеального газа, заданной межмолекулярных сил. Когда газ расширяется, среднее расстояние между молекулами возрастает. Из-за этого межмолекулярного взаимодействия, расширение вызывает увеличение потенциальной энергии газа. Если никакой внешней работы не совершается в процессе, и тепло не передается, полная энергия газа остается такой же из-за сохранения энергии. Увеличение потенциальной энергии, таким образом, предполагает уменьшение кинетической энергии и, следовательно, температуры.

Вязкостный механизм имеет противоположный эффект. При столкновении молекулы газа, кинетическая энергия временно преобразуется в потенциальную энергию (в соответствии с отталкивающей части межмолекулярного силы). В среднем увеличение межмолекулярного расстояния, есть снижение числа столкновений в единицу времени, что приводит к снижению средней потенциальной энергии. Опять же, полная энергия сохраняется, так что это приводит к увеличению кинетической энергии (температуры).

В области, ограниченной кривой инверсии Джоуля-Томсона, первый эффект (работа внутри против межмолекулярных сил притяжения) доминирует, и свободное расширение приводит к снижению температуры. Вне области, ограниченной кривой инверсии, молекулы газа движутся быстрее и так сталкиваются чаще, и последний эффект (снижение столкновения, вызывающие уменьшение средней потенциальной энергии) доминирует [10].

Течение жидкостей и газов через пористые или трещиноватые породы рассматривается в подземной гидравлике как изотермический процесс. Во многих практических случаях постулирование постоянной температуры подземных потоков не приводит к серьезным последствиям. Это было показано в 1939 г. Б.Б. Лапуком, который впервые рассматривал подземное течение как дроссельный процесс. С тех пор, как вытекает из монографии А. Э. Шейдеггера, в которой освещаются материалы по проблеме течения в пористой среде за последнее двадцатилетие, температурные режимы потоков в пористой среде ни в Советском Союзе, ни за рубежом по существу не изучали. По мере развития техники глубинных измерений (в частности, с повышением точности и чувствительности глубинных дистанционных термометров) подземные температурные процессы оказались доступными для непосредственных наблюдений. Открылись реальные возможности для существенного расширения информации о процессах, происходящих в нефтяных и газовых месторождениях. Практика показала высокую разрешающую способность температурных кривых по температуре и в этой связи, естественно, возрос практический интерес к теории термодинамических явлений в условиях пористой среды. Первые температурные исследования земных недр проводились геофизиками и ограничивались изучением естественного теплового поля Земли. Итоги этих исследований излагаются во многих работах, например в монографиях В. Н. Дахнова и Д. И. Дьяконова, в более общем плане в монографии Б. Гутенберга и др. Вопросам конвективного нагревания пористой среды уделялось относительно много внимания в последнее десятилетие в связи с разработкой различных методов теплового воздействия на пласт с целью повышения нефтеотдачи. К первым теоретическим работам в этой области можно отнести работы И. А. Чарного, Э. Б. Чекалюка, Л. П. Рубинштейна и др. Аналогичные задачи, связанные с охлаждением пласта при нагнетании воды в скважину, рассматривали Э. Б. Чекалюк, М. А.Пудовкин и др.

Проблемы переноса тепла и вещества в пористых, а вернее в капиллярнопористых телах впервые рассматривались в области почвоведения и теории сушки. Итоги этих работ излагаются в монографии В. А. Лыкова. Исходная система дифференциальных уравнений в частных производных, выведенная для указанных целей, учитывает теплопроводный и конвективный перенос тепла, теплоту испарения и конденсации, капиллярные эффекты и закон Дарси, но не содержит членов уравнения, которые имеют решающее значение в условиях работы нефтяных и газовых залежей, учитывающих влияние эффекта Джоуля-Томсона и температурный эффект адиабатического расширения пластовых жидкостей и газов. Взаимосвязь между изменениями пластовых температур и давлений во времени и в пространстве при стационарном режиме работы скважины была впервые установлена автором в этой работе дано уравнение тепловых потоков в пористой среде с учетом дроссельного эффекта и теплообмена между компонентами пористой среды. Впоследствии автором было получено полное дифференциальное уравнение энергии для потока упругой жидкости в пористой среде, которое легло в основу изучения тепловых явлений, связанных с подземным движением жидкостей и газов[1].

2. Применение эффекта Джоуля Томсона в нефтепромысловой отрасли

Применение метода термометрии с использованием эффекта Джоуля - Томсона позволяет решать сложные задачи промыслового характера в эксплуатационных скважинах. Также с помощью этого метода возможно разделение участков, работающих водой и нефтью.

Числовое значение коэффициента зависит от состава флюида, поступающего в скважину, и его температуры. В исследованиях Чекалюка Э.Б., коэффициент Джоуля-Томсона получился равным: для природных горючих газов при температурах 20--200 °C и давлениях 5--30 МПа в пределах (0,05-0,45°C/атм.); для воды в пределах (0,018-0,024°C/атм.); для нефти в пределах (0,036-0,06°C/атм.) [7].

На рис.2.1 приведены результаты исследований фонтанирующей скважины. Интервал перфорации расположен на глубине 2347-2351м. Исследования проводились на трех стационарных режимах. По промысловым данным скважина работала безводной нефтью. Имеется длинный зумф с участком ненарушенного геотермического распределения температуры. Продлив этот участок до подошвы интервала перфорации можно с достаточной точностью восстановить геотермическую температуру в подошве интервала перфорации. Уменьшение забойного давления (увеличение депрессии - Др) приводит к увеличению температуры притекающего, из зоны перфорации, флюида. В таблице 2.1 приведены параметры соответствующие стационарным режимам работы скважины. Расчетный коэффициент Джоуля-Томсона (в данном случае для нефти) колеблется в пределах 0,0309-0,0320°C/атм.. Некоторая несходимость с экспериментальными результатами коэффициента, полученными Чекалюком Э.Б., возможно связана с квазистационарным режимом работы скважины. Другой причиной заниженного значения коэффициента Джоуля-Томсона может быть влияние состава самой нефти, а также наличие в продукции скважины небольшого количества воды.

Рис.2.1. Влияние эффекта Джоуля-Томсона на распределение температур при понижении забойного давления в фонтанирующей скважине

Табл.2.1. Сводная таблица результатов обработки термограммы

где Q - дебит скважины, ?p - величина депрессии, ?Т - величина температурной аномалии, е - коэффициент Джоуля-Томсона

В нагнетательных скважинах эффект Джоуля-Томсона в интервале перфорированного пласта практически отсутствует. В данном случае дроссельный эффект проявляется в призабойной зоне внутри пласта по пути движения нагнетаемой жидкости. При нагнетании жидкости температура внутри пласта становится выше, чем на забое, при нагнетании газа -- ниже. Однако обнаружить этот эффект внутрипластового охлаждения или нагревания в нагнетательной скважине достаточно трудно.

На основании температурных измерений в скважине в настоящее время определяют местоположение продуктивного пласта, газонефтяного контакта, места потери циркуляции в бурящейся скважине, глубину нахождения цемента, закачанного под давлением, зоны гидроразрыва.

Эффект Джоуля-Томсона может быть использован для активного воздействия на пласт холодом или теплом. Охлаждение или замораживание забоя скважины путем продавливания углеводородного газа через дроссельный элемент, опущенный в скважину на насосно-компрессорных трубах, не представляет технических трудностей. В связи с этим можно осуществить внутрипластовое замораживание путем создания в пласте холодного кольца вокруг скважины на заданном расстоянии от ее оси с температурой ниже нуля, причем забойная температура может оставаться начальной; такое кольцо не пропускает воды к застывшей нефти и может быть использовано как для разобщения пластов, так и для многократного гидроразрыва [3].

3. Экспериментальное определение коэффициента Джоуля - Томсона

Описание экспериментальной установки для определения коэффициента Джоуля - Томсона. Общий вид установки показан на рис. 3.1

,

Рис 3.1 Общий вид экспериментальной установки

Где, 1 - баллон с исследуемым газом; 2 - редуктор, подобный тем, которые используются для бытовых баллонов со сжиженным пропаном, для понижения давления от 50 атм. до уровня, необходимого для работы установки; 3 - измерительная ячейка; 4 - термодатчики; 5 - термометрическое устройство.

Конструкция измерительной ячейки представлена на рис. 3.2

Рис 3.2 конструкция измерительной ячейки

Газ выходя из баллона через редуктор, расширяется и охлаждается. Поэтому сначала он проходит через теплообменник 1, в котором снова доводится до комнатной температуры. Из теплообменника газ через пластиковый шланг 3 и манометр 4 поступает на левую половину 5 камеры дросселирования. Левая половина через пористую таблетку (фритту) 6 сообщается с правой половиной 7, в которой газ находится уже при атмосферном давлении. Дифференциальный манометр измеряет разность давлений между двумя частями камеры. Шкала манометра отградуирована в барах (1 бар = 10⁵ Па). Два резистивных датчика температуры 2 и 9 используются для измерения температур в двух частях камеры и закрепляются с помощью заглушек с резьбовым уплотнением. Исследуемый газ поступает в ячейку из выпускного крана редуктора через шланг и оливку 10 и выходит через выпускное отверстие 8. Датчики температуры 2 и 9 подключаются к специальному термометрическому устройству. Термометрическое устройство может работать в двух режимах: обычном, в котором оно показывает температуры двух датчиков с точностью до 0,1 К, и в дифференциальном в котором показывает температуру одного из датчиков, а также разность температур с точностью до 0,01 К [12].

Экспериментальная установка определения коэффициента Джоуля - Томсона для исследования термодинамических параметров пластовых флюидов «ПИК - ОФП - 2 - СУ - 70 - 40 - 1 -РР - ФС» производства ЗАО «Геологика» г. Новосибирск (рис.3.3).

Рис. 3.3 Экспериментальная установка для исследования термодинамических параметров пластовых флюидов «ПИК - ОФП - 2 - СУ - 70 - 40 - 1 -РР - ФС»

нефтепромысловый джоуль томсон установка

Некоторые технические характеристики установки «ПИК - ОФП - 2 - СУ - 70 - 40 - 1 -РР - ФС» представлены на рис 3.4

Рис. 3.4 Технические характеристики программно - измерительного комплекса«ПИК - ОФП - 2 - СУ - 70 - 40 - 1 -РР - ФС»

Назначение установки.

Установка позволяет выполнять исследования фильтрационно - емкостных и электрических свойств образцов керна в пластовых условиях ПИК - ОФП - 2 - СУ - 70 - 40 - 1 -РР - ФС.

Принципиально комплекс состоит: из блока подачи рабочих сред, дроссельной ячейки или кернодержателя для создания пластовых условий, контейнеров для хранения рабочих жидкостей, регулятора противодавления, системы поддержания температуры керна. Создание и поддержание давления потоков жидкости в системе обеспечивают плунжерные насосы. Пара плунжеров создает непрерывный поток жидкости через образец керна. Коммутация потоков от каждого плунжера осуществляется четырьмя автоматическими клапанами. Движущей частью плунжерного насоса является шаговый двигатель (ШД) и редуктор. Вращение редуктора передается в поступательное движение плунжера насоса через шаровую винтовую передачу (ШВП).

Конструкция кернодержателя обеспечивает трех осевое сжатие керна горным давлением. Два порта отвода давления в средней части образца позволяют производить точное измерение дифференциального давления, исключая краевые эффекты. Плунжерные насосы соединены с разделительными емкостями, содержащими разделительный поршень для отделения рабочей жидкости от гидравлической жидкости насосов.

Температура рабочей жидкости поддерживается с помощью нагревателей, расположенных на поверхности кернодержателя и разделительных ёмкостей.

Ниже представлена гидравлическая схема установки (рис.3.5).

Рис. 3.5. Блок - схема установки для исследования термодинамических параметров пластовых флюидов ПИК - ОФП - 2 - СУ - 70 - 40 - 1 -РР - ФС

Принципиально комплекс состоит: из блока подачи рабочих сред (плунжерные насосы (H)), контейнеров для хранения рабочих жидкостей (СР), регулятора противодавления, манометров (D) и дифференциальных манометров (DD) для определения перепада давления на дросселе, датчиков температур (T) для определения перепада температуры на дросселе, кранов (КР). Создание и поддержание давления, потоков жидкостей в системе обеспечивают плунжерные насосы. Пара плунжеров создает непрерывный поток жидкости через дроссель

При замене кернодержателя на дроссельную ячейку с помощью данной экспериментальной установки возможно определение коэффициентов Джоуля - Томсона для флюидов, воды и нефти [8].

Конструкция дроссельной ячейки используемой в установки для исследования термодинамических параметров пластовых флюидов ПИК - ОФП - 2 - СУ - 70 - 40 - 1 -РР - ФС представлена на рис. 3.6.

Рис.3.6. Конструкция ячейки для исследования термодинамических параметров пластовых флюидов, нефти и воды.

На рисунке, 1 - трубка подающая флюид, 2 трубка с флюидом на выходе, 3 и 4 термометрические датчики измеряющие температуру флюида на входе и на выходе, 5 шток(дроссель), создающий перегородку.

Подавая жидкость под давлением, мы можем замерить её температуру до и после прохождения дросселя, тем самым мы можем экспериментально установить коэффициент Джоуля - Томсона для различных жидкостей.

Заключение

В данной курсовой работе мною были изучены физические основы экспериментального определения коэффициента Джоуля-Томсона. Было установлено, что экспериментальное значение данного коэффициента для пресной воды совпадает с полученным значением Чекалюка Э.Б. К сожалению, из-за конструкционных недоработок дроссельной ячейки не удалось произвести работу по определению коэффициента Джоуля-Томсона для пластовой воды. В будущем мною будут производится исследования коэффициента Джоуля-Томсона как для "чистых" нефтей, так и для водонефтяных эмульсий. Также в будущем будут разработаны и изготовлены более усовершенствованные дроссельные ячейки, которые в дальнейшем мы собираемся использовать для определения коэффициента Джоуля - Томсона.

Список используемой литературы

1) Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.:Недра, Москва, 1965. 240 c.

2) Крутова В.И. Техническая термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. 384 с.

3) Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта. М.:Недра, 1971. 312 с.

4) Кошкин В.К., Михайлова Т.В. Термодинамическая теория истечения газов и паров. М.: Изд-во МАИ, 1983. 54 с.

5) Базаров И. П. Учеб. для физ. спец. ун-тов. М.: Высш. шк., 1983. 344 с.

6) Малков М.П., Данилов И.Б., Зельдович А.Г., Фрадков А.Б. Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения. М.:Госэнергоиздат. 1963. 416 с. 7)http://www.geonda.ru/interpretaciya_rezuljtatov_geofizicheskih_issledovanij_skvazhin/chastj_1/glava_vii_termometriya_skvazhin/_23_metody_izucheniya_mestnyh_teplovyh_polej (Определение коэффициента Джоуля- Томсона методом термометрии)

8) Руководство по эксплуатации. Установка для исследования термодинамических параметров пластовых флюидов ПИК-ОФП-2-СУ-70-40-1-РР-ФС. Новосибирск 2014. 38 с.

9) Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. М.: Наука, 1995. 272с.

10) Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Академия, 2006. 560с

11) . Филиппов А.И. Баротермический эффект при переходных режимах работы скважины. М.:Нефть и газ. 1987.183с.

12) Аметов ИМ. О модели фильтрации газированной жидкости, предложенной А.С.Лейбензоном М.:Нефть и газ. 1979 164с.

Размещено на Allbest.ru