No abstract

Устойчивость тонкостенных оболочечных конструкций исследуется в рамках геометрически нелинейной теории оболочек. При этом процесс деформирования оболочки удается проследить при различных уровнях нагрузки. По изменению формы изогнутой поверхности оболочки до и после критических нагрузок можно определить местные и общие формы потери устойчивости. Предполагается, что материал оболочки может быть как изотропным, так и ортотропным, но в процессе деформирования он сохраняет линейно-упругие свойства. Математическая модель деформирования оболочки представляет собой функционал ее полной потенциальной энергии деформации. Для минимизации функционала применяются две методики. Одна из них основывается на методе L-BFGS при дискретной аппроксимации искомых функций NURBS-поверхностями (это дает возможность учитывать различные формы закрепления контура оболочки и сложный вид этого контура), другаяна методе Ритца и методе продолжения решения по наилучшему параметру при непрерывной аппроксимации искомых функций перемещений и углов поворота нормали (с помощью этой методики находятся верхние и нижние значения критических нагрузок и положения точек бифуркации). Совместное использование методик позволяет исследовать как докритическое, так и закритическое поведение конструкции и установить ее местные и общие формы потери устойчивости и их взаимосвязь. Представлены графики зависимости «нагрузка qпрогиб W», отображающей равновесное состояние оболочки, на которых видны все моменты потери ею устойчивости вследствие «прохлопывания» какой-то ее части. При этом каждая потеря устойчивости вызывает существенную деформацию изогнутой поверхности. Показаны формы оболочки на докритической и закритической стадиях, для наглядности откладываемые от ее трехмерной недеформированной поверхности. После общей потери устойчивости оболочка в ответ на нагрузку деформируется уже без существенного изменения формы поверхности, то есть ведет себя подобно плите.

No abstract

Ссылка для цитирования: Костарев Н.А., Труфанова Н.М. Применение численного моделирования для анализа эффективности греющего кабеля при добыче высоковязкой нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 2. – С. 99-110. Актуальность исследования обуславливается заметным в последние годы увеличением трудноизвлекаемых запасов нефти, связанным с неуклонным истощением легких, маловязких углеродных залежей. Для тяжелых, высоковязких нефтей и природных битумов характерно высокое содержание асфальтенов, смол и парафинов, что приводит к технологическим трудностям и ряду осложнений при извлечении и транспортировке флюида. Для решения проблем, связанных с добычей трудноизвлекаемой нефти, необходимо применять дополнительные технологические операции, направленные на снижение вязкости флюида, что приводит к увеличению себестоимости добываемого сырья. Одним из таких методов может быть прогрев ствола скважины греющим кабелем с целью поддержания необходимой температуры потока и сохранения текучести нефти. Основным недостатком данного метода является высокое энергопотребление, которое можно снизить с помощью методов математического моделирования процессов тепломассопереноса в нефтяной скважине, позволяющих оценить тепловой эффект от работы нагревательного кабеля и определить необходимые технологические характеристики оборудования для беспроблемной эксплуатации скважины. Цель: исследовать влияние нагревательного кабеля на эксплуатацию скважин с высоковязкой нефтью, а также определить необходимые технологические параметры нагрева, при которых нефть сохраняет свою текучесть и обеспечивает нормальную работу глубинно-насосного оборудования. Объект: вертикальный участок нефтяной скважины, где применяется нагревательный кабель для снижения вязкости флюида, расположенной на одном из месторождений республики Южный Судан. Методы: экспериментальное определение реологических и теплофизических свойств нефти на лабораторном оборудовании методами дифференциальной сканирующей калориметрии и реометрии, результаты которого были использованы в качестве исходных данных при математическом моделировании процессов тепломассопереноса в нефтяной скважине с греющим кабелем с целью оценки теплового эффекта от его работы. Численное моделирование дифференциальных уравнений в частных производных осуществлялось с помощью метода конечных объемов в программном комплексе Ansys Fluent. Результаты и выводы. Были получены поля температур, статического давления и скоростей в нефтяной скважине с учетом реологических и теплофизических свойств добываемого сырья при работе нагревательного кабеля с различной мощностью и без него. Показано, что наличие греющего кабеля в скважине благоприятно сказывается на эксплуатационных характеристиках, приводит к снижению вязкости нефти на несколько порядков, уменьшению перепада давления в лифтовых трубах на несколько единиц МПа за счет уменьшения потерь на вязкое трение и росту средней скорости потока. Получено, что эффективность добычи на рассматриваемой скважине можно повысить путем замены нагревательного кабеля на высокотемпературный кабель большей длины, что приведет к увеличению коэффициента подачи и межремонтного периода электроцентробежного насоса за счет поддержания вязкости нефти выше критического значения на всем участке скважины.

No abstract