Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений
..pdfВ Ивано-Франковском институте нефти и газа под руко
водством Р. С. |
Яремийчука |
разработаны методы |
освоения, |
а также устройства (типов УОС и УЭОС) на основе |
использо |
||
вания струйного |
насоса (рис. |
5.12). В скважину в компоновке |
с НКТ спускают устройство для обработки скважин УОС-1 или корпус устройства эжекторного для освоения скважин УЭОС-1.
Устройство УЭОС-1 спускается под действием собственного
веса |
в предварительно" установленный |
корпус, а поднимается |
||
с помощью специального ловителя, спускаемого на кабеле. |
||||
Принцип работы устройств основан на передаче кинетиче |
||||
ской |
энергии от рабочей жидкости к |
пластовой — эжектируе- |
||
мой. |
Рабочая жидкость (вода, |
водный |
раствор хлористого |
нат |
рия |
или кальция) насосными |
агрегатами прокачивается |
под |
высоким давлением по НКТ через устройство, а смесь рабочей и пластовой жидкостей выходит по затрубному пространству, отделенному от пласта пакером. В результате под пакером сни жается давление (создается депрессия). После прекращения подачи рабочей жидкости давление на пласт восстанавливается. Одну обработку выполняют 20—30 циклами при продолжитель ности воздействия за каждый цикл 5—10 мин. В результате цик лического воздействия на пласт в режиме депрессия — восста новление забойного давления происходит очистка призабойной зоны.
Этот метод широко применяется на месторождениях Запад ной Сибири для вызова притока, очистки призабойной зоны, а также для удаления продуктов реакции после кислотной об работки.
Контрольные вопросы
1.Охарактеризуйте работы по вскрытию продуктивного пласта буре нием и перфорацией с позиций безаварийного их осуществления, сохранения фильтрационной способности коллектора и достижения высокого гидроди намического совершенства скважин.
2.Как определяют параметры гидропескоструйной перфорации при ее
проектировании?
3. Как вызывают приток жидкости в скважины?
4. Нарисуйте кривые распределения температуры вдоль ствола нефтя ной скважины. Какими факторами обусловлен их характер? Запишите урав нение естественной геотермы.
5.Нарисуйте типичные индикаторные линии. Как их обрабатывают?
6.Назовите причины искажения кривых восстановления давления в сква жинах, обрабатываемых методом касательной? Покажите характер искаже ния на графиках.
7.Расскажите о методике оценки скин-эффекта и типа коллектора по разностным кривым восстановления давления.
8.Как оценить возможное давление нагнетания на устье скважины при осуществлении гидроразрыва пласта?
9.Зачем и как проводят тепловую обработку призабойной зоны пласта?
10. Охарактеризуйте основные компоненты солянокислотного раствора.
11. Расскажите об обработках призабойной зоны с использованием гра нулированного магния.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОДЪЕМНИКА
При эксплуатации скважины любым (фонтанным, газлифтным, насосным) способом по мере передвижения нефти по стволу с забоя на поверхность из нее обычно выделяется растворен ный газ и образуется газожидкостная смесь. Закономерности движения газожидкостной смеси намного сложнее, чем одно родной жидкости или газа. Выделившийся газ в восходящем потоке производит работу по подъему жидкости в трубе, т. е. выполняет роль подъемника жидкости. Жидкость может быть однофазной (нефть) или двухфазной (смесь нефти и воды). Общие для всех способов эксплуатации скважин вопросы дви жения газожидкостной (двух-, трехфазной) смеси отдельно рас смотрены ниже.
§ 6.1. БАЛАНС ЭНЕРГИИ В ДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЕ
Подъем флюидов в стволе добывающей скважины может про исходить либо за счет пластовой энергии (£„л), либо за счет пластовой (£пл) и искусственно вводимой с поверхности в сква жину (£„) энергий. На забой скважины поступают из пласта флюиды, которые обладают потенциальной энергией, обуслов ленной действием сил гидродинамического давления (см. § 1.2). В стволе скважины энергия расходуется на преодоление силы тяжести гидростатического столба смеси (Есм), сил путевого (£тр), местного (Е„) и инерционного (Еии) сопротивлений, ко торые связаны с движением, а также на транспорт продукции скбажины от устья до пунктов сбора и подготовки (£ тРансп). Отсюда баланс энергии в работающей скважине можно запи сать в виде:
Епл Н“ Еи —Есм +£тр "Т£м-(- Ет "Ь-Етрансп- |
(6.1) |
Анализ результатов лабораторных и скважинных исследова ний убеждает, что в общем балансе энергия Ем составляет очень малую величину, поэтому ею пренебрегают. Тогда уравнение баланса энергий
|
Епл Н Еи —Есм + Етр + Ецн + £трансп• |
(6.2) |
||
При |
Еп = 0 |
скважина работает за |
счет только |
пластовой |
энергии. |
Такой |
способ ее эксплуатации |
называют фонтанным, |
212
причем фонтанирование скважины возможно как за счет энер гии жидкости £ ж. так и за счет энергии сжатого газа Ег.
При £ и> 0 и £ пл^0 способ эксплуатации скважины назы вают механизированным — газлифтным или насосным. При газ лифтном способе в скважину дополнительно вводится искус ственная энергия сжатого газа Ег, а при насосном — потенци альная и кинетическая энергии. Рассмотрим подъем жидкости за счет энергии сжатого газа (поступающего вместе с нефтью из пласта или искусственно вводимого в скважину), что харак терно для фонтанного и механизированного способов, т. е. ра боту газожидкостного подъемника.
§6.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОДЪЕМНИКА
ИЕГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ
Характеристика газожидкостного подъемника
Принципиальная схема газожидкостного подъемника показана на рис. 6.1. В водоем с постоянным уровнем погружены подъ емные трубы 1 длиною L на глубину hi. К нижнему концу подъ емных труб (к башмаку труб) по трубам 2 (линия газоподачи) подводится газ. В подъемных трубах газ всплывает в жидкости в соответствии с законом Архимеда и образуется газожидкост ная смесь, которая поднимается на высоту h'. Поскольку трубы 1 и водоем являются сообщающимися
сосудами, то со стороны каждого абсо- |
|
I |
|
лютное давление у башмака можно за- |
|
I-J------- |
|
писать: |
(6.3) |
газ ■ |
,, |
Pi = fhpg + ро, |
|||
Pi = h'pc„g + p0, |
(6.4) |
^ |
Л ~ \ > ' ■ |
|
|
|
г ^Р г |
приравнивая которые, получаем
V = Л'рсм, |
(6.5) |
где р, рем — плотность жидкости и газо
жидкостной смеси; |
g — ускорение |
сво |
бодного падения; |
р0 — давление |
над |
уровнем жидкости. |
|
|
Так как рСм<р, то h'>hi. Для лю бого тела при постоянной массе плот ность тем меньше, чем больше объем.
При |
увеличении |
объема |
газа |
в смеси |
||
(объемного |
расхода |
его) |
уменьшается |
|||
ее плотность и |
соответственно повыша |
|||||
ется |
h'. Таким образом, принцип подъ |
|||||
ема |
(работы |
газожидкостного |
подъем |
|||
ника) |
заключается в |
уменьшении плот- |
Л |
-О |
|
О- |
ы |
|
|
О' |
|
Ро |
оо |
|
|
■ о “ |
- . . — . г |
V "
Рис. 6.1. Принципиаль* ная схема газожидкост ного подъемника:
/ — подъемные трубы; 2— линия газоподачи
ности среды в подъемных трубах. Отметим, что такая смесь может существовать только при движении одной или обеих фаз. Подъем жидкости возможен и при вводе в нее несжимае мого (твердого или жидкого) рабочего агента, плотность кото рого меньше плотности жидкости, например, пустотелых пласт массовых шариков.
Экспериментальное изучение подъемника
Работу газожидкостного подъемника изучали многие исследо ватели. Обширные экспериментальные исследования движения воздуховодяных смесей в вертикальных трубах в 30-х годах вы полнил А. П. Крылов. Установка А. П. Крылова состояла из стандартных насосно-компрессорных труб длиною 18—20 м. На обоих концах труб были установлены быстрозакрывающиеся краны и манометры. Трубы имели разные диаметры (40,3; 62 и 100,3 мм).
Результаты экспериментов показали, что с увеличением рас хода газа увеличивается высота подъема жидкости W и при оп
ределенном расходе его |
начинается перелив жидкости |
(h |
^ L ) . Расход жидкости |
при увеличивающемся расходе |
газа |
сначала возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается
вплоть до нуля. Это связано с тем, |
что труба |
заданной |
длины |
|
L и диаметра d |
при постоянном |
перепаде |
давления |
Ар = |
= р \— Р2 может |
пропустить вполне определенный расход жйдг |
кости, газа или газожидкостной смеси. Зависимость объемного расхода жидкости q от объемного расхода газа Ко, приведен ного к нормальным условиям, называют кривой лифтирования (рис. 6.2). Газожидкостный подъемник можно еще называть газлифтным.
На кривой лифтирования имеются четыре характерные точки. Точка А соответствует началу подачи жидкости (нуле вому режиму работы: qA= 0; K0A >0; h' = L), точки В и С — со ответственно оптимальной qопт и максимальной ^шах подаче (оптимальному и максимальному режиму работы) подъемника, точка D — срыву подачи (<7D= 0; VOD>0) подъемника по жидко сти. Оптимальный режим работы характеризуется максималь ным значением коэффициента полезного действия подъемника, определяемого отношением полезно затраченной работы или мощности к общей, т. е.
У|„ — N пол/N общ* |
(6*6) |
Поскольку процесс лифтирования заключается в подъеме
жидкости на |
высоту (L — h\) и создании избыточного противо |
|
давления на |
выкиде р2, соответствующего высоте подъема h2 |
|
(см. рис. 6.1), то полезно затраченная мощность |
|
|
Л^пол = qpg (L— hx) +qpi = q[pgL— (p1— рг)\. |
(6.7) |
Рис. 6.2. Зависимость подачи q подъемника, коэффициента полезного действия т^п и удель ного расхода газа R0 от рас хода газа Vo
Для определения общей затраченной мощности мысленно к башмаку подъемных труб введем за единицу времени сред ний объем Уср рабочего агента, которому соответствует высота в трубах hcv=Vcv/f, где f — площадь проходного сечения трубы. Допустим, что на этот момент времени трубы у башмака пере крыты, тогда высота уровня жидкости
h ^ h t + hcp. |
(6.8) |
Для ввода рабочего агента к башмаку труб необходимо при дать первому энергию положения или совершить работу против сил гравитации (вернее всплывания рабочего агента), равную произведению объема тела на создаваемое давление (см. § 1.2), а с учетом противодавления р2 на разность давлений (pi — р2), т. е.
Ar — VCp(pi р2)- |
(6-9) |
Поскольку газ сжимаемый, то принимая для простоты рассуждений процесс изменения его объема изотермичным (по за кону Бойля—Мариотта), средний объем УС можно записать как средний взвешенный по давлению в трубах:
Р2 Р2
= _Vo£o_ |
ln _£i_ |
(б jO) |
Pi Pi |
Р2 |
|
Тогда выражение (6.9) с учетом соотношения (6.10) примет вид формулы работы или энергии изотермичного сжатия (рас ширения) газа
Аг = V0p0In Pi |
( 6. 11) |
Эта энергия подводится к башмаку труб для подъема жид кости. Так как под Vcp и Vo понимаем объем рабочего агента за единицу времени, формулы (6.9) и (6.11) выражают общую затраченную мощность. Таким образом, коэффициент полезного действия
Лп_ <7[pg£ — (Рх — Ра)1 _ |
<7 |
_ %_ |
(6. 12) |
VoPoIn Pi |
|
Ro |
|
Pa |
|
|
|
где фп = — ---- —— —-----константа |
для |
принятых |
условий |
Ро In (Pi/p2) |
|
расход газа. |
|
работы подъемника; Ro=V0lq — удельный |
Так как <7/Vo=tg£, где £— угол наклона прямой, проведен ной из начала координат через точку кривой лифтирования, то из рис. 6.2 следует, что максимальное значение т)п соответствует точке касания касательной, поскольку только для нее угол £ максимальный. При rin=max значение #o=min. Для точек А и D т)п=0 и R(r+oo (см. рис. 6.2). Отрезок ВС кривой q (Vo) называют рабочей ветвью кривой лифтирования, так как работа подъемника характеризуется большими значениями q, т)п и ма лыми значениями R0. Графическая зависимость q(Vo) на рис. 6.2 получена при заданном значении относительного погруже ния труб под уровень жидкости
е = hJL |
(6.13) |
или с учетом противодавления р2 на выкиде |
|
6 = (Pi—Pa)l(Lpg)- |
(6.14) |
Результаты экспериментов показали, что в общем случае подача q газожидкостного подъемника является функцией мно-( гих параметров:
Ч = Я(У0, рх, ра, L, d, р, р, а), |
(6.15) |
где р, р — соответственно отношения плотностей и абсолютных вязкостей жидкости и газа; о — поверхностное натяжение на границе раздела газ — жидкость. Семейства кривых лифтиро вания в зависимости от определяющих параметров представ лены на рис. 6.3. Из анализа этого рисунка и уравнения (6.14) следует, что с увеличением рь уменьшением р2 или L подача q возрастает. Поскольку с увеличением hi или же pi потребуется меньший расход газа для наступления перелива, то чем больше е, тем выше должна быть расположена кривая лифтирования. Зависимость q(V0) при е=1 является граничной, выходящей из начала координат. Случаю е> 1 соответствует естественное фон танирование, так как при расходе закачиваемого газа Vo=0 подача q> 0, причем закачкой газа ее можно увеличить. При
216
Рис. 6.3. |
Семейства кривых лнфтирования q(Va) при различных значениях |
е (a), pi |
(б), р2 (в), L (г), d (а) и постоянных остальных параметрах |
е=0 осуществить процесс лнфтирования невозможно. Из пре дыдущих рассуждений относительно пропускной способности труб и из формулы (6.8) становится понятным, что с увеличе нием диаметра d кривые лнфтирования смещаются вправо и вверх соответственно вдоль осей Vo и <7 (см. рис. 6.3).
Расчетные формулы А. П. Крылова
Аналитически обработав результаты экспериментов, А. П. Кры лов предложил расчетные формулы для нулевого, оптимального и максимального режимов:
Яты = 55d3e1,5;
|
|
<7опт = |
<7шах (1- е ) = |
55dse>-s (1 -е); |
|
|
|
у |
|
0,785d2Lpg (1 — е) . |
|
|
|
|
° А |
ро In (Pi/p2) |
|
|
|
„ |
|
15,5d2,5Lpge0,5 |
|
|
|
У()тах |
1 |
/ / ч » |
|
|
|
|
|
Ро In (Pilp2) |
|
у |
. |
у |
(1 |
cl2 15-5d2'5iP ^°’5( 1- e)2 . |
|
*Оопт |
|
' omax 1* |
В) |
, |
|
|
|
|
|
|
Ро In (Pi/p2) |
(6.16)
(6.17)
(6.18)
(6.19)
(6.20)
я, |
0,282Z,pg |
( 6.21) |
Ornax — |
(10,5гр 0 In ( р }/ р 2) |
|
|
|
|
|
0,282Lpg (1 — е) |
( 6.22) |
|
d°*5ep0 In (рр'Рз) |
|
|
|
В данных формулах необходимо пользоваться 'следующими единицами физических величин: q, Vo— м3/с; L, d — м; р — кг/м3; g — м/с2; р — Па; R0— м3/м3.
Анализ формул (6.16) и (6.17) показывает, что с увеличе нием е от 0 до 1 значение qwx возрастает от 0 до 55d3, a q0пт растет от 0 до наибольшего значения (10,225 d3) при е= 0,6, за тем уменьшается до нуля. Отсюда следует, что для достижения наибольшей оптимальной подачи необходимо обеспечивать на гружение е= 0,6.
Структуры течения газожидкостной смеси
Подъем газожидкостной смеси сопровождается относительным движением в жидкости газовых пузырьков различных размеров (скольжением газа). Скорость всплывания пузырька как ре зультат совместного действия архимедовой силы и силы сопро тивления жидкости зависит от многих факторов (размера пу зырька, вязкости жидкости, плотностей жидкости и газа, физи ческих свойств поверхности раздела, взаимодействия пузырьков,
влияния стенки трубы). Пузырьки |
газа в жидкости могут быть |
в различной степени раздроблены |
(диспергированы). В зависи |
мости от этого выделяют структуры газожидкостной смеси (режимы двухфазного потока). Установившейся классификации структур не имеется. Применительно к практике нефтедобычи наиболее естественным является выделение трех структур: пу зырьковой (эмульсионной, пенной); пробковой (снарядной, не точной) ; стержневой (дисперсно-кольцевой).
Пузырьковая структура характеризуется более или менее равномерным распределением в жидкости газовых пузырьков, размер которых значительно меньше диаметра трубы. Если со-' держание газа в смеси увеличенное, то вследствие слияния (укрупнения, коалесценции) части пузырьков образуются газо вые пробки, перекрывающие все сечение трубы. Большее содер жание газа обусловливает за счет слияния отдельных пробок образование стержневой структуры. При этом основная масса газа движется по центру трубы в виде стержня, в котором дис пергированы частицы жидкости, а жидкость — по стенке трубы в виде кольцевой пленки.
Отдельные структуры трудно |
разграничить. |
Пузырьковой |
структуре характерна относительная скорость |
газа до 0,3— |
|
0,4 м/с, пробковой — от 0,3—0,4 до |
1,2 м/с, а стержневой — бо- |
218
лее 1,2 м/с. Увеличение относительной скорости газа ухудшает эффективность лифтирования.
В нефтяных скважинах по мере подъема нефти происходит вследствие снижения давления выделение из нефти растворен ного газа, увеличение числа и размеров газовых пузырьков, что создает предпосылки для возможного перехода одной струк туры в другую и существования чередующихся структур. В неф тяных скважинах преимущественно наблюдаются пузырьковая и пробковая структуры потока. При разных структурах законо мерности движения газожидкостной смеси различны.
§6.3. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
ВЭЛЕМЕНТАРНОМ ГАЗОЖИДКОСТНОМ ПОДЪЕМНИКЕ И АНАЛИЗ ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИХ
Уравнение движения газожидкостной смеси
Процесс лифтирования жидкости не зависит от того, откуда поступает газ к башмаку подъемных труб — из пласта или с по верхности. Для него справедливо уравнение баланса энергии (6.1) или (6.2). Тогда на основании уравнения (6.2) можно за писать, что изменение потенциальной энергии в стволе сква жины, обусловленное силами гидродинамического давления (точнее разностью давлений р{ и р2), равно работе, расходуе мой на преодоление сил тяжести и трения и на изменение кине тической энергии, т. е.
/ Шп |
ДО? \ |
Усм (рх— Р2) = tpcMgVcM + ДртрУсм + ------ |
~2g“) ^CM CM’ |
где V CM — объем газожидкостной смеси на элементе длины L за единицу времени; L — изменение высоты подъема смеси отно сительно произвольно выбранной плоскости сравнения (или длина подъемных труб); Дртр — потери давления на трение; Wu w2 — скорости смеси в начале и конце подъемных труб. Избы точное противодавление р2 характеризует величину энергии, расходуемой на транспорт продукции от устья скважины до пунктов сбора и подготовки. Разделив уравнение энергии (6.23) на объем смеси V CM, получим уравнение давлений (аналог урав нения Бернулли для газожидкостной смеси) в конечных раз ностях
Др = Дрем4“ ДРтр “Ь Дрин» |
(6.24) |
где Др = р1 —- р2 — общая потеря давления; |
Дрсм=£рсм£ — по |
теря давления, обусловленная гидростатическим столбом смеси; ) Рем£ — потеря давления на инерционное
сопротивление (на увеличение скорости смеси, связанное с Из менением газосодержания или площади поперечного сечения потока).
В дифференциальном виде уравнение (6.24) можно записать
dp = dpсм-)-dpTp dpKH |
(6.25) |
или
Приведенные уравнения описывают движеаде газожидкост ной смеси в элементарном газожидкостном подъемнике (подъ емнике малой длины) и отличаются между собой только формой записи. Определим составляющие уравнения (6.24). Потери дав ления Рин на инерционное сопротивление мзды, поэтому их обычно не учитывают. В общей сумме основная доля (70—95 % при оптимальном режиме и 50—60 % при максимальном ре жиме) приходится на потери Дрсм, значение которых зависит от плотности смеси рсм.
Плотность газожидкостной смеси
Плотность газожидкостной смеси, как и любого тела, можно определить отношением массы к ее объему. Поскольку газо жидкостная смесь неоднородна, поэтому выберем достаточно большой объем, чтобы можно было приближенно рассматри вать ее как среду, заполняющую пространство сплошным обра зом. Тогда плотность смеси
РсмИ ^ жР + УгРгУОЛк+ Уг), |
(6.27) |
где |
Уж, Уг — объемы жидкости и газа; рг— плотность |
газа. |
|||
|
Так как для выделенного объема в трубе высотой Дh объемы |
||||
Vm+Vr=fAh, Уж=/жДЛ, |
Уг=/гД й, |
то уравнение (6.27) |
можно |
||
записать |
|
|
|
(6.28) |
|
|
Рсм= -у- 9 + |
~ - 9 г |
|
||
или |
|
|
~ |
~Т'"Т" |
|
|
рсм = (1— |
ф)р + фрг = р— ф (р— |
Рг), |
(6.29) |
|
где |
f=fm + fr— площадь |
проходного сечения |
трубы; |
fm, fr — |
средние статистические площади сечения трубы на длине Ah,
занятые |
соответственно жидкостью |
и газом; <p=fr/f — истинное |
|
объемное |
газосодержание (газонасыщенность) потока |
(анало |
|
гично |
средняя статистическая |
величина); 1— ф= fmff= |
|
= (f — fr)/f=l — hff — истинное объемное содержание |
жидко |
||
сти в потоке. |
|
|