Курс лекции по дисциплине «скважинная добыча нефти»

ВВЕДЕНИЕ (Мищенко)

Что же мы понимаем под скважинной добычей нефти? Под скважинной добычей нефти понимается процесс извлечения проектного (рационального) количества продукции из пласта и подъем его на дневную поверхность по возможности бесперебойно и с минимальными затратами, базирующийся на совокупности технологических, технических и организационно-управленческих решений.

Основным объектом изучения в курсе «Скважинная добыча нефти» является сложная единая гидродинамическая система, схема которой представлена на рис. 2.

В данном случае система представлена семью элементами, каждый из которых характеризуется собственным законом работы. Сложность изучения данной системы связана не только с изменением давления и температуры по длине скважины, но при определенных условиях — и с фазовыми превращениями. Кроме того, в отдельных элементах системы протекают сложные физические явления, существенно меняющие законы работы взаимосвязанных элементов. Не останавливаясь на законах работы каждого из элементов, отметим особую роль в системе двух элементов: второго и третьего. Второй элемент представлен подъемником большого диаметра и, казалось бы, особой трудности в изучении не представляет. На самом деле, при обводнении продукции скважины (а также при глушении безводных скважин водой) в этом элементе происходят сложные гидродинамические явления, связанные с движением водонефтяной смеси и усугубляемые разделением воды и нефти. Третий элемент — область приема погружного оборудования, в которой происходит естественная сепарация свободного газа, определяющая законы работы 4,5,6 и 7 (насос; скважина; затрубное пространство, заполненное газожидкостной смесью и заполненное газом)элементов и именно поэтому роль этого элемента является особой.

Расчетная блок-схема изучаемой системы представлена на рис. 3.

Как видно из этого рисунка, в третьем элементе происходит разделение материальных потоков: вся жидкая фаза и часть свободной газовой попадают в четвертый элемент; другая часть свободной газовой фазы, определяемая законом сепарации у приема погружного оборудования, попадает в 6 элемент системы. Основными задачами при исследовании работы данной системы являются:

1. Изучение законов распределения давления и температуры в каждом из элементов.

2. Фазовые превращения в системе и влияние на них состава продукции, давления и температуры.

3. Исследование закона работы каждого из элементов на реальной продукции скважины.

4. Искусственное управление законами работы каждого из элементов с целью оптимизации (рационализации) процесса подъема продукции на дневную поверхность.

5. Подбор соответствующего скважинного оборудования и установление рационального режима его работы.

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ДОБЫЧИ НЕФТИ (Мищенко)

В зависимости от вида энергии, которая присутствует при подъеме жидкости на поверхность, можно выделить несколько способов эксплуатации скважин.

Если подъем жидкости или смеси от забоя на дневную поверхность происходит только за счет природной энергии Wп (Wи=0), то такой способ эксплуатации будем называть естественно-фонтанным. Следует заметить, что в настоящее время этот способ имеет весьма ограниченное распространение. Если подъем жидкости или смеси от забоя на дневную поверхность происходит либо за счет искусственной энергии, либо за счет естественной и искусственной энергии, то такой способ эксплуатации будем называть механизированным. Механизированный способ эксплуатации может осуществляться в двух видах:

1. Когда искусственная энергия вводится в добываемую жидкость централизованно, а распределение ее происходит непосредственно в залежи. Такой способ ввода энергии в залежь и ее распределение осуществляются при использовании методов поддержания пластового давления. Если при этом каждая конкретная эксплуатационная скважина оборудована только колонной насосно-компрессорных труб (отсутствуют механические приспособления для подъема), указанный способ эксплуатации будем называть искусственно-фонтанным. Искусственно- фонтанная эксплуатация имеет довольно широкое распространение.

2. Когда искусственная энергия вводится непосредственно в каждую конкретную скважину с помощью какого-либо механического приспособления. Ввод искусственной энергии в скважину достигается различными способами: компримированным воздухом или газом и специальными механическими приспособлениями - глубинными насосами. При первом способе ввода энергии в скважину мы имеем дело с компрессорной (эргазлифтной) эксплуатацией, при втором — с глубиннонасосной.

Особое место занимают некоторые виды эксплуатации скважин, осуществляемые за счет использования природной энергии газа с применением специального подземного оборудования. К ним относятся:

а) эксплуатация скважин бескомпрессорным газлифтом, теоретические основы подъема смеси при которой аналогичны таковым при фонтанно-компрессорной эксплуатации. Разница состоит в том, что для подъема используется газ высокого давления, добываемый либо попутно с нефтью, либо специально отбираемый из газоносных пропластков. В этом случае отпадает необходимость использования компрессоров,

б) эксплуатация скважин плунжерным лифтом, при которой подъем смеси происходит за счет природной энергии сжатого газа с применением специальных плунжеров, препятствующих потерям на относительное проскальзывание газа.

ФОНТАННАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН (Мищенко)

Под фонтанной эксплуатацией понимается такой способ подъема продукции скважины от забоя на дневную поверхность, при котором располагаемая энергия на забое Wзаб больше или равна энергии, расходуемой на преодоление различных сопротивлений Wс на всей длине скважины в процессе подъема, т.е. Wзаб ≥Wс

ОСНОВЫ ФОНТАНИРОВАНИЯ СКВАЖИН (Мищенко)

Основными источниками естественного фонтанирования являются потенциальная энергия жидкости Wж и газа Wг, выделяющегося из нефти при давлении, меньшем давления насыщения. Таким образом, естественное фонтанирование осуществляется только за счет природной энергии Wn, которой обладает продукция скважины на забое Wзаб.

Wзаб = Wп = Wж + Wг (7.1)

В зависимости от физико-химических свойств продукции и технологического режима работы скважины составляющие природной энергии (Wж и Wг) могут быть различными по величине:

Wж > Wг, Wж = Wг, Wж < Wг (7.2)

В зависимости от соотношения этих слагаемых природной энергии, а также от соотношения Рзаб и Рнас можно использовать различные принципиальные схемы оборудования добывающих скважин, которые представлены на рис. 7.1.

Если разработка ведется при искусственном воздействии на залежь, например, поддержанием пластового давления, то в залежь вводится значительное количество потенциальной энергии с поверхности, которая распределяется между скважинами, и на каждую скважину приходится определенное количество искусственно введенной энергии Wи.В общем случае энергия, которой располагает продукция на забое скважины, такова:

Wзаб = Wп + Wи или Wзаб = Wж + Wи + Wг. (7.3)

Из выражения (7.3) следует, что при Wи = 0 подъем продукции скважины осуществляется только за счет природной энергии, поэтому такой способ будем называть естественным фонтанированием. Если же Wи > О, то такой способ подъема продукции будем называть искусственным фонтанированием. Если в выражении (7.3) положить Wи = 0 и Wг = 0 (Ру ≥ Pнас), то

Wзаб =Wж (7.4)

и такой вид фонтанирования называется артезианским.

Возвратимся к рис. 7.1, на котором схематично показаны скважины, осуществляющие подъем продукции за счет фонтанирования.

Схема, представленная на рис. 7.1а, предпочтительна в том случае, когда Wж Wг (Рб Рзаб), т.е. для нефтей различной газонасыщенности и с большим давлением насыщения (Рзаб Рнас), что позволяет в значительной степени использовать природную энергию газа на подъем продукции (Нб ~ Lнас).

Схема, представленная на рис. 7.1б, предпочтительна в том случае, когда Wж > Wг, т.е. для нефтей с невысокой газонасыщенностью и небольшим давлением насыщения. С целью максимального использования природной энергии газа башмак подъемника необходимо спускать на глубину, соответствующую давлению насыщения (Рб=Рнас ,Hб<Lс). Схема, представленная на рис. 7.1в, предпочтительна в том случае, когда Wж > Wг (Рзаб>Рнас, Рб< Рнас), и может быть рекомендована для различных физико-химических свойств продукции при определенных технологических ограничениях. По экономическим критериям эта схема может не уступать двум предыдущим.

Схема, представленная на рис. 7.1г, характерна для артезианских скважин и технологически отличается от описанных тем, что давление на устье скважины больше или равно давлению насыщения (Ру ≥ Pнас). Забойное давление для таких скважин рассчитывается так:

(7.5)

где — плотность продукции скважины, кг/м³;

— суммарные потери энергии на преодоление сопротивлений, определяемых динамикой потока, Па.

Глубина спуска башмака подъемника Нб в таких скважинах может быть различной и зависит только от свойств продукции и режима ее движения. В отдельных случаях допустима эксплуатация таких скважин без подъемных труб.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ГАЗЛИФТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ (Щуров+Зайцев)

Газлифтная скважина — это по существу та же фонтанная скважина, в которой недостающий для необходимого разгази-рования жидкости газ подводится с поверхности по специальному каналу (рис. IX.1).

По колонне труб 1 газ с поверхности подается к башмаку 2, где смешивается с жидкостью, образуя ГЖС, которая поднимается на поверхность по подъемным трубам 3. Закачиваемый газ добавляется к газу, выделяющемуся из пластовой жидкости. В результате смешения газа с жидкостью образуется ГЖС такой плотности, при которой имеющегося давления на забое скважины достаточно для подъема жидкости на поверхность. Все понятия и определения, изложенные в теории движения газожидкостных смесей в вертикальных трубах, в равной мере приложимы к газлифтной эксплуатации скважин и служат ее теоретической основой.

Точка ввода газа в подъемные трубы (башмак) погружена под уровень жидкости на величину h; давление газа Р₁ в точке его ввода в трубы пропорционально погружению h и связано с ним очевидным соотношением Р₁ = hpg. Давление закачиваемого газа, измеренное на устье скважины, называется рабочим давлением Р_р. Оно практически равно давлению у башмака Р₁ и отличается от него только на величину гидростатического давления газового столба ΔР₁ и потери давления на трение газа в трубе ΔР₂, причем ΔР₁ увеличивает давление внизу Р₁, а ΔР₂ уменьшает. Таким образом,

или

(IX.1)

В реальных скважинах ΔР₁ составляет несколько процентов от Р₁, а ΔР₂ еще меньше. Поэтому рабочее давление Р_р и давление у башмака Р₁ мало отличаются друг от друга. Таким образом, достаточно просто определить давление на забое работающей газлифтной скважины по ее рабочему давлению на устье.

Это упрощает процедуру исследования газлифтной скважины, регулировку ее работы и установление оптимального режима. Скважину, в которую закачивают газ для использования его энергии для подъема жидкости, называют газлифтной, при закачке для той же цели воздуха — эрлифтной.

Применение воздуха способствует образованию в НКТ очень стойкой эмульсии, разложение которой требует ее специальной обработки поверхностно-активными веществами, нагрева и длительного отстоя. Выделяющаяся при сепарации на поверхности газовоздушная смесь опасна в пожарном отношении, так как при определенных соотношениях образует взрывчатую смесь. Это создает необходимость выпуска отработанной газовоздушной смеси после сепарации в атмосферу.

Применение углеводородного газа, хотя и способствует образованию эмульсии, но такая эмульсия нестойкая и разрушается (расслаивается) часто простым отстоем без применения дорогостоящей обработки для получения чистой кондиционной нефти. Это объясняется отсутствием кислорода или его незначительным содержанием в используемом углеводородном газе и химическим родством газа и нефти, имеющих общую углеводородную основу. Кислород, содержащийся в воздухе, способствует окисли тельным процессам и образованию на глобулах воды устойчивых оболочек, препятствующих слиянию воды, укрупнению глобул и последующему их оседанию при отстое. Вследствие своей относительной взрывобезопасности отработанный газ после сепарации собирается в систему газосбора и утилизируется. Причем отсепарированный газ газлифтной скважины при бурном перемешивании его с нефтью при движении по НКТ обогащается бензиновыми фракциями. При физической переработке такого газа на газобензиновых заводах получают нестабильный бензин и другие ценные продукты. Что касается нефти, то она стабилизируется, что уменьшает ее испарение при транспортировке и хранении.

Переработанный (осушенный) на газобензиновых заводах газ снова используется для работы газлифтных скважин после его предварительного сжатия до необходимого давления на компрессорных станциях промысла.

Таким образом, газлифт позволяет улучшать использование газа и эксплуатировать месторождение более рационально по сравнению с эрлифтом (закачка воздуха). Единственным достоинством эрлифта является неограниченность источника воздуха как рабочего агента для газожидкостного подъемника. Реальные газлифтные скважины не оборудуются по схеме, показанной на рис. IX. 1, так как спуск в скважину двух параллельных рядов труб, жестко связанных внизу башмаком, практически осуществить нельзя. Эта схема приведена только лишь для пояснения принципа работы газлифта. Однако ее использование вполне возможно и в ряде случаев целесообразно для откачки больших объемов жидкости, например, из шахт или других емкостей с широким проходным сечением.

Для работы газлифтных скважин используется углеводородный газ, сжатый до давления 4—10 МПа. Источниками сжатого газа обычно бывают либо специальные компрессорные станции, либо компрессорные газоперерабатывающих заводов, развивающие необходимое давление и обеспечивающие нужную подачу. Такую систему газлифтной эксплуатации называют компрессорным газлифтом. Системы, в которых для газлифта используется природный газ из чисто газовых или газоконденсатных месторождений, называют бескомпрессорным газлифтом.

При бескомпрессорном газлифте природный газ транспортируется до места расположения газлифтных скважин и обычно проходит предварительную подготовку на специальных установках, которая заключается в отделении конденсата и влаги, а иногда и в подогреве этого газа перед распределением по скважинам. Избыточное давление обычно понижается дросселированием газа через одну или несколько ступеней штуцеров. Существует система газлифтной эксплуатации, которая называется внутрискважинным газлифтом. В этих системах источником сжатого газа служит газ газоносных пластов, залегающих выше или ниже нефтенасыщенного пласта. Оба пласта вскрываются общим фильтром.

В таких случаях газоносный горизонт изолируется от нефтеносного пласта одним или двумя пакерами (сверху и снизу), и газ вводится в трубы через штуцерное устройство, дозирующее количество газа, поступающего в НКТ.

Внутрискважинный газлифт исключает необходимость предварительной подготовки газа, но вносит трудности в регулировку работы газлифта. Этот способ оказался эффективным средством эксплуатации добывающих скважин на нефтяных месторождениях Тюменской области, в которых над нефтяными горизонтами залегают газонасыщенные пласты с достаточными запасами газа и давления для устойчивой и продолжительной работы газлифта.