17.1.2. Зміна тисків по глибині свердловин при різних способах експлуатації

Артезіанські свердловини. Такі свердловини фонтанують, коли пластовий тиск більший гідростатичного тиску стовпа рідини у свердловині, тобто

,

де ρ_р – густина рідини. При сталому режимі експлуатації свердловини вибійний тиск визначають за рівнянням припливу залежно від дебіту свердловини Q. При лінійній фільтрації

,

де К – коефіцієнт продуктивності свердловини. Вибійний тиск компенсує гідростатичний тиск стовпа рідини, втрати на тертя при її русі і тиск на гирлі, необхідний для транспортування продукції:

. (17.1)

Втрати тиску на тертя при русі рідини по трубах розраховують за рівнянням Дарсі-Вейсбаха

,

д е λ – коефіцієнт гідравлічного опору; d – внутрішній діаметр труб. Так як ці втрати пропорційні довжині труби при турбулентному і ламінарному режимах течії, рівняння (17.1) – лінійна функція тиску р відносно глибини свердловини Н (рис. 17.1).

Фонтанні нафтові свердловини. Фонтанування таких свердловин може відбуватися і при пластовому тиску, меншому, від гідростатичного тиску стовпа рідини у свердловині. Це обумовлено великою кількістю розчиненого у нафті газу. Зі зниженням тиску під час підйому продукції свердловини у колоні насосно-компресорних труб (НКТ) виділяється розчинений газ і утворюється газорідинна суміш з густиною ρ_с (ρ_{с ˂} ρ_р).

Рис. 17.1. Залежність тиску від глибини свердловини Н при дебітах Q₂ ˃ Q₁

Умова фонтанування нафтової свердловини:

. (17.2)

Рівняння балансу тиску має вигляд

, (17.3)

де ρ_с – середня густина суміші вздовж колони НКТ.

На рис. 17.2 показані криві зміни тиску з глибиною у фонтанних свердловинах. На ділянці від вибою до точки, де тиск дорівнює тиску насичення р_н, рухається однорідна рідина, тому тиск змінюється за лінійним законом. При зниженні тиску нижче р_н з розчину починає виділятися газ і утворюється газорідинна суміш. Чим менший тиск при наближенні до гирла свердловини, тим більше виділиться газу, а газ, що раніше виділився – розшириться, внаслідок чого стануть меншими густина суміші і градієнт тиску. При цьому тиск уздовж ліфта при русі газорідинної суміші змінюється по нелінійному закону. Якщо вибійний тиск менший за тиск насичення, то нелінійність зазначеної залежності р = f(H) спостерігатиметься по всій глибині свердловини. За рахунок зміни втрат на тертя закономірність зміни тиску буде складнішою, ніж на рис. 17.2.

О тже, кількість вільного газу в суміші вздовж стовбура свердловини збільшується в міру наближення до гирла, відповідно змінюється і густина суміші. Тому у формулах (17.2) і (17.3) прийнята середня густина суміші ρ_с, що відповідає середньому об’єм газу, який виділився, що припадає на одиницю маси або об’єму рідини.

Рис. 17.2. Криві зміни тиску з глибиною у фонтанній свердловині при дебіті Q₂ ˃ Q₁

Механізовані свердловини. При розробці родовища енергія на вибої зменшується внаслідок падіння пластового тиску або обводнення свердловини. Тоді для підтримки дебіту свердловини постійним необхідно знижувати вибійний тиск. Розглянемо криві р = f(Н) на рис. 17.2 (вони зміщуються вліво). Тиск на гирлі падає, що може стати недостатнім для транспортування продукції свердловини до збірного пункту.

У процесі обводнення свердловини збільшується густина рідини і зменшується кількість газу, який надходить у свердловину. Якщо р_в > р_н, практично увесь газ виділяється із нафти, а у воді його вміст дуже малий. У результаті із зростанням обводнення зменшується кількість газу в суміші і збільшується її густина. Градієнт тиску зростає, і при одному й тому ж вибійному тиску це призводить до необхідності зменшення гирлового тиску.

Настає момент, коли рівність (17.3) не може бути виконаною і тоді необхідне підведення додаткової енергії – енергії стисненого газу або механічної енергії насоса.

На рис. 17.3 а і б показані криві зміни тиску у газліфтній та насосній свердловинах.

При газліфтному способі експлуатації для зменшення густини газорідинної суміші на глибині L, у продукцію нагнітають додаткову кількість вільного газу. У результаті під впливом вибійного тиску р_в забезпечується підйом більш легкої суміші і створюються умови, необхідні для транспортування продукції.

При насосному способі експлуатації на глибину L спускають насос, тиск на викиді якого р_в.н. достатній для підйому продукції свердловини.