Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Серго Орджоникидзе» (МГРИ-РГГРУ)

_________________________________________________________________________ ­­­­­­

КАФЕДРА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

РАСЧЁТНАЯ РАБОТА ПО ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОМЕХАНИКЕ

Подземная гидромеханика в работе скважинного эрлифта

Выполнил: ст. группы ………

…………………..

Проверил: проф. Куликов В.В.

МОСКВА, 2014 г.

Введение

Эрлифт (англ. air – воздух, lift – поднимать) – воздушный подъёмник пластовой жидкости. Состоит из вертикальной трубы (воздухопровода), в которую компрессором нагнетается воздух (рис. 1). Труба опущена в скважину под уровень жидкости. Через отверстия в нижней её части (в смесителе) воздух выходит и перемешивается с жидкостью. Образовавшаяся в смесеподъёмной трубе газожидкостная смесь (ГЖС) эмульсионной структуры (эмульсия – смесь пластовой жидкости и пузырьков воздуха), будет подниматься вверх благодаря разности плотностей эмульсии и пластовой жидкости, находящейся в затрубном пространстве.

Схема оборудования скважины эрлифтом

1 – воздухопроводные трубы; 2 – смеситель; 3 – смесеподъёмная колонна труб; h_о – глубина статического уровня жидкости в скважине (до откачки); h – глубина динамического уровня (в процессе откачки); H – глубина спуска смесителя

Эрлифты, газлифты, эрлифтные и газлифтные снаряды и установки широко применяются в практике строительных, геолого-разведочных, добычных и других видах работ. Они используются при опытных откачках воды из гидрогеологических и освоении водозаборных скважин [32, 34 – 39, 43, 45, 47, 48 – 52, 54], при оборудовании скважин гравийными фильтрами и сооружении бесфильтровых скважин, при бурении, освоении и эксплуатации скважин на нефть, при бурении шахтных стволов, для создания местной обратной циркуляции промывочной жидкости с целью получения кондиционного выхода керна в разрушенных породах при колонковом бурении, для добычи полезных ископаемых геотехнологическими скважинными способами [2, 42] и др.

Воздушный поток в вохдухопроводе (для газлифта [44, 55], служащего для подъёма нефти при помощи природного горючего газа – газовый поток в газопроводе) и поток ГЖС эмульсионной структуры можно рассматривать как сплошные среды, поведение которых описывается аппаратом механики сплошной среды. Движение подземного флюида к скважине описывается аппаратом подземной гидромеханики.

Подземная гидромеханика (механика подземных флюидов, подземная гидрогазомеханика) – наука о законах равновесия и фильтрации подземных флюидов и подземной суффозии.

Фильтрация – это движение подземных флюидов через подземные коллекторы.

Подземными флюидами являются подземные тела, обладающие свойством текучести, т.е. способные перемещаться (течь) под действием сравнительно малых усилий. Следовательно, подземные флюиды – это жидкости в широком смысле. К ним можно отнести подземные капельные жидкости (нефть, воду, рассолы, жидкие руды и др.), подземные газы (воздух, метан и др.), подземные ГЖС (нефть + природный горючий газ) и подземные аморфные тела (асфальтовые природные битумы).

Подземными коллекторами являются естественные или искусственные проницаемые для флюидов подземные объекты, имеющие соединённые между собой пустоты – поры, трещины, жилы.

Подземными коллекторами могут быть почвы, горные породы, тампонажные материалы скважин, гравийные обсыпки фильтров и др.

Подземной суффозией называется процесс транспортирования подземным флюидом в подземном коллекторе минеральных частиц, растворённых веществ и коллоидных частиц. Соответственно различают механическую, химическую и коллоидную суффозии.

Отдельными разделами механики сплошной среды являются такие науки как гидромеханика, газовая динамика, теория упругости и др.

Основные уравнения, применяемые при исследовании работы эрлифтов

1.Уравнение расхода (уравнение сплошности, или неразрывности) для стационарного (неускоренного) потока флюида (жидкости, газа).

М = ρ · Q = ρ · υ · f = const, (1)

где М – массовый флюида; ρ – плотность флюида; Q – объёмный расход флюида; υ – скорость движения флюида; f – площадь поперечного сечения потока флюида.

2.Уравнение состояния идеального (совершенного) газа (уравнение Клапейрона-Менделеева).

P · V^д = m^д · R · T, (2)

где P – абсолютное давление газа; V^д – объём газа; m^д – масса газа; R – удельная газовая постоянная; T – абсолютная температура газа.

Из уравнения состояния идеального газа (2) следует, что любом произвольном термодинамическом процессе начальные (нижний индекс «1») и конечные (без нижнего индекса) параметры состояния неподвижного идеального газа связаны уравнением

Р · V^д / (m^д · T) = Р₁ · V^д₁ / (m^д · T₁), (3)

а параметры состояния газового потока – уравнением

Р · Q^д / (М^д · T) = Р₁ · Q^д₁ / (М^д · T₁). (4)

Т = 273,15 + t, Т₁ = 273,15 + t₁, (5)

где Р (Р₁), V^д (V^д₁), m^д, Q^д (Q^д₁), М^д, Т (Т₁) – абсолютное давление, объём, масса, объёмный расход, массовый расход и абсолютная температура газа соответственно; t (t₁) – температура по шкале Цельсия, ºС.

3.Уравнение стационарного газового потока (обобщённое уравнение Бернулли, или уравнение первого закона термодинамики для проточной термодинамической системы).

Обобщённое уравнение Бернулли справедливо для потока газа между двумя поперечным потоку сечениями:

v × dP + g × dz + a × u × du + dl_тр + dl_мех = 0, (6)

где v – удельный объём газа; d – дифференциал; P – абсолютное давление в сечении; g – ускорение силы тяжести, g = 9,81 Н/кг; z – геометрическая высота центра сечения (вертикальная) над произвольной горизонтальной плоскостью, называемой плоскостью сравнения; α – коэффициент Кориолиса (для турбулентных потоков можно принять α = 1, а для ламинарных и структурных α = 2); u – средняя скорость потока в сечении; l_тр – удельная работа трения в потоке между сечениями; l_мех – удельная механическая работа (дополнительная работа потока газа, совершаемая им при движении, например, работа перемещения частиц горной породы).

Интегрирование уравнения (6) для изотермного нисходящего движения газового протока в вертикальной газопроводной (воздухопроводной) магистрали длиной Н от верхнего, поперечного потоку, сечения 1 – 1, в котором абсолютное давление P₁, до нижнего сечения 2 – 2, в котором абсолютное давление P₂, приводит к следующему решению:

P₁ = (℮²·^А·^H/(R·^T) × (P₂² + B /A) - B /A)^0,5, (6)

где ℮ – математическая постоянная, основание натуральных логарифмов, ℮ ≈ 2,71; А, В – сокращающие буквенные обозначения.

А = - g, (7)

В = λ / (2 × d) × (М^д · R · T / f)², (8)

где λ – коэффициент линейной потери давления в газопроводной (воздухопроводной) магистрали; d, f – внутренний диаметр и площадь поперечного сечения газопроводной (воздухопроводной) магистрали соответственно.

4.Уравнения статики механических смесей

При описании работы эрлифта удобно использовать аппарат статики механических смесей.

Смесь – это многофазная (полифазная) система. В механических смесях (в отличие от химических) объёмные доли компонентов не меняются во времени (отсутствует растворение и выделение фаз).

Газожидкостная смесь (ГЖС), образуемая при работе эрлифта, является двухфазной смесью. Двухфазная смесь (верхний индекс «см») состоит из непрерывной, или основной (верхний индекс «н»), фазы и дискретной, или дисперсионной (верхний индекс «д») фазы (среды). Непрерывная фаза – жидкая (подземная жидкость – вода, нефть), а дискретная – газообразная (для эрлифта – воздух, для газлифта – природный горючий газ).

m^см = m^н + m^д, (9)

где m^см, m^н, m^д – масса смеси, непрерывной фазы и дискретной фазы соответственно.

Откуда [44, 45, 53]

ρ^см_о = ρ^н · (1 / (1 + φ_о)) + ρ_о · (φ_о / (1 + φ_о)), (10)

где ρ^см_о, ρ^н, ρ_о – плотность ГЖС, непрерывной фазы и дискретной фазы при абсолютном давлении P_о и абсолютной температуре T_о (в атмосферных условиях) соответственно; φ_о – объёмная концентрация дискретной фазы в непрерывной (для воздузоводяных ГЖС φ_о – объёмная степень аэрации) при P_о и T_о.

φ_о = V_о / V^н, (11)

где V_о – объём дискретной фазы при P_о и T_о; V^н – объём непрерывной фазы при P_о и T_о.

Теория работы эрлифта

Хотя расчёту и исследованию эрлифта посвящены многие работы [32 – 39, 41 – 43, 45 – 52, 54], надёжной теории его работы, точно подтверждаемой практикой, не создано. Приближённому расчёту поддаётся, в основном, работа эрлифта при вертикальном смесеподъёме с малой глубины и при эмульсионной структуре ГЖС.

При работе скважинного вертикального газлифта (эрлифта) установлено значительное многообразие форм движения ГЖС [55]. Из этого многообразия можно выделить четыре предельных (основных) типа структур ГЖС: эмульсионную (пенную, мелкопузырьковую, пузырьковую, пузырчатую), пробковую (четочную, поршневую, снарядную), стержневую (осевую, кольцевую, пленочную, расслоенную) [55] и дисперсную (капли жидкости в потоке газа) [4, 5]. Хотя чёткие границы перехода от одной структуры к другой отсутствуют, их определение является важной производственной и научной задачей. Это обусловлено тем, что при газлифтной (эрлифтной) откачке подземного флюида эффективность использования энергии газа (воздуха) напрямую зависит от типа структуры ГЖС. Чем мельче пузырьки газа (воздуха) и чем равномернее они распределены в потоке смеси, тем ближе структура ГЖС к эмульсионному типу и тем выше эффективность газлифтной (эрлифтной) откачки. Дробление пузырьков газа на более мелкие фракции осуществляется с помощью различных диспергирующих устройств (смесителей, форсунок).

Для эмульсионной структуры характерны сравнительно малые относительные скорости газа и жидкости. Средняя относительная скорость газа υ_отн составляет 0,01 – 0,02 м/с, а её предельное значение – 0,3 – 0,4 м/с [55]. Очень маленькие пузырьки газа (диаметром менее 1 – 1,5 мм) имеют шаровую форму и прямолинейно поднимаются вверх [57]. Скорость их движения растёт с увеличением диаметра [56]. Пузырьки промежуточных размеров (1,5 – 15 мм) приобретают плоскую и искажённую форму, напоминающую сплюснутый сфероид или эллипсоид. Поднимаются они по криволинейному пути, колеблясь и раскачиваясь [56, 57]. Большие пузырьки (15 мм и более) образуют сферические шапки, формой силуэта напоминающие гриб. Путь их криволинеен [56, 57]. Для пробковой структуры относительная скорость газа и жидкости υ_отн составляет 0,4 – 1,2 м/с, а для стержневой – более 1,2 м/с.

Если скорость движения смеси будет ниже скорости всплытия пузырьков газа (воздуха), то последние будут опережать смесь и подъём подземной жидкости остановится. Следовательно, скорость движения смеси должна превосходить скорость всплытия пузырьков газа (воздуха). Это условие создается при выборе площади поперечного сечения смесеподъёмной колонны.

Диаметр газовых пузырьков (при сравнительно невысокой скорости их образования) не зависит от расхода газа. С увеличением объёмного расхода газа Q^д число пузырьков возрастает до тех пор, пока не будет достигнут критический расход газа Q^д_кр. При расходе выше критического пузырьки объединяются в цепочки, эмульсионный тип структуры сменяется пробковым или стержневым.

Единой точки зрения на то, как следует аналитически определять критический расход газа, не существует. В соответствии с методикой Крылова – Лутошкина граница перехода от эмульсионной к иной структуре движения смеси газ + нефть внутри трубопровода круглого сечения устанавливается [55] зависимостью:

Q^д_кр = 2,014 ∙ 10^-6 ∙ d_тр^2,5 + 1,25 ∙ Q^н, (12)

где Q^д_кр, Q^н – критическое значение объёмного расхода газа и объёмный расход подземной жидкости (нефти) в трубопроводе соответственно; d_тр – внутренний диаметр смесеподъёмного трубопровода.

При очень малых значениях Q^д воздух проскальзывает через жидкость, не увлекая её (барботирование), а при очень больших значениях Q^д жидкость оттесняется к стенкам смесеподъёмной трубы (стержневая структура ГЖС). Следовательно, существует оптимальное (минимальное) значение φ_о [46].

Эрлифты получили широкое распростра­нение при проведении гидрогеологических откачек за счет ряда пре­имуществ:

- отсутствия в скважине изнашиваемых механизмов и двигателя;

- простоты и надежности в работе;

- возможности откачки воды с высоким содержанием тяжёлых частиц различных фракций (до 30 %);

- высокой производительности;

- возможности регулирования водоотбора и динамического уровня воды для получения необходимых расчетных параметров откачки;

- возможности проведения прокачек скважин в пульсирующем режиме с целью разработки закольматированных водоносных гори­зонтов, эффективного выноса кольматанта и восстановления естест­венной проницаемости пласта;

Существующие конструкции эрлифтов имеют и ряд существен­ных недостатков:

- необходимость в компрессоре;

- возможность применения только в напорных водоносных и нефтеносных горизонтах;

- сравнительно низкое значение коэффициента полезного действия (КПД) работы собственно эрлифта и эрлифтной установки в целом (как правило, менее 0,35 – 0,4).

- необходимость соблюдения в скважине определенного значения отношения глубины погружения смесителя (Н) к динамическому уровню (h), называемого коэффици­ентом погружения смесителя, или коэффициентом загрузки (k);

- нестабильность выходящего из скважины потока ГЖС.

Одним из путей повышения эффективности откачек воды из скважин при помощи эрлифтных смесеподъёмников является со­вершенствование конструкции смесителя эрлифта и самого эрлифта. Так, например, в [47] описана работа динамоэрлифта и ступенчатого эрлифта как технических средств смесеподъёма, имеющих в определённых случаях некоторые потенциальные преимущества в сравнении с традиционным эрлифтом, однако, данные по работе динамоэрлифта требуют практической заверки.

Элементарный механизм работы эрлифта основан на действии со стороны жидкости выталкивающей архимедовой силы на смесь, имеющую меньшую, чем жидкость, плотность. В результате наблюдается превышение уровня ГЖС над уровнем жидкости в сообщающихся сосудах [44, 45].

Кроме того, при действительной работе эрлифта помимо гидравлических сопротивлений движению газа, подземной жидкости и смеси, происходит эжекция подземной жидкости газом (воздухом), удар струи газа (воздуха) о жидкость, абсорбция, дегазация и ряд других процессов [44, 45].

Следует отметить, что утверждение, порою выдаваемое за объяснение механизма действия эрлифта при эмульсионной структуре ГЖС – вытеснение жидкости расширяющимися при всплытии пузырями газа (воздуха), таковым не является. Оно лишь констатирует тот факт, что с уменьшением глубины давление в смеси падает, объемы пузырей увеличиваются, т.е. в ГЖС объем газа растет. Куда при этом вытесняется подземная жидкость (обратно в скважину или в смесеподъёмную колонну), увеличивается ли высота столба смеси – на эти вопросы, как раз и определяющие механику работы эрлифта, данное утверждение ответа не дает. Корректное объяснение связано с действием выталкивающей архимедовой силы на смесь [44, 45].

В состав эрлифтной установки входят сам эрлифт и компрессор. Работа эрлифта основана на исполь­зовании сжатого воздуха, вырабатываемого компрессором. В скважину помещается воздухопроводная труба, идущая от компрессора, на нижнем конце которой устанав­ливается смеситель – перфорированная труба, плотно опоясанная кожу­хом. Сжатый воздух по воздухопроводу подводится к смесителю, помещенному под динамический уровень на нужную глубину, и, проходя через отверстия в нижнюю часть смесеподъёмной трубы, перемешивается с водой, образуя ГЖС. Плотность ГЖС меньше плотности подземной жидкости, поэтому её столб снаружи смесеподъёмной трубы уравновешивается столбом ГЖС внутри смесеподъёмных труб, имеющим большую высоту. При непрерывной подаче воздуха смесь выходит на поверхность.

При освоении эксплуатационной скважины (строительная откачка) откачиваемая жидкость содержит большое количество примесей (частицы шлама, глины, песок, металлические частицы бурового инструмента), которые выносятся на поверхность, и откачиваемая подземная жидкость постепенно очищается (осветляется). Минимальный расход откачиваемой жидкости при освоении эксплуатационной скважины должен быть не менее 75 % от расчетного эксплуатационного дебита скважины, а при гидравлических исследованиях характеристик продуктивного горизонта должен превышать дебит на 30 – 50 % [43].

При освоении (строительной откачке) смесеподъемные трубы эрлифтной установки опускают в скважину до нижней части отстойника, а смеситель устанав­ливают выше – на глубине, соответствующей рабочему давлению комп­рессора. В этом случае попавшая в скважину порода и шлам будут вынесены откачиваемой жидкостью на поверхность. Полное освобождение скважин от шлама имеет особо важное значение при последующем их обо­рудовании центробежными насосами. При некачественной от­качке шлам попадает в насос и вызывает его быстрый износ.

Продолжительность освоения зависит от свойств продуктивного коллектора, интенсивности и способа откачки и не может быть заранее точно установлена. Признаками окончания освоения явля­ются полное очищение откачиваемой жидкости от примесей, прекращение выноса из скважины породы и шлама, установившийся режим откачки с производительностью не менее 75 % от расчётной. Во время освоения измеряют динамический уро­вень и дебит скважины. Обычно по мере освоения скважины эрлифтной откачкой динамический уровень понижается, а удельный дебит возрастает [43].

Недостаток разглинизации скважин эрлифтной откачкой заключается в невозможности создания больших перепадов давления в системе продуктивный пласт – скважина. Максимальное понижение уровня подземной жидкости при от­качке эрлифтом не может превышать 30 – 50 % от высоты её столба в скважине. Так, при высоте столба жидкости, равной 100 м, перепад давления будет не более 0,3 – 0,5 МПа. Столь низкий перепад давления не может обеспе­чить достаточного разрушения продуктов глинизации даже при продол­жительной откачке.

Для увеличения эффективности освоения рекомендуется выключать компрессор с одновременным выпуском воздуха из ресивера. При выключении компрессора за счет перепада давлений в смесеподъёмных трубах и затрубном пространстве откачиваемая жидкость с высокой скоростью устремляется вниз по смесеподъёмной колонне, проходит через отверстия фильтра и ударяет в стенки скважины. Это способствует лучшей очистке фильтра и обрушению закольматированных стенок скважины [43].

Уравнения подземной гидромеханики