Многофазный поток в скважинах

эмульсионного режима потока характерны колебательные движения или движения с переменным направлением.

Кольцевой режим потока. В кольцевом потоке газовая фаза в центральном (от­ носительно оси) ядре является непрерывной; фаза жидкости, представленная тонкой пленкой на стенках трубы и рассеянными в газовом ядре капельками жидкости, дви­ жется в восходящем направлении. Если скорость газового потока в ядре высока, в нем рассеивается большее количество жидкости, поэтому на стенках трубы остается лишь незначительная по толщине пленка. Для кольцевого режима потока важными парамет­ рами являются сила касательного напряжения между фазами и доля жидкости, захва­ ченная газом.

3.5.2. Классификация режимов потока в затрубном пространстве

На основе экспериментальных данных, собранных Каэтано и другими [15], иссле­ дователи пришли к выводу, что в затрубном пространстве могут существовать те же самые режимы потока, что и в стволе скважины, но их характеристики существенно отличаются. Поэтому мы отдельно опишем режимы потока и в затрубном простран­ стве. На рис. 3.5 и 3.6 показаны режимы потока в концентрическом и эксцентрическом затрубном пространстве соответственно.

Рис. 3.5. Режимы восходящего вертикального потока в концентрическом затрубном простран­

стве [15]

Пузырьковый режим потока. В непрерывной жидкой фазе газ находится в виде мелких отдельных пузырьков, распределяясь относительно однородно в поперечном сечении затрубного пространства. Образуются две разновидности отдельных пузырь­ ков: сферической и полусферической формы. Сферические пузырьки очень малы по размеру (порядка 3-5 мм в диаметре), полусферические пузырьки относительно круп­ нее, но тем не менее они все-таки меньше, чем половина гидравлического диаметра затрубного пространства. Маленькие сферические пузырьки движутся вверх по зигза-

xzz^-

Р Ь | £ Ъ

Рис. 3.6. Режимы восходящего вертикального потока в эксцентрическом затрубном простран­

стве [15]

гообразным траекториям, тогда как полусферические — поднимаются по прямой траек­ тории с большей скоростью. В эксцентрическом затрубном пространстве и маленькие, и полусферические пузырьки движутся преимущественно в широкой части затрубного пространства, поэтому в этой области увеличивается объемное газосодержание, по сравнению со средним газосодержанием, характерным для полного сечения затрубного пространства. Если скорость жидкости велика, то, независимо от геометрии затрубного пространства, фазы движутся с одинаковой скоростью без проскальзывания.

Пробковый режим потока. В таком режиме потока крупные полусферические пузырьки движутся в восходящем направлении, между ними находятся пробки жид­ кости, которые закупоривают поперечное сечение затрубного пространства. Каждая пробка жидкости содержит маленькие сферические пузырьки газа. По своим свойствам крупные пузырьки аналогичны пузырькам, характерным для пробкового потока в тру­ бах, поэтому их также называют пузырьками Тейлора. Пузырьки Тейлора занимают практически все поперечное сечение затрубного пространства. Однако в них имеется канал, по которому большая часть жидкости впереди пузыря перетекает в обратном направлении (см. рис. 3.5). Такой канал проходит по всей длине пузырька сверху вниз, а ширина его ограничена расстоянием между стенками обсадной и стволовой труб. Канал в пузырьке Тейлора не симметричен относительно вертикальной или горизон­ тальной плоскости. Вокруг пузырька Тейлора имеется пленка жидкости, которая также течет в обратном направлении, смачивая стенки обсадной и стволовой труб, что со­ здает зону высокой турбулентности позади пузырька Тейлора. Пленка жидкости также перемещается внутри канала. В отличие от концентрического затрубного простран­

ства, в эксцентрическом пространстве (рис. 3.6) канал для течения жидкости всегда образуется в зоне контакта стенок трубы.

Эмульсионный режим потока. Эмульсионный режим потока в затрубном про­ странстве по своим характеристикам аналогичен эмульсионному режиму потока в тру­ бах. Не наблюдается никаких различий и при изменении конфигурации затрубного пространства.

Кольцевой режим потока. В этом случае газ является непрерывной фазой, он за­ нимает ядро поперечного сечения затрубного пространства. Жидкая фаза существует в виде волнистой пленки на стенках обсадной и стволовой труб, а также в виде мелких сферических капель, захваченных газовым ядром. Внешняя жидкая пленка, которая смачивает стенки обсадной трубы, всегда толще внутренней пленки, находящейся на стенке стволовой трубы.

Накопление жидкости вблизи точки контакта стенок трубы является еще одной ха­ рактеристикой кольцевого режима потока в эксцентрическом затрубном пространстве.

в этой части затрубного пространства.

Сравнивая режимы восходящего вертикального потока в трубе и в затрубном про­ странстве, ученые пришли к выводу, что наличие внутренней трубы в затрубном про­ странстве влияет на характеристики пробкового и кольцевого режимов потока. Пу­ зырьки Тейлора в затрубном пространстве имеют ассимметричную форму, также они имеют канал, по которому большая часть жидкости перемещается в обратном направ­ лении. В кольцевом режиме потока образуются две пленки жидкости, покрывающие стенки стволовой и обсадной труб. Полагают, что изменение характеристик потока определяется отношением диаметров труб и степенью эксцентричности затрубного пространства.

3.5.3. Смена режимов потока

Ниже описывается характерная для нефтяной скважины последовательность сме­ ны режимов потока.

У забоя скважины, где гидродинамическое забойное давление выше давления на­ сыщения, существует только жидкая фаза. По мере того как жидкость поднимается вверх, давление снижается, что приводит к выделению некоторого количества газа, растворенного в жидкой фазе. Десорбированный газ выделяется в виде мельчайших пузырьков, распределенных по непрерывной жидкой фазе, что характерно для пузырь­ кового режима потока. Восходящее движение потока продолжается, давление и темпе­ ратура все больше снижаются, это приводит к расширению газа и его дополнительному выделению из нефтяной фазы. Формируются более крупные пузырьки, которые начи­ нают сталкиваться между собой и коагулироваться в пузырьки Тейлора, разделенные между собой непрерывной жидкой фазой. Так формируется пробковый режим пото­ ка. Дальнейшее восхождение потока в зону низкого давления приводит к расширению пузырьков Тейлора и выделению дополнительного газа из пробок жидкости. Поток становится хаотичным и в таком состоянии называется эмульсионным. Эмульсионный режим потока продолжает существовать до тех пор, пока скорость газа не станет до­ статочно высокой, чтобы вытеснить жидкость к стенкам трубы, что характерно для кольцевого режима течения.

Вследствие непрерывного изменения давления и температуры, а также массообмена между двумя фазами, поток, состоящий из непрерывной жидкой фазы у забоя сква­

жины, может полностью преобразоваться в поток, состоящий из непрерывной газовой фазы у устья скважины. Рис. 3.4 можно рассматривать в качестве схемы последова­ тельного изменения режимов потока.

Итак, были рассмотрены качественные особенности различных режимов течения многофазного флюида, теперь обсудим способы их прогнозирования и расчета харак­ теристик потока. Для этого необходимо хорошо уяснить механизмы, лежащие в основе существования каждого режима потока. Для прогнозирования режимов потока и их характеристик Анзари и др. [16] применяли модели, которые будут описаны в главе 4.

3.5.4. Прогнозирование режимов потока

Все методы прогнозирования режимов потока в скважинах подразделяются на две категории. Почти все ранние методы построены на основе экспериментальных ис­ следований труб малых диаметров, заполненных воздухом или водой при небольшом давлении. Ученые наблюдали за режимами потока и замеряли значения различных па­ раметров при переходе из одного режима течения в другой. В главе 4 описываются наи­ более удачные карты режимов потока, построенные при таком подходе. Вторая группа методов прогнозирования режимов потока учитывает основные механизмы процессов перехода из одного режима в другой. Данный подход оказался очень эффективным. В главе 4 рассматриваются механистические модели для прогнозирования режимов течения.

3.6. Объемное содержание жидкости

В разделе 3.3 обсуждались процессы, происходящие между газом и жидкостью, движущимися с разными скоростями (с проскальзыванием). Из уравнений (3.13) и (3.14) видим, что для расчета скоростей каждой фазы важно знать объемное со­ держание жидкости. Из уравнений (3.19), (3.20), (3.22) и (3.24) очевидна значимость объемного содержания жидкости для прогнозирования физических свойств газожид­ костной смеси. В разделе 2.3 мы говорили о том, что гравитационная составляющая градиента давления для однофазного потока составляет 80-95 % общего градиента дав­ ления. Такая же ситуация имеет место быть и для многофазного потока в вертикальных трубах. В главе 4 будет продемонстрировано, насколько важно правильно провести расчет плотности (уравнение (3.22)) и объемного содержания жидкости при прогнози­ ровании градиента давления многофазного потока.

В главе 4 будет рассмотрено несколько эмпирических корреляций и механисти­ ческих моделей, применяемых для прогнозирования объемного содержания жидкости. Чтобы получить эмпирические корреляции и оценить их эффективность, необходимо сначала провести экспериментальные замеры объемного содержания жидкости. Самым точным способом замера является отсечение образцов газа и жидкости- в участке трубы и физическое измерение той части трубы, которая занята жидкой фазой (так называе­ мый метод отсечек). Как правило, подобные замеры проводят с помощью двух быстро закрывающихся шаровых клапанов, которые можно приводить в действие одновремен­ но. Для прерывистого режима потока (пробкового и эмульсионного) и других режимов потока образец газожидкостной смеси (участок измерений) должен быть больше, ввиду различного строения каждой фазы. Поскольку все пробки жидкости и пузырьки Тейло­ ра имеют разную длину, необходимо заключить в участок трубы несколько экземпля­ ров каждого вида, чтобы получить их осредненные характеристики. Таким образом, минимальное расстояние между клапанами трубы зависит от режима потока. Известно, что вертикальный восходящий многофазный поток стабилизируется быстрее, поэтому

замеры необходимо проводить после того, как поток продвинется из начала трубы на расстояние, равное 100 диаметров трубы. Однако, если наклон трубы отличен от верти­ кального, длина исследуемого участка должна быть гораздо больше, особенно в случае нисходящего потока.

Когда для замеров объемного содержания жидкости используются быстро закры­ вающиеся клапаны, довольно часто приходится осреднять значения нескольких заме­ ров, чтобы добиться максимальной точности. В итоге процесс может занять много времени. К тому же использовать быстро закрывающиеся клапаны в полевых услови­ ях невозможно. Поэтому для непрерывных замеров объемного содержания жидкости было разработано много других методов. К таким методам относится применение ла­ зерных (световых) доплеровских измерителей, ультразвуковой (акустической) техники, гамма-лучей или принципа поглощения нейтронов (ядерной техники), а также емкост­ ных датчиков или датчиков сопротивления (электронных приборов). Далее мы опишем два наиболее распространенных метода непрерывных замеров объемного содержания жидкости.

3.6.1.Емкостные датчики

Вустройстве емкостных датчиков используются обкладки конденсатора для изме­ рения диэлектрической проницаемости двухфазной смеси. В этом случае нельзя приме­ нять проводящие электричество материалы, поэтому при выборе труб для эксперимента не используют стальные конструкции, а в качестве жидкой фазы — воду. Именно по этой причине емкостные датчики не используются в полевых условиях, но широко при­ меняются при лабораторных экспериментах. В этом случае в качестве материала для изготовления труб используются полихлорвинил, акрил или стекло, в качестве жид­ кой фазы углеводородные смеси (например, керосин), при этом в таких экспериментах можно избежать появления воды.

Первыми начали использовать емкостные датчики Грегори и Маттар [17]. Они разработали несколько конструкций датчиков и в результате пришли к выводу, что оптимальным является применение в качестве обкладок конденсатора спиральных пла­ стин, находящихся в противофазе. Грегори и Маттар также предложили использовать электроды разных размеров и наклонов в зависимости от диаметра труб.

Коуба [19] совместно с другими авторами [18] предложил другую конструкцию датчика, при этом в качестве электродов использовались три равные по площади об­ кладки. Центральная обкладка являлась положительным электродом, а две внешние были заземлены. Разработчики доказали, что применение емкостного датчика подоб­

ной конструкции обеспечивает не менее точные результаты замеров, чем датчики со спиралевидными пластинами, к тому же общая длина датчика с тремя обклад­ ками оказывается меньше длины датчика со спиралевидными пластинами, особенно при больших диаметрах труб. В этом случае непрерывные замеры объемного со­ держания жидкости не надо усреднять по всей длине трубы. Впоследствии Батлер и др. [20] усовершенствовали саму конструкцию емкостных датчиков и используе­ мых в них электронных элементов. На рис. 3.7 приведена фотография емкостного дат­ чика.

В общем случае работа емкостных датчиков напрямую зависит от их электрон­ ной схемы. Емкостное сопротивление трубы, наполненной воздухом или природным газом, практически не отличается от емкостного сопротивления трубы, наполненной углеводородной жидкостью. На точность замеров значительно влияют небольшие из­ менения влажности или концентрации воды в жидкой фазе. К тому же Коуба и др. доказали необходимость динамической калибровки датчиков, поскольку результаты за-

3.7. Компьютерный алгоритм на основе профиля давления

При расчете падения давления необходимо проинтегрировать градиент давления по длине скважины. Так, общее падение давления будет равно

Значение градиента давления, рассчитываемого по уравнению (3.26) для сжима­ емых и малосжимаемых флюидов, меняется по длине трубы. Это же утверждение справедливо и для многофазных смесей, а также для сырой нефти при давлении выше давления насыщения. Отчасти это объясняется изменением температуры в скважине. В нефтяных и газовых скважинах значение градиента давления меняется в зависимо­ сти от давления, температуры и угла наклона скважины. При расчете падения давления необходимо с помощью численного алгоритма вычислить также градиент энтальпии (уравнение (2.72)).

Расчет затрудняется определением начальных значений р и Т, полный дифферен­ циал которых рассчитывается из уравнений (2.5) и (2.105) соответственно. В основе всех существующих компьютерных программ, предназначенных для вычисления гра­ диента давления установившегося течения многофазной смеси, лежит так называемый марш-алгоритм. Чтобы разрешить проблему определения начальных значений, числен­ но интегрируют уравнения градиентов давления и энтальпии, каждый раз подставляя

вних через небольшой интервал соответствующие значения заданных по скважине параметров. Причем не имеет значения, с верхнего или нижнего сечения скважины начинать расчет.

На рис. 3.9 изображена стандартная искривленная скважина, разделенная на пять сегментов. Начало каждого сегмента совпадает с изменением угла наклона скважины. Также отдельные сегменты (узлы) необходимо выделять в том месте скважины, где происходит изменение в массовом расходе флюидов или где расположен насос и из­ меняется диаметр или конфигурация трубы. Изменение массового расхода флюидов может происходить в том случае, если скважина снабжена газлифтом или происходит смешанная добыча сырья с разных участков.

Сегменты скважины на рис. 3.9 могут быть достаточно длинными, и даже в пре­ делах одного сегмента происходит значительное изменение градиента давления в за­ висимости от значений плотностей, приведенных и фактических скоростей флюидов,

вТакже в зависимости от режима потока. Поэтому даже отдельный сегмент необходи­ мо разделить на вычислительные инкременты, в пределах которых значение градиента давления можно считать постоянным. Тогда падение давления рассчитывается по фор­

муле:

п т / -J—\

< 3 - 2 9 >

На рис. 3.10 приведена схема марш-алгоритма с единственным вычислительным сегментом, разделенным на инкременты, когда значения Рг и Т7; известны, а значе­ ния pi+ 1 и Т{+1 необходимо вычислить. Окончательный результат получается пу­ тем последовательного продвижения по всем инкрементам во всех сегментах сква­ жины.

В предыдущей главе в разделе 2.6 обсуждался приближенный метод решения Уравнения градиента энтальпии, а на рис. 3.10 дана схема аппроксимационного вы-