личению прироста давления и времени его стабилизации, а затем, при продолжении снижения уровня давления, к уменьшению этих величин. Своего минимума они достигают при давлении начала конденсации. При последующей разгрузке газоконденсатной системы ниже давления начала конденсации значения прироста давления и времени его стабилизации не меняются.
Кроме того, в данной области выше давления начала конденсации, при истощении зависимость p = p(∆V) становится криволинейной (рис. 4.14).
Выявленное усиление релаксационных свойств газоконденсатных систем позволяет предположить, что, начиная с определенного уровня давления, превышающего давление начала конденсации, имеет место зародышеобразование.
Процесс образования микрозародышей носит инерционный характер и зависит от уровня давления и темпа изменения давления в системе. Область активного влияния микрозародышей для данной газоконденсатной смеси находится в интервале давлений от 23 до 18 МПа (см. рис. 4.12).
Длительность времени стабилизации давления можно объяснить инерционностью образования микрозародышей. Максимальное влияние микрозародышей ощущается при давлении 20,5 МПа. Дальнейшая разгрузка системы приводит к интенсификации процесса зародышеобразования. Происходит слияние отдельных микрозародышей, и по достижении уровня давления начала конденсации образуется и выпадает конденсат.
При проведении экспериментальных исследований выявлено, что релаксационные свойства газоконденсатной системы зависят также от темпа изме-
Рис. 4.15. Изменение давления в системе в зависимости от изменения объема (dp/dt = = 3,3 10–3 ÌÏà/ñ)
404
нения ее давления. Так при достаточно больших темпах изменения давления (3,3 10–3 МПа/с и более) газоконденсатная смесь не успевает среагировать на внешнее возмущение и при разгрузке системы на всех уровнях давления выше давления начала конденсации отмечается одинаковой прирост давления в первый момент времени, который связан с упругой деформацией системы. Кроме того, зависимость p = p(∆V) при истощении носит на всех уровнях давления выше давления начала конденсации прямолинейный характер, т.е. процесс зародышеобразования не наблюдается (рис. 4.15).
Âслучае малых темпов изменения давления в системе (порядка 0,83Ч ×10–3 МПа/с) перестройка газоконденсатной смеси осуществляется по мере снижения давления, и поэтому неравновесные свойства не наблюдаются.
Âрезультате экспериментальных исследований установлено, что процессу
выпадения конденсата предшествует процесс образования микрозародышей, которые приводят к появлению релаксационных свойств газоконденсатных систем при давлениях выше давления начала конденсации. Показано, что процесс зародышеобразования зависит от темпа изменения давления в системе.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СМЕСЕЙ НА ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ
Как было показано, релаксационные свойства газоконденсатных смесей при давлениях выше давления начала конденсации обусловлены процессами образования зародышей новой фазы. Кроме того, установлено, что релаксационные свойства зависят от темпа изменения давления в системе.
Можно предположить, что релаксационные эффекты связаны с такими изменениями параметров системы, которые происходят в реальных технологиче- ских процессах при разработке газоконденсатных залежей. Следовательно, учет этих особенностей газоконденсатных смесей имеет большую практическую ценность и может быть использован для повышения производительности скважин.
Для изучения влияния темпа изменения давления газоконденсатной системы на релаксационные свойства газоконденсатных смесей при давлениях выше давления начала конденсации были проведены экспериментальные исследования.
Опыты проводились на установке, схема которой представлена на рис. 4.11. В бомбу высокого давления заправлялась газоконденсатная смесь, состоящая из природного газа и нормального гексана (давление начала конденсации 17,5 МПа при температуре 333 К, газоконденсатный фактор 480 м3/ì3).
Бомба высокого давления помещена в термостатируемую рубашку. Температура в системе поддерживалась при помощи термостата и составляла 333 К.
Избыточное давление в рабочей камере бомбы PVT создавалось гидравли- ческим прессом, который подавал в запоршневое пространство продавочную жидкость. Давление в бомбе регистрировалось при помощи образцового манометра и датчика давления.
Методика проведения экспериментов была следующей.
С уровня 33,6 МПа давление с определенным темпом снижалось до следующих уровней: 30, 30,4, 28,8, 27,2, 25,6, 24,0, 22,4, 20,8 и 19,2 МПа, а затем возвращалось до первоначального с тем же темпом.
Темпы изменения давления в системе составляли 1,67 10–3 è 3,3× ×10–3 ÌÏà/ñ (ðèñ. 4.16).
405
Рис. 4.16. Зависимость релаксационных свойств газоконденсатных смесей при темпах изменения (dp/dt = 1,67 10–3 ÌÏà/ñ)
Зависимость релаксационных свойств газоконденсатных смесей при темпах изменения давления dp/dt = 1,67 10–3 МПа/с показана на рис. 4.18. Для dp/dt =
=3,3 10–3 МПа/с получен идентичный практический результат.
Âходе экспериментов осуществлялись непрерывные замеры изменения давления. На рис. 4.17 представлены кривые изменения давления для обоих темпов изменения давления в системе.
Как видно из рис. 4.17, кривые изменения давления в интервале 24 МПа и ниже имеют необычный характер. Если до этого уровня давления кривые плавно изменяются и имеют форму экспоненциальной зависимости (см. рис. 4.17, á, кривые 1—5), то по достижении 24 МПа на кривых изменения давления наблюдаются экстремальные точки (см. рис. 4.17, кривые 6—9).
В то же время, подобных явлений при увеличении темпа изменения давления в системе до 3,3 10–3 МПа/с (см. рис. 4.17) не наблюдается.
Сравнивая зависимости снижения давления от его уровня для обоих темпов изменения давления, видим, что если для 3,3 10–3 МПа/с эта зависимость монотонно изменяется с уменьшением давления, то для 1,67 10–3 МПа/с эта закономерность не соблюдается (см. рис. 4.18). То же самое можно сказать об изменении времени стабилизации давления (рис. 4.19).
Отмеченный эффект можно объяснить процессом образования микрозародышей новой формы. При снижении давления в газоконденсатной смеси начи- нается образование зародышей конденсата. Затем происходит диффузионный процесс перераспределения зародышей по всему объему.
Снижение давления в системе не связано с температурными факторами. Как показали эксперименты, описанные в предыдущем разделе, температура при имеющихся темпах изменения давления в системе не меняется.
Влияние темпа изменения давления в системе на процесс образования и перераспределения зародышей конденсата было исследовано и в другой серии экспериментов.
Релаксационные свойства системы могут порождать нелинейные эффекты и гистерезисные явления (искривление индикаторных зависимостей и др.). Исследования, проведенные на газоконденсатной смеси, показали наличие гистерезисных явлений при изменении давления. Для этого использовались та же установка, что и для предыдущих опытов (см. рис. 4.11), и газоконденсатная
406
Рис. 4.17. Кривые изменения давления:
à – dp/dt = 1,67 10–3 ÌÏà/ñ; á – dp/dt = 3,3 10–3 ÌÏà/ñ; 1–9 – соответственно при 30,0; 30,4; 28,8; 27,2; 25,6; 24; 22,4; 20,8; 19,2 МПа
407
Рис. 4.18. Зависимость изменения давления от уровня снижения давления:
à – dp/dt = 1,67 10–3 ÌÏà/ñ; á – dp/dt = 3,3 10–3 ÌÏà/ñ
смесь, состоящая из природного газа и нормального гексана (давление нача- ла конденсации 17,5 МПа при температуре 333 К, газоконденсатный фактор 4800 м3/ì3). Температура термостатирования составляла 333 К.
Эксперименты проводились следующим образом. Начальное давление p0 составляло 33,6 МПа. С постоянным темпом изменения давления в системе производилось снижение давления до уровня p1 и затем нагружение до начального уровня p0. Уровни снижения давления p1 составляли 32, 30,4, 28,8, 27,2,
Рис. 4.19. Зависимость времени стабилизации давления от уровня снижения давления:
à – dp/dt = 1,67 10–3 ÌÏà/ñ; á – dp/dt = 3,3 10–3 ÌÏà/ñ
408
25,6, 24, 22,4, 20,8 и 19,2 МПа. В процессе разгрузки и последующей нагрузки системы по показаниям измерительной шкалы гидравлического пресса фиксировались значения изменения объема. Эксперименты проводились при темпах изменения давления в системе 1,67 10–3 è 3,3 10–3 ÌÏà/ñ.
Контрольные опыты, проведенные на природном газе, показали, что независимо от темпа изменения объема системы и уровня снижения давления зна- чения изменения объема и соответствующего изменения давления при прямом и обратном ходе совпадают.
Было установлено, что при темпе изменения давления в системе, равном 1,67 10–3 МПа/с, на уровнях давлений, превышающих 24 МПа, значения изменения объема и соответствующего изменения давления при нагрузке и разгрузке совпадают. На уровнях давлений ниже 24 МПа имеет место петля на изотерме ∆V—p, подобная петля гистерезиса (рис. 4.20). Появление ее объясняется релаксационными процессами образования и перераспределения микрозародышей, их консолидацией, ростом и распадом, которые протекают с разными скоростями.
Полученные результаты показывают, что максимальное увеличение гистерезиса приходится на интервал давлений от 24 до 20,8 МПа.
При увеличении темпа изменения давления до 3,3 10–3 МПа/с петля на изотерме ∆V—p не наблюдается (рис. 4.21).
Кроме того, были проведены эксперименты и построена зависимость изменения давления от изменения объема системы p = p(ΣV) (см. рис. 4.22). Для обработки полученной зависимости был применен аппарат теории катастроф. Анализ обработки результатов экспериментов показал, что, начиная с некоторой величины давления (примерно 25 МПа), соответствующей давлению заро-
Рис. 4.20. Изменение давления в системе в зави- |
Рис. 4.21. Изменение давления в системе |
||
симости от изменения объема при темпах измене- |
в зависимости от |
изменения |
объема |
ния давления dp/dt = 1,67 10–3 ÌÏà/ñ: |
при темпах изменения |
давления |
dp/dt = |
1 – прямой ход, 2 – обратный ход |
= 3,3 10–3 ÌÏà/ñ: |
|
|
1 – прямой ход, 2 – обратный ход
409
Рис. 4.22. Изменение давления в зависимости от изменения объема при темпах изменения давления dp/dt = 3,3 10–3 ÌÏà/ñ
|
|
|
Ò à á ë è ö à |
4.13 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¹ ï/ï |
p, ÌÏà |
p/z, ÌÏà |
∑Vã 10–6, ì3 |
|
|
¹ ï/ï |
p, ÌÏà |
p/z, ÌÏà |
∑Vã 10–6, ì3 |
1 |
33,6 |
34,8 |
0 |
|
|
14 |
24,9 |
28,4 |
10 130 |
2 |
32,8 |
34,2 |
810 |
|
|
15 |
24,1 |
27,8 |
11 000 |
3 |
32,4 |
34,0 |
1350 |
|
|
16 |
24,0 |
27,7 |
11 170 |
4 |
32,0 |
33,7 |
1740 |
|
|
17 |
23,5 |
27,3 |
11 880 |
5 |
31,2 |
33,1 |
2630 |
|
|
18 |
23,0 |
26,8 |
12 750 |
6 |
30,4 |
32,6 |
3610 |
|
|
19 |
22,4 |
26,2 |
13 510 |
7 |
30,0 |
32,2 |
4090 |
|
|
20 |
21,8 |
25,6 |
14 220 |
8 |
29,2 |
31,6 |
5010 |
|
|
21 |
21,2 |
25,0 |
14 870 |
9 |
28,8 |
31,3 |
5460 |
|
|
22 |
20,8 |
24,7 |
15 540 |
10 |
27,8 |
30,7 |
6570 |
|
|
23 |
20,4 |
24,2 |
16 320 |
11 |
27,2 |
30,2 |
7420 |
|
|
24 |
19,9 |
23,7 |
16 920 |
12 |
26,3 |
29,6 |
8200 |
|
|
25 |
19,5 |
23,3 |
17 520 |
13 |
25,5 |
28,9 |
9170 |
|
|
26 |
19,2 |
22,9 |
18 160 |
Фактические запасы – 62 000
дышеобразования в свободном объеме, происходит искривление зависимости p = p(ΣV).
Как известно, для подсчета запасов газа и конденсата используется метод материального баланса. Так как в некоторых месторождениях начальное пластовое давление намного превышает начала конденсации, была построена зависимость p/z = p/z(ΣVã) в свободном объеме. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.13. Давление в системе при этом понижалось до уровня в 1,1 раза выше уровня давления начала конденсации. Затем методом наименьших квадратов были определены запасы газа в системе. При этом расчетные запасы газа в системе оказались на 12 % меньше фактических.
По результатам экспериментальных исследований газоконденсатных смесей, проведенных в свободном объеме, можно сделать вывод о том, что процессу выпадения конденсата предшествует процесс образования микрозародышей, который зависит от темпа изменения давления в системе. Этот процесс проявляется в появлении релаксационных эффектов при давлениях, значительно превышающих давление начала конденсации. Показано, что эти эффекты оказывают влияние на параметры газоконденсатных систем, и, следовательно, возможно их регулирование в реальных технологических процессах добычи газа и конденсата.
410
4.7.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ИТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАВНОВЕСНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШФЛУ
Вязкость, плотность, давление насыщения и коэффициент термического расширения являются важнейшими физическими характеристиками ШФЛУ — смеси широких фракций легких углеводородов. На основе значений указанных параметров производятся гидравлические расчеты продуктопроводов, рассчитываются технологические операции по заполнению, опорожнению и хранению ШФЛУ и т.д. Ниже приведены характеристики ШФЛУ, определенные в равновесном состоянии. Проба ШФЛУ отобрана в январе 1989 года на НПС УлуТеляк продуктопровода Нижневартовcк – Уфа при давлении 2,5 МПа и температуре окружающей среды (–25 °С).
1. Вязкость ШФЛУ. Вязкость ШФЛУ определена при давлениях и температурах эксплуатации продуктопровода.
Измерение вязкости газожидкостных смесей и сжиженных газов под давлением производится, как правило, двумя известными методами, основанными на законе Стокса, и по формуле Пуазейля.
Применяемые в нефтяной промышленности вискозиметры ВВДУ предназначены для измерения вязкости нефтей, значения которой значительно выше вязкости ШФЛУ. Во избежание возможных ошибок измерение вязкости производилось капиллярным методом, основанным на формуле Пуазейля
V = π ∆p t R4 |
, |
(4.47) |
8µ l |
|
|
ãäå V — объем жидкости, протекающий по трубе за время; R — радиус капилляра; ∆p — перепад давлений на концах капилляра; t — продолжительность протекания жидкости; l — длина капилляра; µ — динамическая вязкость жидкости.
Выражая вязкость из уравнения (4.47), получим
µ = |
π ∆ptR4 |
= |
A ∆p t |
, |
(4.48) |
8Vl |
|
||||
|
|
V |
|
||
ãäå A = π8Rl4 — произведение постоянных параметров.
Как видно из (4.48), для определения вязкости на капиллярной установке необходимо производить измерения перепада давления и объема протекающей жидкости за единицу времени.
С этой целью была создана экспериментальная установка для измерения вязкости жидкостей под давлением, схематично показанная на рис. 4.23. Основные технические данные установки следующие: капилляр 5 длиной l = 1 и диаметром 0,7 мм. Рабочее давление равно 17,5 МПа. Преобразователь перепада давления типа «Сапфир»—22DD, модель 2430 имеет предел измерений 0 ч ч25 кПа при рабочем давлении pð = 16 МПа с выходным сигналом 0 – 20 мВ. Мерник высокого давления 7 имеет объем V = 50 10–6 ì3 с ценой деления 0,1 10–6 ì3. Рабочее давление мерника равно 12,5 МПа. Все оборудование кроме баллона 1 и пресса 9 размещается в термошкафу и терморегулируется. Перед
411
Рис. 4.23. Схема экспериментальной установки:
1 — баллон с газом; 2 — редуктор; 3 — контейнер поджимный; 4 — напорная колонка; 5 — капилляр; 6 — измерительная система; 7 — мерник высокого давления; 8 — приемный контейнер; 9 — гидравлический пресс; 10 — мензурка; 11, 12 — манометры; 13 — термометр; 14 — система термостатирования; 15 — регулировочный вентиль; ДД — преобразователь дифференциального давления; БП — блок питания; R —нагрузочное сопротивление; mV — милливольтметр
опытами установка тарируется и полученный поправочный коэффициент тарировки α учитывается при определении µ по формуле:
|
|
µ = αA ∆p t V. |
|
(4.49) |
||
|
|
Ò à á ë è ö à |
4.14 |
|
|
|
|
|
Вязкость ШФЛУ, МПа с |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Давление, МПа |
|
Температура, °С |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
16 |
|
20 |
25 |
35 |
|
|
|
|
|
|
|
12,5 |
|
0,3128 |
|
0,3117 |
0,3094 |
0,2966 |
10,0 |
0,326 |
0,31235 |
|
0,30013 |
0,29897 |
0,2936 |
7,5 |
0,302 |
0,2989 |
|
0,2888 |
0,2926 |
0,2879 |
5,0 |
0,292 |
0,293 |
|
0,2853 |
0,2908 |
0,2770 |
2,5 |
0,288 |
0,289 |
|
0,2748 |
0,2765 |
0,264 |
2,0 |
0,2835 |
0,2827 |
|
0,2705 |
0,2745 |
0,2693 |
1,5 |
0,28137 |
0,2844 |
|
0,2753 |
0,2748 |
0,2594 |
1,0 |
0,2792 |
0,2978 |
|
0,2757 |
0,28035 |
0,26465 |
0,6 |
6,0/0,290 |
6,0/0,2896 |
|
– |
– |
– |
|
|
|
|
|
|
|
В рассматриваемом случае коэффициент тарировки α = 1,37. Результаты экспериментов приведены в табл. 4.14. Из табл. 4.14 видно, что в интервале давлений 0,2 ≤ p ≤ 0,75 вязкость ШФЛУ снижается на 3ч7 %. Ниже давления 0,2 и выше 0,75 МПа вязкость растет. Изменение температуры с 11 до 35 °С приводит к снижению вязкости ШФЛУ на 4–5 %.
412
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ШФЛУ
2. Плотность ШФЛУ. Плотности ШФЛУ при различных термодинамиче- ских условиях определены весовым методом с помощью пикнометров высокого давления, используя при этом формулу
|
ρ = |
Ì1 − Ì2 |
|
|
|
|
, |
(4.50) |
|
|
V (1 + fò (Ò1 − Ò0 )+ fð p) |
|||
где ρ — плотность, |
êã/ì3; Ì1 — Ì2 — массы сухого и заполненного ШФЛУ |
|||
пикнометра, кг; V |
— вместимость пикнометра, м3; Ò0 |
— температура, при ко- |
||
торой определена вместимость пикнометра; p — избыточное давление в пикнометре. Значения fò è fð приняты: fò = 4,3 10–5 1/°Ñ, fð = 3,9 10–5 1/ÌÏà.
Схема установки по определению плотности приведена на рис. 4.24. ШФЛУ размещается в бомбе PVT, давление в которой изменяется с по-
мощью пресса 3. Температура устанавливается и поддерживается с помощью ультратермостата. Порции ШФЛУ подаются по теплоизолированной гибкой трубе 5. Система приводится к термодинамическому равновесию путем длительной выдержки при постоянной температуре, раскачки бомбы PVT с вложенными шариками. Установление равновесного состояния контролируется высокоточным манометром 6. Затем пикнометры извлекаются из ванны термостата, высушиваются струей воздуха и взвешиваются. Массы пикнометров, использованных при опытах, были: 508,12 и 471,11 г, а вместимости при температуре Ò0 = 24,5° равнялись соответственно 33,9 и 33,1 см3.
После взвешивания пикнометры присоединяются к гибким трубкам и производится переход к следующему значению давления или температуры и опе-
Рис. 4.24. Схема установки для определения плотности ШФЛУ:
1 — бомба; 2 — пикнометры высокого давления; 3 — пресс; 4 — термостат; 5 — теплоизолированная трубка; 6 — манометр
413