6. Подъем нефти на дневную поверхность

6.1. Классификация способов подъема

По аналогии с известными методами подъема полезных ископаемых на дневную поверхность (уголь, руда и т.д.) при подъеме нефти, несмотря на существенные отличия в технологии и технических средствах процесса, также широко применяется термин «добыча нефти».

Подъем флюидов из пласта на дневную поверхность требует затрат энергии. Практически все нефтяные коллекторы обладают энергией в виде пластового давления (сжатия непосредственно флюидов и вмещающих их пород). В зависимости от используемого вида энергии различают фонтанный и механизированный способы добычи нефти (рис.6.1).

При фонтанном способе нефть поднимается на поверхность за счет внутренней природной энергии пласта и по мере ее уменьшения может поддерживаться за счет искусственно вводимой энергии в нефтяную залежь (поддержание пластового давления закачкой воды или газа).

Системы механизированной добычи основываются на том, что недостающая энергия добавляется пластовым флюидом с поверхности непосредственно в скважину или используется механическая энергия различного типа скважинных насосов, которые выталкивают продукцию на поверхность.

Скважинная продукция – это смесь нефти, газа, минерализованной воды, механических примесей и других попутных компонентов – должна быть собрана из рассредоточенных на большой территории скважин и доставлена до пункта сбора для получения товарной нефти, нефтяного газа и подготовки пластовой воды, пригодной для «возвращения» в пласт. Скважинная продукция транспортируется по герметизированной системе трубопроводов до пунктов подготовки нефти под действием напора (избыточного давления) на устье скважины.

6.2. Фонтанная эксплуатация скважин

Процесс подъема продукции скважин возможен при определенном соотношении энергии, которой обладают пластовые флюиды Е_пл, и затрат энергии при движении нефти в стволе скважины на преодоление силы тяжести гидростатического столба смеси Е_см, сил трения Е_тр, сил инерционного сопротивления Е_ин и продвижения продукции по наземным коммуникациям до пункта сбора Е_трансп.

Для подъема продукции скважины необходимо, чтобы баланс энергии в работающей скважине соответствовал условию

Е_пл  Е_см + Е_тр + Е_ин + Е_трансп. (6.1)

Общее количество потенциальной энергии Е_пл, которой обладает скважинная продукция, определяется суммой энергии жидкости Е_ж и энергии выделяющегося из нефти газа Е_г:

Е_пл = Е_ж + Е_г.

Составляющая энергетического баланса (6.1) свидетельствует о том, что скважина работает за счет только пластовой энергии. Такой способ эксплуатации называют фонтанным.

Когда

Е_пл = Е_ж + Е_г < Е_см + Е_тр + Е_ин + Е_трансп.

необходима дополнительная, искусственно подаваемая в скважину энергия Е_иск:

Е_пл + Е_иск  Е_см + Е_тр + Е_ин + Е_трансп (6.2)

На основании уравнения баланса энергии (6.1) в фонтанной скважине можно представить уравнение баланса давлений в следующем виде:

р_заб – р₂ = р_ст + р_тр + р_ин, (6.3)

где р₂ – давление (избыточное) на устье скважины; р_ст – гидростатическое давление флюидов в скважине; р_тр – потери давления на гидравлическое сопротивление; р_ин – потери давления на инерционное сопротивление (как правило, им пренебрегают).

В зависимости от соотношения р_з, р₂ и р_н выделяют три вида фонтанирования и соответствующие им три типа фонтанных скважин:

1) артезианское фонтанирование – подъем жидкости происходит за счет гидростатического напора и газ выделяется из нефти в выкидной линии,

р_з > р_н и р₂ > р_н;

2) газлифтное фонтанирование с начальным выделением газа в стволе скважины; по мере подъема нефти давление снижается, увеличивается количество свободного газа и фонтанирование осуществляется преимущественно за счет работы газожидкостного подъемника,

р_з > р_н и р₂ < р_н;

3) газлифтное фонтанирование с началом выделения газа в пласте – на забой поступает газожидкостная смесь,

р_з < р_н и р₂ < р_н.

Артезианское фонтанирование. Согласно уравнению баланса давлений (6.3), артезианское фонтанирование сохраняется при условии

р_з  qH + p_тр + р₂, (6.4)

где  – средняя плотность флюида в скважине,  = (_з + ₂)/2; Н – глубина скважины по вертикали до середины продуктивного пласта.

Потери давления на трение р_тр рассчитываются по формуле Дарси – Вейсбаха. Для фонтанных скважин задается р₂  1,5 МПа.

Вследствие неразрывности потока фонтанирование обеспечивается при условии равенства притекающей q_пр и поднимающейся на поверхность q_пов жидкости: q_пр = q_под = q.

Работу системы пласт – фонтанная скважина необходимо согласовать на основании уравнения притока (5.9), полученному при гидродинамических исследованиях при установившихся режимах, и условий артезианского фонтанирования (6.4)

р_пл – р_з = q/K = р_пл – q/K = Нq + р_тр + р₂. (6.5)

Более практичным подходом к согласованию работы системы пласт – скважина является решение уравнения (6.5) графоаналитическим методом.

На основании зависимости давления и дебита можно построить кривую эксплуатационной характеристики насосно-компрессорных труб различных диаметра d и длины (КЭ НКТ).

Накладывая КЭ НКТ на индикаторную линию при определении коэффициента продуктивности, можно получить точки их пересечения, которые характеризуют согласованную работу системы (рис.6.2)

Чем больше угол  между кривыми, тем более стабильна работа системы. Если появляются две точки пересечения, то при более низком дебите q₁ система будет нестабильна. Увеличение дебита q₂ приведет к сдвигу по направлению к точке второго пересечения, в которой отрицательная обратная связь обеспечивает стабильность системы. Если точки пересечения нет (при d = 108 мм), то скважина не будет фонтанировать естественным притоком. Падение пластового давления еще ниже потребует применения других НКТ или механизированной эксплуатации.

Газлифтное фонтанирование. Фонтанные скважины второго и третьего типов можно классифицировать как газожидкостной подъемник, у которого газ выделяется из притекающей нефти. Вдоль пути движения флюидов от забоя к устью скважины давление снижается от р₃ до р₂ и количество свободного газа, приходящегося на единицу расхода нефти, увеличивается. В соответствии с законом Генри количество выделившегося газа V_г при текущем абсолютном давлении р можно представить как разность начального и текущего количества растворенного газа:

(6.6)

где Г₀ – газовый фактор, взятый из расчета на единицу расхода нефти q_н; _р – коэффициент растворения газа в нефти; р₀ – давление при нормальных условиях.

Поскольку в стволе происходит подъем жидкости, то расход нефти можно выразить через долю воды _в в скважинной продукции:

. (6.7)

Давление линейно зависит от текущей длины лифта, поэтому справедлива зависимость А.П.Крылова

(6.8)

где р₁ – давление у башмака НКТ.

В скважинах второго типа подъемные трубы целесообразно спускать до уровня начала выделения газа: р₁ = р_н.

С учетом зависимостей (6.7) и (6.8) уравнение (6.6) приводится к виду

. (6.9)

Отсюда расход газа, называемый эффективным газовым фактором в подъемных трубах,

(6.10)

Условие газлифтного фонтанирования обеспечивается, если эффективный газовый фактор G_эф равен или превышает потребный удельный расход газа R₀ в газожидкостном подъемнике:

G_эф  R₀. (6.11)

При газлифтном фонтанировании дебит скважины определяется совместной работой системы «пласт – подъемник»: q_пр = q_под. Работа пласта характеризуется уравнением (6.9).

В общем случае подача (подъем) газожидкостного подъемника является функцией многих параметров:

q_под = f(V₀, р₁, р₂, L, d, , , ). (6.12)

Поскольку расход газа обусловлен притоком нефти в соответствии с уравнением (6.6) и давление р₁ связано с р₃, при постоянных значениях р₂, L, d, ,  для конкретной скважины можно построить кривую лифтирования q_под = f(p₃). Накладывая кривую q_пор = f(p_з) на график индикаторной линии уравнения притока, получим точки пересечения, которые характеризуют совместную согласованную работу системы пласт – подъемник (рис.6.3).

Точка В характеризует неустойчивую работу, поскольку колебания р₃ приводят к срыву фонтанирования (точка С) или переходу в точку А. Изменения уровня жидкости в скважине приводят к изменению р₃. Если q_пр > q_под, то происходит накопление притекающей жидкости в стволе скважины и растет р₃, при q_пр < q_под, наоборот р₃ уменьшается.

Устойчивая совместная согласованная работа системы пласт – газлифтный подъемник осуществляется при определенном значении р₃. При некоторых сочетаниях параметров кривая лифтирования q_под = f(р₃) может не пересекаться с индикаторной линией коэффициента продуктивности – следовательно фонтанирования не будет.