Читайте также: |
|
В процессе обводнения скважины увеличивается плотность жидкости и, что более существенно, уменьшается количество поступающего в скважину газа. Если р3>р„, практически весь газ выделяется из нефти, в воде же его содержание пренебрежимо мало. В результате с ростом обводненности уменьшается количество газа в смеси и увеличивается ее плотность. Градиент
144 давления возрастает, и при одном и том же забойном давлении это приводит к необходимости уменьшения устьевого давления.
Наступает момент, когда равенство (VII.3) не может быть выполнено и тогда необходим подвод дополнительной энергии (энергии сжатого газа или механической энергии насоса).
На рис. VII.3 и VII.4 показаны кривые изменения давления в газлифтной и насосной скважинах. При газлифтном способе эксплуатации для уменьшения плотности газожидкостной смеси на глубине L в продукцию нагнетают дополнительное количество свободного газа. В результате под воздействием забойного Рз давления обеспечивается подъем более легкой смеси и создаются условия, необходимые для транспорта продукции.
При насосном способе эксплуатации на глубину L спускают насос, давление на выкиде которого рв достаточно для подъема продукции скважины.
§ 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДЪЕМА ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНЕ
При восходящем движении газожидкостной смеси в насосно-компрессорных трубах (НКТ) более легкий газ опережает жидкость. Разность средних объемных скоростей движения газа и жидкости называется относительной скоростью. Ее значение зависит от свойств газа и жидкости, скорости смеси, газонасыщенности, и при стесненных условиях движения смеси в НКТ она может быть высокой.
Скорость всплытия одиночных пузырьков газа в сосуде неограниченного диаметра определяется свойствами газа и жидкости и линейными размерами пузырьков (рис. VII.5). Для пузырьков малого размера, имеющих сферическую форму, она возрастает пропорционально квадрату диаметра пузырька (закон Стока). С увеличением размеров пузырьков форма их меняется, скорость всплытия их при этом возрастает медленнее. Наступает момент, когда силы поверхностного натяжения не
10 Заказ N° 3597 145
а
Рис. VI 1.5. Зависимость скорости всплытия пузырька газа в жидкости от его линейного размера
Рис. VII.6. Структура газожидкостной смеси при восходящем ее движении в трубах
могут сохранить целостность пузырьков. Происходит их дробление, и более мелкие всплывают с несколько меньшей скоростью.
Итак, максимальная скорость всплытия одиночных пузырьков газа в жидкости ограничена и зависит от свойств и газа, и жидкости. Например, максимальная скорость всплытия пузырьков воздуха в дистиллированной воде порядка 26 см/с, а газа в нефти обычно не превышает 20 см/с.
В добывающих скважинах на поток газожидкостной смеси влияют размеры НКТ. При малой газонасыщенности пузырьки газа находятся на некотором расстоянии друг от друга (пузырьковая структура, рис. VII.6,а). Их формы и размеры определяются соотношениями между силами сопротивления и поверхностного натяжения. 'Относительная скорость при этой структуре не превышает 10—20 см/с.
С ростом газонасыщенности при определенных свойствах газа и жидкости происходит слияние пузырьков. В этом случае диаметр их практически равен диаметру труб и развивается че-точная (пробковая) структура (см. рис. VII.6, б). Относительная скорость газа достигает 50—100 см/с.
При дальнейшем увеличении газонасыщенности пузырьки сливаются и образуется кольцевая структура или структура тумана (см. рис. VII.6, в). Часть жидкости переносится потоком газа в виде капель, часть движется вдоль стенки трубы, увлекаемая газом за счет сил трения. Относительная скорость при такой структуре течения может быть значительной (достигать десятков метров в секунду) и небольшой (когда толщина кольцевого слоя жидкости на стенках трубы незначительна и жидкость переносится в основном потоком газа в виде мельчайших капель). Помимо указанных структур можно выделить также и промежуточные виды. Вид структуры зависит не только от газонасыщенности, но и от скоростей фаз и свойств жидкости и газа.
Различают два вида газонасыщенности: расходную р — отношение объемного расхода газа к расходу смеси при данных термодинамических условиях и истинную ф — это отношение средней площади трубы, занятой газом, к площади сечения трубы. Если бы газ и жидкость двигались с одинаковой скоростью, то ф была бы равна р. В восходящем потоке смеси газ движется с большей скоростью, поэтому ф<р, и тем меньше, чем больше относительная скорость. Действительно, газ при одинаковом расходе, двигаясь с большей скоростью, занимает меньшую площадь сечения трубы.
Итак, с ростом относительной скорости уменьшается содержание газа в смеси, а это ведет к увеличению ее плотности.
Впервые дифференциальное уравнение движения газожидкостной смеси получил Верслуис в 1930 г. При его выводе скорости жидкой и газовой фаз принимались одинаковыми. В 1933 г. А. П. Крылов вывел уравнение движения, в котором учитывал различие в скоростях фаз.
В дифференциальных уравнениях движения газожидкостных смесей по трубам учитываются разнообразные процессы и явления (массо- и теплообмен между фазами, процессы на границе раздела фаз и т. д.). Не все из них можно проинтегрировать в общем виде, но при наличии ЭВМ их решение не вызывает затруднений. И все-таки проблема расчета движения газожидкостных смесей окончательно не решена, так как в уравнениях остаются два параметра, которые нельзя определить теоретически: один из них характеризует потери энергии на преодоление массы столба смеси, другой — на трение.
Для решения проблемы определения потерь на трение при движении по трубам однофазного потока потребовались труды сотен исследователей в течение ряда десятилетий. В результате была получена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса. Универсальная зависимость для коэффициента, характеризующего гидравлические потери при движении газожидкостной смеси, пока не найдена. То же самое можно сказать об относительной скорости газа в потоке смеси. Эта скорость или определяемая ею истинная газонасыщенность зависит от скорости движения смеси и свойств газа и жидкости, последние, в свою очередь, являются функцией давления и температуры. Вывод уравнений расчета коэффициента истинной газонасыщенности осложняется процессами коалесценции и диспергирования пузырьков газа при движении смеси. На эти процессы влияет содержание в жидкости поверхностно-активных веществ, учесть которые очень трудно. Эти вещества также влияют и на условия перехода от одной
Для определения составляющих потерь давления на преодоление массы столба смеси и на трение используют эмпирические зависимости, полученные при обработке данных промысловых или лабораторных исследований. В уравнении движения газожидкостной смеси пренебрегают потерями давления на ускорение и потерями, имеющими еще меньшее значение. Такое уравнение имеет вид
dp Pcugdh + dprp, (VI 1.4)
где dp — общие потери давления по длине подъемника dh\ рем — плотность смеси; g — ускорение свободного падения; dpTV— потери давления на трение. Условия проведения экспериментов обычно не одинаковы, различны также и методы интерпретации данных исследований. Поэтому методики расчета движения газожидкостных смесей отличаются друг от друга.
При расчете промысловых газожидкостных подъемников наиболее распространены в нашей стране методики А. П. Крылова— Г. С. Лутошкина, из зарубежных: Поэтмана и Карпен-тера, Данса и Роса, Оркишевского. Эти методики, к сожалению, не универсальны, и поэтому при использовании любой из них необходимо учитывать условия месторождения, для чего обычно сравнивают расчетные кривые изменения давления вдоль лифта с фактическими, полученными поинтервальными измерениями давления в эксплуатирующихся скважинах.
Цель расчета промысловых газожидкостных подъемников — выбор оборудования и установление режима эксплуатации скважин при различных способах эксплуатации. Необходимость расчета подтверждается данными анализа зависимости потерь давления от диаметра, дебита жидкости и расхода газа. Перепишем уравнение (VII.4) в безразмерном виде:
I _ Рем J 1 dPrp (VII.5)
Рж£ dh Рж 9ж§ dh
где рж — ПЛОТНОСТЬ жидкости.
В левой части этого уравнения приведены общие потери энергии, в правой — потери энергии на преодоление массы столба смеси и на трение.
Рассмотрим изменение общих потерь энергии в функции расхода газа V при подъеме жидкости с заданным дебитом q по трубам диаметром d (рис. VII.7). Увеличение расхода газа ведет к росту скорости смеси, а следовательно, и потерь на трение dpTV/pmgdh (см. рис. VII.7, кривая /), а также к увеличению истинной газонасыщенности смеси и уменьшению ее плотности, т. е. к уменьшению первого слагаемого в правой части уравнения (VII.5) (см. рис. VII.7, кривая 2).
С ростом относительной скорости увеличиваются и плотность смеси, и расход энергии на преодоление массы столба смеси (см. рис. VII.8, кривая 2). При больших диаметрах эти потери возрастают интенсивнее, чем уменьшаются потери на трение (кривая /). В результате общие потери снова начинают расти (кривая 3). Итак, для подъема заданного дебита жидкости при известном газовом факторе G или заданном расходе газа можно подобрать такой диаметр лифта, который обеспечит минимум расхода давления.
§ 4. ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСЧЕТА ПОДЪЕМНИКА
При изучении закономерностей движения газожидкостных смесей в трубах только на основании экспериментальных данных устанавливают влияние на истинную газонасыщенность свойств фаз, характеристик потока смеси и оценивают потери давления на трение.
Основа большинства существующих методик расчета движения газожидкостных смесей по вертикальным трубам — эмпирические зависимости, полученные при обработке результатов лабораторных исследований, проводимых на установках, подобных установке А. П. Крылова. Его установка состояла из труб различного диаметра длиной 20 м, по которым движется газожидкостная смесь. При экспериментах измеряли расход фаз, общий перепад давления и истинную газонасыщенность ср потока. Затем определяли плотность смеси
Рем = Рж (1 — ф) +Prf. (VII.6)
а по формуле (VII.4) устанавливали потери давления на трение. В результате обработки данных исследований находили зависимость расхода давления на преодоление массы газожидкостной смеси и на трение от термодинамических, расходных и геометрических параметров. А. П. Крыловым было получено уравнение движения газожидкостной смеси по вертикальным трубам:
dp g + 0,7S5rf» +fliV + flrf''re+«iygi (VII.7)
где q и V — объемные расходы жидкости и газа при соответствующих термодинамических условиях, м3/с; d — внутренний диаметр труб, м; аи «2 и а3 — коэффициенты, приведенные в табл. VII.2.
В уравнении (VII.7) первое слагаемое в правой части отражает потери энергии в безразмером виде на преодоление массы столба смеси единичной длины, три последующих — потери на трение на единичной длине подъемника.
Рассмотренная методика А. П. Крылова (установления зависимостей) относится к группе, в которой потери на преодоление гидростатического давления смеси и на трение определяют отдельными зависимостями. При необходимости учитывают и инерционные потери давления или потери на ускорение смеси, которые в большинстве случаев пренебрежимо малы по сравнению с потерями на трение.
Другую группу составляют методики, в которых потери давления определяют по одной общей зависимости. Преимущество этих методик заключается в возможности установления эмпирических зависимостей на основе промысловых данных, т. е. в построении зависимостей для условий конкретных месторождений. Но эти методики менее универсальны.
§ 5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРОМЫСЛОВЫХ ПОДЪЕМНИКОВ
Для выбора оборудования и режима эксплуатации фонтанных и газлифтных скважин применяют аналитический метод А. П. Крылова и графоаналитический метод, основанный на использовании кривых изменения давления вдоль колонны НКТ (р=/(Я), называемых также градиентными кривыми или профилями давления. По этим методам практически получают одинаковые результаты при дебитах до 200 т/сут, газожидкостных отношениях до 100—150 м3/м3 и вязкостях жидкости, не превы
Следует отметить, что название методов несколько условно, так как раньше для решения многих задач с применением формул А. П. Крылова пользовались графиками. В последнее время для промысловых расчетов широко используют ЭВМ. В машину вводится программа расчета по данной методике в виде аналитических и табличных зависимостей, характеристика пласта и скважин, а ЭВМ дает уже готовые рекомендации по выбору оборудования и установления оптимального режима эксплуатации скважин. Тем не менее в дальнейшем для наглядности и возможности анализа нами будут показаны последовательность и промежуточные результаты решения промысловых задач, где широко применяют графические методы решения и построения.
По выбранной для данного месторождения методике строят градиентные кривые p = f(H) для НКТ различного диаметра при движении по ним продукции скважин с разными дебитами и обводненностью. -Если скважины эксплуатируются газлифт-ным способом, во время построения градиентных кривых учитывают и различные газожидкостные отношения.
Для расчетов необходимо иметь результаты исследования пластовых нефтей. На рис. VII.9 показаны зависимости свойств нефти и газа от давления, значение объемного коэффициента нефти б, количества выделившегося VVb и растворенного Vrp газа, приходящегося на 1 т нефти, в функции давления. Эти кривые различны для каждого месторождения и определяются экспериментально.
Как уже отмечалось, в основу многочисленных методик расчета движения газожидкостных смесей по вертикальным трубам положено дифференциальное уравнение баланса давления:
-^=Рс«£ + Рем£^ + Рсм^, (VII.8)
dh dh dh
где dp — изменение давления на длине трубы dh; рсм и v —
Рис. VI 1.1(0. Блок-схема расчета на ЭВМ забойного давления в зависимости от устьевого
средние значения плотности и скорости смеси на этой длине; g— ускорение свободного падения; dhjp — потери на трение на длине dhy выраженные в метрах столба смеси. Последнее слагаемое отражает потери на ускорение движения смеси.
Существующие методики отличаются конкретными выражениями для определения слагаемых в правой части уравнения (VII.8). Для каждой методики это уравнение (VII.8) можно представить в следующем виде:
dp/dh = f(py h). (VII.9)
Уравнение (VII.9) — нелинейное дифференциальное уравнение первого порядка. Так как в состав этого уравнения входят сложные эмпирические функции, аналитически оно не решается. Для решения (VII.9) чаще используют численный метод последовательных приближений (метод итерации), сущность которого заключается в следующем: уравнение (VII.9) преобразуют в уравнение в конечных разностях, задают численное значение приращения одной из переменных (Ар и А/г) и затем методом итерации определяют приращение другой переменной. Целесообразнее задаваться значением Ар. Это приводит к уменьшению числа итераций в одной расчетной ступени, вследствие того что параметры уравнений (VII.8) и (VII.9) в большей мере зависят от давления, чем от температуры.
На рис. VII. 10 показана блок-схема расчета забойного давления рз в зависимости от устьевого ру. По этой схеме можно наглядно представить процесс расчета распределения давления вдоль ствола газожидкостного подъемника методом итерации.
После ввода необходимых данных вычисления начинают с известной точки (устье): глубина hx = О, давление Pi = ру. Принимают приращение давления Др, которому соответствует приращение глубины ДА' (приблизительно принятое). Это позволяет определить средние давление р и температуру Т на расчетном интервале, если предположить, что изменение температуры с глубиной известно.
Затем устанавливают структуру течения смеси на расчетном интервале (если ее рассматривают в используемой методике). Определив на заданном интервале плотность смеси рсм и потери на трение ДАтр, по (VII.9) находят ДА, соответствующее принятому приращению давления Др. Если значения Ah' и Ah совпадают с требуемой точностью допустимой погрешности итерации є, вычисления проводят для следующего интервала. В противном случае принимают найденное значение Ah при первой итерации за оценочное и повторяют расчет. Если вновь /ДА— —ДА'/>є, то машина переходит ж третьей итерации и так до тех пор, пока после очередной итерации не получат /ДА—ДА'/^е. Таким образом, є — это допустимая погрешность итерации, т. е. максимально возможное различие в приращениях глубины ДА при их определении в двух последующих итерациях. Затем переходят к расчету следующего шага, задаются значением -Др и определяют соответствующее значение ДА.
Расчет продолжают до тех пор, пока сумма интервалов
і
hi^^Ahi не будет равной или не превысит длину НКТ L. При і
hi=L значение pi соответствует расчетному забойному давлению. Если Hi>Ly то р'з находят интерполяцией.
По блок-схеме, показанной на рис. VII. 10, устанавливают потери давления в многофазном вертикальном потоке с некоторым приближением. Точность будет тем больше, чем меньше приращение-давления Др и допустимая погрешность итерации е. Следует учитывать, что с уменьшением Др возрастает число интервалов или шагов, на которые разбивается длина НКТ, а с уменьшением є — число итераций в одном шаге. В результате увеличивается машинное время.
При минимуме расхода машинного времени достаточную для практики точность получают в том случае, если є=1 м, а интервал приращения давления выбирают с учетом условий, приведенных ниже.
р, МПа........................................................................ <1 1—4 4—16 16—30 >30
Др, МПа......................................................................... 0,1 0,2 0,8 3,0 6,0
При низких давлениях р градиент Др в скважинах обычно мал, а скорость его изменения значительна. Поэтому для' получения необходимой точности расчета следует принимать невысокий Др. При высоких р, когда градиенты давления велики и изменяются медленно, для обеспечения требуемой точности можно брать большое Др.
§ 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИИ ФОНТАНИРОВАНИЯ
Для примера приведем алгоритм расчета градиентной кривой по методике А. П. Крылова. Преобразуем уравнение (VI 1.7) в уравнение в конечных разностях:
ДА = Др/ржй. (VII.10)
гле t-Is»-+h ■ о -? + °>785а2 о •
ГДЄ 5— Г "тр, Рем——— Рж,
Рж V + q + 0,785d2
Расчет ведем для 1-го интервала при давлении рг. В соответствии с данными, приведенными выше, выбираем Др. Среднее
давление на интервале р = рг + Др/2. Исходя из приблизительной оценки длины интервала ДА', находим среднюю температуру Т (см. рис. VII. 10). По методике А. П. Крылова предполагается, что в промысловых подъемниках существует одна пробковая структура. Поэтому переходим к расчету составляющих градиентов давления. По графикам (см. рис. VII.9) находим соответствующие давлению р значения рг, рн, VrB, Угр, Ь. Расходы жидкости и газа за 1 с определяем следующим образом.
В необводненных скважинах:
Q (1000 + Кгррг) Q-10006 Лпі in
или q = —------- -; (VI 1.11)
86400рн 86400р„д
V0 = Q-^L-. (VII.12)
86 400
В обводненных скважинах:
Q(100-B) 100+УгрРг QB уи
100 86 400рн 8640рв
или |
Q (100 — В) Ь. QB
100 8б,4рНд 8640рв
дроо-Д) (VII14)
100 86 400
Расход газа при термодинамических условиях на интервале составит
v= VoPozf/mp. (vii.15)
Здесь Q — дебит скважины в стандартных условиях, т/сут; Угр (Угв) — объем растворенного (выделившегося) газа при
давлении р, приходящийся на 1 т дегазированной нефти и приведенный к атмосферному давлению и температуре 20 °С, м3/т; b — объемный коэффициент нефти при давлении р; рг—плотность газа, приведенная к стандартным условиям и соответствующая его компонентному составу при давлении р, кг/м3; рн — плотность нефти при давлении р, кг/м3; рнд — плотность дегазированной нефти, кг/м3; рв — плотность воды, кг/м3; В — массовая обводненность^ продукции; %; z — коэффициент сжимаемости газа при р и Т.
Зная вязкость жидкости, по табл. VII.2 выбираем коэффициенты а\, а2 и <23, а затем по формулам (VII.10) находим Лтр, Рем, I и ДЛ. Если /ДЛ—Д/і7>1м, то уточняем температуру Т и вязкость на интервале, рассчитываем V и определяем новое значение ДЛ и т. д. Установив ДЛ с достаточной точностью, приступаем к расчетам на следующем интервале. Зная глубину ДЛ/ и значения Др/, строим градиентную кривую p = f(H) сверху вниз (при известном давлении на устье) или снизу вверх (при известном давлении на забое).
Пример расчета кривой изменения давления фонтанирующей скважины, оборудованной НКТ с внутренним диаметром 62 мм при дебите безводной нефти 100 т/сут, давлении на устье 0,3 МПа и температуре 20 °С. Зависимость свойств нефти и газа от давления показана на рис. VI 1.9. Вязкость дегазированной нефти 17 мПае, в пластовых условиях — 2,7 мПа-с. Пластовая температура 66 °С, глубина скважины 2000 м.
Расчет градиентной кривой проводим сверху вниз. Давление в начале первого интервала 0,3 МПа, Др=0,1 МПа (см. условия на стр. 154). Сред-нее давление на интервале р = ру + Ар/2 = 0,35 МПа. По графикам (см. рис. VI 1.9 определяем для р = 0,35 МПа значения: 6=1,02; Vrp=ll м3/т; Кв = 38 м3/т; рн = 866 кг/м3; рг=1,06 кг/м3. По формулам (VII. 11), (VII.12) рассчитываем ^7 = 0,00135 м3/с и 1/0 = 0,04405 м3/с. За среднюю температуру принимаем ее значение в начале интервала ГУ = 293 К при z=\. Тогда по (VII. 15) V = 0,01259 м3/с. Вязкость нефти изменяется вдоль ствола скважины, увеличиваясь от 2,7 мПа-с на забое до 12—16 мПа-с на устье скважины. Будем считать вязкость постоянной и равной в среднем 5 мПа-с. Тогда йі = 2,57; а2 = 635; а3== 1860 (см. табл. VII.2). По (VII.10) находим: (1,-м = 223,1 кг/м3; /гтр = 331,8-10-4; £ = 0,2908; АЛ = 40,48 м.
Предположив, что температура изменяется вдоль НКТ линейно, определим ее среднее значение на интервале:
Т = 66 - 20 + 293 ^ 293.46 К.
2000 2
Так как вязкость жидкости при движении смеси в НКТ принята постоянной, то изменение температуры отразится лишь на объемном расходе газа. По (VII-15) найдем 1/ = 0,01261 м3/с,їїо (VII.10) рсм = 222,9 кг/м3; /ітр = 332,3-10~4; 1 = 0,2906, А/і = 40,51 м. Различие в величине АЛ менее 1 м, поэтому принимаем АЛ = 40,51 м и переходим к расчетам на следующем интервале.
Градиентные кривые применяют для определения условий фонтанирования, выбора оборудования и режима эксплуатации добывающих скважин. Условие фонтанирования скважин устанавливают и с помощью характеристических кривых газожид
МПа |
0 2 Ч- В 8 10 12Рп.Р) |
\] | |||||||
\\ | |||||||
\\ | |||||||
/' | \ J | V > | |||||
і \ | |||||||
Ь 1 | |||||||
костного подъемника, построение и назначение которых будет рассмотрено в следующем параграфе.
I $ 800 |
m 800 1200 Не |
I |
Пример определения возможности фонтанирования скважин на месторождении, расположенном в горной местности. В долине скважины вскрывают продуктивный пласт на глубине 1300 м, а в горах — на глубине 1700 м. Пластовое давление 15 МПа при допустимой максимальной депрессии 6 МПа и давлении насыщения 8 МПа.
Рис. VII.11. Кривые изменения давления от глубины (к определению условий фонтанирования скважин) |
Если забойные давления р3 больше давления насыщения рн, газовый фактор в различных скважинах будет одинаков, но условия фонтанирования в них различны вследствие неодинаковых обводненности и коэффициентов продуктивности. Для определения условий фонтанирования через НКТ заданного диаметра в скважинах с коэффициентами продуктивности К и обводненностью п построим градиентные кривые для максимальной депрессии (кривая / на рис. VII.11) и депрессии, равной 3 МПа (кривая 2) снизу вверх. В долине скважины будут фонтанировать с максимально допустимым дебитом при давлении на устье 1 МПа, в горной местности этот процесс неосуществим. С уменьшением депрессии в 2 раза скважины фонтанируют и в долине, и в горах при устьевых давлениях соответственно 2,7 и 1,2 МПа. В горной местности максимально возможные отборы из скважин фонтанным способом составят 75 % от допустимых, если устьевое давление равно 0,4 МПа (пунктирная кривая на рис. VII.11).
Дата добавления: 2015-08-27; просмотров: 55 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Крил - Q 4 страница | | | Крил - Q 6 страница |