Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Фонтанная эксплуатация



Способ эксплуатации скважин, при котором подъем газожидкостной смеси от забоя скважины на дневную поверхность происходит за счет природной (пластовой) энергии, называется фонтанным. Фонтанирование нефтяных скважин происходит за счет гидростатического напора или за счет энергии сжатого газа, а также за счет энергии сжатых горных пород.

Приток нефти к забоям скважин происходит за счет разности между пластовым и забойным давлением. В случае, когда давление столба жидкости (до устья заполненной скважины) меньше пластового давления, скважина будет фонтанировать. В зависимости от режима работы залежи фонтанирование скважины будет происходить за счет энергии гидростатического напора или за счет энергии расширения газа, растворенного в нефти, или одновременно за счет той и другой энергии. Чаще всего основную роль в фонтанировании скважин играет газ, содержащийся вместе с нефтью в пласте, и в тех случаях, когда газ в пластовых условиях полностью растворен в нефти и по пласту движется однородная жидкость. При освоении таких скважин свободный газ начинает выделяться из нефти в насосно-компрес-сорных трубах на глубине, где давление ниже давления насыщения нефти газом. При этом фонтанирование будет происходить за счет гидростатического напора и энергии сжатого газа, проявляющейся в верхней части скважины. На глубине, соответствующей давлению насыщения нефти газом, газ начинает выделяться из нефти в виде пузырьков. Поднимаясь вверх, газовые пузырьки испытывают все меньшее давление, вследствие чего объем пузырьков газа увеличивается и плотность смеси нефти и газа становится меньше. В итоге давление газожидкостного столба на забой скважины становится меньше пластового, и скважина начинает фонтанировать. Фонтанирование скважины под действием гидростатического напора бывает тогда, когда давление на устье больше давления насыщения, т.е. Ру > Рнас.

В этом случае весь газ находится в нефти в растворенном состоянии, и забойное давление определяется как давление столба однородной жидкости, заполняющей скважину, по формуле:

(38)

где Рзаб - забойное давление, МПа; Н - глубина скважины, м; р -плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Р - гидравлические потери давления на трение при

движении жидкости, МПа; Ру - противодавление на устье, МПа.

Потери давления на трение определяются по формуле Дар-си-Вейсбаха

(39)

где Я - коэффициент гидравлических сопротивлений; d - диаметр насосно-компрессорных (подъемных) труб, м; с - скорость движения жидкости в подъемных трубах, м/с; L - длина подъемных труб, м.

Численное значение А определяется в зависимости от шероховатости подъемных труб и критерия Рейнольдса:

(40)

 

при

(41)

 

при

где v - кинематическая вязкость жидкости, м /с.

Забойное давление определяется из основного уравнения притока жидкости к забою скважины:

(42)

где Q - дебит скважины м3/сут; К - коэффициент продуктивности, м3 (сут. МПа); Рпл - пластовое давление, МПа; п - показатель режима фильтрации жидкости в призабойной зоне пласта.

Подставляя значения (39) и (42) в уравнение (38), определяют давление на устье:

(43)

Если устье фонтанной скважины закрыто, то забойное давление равно пластовому:

(44)

В основном фонтанирование скважин происходит за счет энергии гидростатического напора и энергии расширения газа в нефти. Для таких условий фонтанирования

(45)

когда до интервала, где давление равно давлению насыщения Ртс, движется однофазная жидкость (газ растворен в нефти), а выше идет двухфазный поток (жидкость и газ).

Рис. 56. Схема действия газожидкостного подъемника

Принцип действия газожидкостного подъемника можно представить на примере следующей установки. Установка состоит из сообщающихся сосудов А\ъАг (рис. 56), в один из которых опущены две трубки (а, и а2). В колено А\ наливается жидкость, которую надо поднять на уровень II - II с помощью сжатого газа (воздуха), подаваемого в трубку а2. Количество газа (воздуха) V и давление Р\ на конце трубки подбирается так, чтобы при непрерывной подаче постоянного объема жидкости q в колено А} уровень I - I оставался постоянным. При этом будет достигнут

установившийся процесс движения смеси в сообщающихся сосудах и трубках а\ и я2.

В начальный момент при подаче газа в трубку а\ пузырьки его будут всплывать через жидкость, и она не будет переливаться через устье (уровень II - II).

При достижении определенного расхода газа смесь поднимается до верхнего уровня, но перелива жидкости еще не будет. Такой расход газа соответствует начальной точке на кривой q = f(V). При этом газовые пузырьки проскальзывают через столб жидкости. В трубе наблюдается режим барботажа. Затем, с увеличением расхода газа, расход жидкости вначале будет возрастать, а с ростом количества нагнетаемого газа расход жидкости начнет уменьшаться вследствие увеличения скорости движения газожидкостной смеси и роста потерь давления на трение. В результате зависимость расхода жидкости q от расхода газа V будет соответствовать зависимости, приведенной на рис. 57. Расход жидкости зависит от расхода газа, диаметра лифта d и градиента давления е. Для случая, приведенного на

(46)

где h - глубина погружения лифта под уровень жидкости при установившемся режиме работы скважины; L - длина лифта.

При установившемся режиме работы скважины давление у башмака колонны (уровень III - III на рис. 56) будет определяться высотой столба жидкости h. Величину е принято также называть относительным погружением лифта. Для фонтанной или газлифтной скважины, по аналогии с рис. 56,

(47)

где pj - давление у башмака колонны; Р2 - давление у устья скважины; р - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения; L - длина лифта скважины.

Рис. 57. Зависимость объемного расхода жидкости q от расхода газа V при различных значениях е и d

Принято различать три режима движения газожидкостной смеси.

1. Пузырьковый режим (рис. 58 а), когда жидкость с мелкими пузырьками газа высокого давления движется в нижней части подъемных (НКТ) труб. При этом пузырьки газа свободно перемещаются в жидкости.

2. Снарядный, или пробковый, режим (рис. 58 б), когда из жидкости выделяется значительное количество газа в виде крупных пузырьков, имеющих удлиненную форму. Пузырьки газа чередуются с жидкостными перемычками. Снарядный режим проявляется главным образом в средней части подъемных труб (НКТ). При дальнейшем движении газожидкостной смеси из жидкой фазы выделяется все больше пузырьков газа, происходит их слияние, за счет чего размеры пузырьков увеличиваются. При

этом режиме происходит пульсация газожидкостной смеси и скважина работает неравномерно.

 

Рис. 58. Структура газожидкостной смеси при движении ее в подъемнике.

3. Дисперсно-кольцевой режим (рис. 58 в), когда газообразная фаза движется по центру подъемных труб, образуя ядро потока, а жидкая фаза движется по стенкам подъемных труб. В ядре газообразного потока содержатся капли жидкости.

Дисперсно-кольцевой режим проявляется в основном в подъемных трубах ближе к устью скважины, где наблюдается значительное снижение давления и наибольшие скорости движения газожидкостной смеси. В работающей скважине устанавливается динамический уровень жидкости ]\ в межтрубном пространстве. По давлению столба жидкости в этом пространстве определяется забойное давление. Для фонтанной скважины оно равно

(48)

где \ - глубина погружения подъемных труб под динамический уровень, м; р - плотность жидкости; pcv - плотность газожидко-

стной смеси; q - ускорение свободного падения, м/см2; Р - потери давления на трение, МПа.

Выражая потери давления на трение через высоту столба жидкости, получим

£огда выражение (48) будет иметь вид:

(49)

Разделив обе части уравнения (49) нар и L, получим

(50)

где s = hl/L - относительное погружение подъемных НКТ или потери напора на единицу длины подъемных труб; Л^, - потери напора на преодоление сил трения (выраженные в высоте столба жидкости), приходящиеся на единицу длины подъемных труб.

Теоретически очень трудно определить рсм и h' , так как газ и жидкость поднимаются по трубам с разными скоростями. Потери напора при движении газожидкостной смеси по насос-но-компрессорным трубам зависят от объемного расхода жидкости, объемного расхода газа V, диаметра трубы d, от физических свойств жидкости и газа - плотности жидкости рж и га-ча рг, вязкости //ж и газа //г и величины поверхностного натяжения жидкости на границе жидкость-газ <р. Для скважин с де-битами не более 200 т/сут и газовыми факторами 100 м3/т и менее потерями напора на трение можно пренебречь. Плотность газожидкостной смеси

(51)

гдерж - плотность жидкости при данных давлениях и температуре; р, - плотность газа при данных давлениях и температуре;

(р- истинное газосодержание, т.е. отношение площади сечения потока газа в трубе ко всей ее площади:

(52)

где Fr - площадь сечения потока газа в трубе; Рж - площадь сечения потока жидкости в трубе; F - площадь сечения подъемных (НКТ) труб.

Закономерности изменения газосодержания устанавливаются с помощью мгновенных отсечек потока или просвечиванием труб гамма-лучами на лабораторной установке. ' Плотность газа в скважине можно определить по формуле Бойля-Мариотта:

(53)

где pj - давление на башмаке подъемных труб, МПа; Рг - давление на устье скважины, МПа; рл - плотность газа при атмосферном давлении Р0.

В большинстве случаев эксплуатация газожидкостных подъемников происходит в условиях снарядного режима, при котором жидкость поднимается на поверхность движущей силой 1газа, оказывающего непосредственное давление на нее, и при трении газа и жидкости. Газ движется быстрее жидкости, проскальзывает через нее. Поэтому эти потери называют потерями скольжения или потерями относительного движения.

Потери напора между башмаком и устьем будут следующими:

(54),

где hnosl - напор, необходимый для выполнения полезной работы; hCK - напор, потерянный вследствие относительного движения газа; h - напор, потерянный на преодоление сил трения.

Потери относительного движения находятся в обратной зависимости от скорости движения, а силы трения увеличиваются от увеличения скорости движения.

Рис. 59. Зависимость потери напоров при движении газированной жидкости от объема газа: 1 - й„ол + hCK; 2 - А^; 3 - А^ + Аск + h^

На рис. 59 показана сумма потерь полезного напора и потерь напора на скольжение /гпол + /гск и потерь напора на трение h от

объемного расхода газа V при постоянном диаметре подъемных труб d = 73 мм и постоянном расходе жидкости q = 2,4 л/с. Эти зависимости построены А.П. Крыловым на основе опытов, проведенных на экспериментальной установке с длиной труб 1 м. При постоянном расходе жидкости (см. рис. 59) сумма потерь hnon + Нск тем меньше, чем больше газа проходит через трубу данного диаметра. А потери напора на трение с увеличением объема пропускаемого газа увеличиваются. Из рис. 59 видно, что при постоянном расходе жидкости и постоянном диаметре труб потери напора h будут значительно меньше при расходе гача 25 л/с. Увеличение объема подачи газа увеличивает общие потери давления в подъемных трубах при движении в них га-аожидкостной смеси.

Кривые зависимости потерь от диаметра подъемных труб При постоянных расходах газа и жидкости указаны на рис. 60.

Рис. 60. Зависимость потерь полезного напора и скольжения, а также трения (АП01СК +Л_) на 1 м длины трубы от объемного

расхода газа Упри постоянном расходе жидкости q.

На этом рисунке потери Апол + hCK и А^ приняты в метрах на

1 м длины трубы. Диаметры подъемных труб d приняты от 33 до 144 мм при постоянных объемных расходах газа V = 15 л/с и жидкости q = 1,6 л/с.

На рисунках 60 и 61 пунктирные кривые показывают полные напоры А, получаемые в результате суммирования кривых ало,, +Аски прямых h . Как видно, наименьшие полные

потери на 1 м длины трубы при принятом расходе жидкости и газа составляют 0,3 при трубах условным диаметром 73 мм.

Кроме вышеизложенного, А.П. Крылов в результате проведения экспериментальных работ построил кривые изменения объемного расхода жидкости в зависимости от объемного расхода газа для подъемников различных диаметров при постоян-

ных перепадах давления на единицу длины подъемника. При этом перепад давления е на единицу длины подъемника равняется

(55)

где rtj - высота столоа жидкости в подъемнике, соответствующая давлению Р^ (у башмака подъемника); h^ - напор жидкости на

устье подъемника (скважины), соответствующий противодавлению Р2', L- длина подъемника.

Рис. 61. Зависимость потерь напора А„олСК, А^ и А от диаметра d подъемных труб при постоянных объемных расходах газа V и жидкости д.

В случае если противодавление на устье подъемника Р2 равно атмосферному давлению, т.е. h^ =0, то отношение aj к L называется относительным погружением £0. Величина £0 покапывает, какая доля общей длины подъемника L находится под уровнем жидкости.

Чаще всего противодавление на устье скважины превышает атмосферное давление, так как для движения жидкости в промысловых коммуникациях необходимо создать дополнительный напор, тогда

(56)

Если на забое давление выше давления насыщения, то за L принимается расстояние от устья скважины до места в подъемнике, где начинается выделение газа из нефти.

С учетом того, что

где /zq - расстояние от башмака до места, где начинает выделяться газ из нефти, и Я- глубина скважины, получаем

(57)

На рис. 62 показана зависимость между дебитом жидкости и расходом газа при е = const для элементарного подъемника d = 73 мм.

Кривые показывают, что в начале движения смеси при очень малых расходах газа имеются большие потери скольжения, превышающие напор. При этом подъема жидкости не происходит, <? = 0.

С увеличением расхода газа потери скольжения уменьшаются. Когда объемный расход газа достигает некоторой величины и потери скольжения становятся меньше перепада давления, начинается подача жидкости. В дальнейшем при увеличении расхода газа потери скольжения будут значительно уменьшаться, в то время как потери трения возрастают постепенно и в небольших размерах. Вследствие этого суммарные потери скольжения и трения будут уменьшаться, а подача жидкости станет увеличиваться.

При продолжающемся увеличении объемного расхода газа темпы снижения потерь скольжения будут уменьшаться, а потери

Рис. 62 Зависимость между дебитом жидкости и расходом газа при е = const для элементарного подъемника dy = 73 мм.

трения - увеличиваться; по достижении объемным расходом некоторой величины суммарные потери начнут увеличиваться и подача уменьшится. Эта точка начала увеличения суммарных потерь и снижения подачи соответствует минимальным суммарным потерям и максимальной подаче.

Расход газа при этом режиме бывает различным и зависит от перепада давления и диаметра подъемных труб. Отношение полезной работы по подъему жидкости ко всей затраченной работе (отношение Wn к W,) представляет собой коэффициент полезного действия (к.п.д.) подъемника.

На рис. 62 точки максимальной подачи жидкости и точки максимальных значений к.п.д. (оптимальных дебитов) соединены пунктирными линиями. На рис. 63 показана кривая зависимости дебита жидкости от расхода газа в единицу времени. Здесь же имеется несколько характерных точек - точки начала подачи (выброса жидкости при малых количествах газа), максимального к.п.д., максимального дебита жидкости и прекращения подачи жидкости; последняя точка соответствует условию очень больших расходов газа, при которых потери трения газа в подъемной трубе значительно выше давления у башмака подъемных труб.

 

Рис. 63. Зависимость между дебитом жидкости и расходом газа для длинного подъемника (применяемого на практике)

Применительно к реальным условиям движения жидкости по вертикальным трубам А.П. Крылов вывел формулы для точек наибольшей производительности и точек наибольшей эффективности (к.п.д.) <2ОПТ- Они составлены при условии, что вязкость жидкости равна 5 МПа-с. При этом он принял допущения:

1) расширение газа происходит по закону Бойля-Мариотта;

2) давление по всему стволу насосно-компрессорных труб изменяется по линейному закону, т.е.

(58)

где Р - давление на расстоянии / от устья; pj - давление у башмака; /2 - давление у устья скважины; L - длина колонны;

3) среднее значение суммарного напора, расходуемого на единицу длины подъемника, представляется выражением (55):

где /I - давление у башмака скважины; Р2 - давление у устья скважины; L - длина подъемника.

Средний объемный расход газа по длине подъемника при изотермическом расширении его с изменением давления можно получить в виде:

(59),

где V0 - объемный расход газа при средней температуре в стволе скважины при атмосферном давлении Р0.

С учетом принятых допущений условия работы длинного подъемника в реальных промысловых условиях определяются по следующим формулам.

Для дебита жидкости

(60)

(61)

Для удельного расхода газа

(62)

(63)

В этих формулах Q - в т/сут; d - в мм; Р - в МПа; L - в м; R - в м3/т; р - в кг/м3.

На рис. 64 показано изменение <3макс и Qom в зависимости отизменения величины е для подъемника с dy = 73 мм и плотностью жидкости р = 900 кг/м3. Как видно, с увеличением е возрастает максимальная пропускная способность подъемника. При оптимальном режиме работы подъемника наблюдается максимум, который соответствует примерно 200 т/с, при s = 0,6, т.е. для получения максимального дебита подъемника, работающего в оптимальном режиме, требуется, чтобы е = 0,6.

 

Рис. 64. Изменение <5макс и QonT от относительного погружения




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.