Главная | Обратная связь

Фізична характеристика руху газорідинної суміші

у вертикальних трубах.

План.

1. Структури газорідинних сумішей у трубах.

2. Підйом рідини за рахунок газу який розширюється (принцип роботи газоріднинного підйомника).

3. Розрахункові залежності професора Крилова.

 

1. Підйом рідини із свердловини в даний час в СНГ (Росії та Україні) застосовуються наступні способи видобутку нафти:

1) експлуатація свердловин установками заглибних відцентрових насосів видобувається 60% усієї нафти;

2) експлуатація свердловин штанговими глибинними насосами добувається 2028% усієї нафти;

3) фонтанним способом 6%;

4) газліфтним способом 6%.

У переважній більшості випадків експлуатації свердловин відбувається рух газорідинної суміші.

У практиці нафтової промисловості рідко зустрічаються фонтанні свердловини які працюють тільки за рахунок гідростатичного напору. В більшості фонтанних свердловин одночасно використовується енергія газу і напір рідини. Таким чином у нижній частині труб переміщується одна фаза (рідина) яка і починає рух суміші. А на глибині де тиск дорівнює тиску починається виділення газу із нафти так, що верхній частині рухається двохфазовий потік (рідини і газу). Отже, розглянемо принцип роботи газорідинного підйомника. Для того щоб розібратися в принципі руху газорідинної суміші розглянемо принцип дії газорідинного підйомника.

Рисунок 11.1 Схема газорідинного підйомника.

Уявимо собі установку яка складається із сполучених посудин а₁ і а₂ в одну з яких опущені труби. Припустимо, що в коліно А₁ наливається рідина і її потрібно підняти на рівень ІІІІ. Підняти рідину можливо за рахунок стиснутого повітря, або газу який подається в трубку а₂. Кількість повітря V і тиск на кінці трубки Р₁ можливо підібрати так, щоб при безперервному подаванні постійної об’ємної кількості рідини g у коліно А₁ рівень ІІ був не змінним, за цих умов було досягнуто процес руху рідини і газу, що встановився в сполучених посудинах. Очевидно, що для підйому рідини до рівня ІІІІ необхідно подавати трубку а₂ таку кількість газу, щоб виконувалась умова:

L ∙ ρ_сум ∙ g < P₁,

де L висота підйому, відстань між рівнями ІІІІІІ і ІІІІ;

ρ_сум густина суміші.

В процесі руху з’являються гідравлічні опори наприклад тертя (Р_тертя), крім того, що суміш проходила крізь перетин ІІІІ необхідно подолати протитиск Р₂ у цьому перетині. Таким чином тиск, що утворюється в перетині ІІІІІІ складається із суми: Р₁=h ∙ ρ ∙ g = L ∙ ρ_сум ∙ g + P_тертя + Р₂, де Р₂ протитиск; h висота стовпа рідини відповідна тиску Р₁ (іншими словами h відстань між перетином ІІ і ІІІІІІ. Розглянемо механізм руху газорідинної суміші в трубі а₁. Повітря яке піднімається через перетин ІІІІІІ розпилюється в рідині у вигляді окремих бульбашок. Оскільки густина повітря менша ніж рідини, то бульбашки прагнуть випливти. В результаті чого швидкість руху газу більша від швидкості рідини. Величина відносної швидкості газу прямо пропорційна розміру бульбашки, різницею густини газу і обернено пропорційна в’язкості рідини.

 

2. На відміну від руху однорідинної рідини структура газорідинних сумішей характеризується істотно великим різноманіттям форм. У багатьох випадках існують основні структури і кілька перехідних. Є три основні структури які зображені на (рис. 11.2).

Рисунок 11.2 Структури газорідинних сумішей

1- бульбашкова (емульсійна структура – при великих газовмістах)

2- пробкова структура(при збільшенні витрати газу)

3- кільцева

Границя існування режимів залежить від швидкості суміші, в’язкості, поверхневого натягу, абсолютного тиску в потоці, а також піноутворюючих властивостей рідини. В нафтових і насосних свердловинах в основному спостерігається бульбашкові структури суміші в піднімальних трубах. Пробковий режим характерний для газліфтних свердловин. Кільцева структура в основному спостерігається в газоконденсатних свердловинах. Треба додати, що по мірі підйому газу зняти тиск якого він зазнає, що спричиняє до збільшення об’єму бульбашок газу. В результаті підйому газу підйом супроводжується зменшенням площі перетину труби який зазнає рідина. Це призводить до зростання лінійної швидкості руху рідини та газу, а тому зменшуються витрати напору на тертя.

 

3. Основу емпіричної залежності між витратами рідини і газу була визначена професором Криловим, теоретично виведена формула, що існує і зараз:

,

де g прискорення вільного падіння, (9.81 м/с²);

Р₁, Р₂ тиск на кінцях труби довжиною l;

d діаметр труби;

а= 0.75∙d;

а₁ коефіцієнт визначений дослідним шляхом;

а₂, а₃  коефіцієнти визначені на основі формул Веймаута та Блазіуса.

 

Лекція №12.

Види і умови фонтанування. Експлуатація

свердловин фонтанним способом.

План.

1. Способи експлуатації свердловин.

2. Експлуатація свердловини фонтанним методом.

3. Принцип дії газорідинного підйомника.

 

1. Під фонтанним способом експлуатації свердловини розуміється підйом нафти на поверхню за рахунок природної енергії, розрізняють Артезіанське фонтанування і фонтанування за рахунок енергії газу, що виділяється з нафти. Процес видобування нафти охоплює переміщення нафти газу і води (флюїдів) у пласті до вибоїв на поверхню та промислове збирання продукції свердловин. Спосіб піднімання нафти у стовбурі з вибою на поверхню називають способом експлуатації свердловини. У теперішній час застосовують такі основні способи експлуатації свердловин: фонтанний, газліфтнийі насосний.

Спосіб експлуатації свердловини при якому підйом нафти або суміші нафти з газом від вибою до поверхні здійснюється за рахунок природної енергії називається фонтанним способом. Якщо тиск стовпа рідини яка заповнює свердловину менший від пластового тиску і привибійна зона не забруднена тобто стовбур свердловини сполучається з пластом, то рідина буде переливатися через устя свердловини, отже свердловина буде фонтанувати. Фонтанування може здійснюватись під впливом гідростатичного напору, або енергії газу який рухається, або того і іншого газу разом. Фонтанування тільки за рахунок гідростатичного тиску пласта явище дуже рідкісне в практиці експлуатації нафтових свердловин. Це відбувається тоді коли газ у пластових умовах повністю розчинений у нафті і у пласті рухається однорідна рідина. У більшості випадків головну роль у фонтануванні свердловин відіграє газ який міститься разом з нафтою в пласті. Це справедливо навіть для родовищ із явно вираженим водонапірним режимом, коли газ в пластових умовах повністю розчинений в нафті і в пласті рухається однорідна рідина. При експлуатації свердловини пробуреної на такий пласт вільний газ із нафти починає виділятись лише в підйомних трубах і на такій глибині де тиск нижчий від тиску насичення нафти газом. В цьому випадку підйом нафти буде здійснюватись за рахунок гідростатичного напору та енергії стиснутого газу, яка проявляється тільки у верхній частині свердловини. На глибині відповідній тиску насичення нафти газом останній починає виділятись із нафти у вигляді маленьких бульбашок. По мірі просування догори бульбашки газу зазнають усе меншого тиску, внаслідок чого об’єм бульбашок газу збільшується і густина суміші рідини та газу зменшується. Загальний тиск стовпа газорідинної суміші на вибої свердловини стає меншим за пластовий, що виникає самовиливання нафти, тобто фонтанування свердловини. При всіх способах експлуатації свердловини в тому числі і фонтанному підйом рідини та газу на поверхню здійснюється по трубах невеликого діаметру які спускаються в свердловину перед початком експлуатації ці труби називають НКТ. Залежно від способу експлуатації їх називають фонтанними, компресорними, насосними, підйомними (ліфтовими). Звісно, що фонтанний спосіб є найекономічнішим і як природний спосіб має місце на щойно відкритих енергетично не визначених родовищах. Якщо в покладі підтримується пластовий тиск шляхом закачування води чи газу, то в окремих випадках удається значно продовжити період фонтанування свердловини. Фонтанним способом вилучається основна частина світового видобутку нафти 7580% . Якщо свердловини не можуть фонтанувати їх переводять на механізований спосіб експлуатації тобто газліфтний чи насосний. В цьому випадку за рахунок пластової енергії нафта піднімається лише на висоту менше глибини свердловини, тобто рівень в свердловині не доходить до устя свердловини. Для піднімання рідини до устя свердловини і подавання її у викидну лінію (збірний трубопровід) потрібно ввести в свердловину штучну енергію. У разі газліфтного способу у свердловину подають енергію стиснутого газу, а у разі насосного енергія яка створюється насосом. Під час експлуатації свердловин будь-яким (фонтанним, насосним або газліфтним способом) у міру проходження нафти вздовж стовбура із неї виділяється розчинений газ. Внаслідок зменшення тиску, коли він стає меншим тиску насичення нафти газом. При цьому утворюється газорідинна суміш. Газ який виділяється у вихідному потоці виконує роботу з підйому рідини в трубі, при чому рідина може бути однофазною (нафта) або двофазною (нафта + вода).

 

3. Компресорна експлуатація нафтових свердловин є відтворенням природного фонтанування. Різниця полягає в тому, що при фонтануванні джерелом енергії є газ, який поступає із пласта, а при компресорній експлуатації підйом рідини із свердловини здійснюється піл впливом енергії стиснутого повітря або газу, що нагнітається в свердловину із поверхні. Стиснення повітря або газу здійснюється в спеціальних машинах, які називаються компресорами. Якщо в свердловину нагнітають стиснуте повітря, то така установка називається ерліфтом, або повітряним підйомником.

Рисунок 12.1 Принципова схема газорідинного підйомника

1 підіймальні труби; 2 лінія газоподавання

Принцип піднімання рідини (роботи газорідинного підйомника) полягає в зменшенні густини суміші в підіймальних трубах. Принципову схему газорідинного піднімача розглянуто на (рис. 12.1). У водоймищі з постійним рівнем занурені підіймальні труби 1 довжиною L на глибину h₁. До нижнього кінця підіймальних труб (до башмака труб) по трубах 2 (лінія газоподавання) підводиться газ. У підіймальних трубах газ спливає в рідині згідно закону Архімеда і утворює газорідинну суміш яка піднімається на висоту h оскільки труби 1 і водойма утворюють сполучені посудини, то в башмаку підіймальних труб буде абсолютний тиск. Піднімання газорідинної суміші супроводжується відносним рухом у рідині газової суміші різних розмірів (ковзання газу), який внаслідок спільної дії Архімедової сили і сили опору рідини, при чому бульбашки газу не рівномірно розподілені в рідині вони мігрують до стінки труби і утворюють пристінний газовий шар (газовий підшипник). Бульбашки газу в рідині можуть бути різною мірою подрібнені, дисперговані. Залежно від цього виділяють структури газорідинної суміші (режим двофазного потоку). Стосовно до практики нафтовидобування виділяють три структури: 1) бульбашкову, емульсійну; 2) пробкову; 3) дисперсійно-кільцева.

 

 

Лекція №13.

Умови фонтанування свердловин.

План.

1. Закономірність руху газліфтної суміші.

2. Умови фонтанування свердловин.

3. Типи фонтанних свердловин.

 

1. Рух газорідинної суміші набагато складніший закономірностей руху однорідинної рідини або газу окремо взятих на основі рівняння балансу енергії. Закон пластової енергії :

Е_пл + Е_ш + Е_ст + Е_т + Е_м + Е_тран = Е_е

Піднімання нафти в стовбурі свердловини може відбуватися за рахунок пластової енергії (Е_пл), або за рахунок пластової та штучно введеної в свердловину з поверхні енергії (Е_ш), у стовбурі свердловини енергія витрачається на подолання сили ваги гідростатичного стовпа водонафтової суміші (Е_ст), сил шляхового гідравлічного тертя опору (Е_т), місцевих, розширення, звуження, зміна напрямку потоків опорів (Е_н) та інерційних (прискорення) опорів пов’язаних з рухом, а також на транспортування продукції свердловин від устя до пункту збору і підготовки нафти (Е_тран).

У загальному балансі витрати енергії на місцеві та інерційні опори дуже малі, тому ними, як правило, нехтують. Отже на основі рівняння балансу за Е_ш=0, Е_міщ=0, Е_ін=0 можливо записати, що зміна потенціальної енергії (пластової), зумовлені силами гідродинамічного тиску відповідає роботі, яка витрачається на подолання сил тяжіння та тертя. Тому, що робота та енергія добутку одного і того не об’ємну суміші на відповідну втрату тиску, то рівняння балансу тисків буде аналогом рівняння Бернуллі для газорідинної суміші. Густина газонафтової суміші виражається через густину нафти, води і газу, тобто відповідно фаз нафти, води і газу в потоці. Якщо яка не будь із фаз відсутня то її у суміші прирівнюють до 0. Також необхідно знати дійсні об’ємні вмісти (насиченості фаз в потоці) величини насиченості фаз можливо визначити в лабораторних умовах методом відсікання (одночасне відсікання суміші в трубі на її кінцях). Можливі і інші методи визначення які ґрунтуються на різних фізичних явищах та ефектах (просвічування суміші пучком γвипромінювання, зміна ємності конденсатора та ін.). Для переходу до промислових параметрів вводять поняття об’ємного витратного вмісту фази в потоці. Наприклад для двофазного газорідинного потоку об’ємний витратний газовміст потоку визначається:

β_г= ,

де β_гвитрати газу та рідини за термобаричних умов у точці їх визначення.

Залежність між об’ємним витратним газовим потоком β_г і об’ємним вмістом (дійсним вмістом) фаз в потоці встановлюють за експериментальними даними. Витрати тиску на тертя під час руху однорідинної суміші більше ніж під час руху однорідинної рідини. Їх також подають залежно від дійсного об’ємного вмісту фаз. У випадку висхідного руху газорідинної суміші у підіймальних трубах тиск і температура знижується, суміш рухається в бік зменшення тиску. Температура надр землі зростає з глибиною, але стала в часі. Проте температура нафти яку видобувають з глибинного пласта в міру піднімання вздовж стовбура зменшується внаслідок неусталеного, змінного в часі теплообміну з оточуючим стовбур свердловини гірськими породами (нафта віддає тепло породам). Зменшення тиску та температури вздовж стовбура свердловини знизу вгору супроводжується зміною параметрів газорідинної суміші (густини, в’язкості, газовмісту та ін.) і відповідно складових рівняння балансу тисків, що справедливо для підіймача малої довжини в межах якої можна допускати параметри суміші незмінними. Тому, щоб визначити тиск біля башмака підіймальних труб у разі відомого тиску на викиді чи навпаки, усі довжини труб розбивають на короткі ділянки довжиною _Δ l. Для яких розраховують втрати тиску _Δφ, так як тиск на початку однієї ділянки, що рівний тиску на кінці попередньої (або заданому тиску на кінці підіймальних труб), то в результаті будують криву зміни тиску спадного потоку газу в лінії газоподавання.

Рисунок 13.1 Криві розподілу тиску

1 крива розподілу тиску висхідного потоку газорідинної суміші вздовж піднімальних труб; 2 крива спадного потоку газу в лінії газоподавання.

 

2. Стосовно до фонтанної свердловини рівняння балансу тисків може мати вигляд:

Р_в Р_у = Р_стф + Р_т ,

де Р_в вибійний тиск (тиск на вибої свердловини в процесі її роботи);

Р_у тиск на усті (викиді свердловини, устьовий тиск);

Р_стф гідростатичний тиск флюїдів у свердловині;

Р_т втрата тиску на тертя (гідравлічний опір).

Залежно від співвідношення тисків Р_г (Р₂) з тиском насичення нафти газом Р_н, або інакше від місцезнаходження початку виділення розчиненого газу із нафти розрізняють три види фонтанування і відповідні їм три види фонтанних свердловин:

1) артезіанське фонтанування Р_в > Р_н,; Р_г > Р_н, тобто фонтанування відбувається за рахунок гідростатичного напору рідини. У свердловині має місце звичайне переливання рідини через устя, рухається негазована без вільного газу рідина аналогічна артезіанським водяним свердловинам. У затрубному просторі між насосно компресорними (підіймальними) трубами і обсадною експлуатаційною колоною знаходиться рідина, в чому можна переконатися наприклад відкривши трьохходовий кран під манометром, що показує затрубний тиск.

2) газліфтне фонтанування з початком виді­лення газу у стовбурі свердловини: Р_в > Р_н,; Р_г < Р_н. У пласті рухається негазована рідина, а у свердловинигазована суміш (газліфтна суміш). Якщо тиск біля башмака НКТ більший Р_н, то в затрубному просторі усюди і біля гирла знаходиться газ, а затрубний тиск Р_затр, як правило, не пере­вищує (0,1...0,5 МПа). В міру піднімання нафти тиск знижується, збільшується кількість вільного газу, має місце розширення газу, зростає газовміст потоку, тобто фонтанування відбувається за принципом роботи газо­рідинного піднімача.

3) Третій вид - газліфтне фонтанування з початком виді­лення газу в пласті: Р_в < Р_н; Р_г < Р_н. У пласті рухається газована рідина, до вибою свердловини та до башмака НКТ поступає газорідинна суміш. Внаслідок часткової сепарації газу біля башмака НКТ у затрубний простір посту­пає вільний газ, тому в разі коли Р_в < Р_н, рівень рідини зав­жди встановлюється біля башмака НКТ. Затрубний тиск Р_затр як правило, високий. У разі наявності витікань газу із затрубного простору (через канали негерметичності в різьбових з’єднаннях НКТ і обсадної колони, в устьовому устаткуванні) рівень рідини буде знахо­дитись вище башмака НКТ.

Фонтанування свердловини будь-якого типу можливе в тому випадку, якщо із пласта на вибій надходить енергії не менше, ніж потрібно її для піднімання флюїдів на поверхню.

 

Лекція №14.