Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 [ 38 ] 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Глава 7

ФОНТАННАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН

Явление подъема жидкости с забоя на поверхность за счет пластовой энергии называют фонтанированием скважины, а способ эксплуатации- фоигаиябш.

§ 7.1. ТИПЫ ФОНТАННЫХ СКВАЖИН, ВИДЫ И СЛОВИЯ ФОНТАНИРОВАНИЯ

На основании уравнения (6.2) баланса энергии в добывающей скважине аналогично формуле (6.24) можно записать уравнение баланса давлений в фонтанной скважине

Ps-Л = Рвф+Ртр + Рш1. (7.1)

где Рз - забойное давление (принимается обычно на уровне середины интервала продуктивного пласта); рг -Давление на устье (выкиде) скважины (устьевое Давление); Рстф - гидростатическое давление флюидов (в общем случае нефти, воды, газа) в скважине; Ртр-потери давления на гидравлическое сопротивление (трение); jm-потери давления на инерционное сопротивление (пренебрегают вследствие малости).

В зависимости от соотношения Рз и рг с давлением насыщения нефти газом р„ (от местоположения начала выделения газа из нефти) можно выделить три вида фонтанирования и соответствующие, им три типа фонтанных скважин.

Виды фонтанирования и типы фонтанных скважнн

Первый тип -артезианское фонтанирование: Рз>Рн, Ргрш т. е. фонтанирование происходит за счет гидростатического напора (рис. 7.1, а). В скважине наблюдается обычный перелив жидкости, движется негазированная (без свободного газа) жидкость (аналогично артезианским водяным скважинам). В затрубном пространстве между насосно-компрессорными трубами / и обсадной эксплуатационной колонной 2 находится жидкость, в чем можно убедиться, открыв, например, трехходовый кран под манометром, показывающим затрубное давление Рзатр- Газ выделяется из нефти за пределами скважины в выкидной трубе.

Второй тип - газлифтное фонтанирование с началом выделения газа в стволе скважины: РзРн, Р2<Рн (рис. 7.1, б). В пласте движется негазированная жидкость, а в скважине -

Рис. 7.1. Типы фонтанных скважин и виды фонтанирования: а - артезианское; 6 - газлкфтпое с началом выделения газа в скважине; в - газлифтное с началом выделеняя газа в пласте

газожидкостная смесь (на рисунке показано установившееся состояние). При давлении у башмака НКТ PiPh, в затрубном пространстве на устье находится газ и рзатр обычно небольшое (0,1-0,5 МПа). Так как Pij?h>P2, то по мере подъема нефти-давление снижается, увеличивается количество свободного газа, происходит расширение газа, растет газосодержание потока, т. е. фонтанирование осуществляется по принципу работы газожидкостного подъема.

Третий тип - газлифтное фонтанирование с началом выделения газа в пласте: рз<Рн, Р2<Р» (рис. 7.1, в). В пласте движется газированная жидкость, на забой и к башмаку НКТ поступает газожидкостная смесь. После начала притока основная масса газа увлекается потоком жидкости и поступает в НКТ- Часть газа отделяется (сепарируется) и поступает в затрубное пространство, где газ барботирует в относительно неподвижной жидкости. В затрубном пространстве накаплива- ется газ, уровень жидкости снижается и достигает башмака НКТ. "Со временем наступает стабилизация и при рз<Рн уровень всегда устанавливается у башмака НКТ. Затрудное давление газа, как правило, высокое, почти достигает значений Pi и 3. При утечках газа из затрубного пространства (через негерметичности в резьбовых соединениях НКТ, обсадной колонне, устьевом оборудовании) уровень будет находиться выше башмака НКТ. Чем меньше расход и вязкость жидкости,

больше расход газа у башмака, зазор между НКТ и эксплуатационной колонной, тем больше газа сепарируется в затрубное пространство.

Условие артезианского фонтанирования

Фонтанирование скважины возможно в том случае, если из пласта на забой поступают флюиды, количество энергии которых не меньше, чем требуется ее для их подъема на поверхность. Условие артезианского фонтанирования непосредственно следует из уравнения (7.1) баланса давлений:

Ръ> Нрц + ррЛ-Рг, , (7.2)

где Н - глубина скважины по вертикали (принимается обычно до середины продуктивного пласта); р= (рз + рг)/2 -средняя плотность жидкости в скважине; рз, рг -плотность жидкости соответственно в условиях забоя и устья; g - ускорение свободного падения.

С учетом искривления ствола скважины:

Н = Н cos аз или

H=tm

COS аз£.

(7.3)

где Н - расстояние от устья до забоя вдоль оси наклонной скважины; «з - средний зенитный угол кривизны скважины или угол отклонения оси скважины от вертикали; аз г -зенитный угол на участке ствола длиною Я/; п - число участков разной кривизны ствола (в дальнейшем будем рассматривать вертикальные скважины, а кривизну легко учесть подобным образом). Потери давления на трение Ртр рассчитываем по формуле Дарси - Вейсбаха. Давление рг принимаем в зависимости от условий сбора и подготовки продукции скважины (см. § 1.4). Оно обеспечивает движение продукции скважины от устья до пункта сбора, зависит от потерь давления на гидравлические сопротивления в устьевом оборудовании, системе сбора и т. д. (см. гл. 11).

В силу неразрывности потока длительное фонтанирование возможно при условии равенства расходов притекающей из пласта Qnn и поднимающейся в стволе скважины QnoA жидкости:

Сг,л = Сг,од = С. (7.4)

Поскольку приток и подъем жидкости происходит за счет пластовой энергии, то совместная работа пласта и фонтанной скважиНы будет согласовываться через рз. Приток (дебит скважины) можно, например, описать уравнением (5.14), откуда

Р}т\п РпА Pi-

Рис. 7.2. Графическая интерпретация условий артезианского (а) и газлифт-ного (б) фонтанирований (штриховкой показаны области возможного фонтанирования)

Тогда условие (7.4) взаимосвязанной совместной согласованной работы пласта и скважины на основе условия (7.2) артезианского фонтанирования можно записать в виде:

Pг,л-(-У"=pg-f Р.Р+р, (7.6)

или в функциональном виде с учетом зависимости Ртр от Q

(7.7)

Решая последнее равенство графоаналитическим методом (рис. 7.2, а) или путем итераций, находим дебит скважины Q и соответствующее забойное давление, причем минимальное забойное давление артезианского фонтанирования рзтш- Из рис. 7.2, а следует, что фонтанирование возможно при всех Рз>рзт1п, однако при согласованной работе рз<Рпя- При артезианском фонтанировании наибольший дебит можно получить

при Р2 = Рн.

Из условия (7.6) следует, что при Q=0

Pпл = Яpg-f Р2,

(7.8)

т. е. для определения пластового давления рпл достаточно измерить устьевое давление рг в остановленной скважине. Если НКТ спущены до забоя, то по затрубному давлению можно определить забойное давление

Рз = Яр§-+рэатр.

(7.9)

Условие газлифтного фонтанирования

Фонтанные скважины второго и третьего типов представляют собой газожидкостной подъемник, причем газ не вводится извне, а выделяется из притекающей иефти. При давлении, равном Рн, количество свободного таза равно нулю, весь газ растворен в нефти. Вдоль пути движения по мере снижения давления от рн до рг количество свободного газа, приходящегося-на единицу расхода нефти, увеличивается от нуля до некоторого значения. При любом текущем абсолютном давлении р количество выделившегося (свободного) газа Уго можно представить как разность начального н текущегЬ количеств растворенного газа в соответствии с законом Генри

yrc = [Go-ap(p-po)]:QH, (7.10)

гДе Go -пластовый газовый фактор (или количество газа, выделяющееся из нефти при снижении давления до атмосферного Ро и взятое из расчета на единицу расхода нефти Qh) ар -коэффициент растворения газа в нефти. Поскольку с увеличением содержания газа плотность газожидкостной смеси уменьшается, то в целом для всей длины подъемных труб при уменьшении давления от pi до рг необходимо принять среднее количество свободного газа, которое можно записать как сред-• невзвешенноё по длине L:

Vrc = f Io-ap (р-рр)] Qh/. (7.11)

i о

Примем по Л. П. Крылову ар и Qh постоянными вдоль L, а давление линейно зависящим от текущей длины I:

Pi - Ptl

P=Pi-

(7.12)

Тогда получим,

. Ргс =

= (Go + app„ap-?i±)QH.

(7.13)

Так как в стволе происходит подъем всей жидкости (нефти и воды) с расходом Qm, то выражая расход нефти через долю Пв воды в продукции

Сн = 0«(1-Пр). (7.14)

запишем

%c = [Go~ «р (-Ь±-ро)]Ож(1-/гв). (7.15)

Таким образом, в подъемных Трубах действует удельный расход газа, называемый эффективным газовым фактором

=[0,-.ар(-р,)](1„з). (7.16)

0,* =

Располагаемый эффективный газовый фактор Gэф должен быть не меньше потребного удельного расхода газа Ro в газо-жидкостном подъемнике. Отсюда условие газлифтного фонтанирования запишем в виде:

G,*>J?o. (7.17)

Для рационального расходования пластовой энергии фонтанный подъемник должен работать при максимальном коэффициенте полезного действия, т. е. при оптимальном удельном расходе газа. Тогда условие (7.17) уточняется так:

0,Ф>/?оо1.т (7.18)

или с учетом формулы А. П. Крылова (6.22) в развернутом виде:

ар (--ftjl,, 41 0A82LpglLpg-(p,-p,)]

d°(Pi-p.)p.ln-

(7.19)

В скважинах второго типа подъемные трубы целесообразно спускать до уровня начала выделения газа, т. е. gi=pH. Из условия (7.19) можно вычислить эту глубину спуска труб

L=0,5L-f «нОэф°-р. ] (7 20)

L V pg р, 1

где 8н= (рн-Pi)l{pg)- Тогда минимальное забойное давление фонтанирования

Рзт1. = рн+(Я-L)pg. (7.21)

Если окажется, что расчетное значение L>H, то скважина будет третьего типа. В таком случае трубы спускаем до забоя (LcaH), а давление р1~Рз. Тогда из трансцендентного уравнения (7.19) вычисляем минимальное забойное давление фонта- нирования рзтш (см. рис. 7.2, б).

При газлифтном фонтанировании дебит скважины также определяется совместной работой пласта и подъемника, которые описываются соответственно зависимостями (5.14) и (6.15) т. е.

Qnл = Ко (рпл-Рз)" = Qn (рз); (7.22)

Спод = (Эпод(Уо. Pi. Рг, Ld, р, ц, а). (7.23)