Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Условия эффективной эксплуатации ПХГ при двухфазном режиме работы эксплуатационных скважин

Специальность 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

На правах рукописи

Толмачев Дмитрий Владимирович

Москва - 2007

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий ВНИИГАЗ»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С.Н. Бузинов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор К.С. Басниев

кандидат технических наук А.С.Малых

Ведущая организация: Институт проблем нефти и газа РАН

Защита диссертации состоится « » мая 2007 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 511.001.01 при ООО «ВНИИГАЗ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ»

Автореферат разослан « » апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук Н.Н.Соловьев

общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время значительная часть газовых месторождений России находится на заключительной стадии разработки. Эксплуатация таких месторождений осложнена тем, что при малых дебитах в газовых скважинах скапливается большое количество жидкости. С аналогичными проблемами сталкиваются при эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) в конце сезона отбора. Условиями эффективной эксплуатации при этом являются определение дебитов скважин, предотвращающих явление самозадавливания, и надежное обоснование режимов движения газа в наземных сооружениях по заданной производительности (либо давлению на выходе) станции (месторождения).

Изучение проблемы движения газожидкостных смесей в вертикальных трубах имеет многолетнюю историю. Однако до настоящего времени нет общепринятой методики расчета потерь давления в стволах газовых скважин с учетом наличия жидкости в потоке газа. Особенно мало внимания уделено вопросам низких насыщенностей газа жидкостью, которые имеют место на ПХГ и газовых месторождениях.

Поэтому изучение условий повышения эффективности эксплуатации ПХГ при двухфазном режиме работы эксплуатационных скважин является актуальной задачей исследований.

Цель работы

Обоснование режимов работы газового промысла (ПХГ) как единой системы, включающей скважины, промысловые газопроводы, дожимные компрессорные станции, установки комплексной подготовки газа и межпромысловые коллектора при наличии жидкости в стволах эксплуатационных скважин.

Основные задачи

1. Исследование особенностей расчета потерь давления в эксплуатационных газовых скважинах, в продукции которых содержится жидкая фаза.

2. Усовершенствование методики такого расчета.

3. Создание методики расчета режимов работы наземных сооружений ПХГ (газового промысла) в зависимости от заданного давления (либо расхода) газа в точке подключения к подводящему газопроводу.

4. Разработка программного комплекса для определения условий эффективной эксплуатации ПХГ (газового промысла) при двухфазном режиме работы эксплуатационных скважин.

5. Оценка результатов применения разработанного программного комплекса как для отдельных скважин газовых промыслов, так и газовых промыслов (ПХГ) в целом.

Методы исследования

ь При проведении работы автором были использованы:

ь теория движения газожидкостных смесей в вертикальных трубах;

ь методы аппроксимации экспериментальных данных аналитическими зависимостями;

ь методы численного интегрирования дифференциальных уравнений;

ь численные методы поиска корней уравнения;

ь методы модульного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна

На основании выполненных в диссертации исследований и разработок получены следующие научные результаты:

Составлены новые алгоритмы поиска рабочего и минимального рабочего дебитов газовых скважин, в продукции которых содержится жидкая фаза, использующие математические методы поиска корней уравнений.

Разработаны методы расчета режимов работы газовых скважин, работающих с водопроявлениями, при закачке газа в затрубное пространство, при совместной эксплуатации газа по НКТ и затрубью, при эксплуатации по многоступенчатому лифту, при вскрытии скважиной нескольких продуктивных пластов. Обоснован подход к расчету режимов работы системы ПХГ в целом (от скважин до подводящего газопровода), состоящий из двух этапов - прямого и обратного счета.

Основные защищаемые положения

1. Усовершенствованная методика расчета потерь давления в эксплуатационных газовых скважинах, в продукции которых содержится жидкая фаза.

2. Методика расчета рабочего и минимального дебитов эксплуатационных газовых скважин при газожидкостном потоке в стволах.

3. Методика расчета режимов работы ПХГ (газового промысла) как единой системы (от скважин до подводящего газопровода) при наличии жидкости в стволах добывающих скважин.

Практическая ценность полученных результатов

Полученные результаты обоснования технологических режимов работы скважин ПХГ (промысла) могут использоваться для оценки эффективности новых технологических решений по эксплуатации газовых скважин, а также для прогнозирования условий работы скважин в завершающий период разработки газового месторождения (конец сезона отбора на ПХГ).

Разработанные автором методики и их программная реализация, позволяют оперативно определять режимы работы как отдельных скважин газовых промыслов, так и газовых промыслов (ПХГ) в целом, с учетом наличия жидкости в продукции скважин.

Созданные в процессе выполнения работы программные комплексы успешно используются в ООО «ВНИИГАЗ» для проведения расчетов по Невскому ПХГ, Совхозному ПХГ, Касимовскому ПХГ, месторождению Медвежье, ряду других объектов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались автором на международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в том числе:

ь 55-ая Юбилейная межвузовская студенческая научная конференция «Нефть и Газ 2001»;

ь 4-ая и 5-ая Всероссийские конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности»;

ь Научная конференция аспирантов, молодых преподавателей и сотрудников ВУЗов и научных организаций «Молодежная наука - нефтегазовому комплексу» (2004);

ь Конкурс молодежных разработок среди предприятий и организаций Топливно-Энергетического Комплекса 2004;

ь 8-ая Московская международная выставка «Нефть и газ - 2005» (стенд НС «Интеграция»);

ь Международная конференция «Подземное хранение газа: надежность и эффективность» («ПХГ - 2006»).

Публикации

Основное содержание работы изложено в 6 опубликованных работах, в том числе 1 работа в журнале, включенном в «Перечень…» ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 104 наименований. Общий объем работы составляет 137 печатных страниц. Текст работы содержит 54 рисунка и 32 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении изложены актуальность темы диссертации, цель работы и постановка задачи.

В первой главе диссертационной работы приведен обзор исследований по вопросам движения газа с водой по вертикальным трубам и работе наземных сооружений ПХГ.

Вопросы движения газожидкостных смесей по трубам изучаются в различных областях техники, где ставятся и решаются свои, специфические задачи. Тем не менее, теоретические основы движения многофазных смесей, методы решения задач во многом сходны. В области тепловой и атомной энергетики вопросы движения газожидкостных смесей рассматриваются более разносторонне в теоретическом плане, но требования к точности расчетов здесь не такие строгие, как в области добычи газа (Чисхолм Д.).

Впервые дифференциальное уравнение движения газожидкостной смеси было получено Д. Верслюисом в 1930 году. В первой отечественной работе по данной тематике А.П.Крылов получил простую зависимость между дебитом поднимаемой жидкости и количеством подаваемого газа. Непосредственным развитием работы А.П.Крылова явилось исследование Г.С.Лутошкина, основанное на лабораторных экспериментах по изучению движения смесей воздуха с жидкостями, отличающимися от воды по физическим свойствам. Последующие теоретические исследования газожидкостного подъемника были проведены А.М.Пирвердяном с использованием критериев подобия.

Значительное число работ, связанных с изучением движения двухфазных систем в вертикальных трубах, посвящено изучению истинного газосодержания (Арманд А.А.). Мамаев В.А., Одишария Г.Э. и Клапчук О.В исследовали зависимость истинного газосодержания от расходного газосодержания, параметров Фруда и Рейнольдса.

Вопросами исследования движения газожидкостных смесей по вертикальным трубам занимались многие зарубежные авторы: Поэтман и Карпентер, Данс и Рос, Хагедорн и Браун, Оркишевский, Азиз и Говье и другие.

Экспериментальным исследованиям движения газа и жидкости в вертикальных трубах посвящены работы Уолиса, который, основываясь на экспериментальных данных, нашел, что основным критерием, определяющим переход от пробкового режима течения к кольцевой структуре, является модифицированный критерий Фруда.

Дж. Хьюитт исследовал влияние плотности газа на процесс перехода от пробкового режима течения к кольцевому.

Анализу движения потока в стволе газоконденсатной скважины посвящены работы Г.Г. Кучерова.

Наиболее полный анализ всех существующих методик расчета режимов движения газожидкостной смеси проведен Сахаровым В.А. и Моховым М.А. Авторы разделили все существующие в настоящее время методики на две группы и доказали, что ни одну из этих методик нельзя считать универсальной.

В отличие от методик расчета режимов движения двухфазных смесей в вертикальных трубах, методик расчета движения газа в наземных сооружениях газовых промыслов опубликовано крайне мало. В основном это методики, позволяющие получить оценку работы промысла при помощи графоаналитических методов (Гвоздев Б.П., Подкопаев А.П., Балыбердина И.Т и др.)

Существует ряд программных комплексов, позволяющих рассчитывать движение газа в наземных сооружениях газовых промыслов, созданных и развиваемых коммерческими фирмами-производителями программного обеспечения. Эти программные комплексы (PIPEPHASE фирмы SimSci-Esscor, OLGA2000 фирмы Scandpower, PIPESIM фирмы Schlumberger и т.д.) являются дорогостоящими коммерческими продуктами. Включение в любой из них разработанной автором методики расчета потерь давления в газовой скважине с учетом наличия жидкости в потоке газа является нерациональным, в связи с перспективой ее адаптации по новым экспериментальным данным.

Итоговым выводом настоящей главы является то, что до сих пор не создана отечественная инженерная методика расчета движения газа в наземных сооружениях при работе газового промысла или ПХГ с учетом наличия жидкости в продукции эксплуатационных скважин.

Во второй главе изложена разработанная автором методика расчета потерь давления в эксплуатационных газовых скважинах и режимов их работы при наличии жидкости в стволе.

Во ВНИИГАЗе были проведены эксперименты по измерению потерь давления, которые возникают из-за наличия жидкости в потоке газа. На территории Опытного завода института, была создана по проекту к.т.н. Шулятикова В.И. специальная установка, предназначенная для исследования потерь давления в вертикальных трубах при движении двухфазных смесей. Для газовых скважин, как правило, насыщенность жидкостью не превышает нескольких процентов. Случаи высоких насыщенностей жидкостью, характерных для нефтяных и водяных скважин, при проведении экспериментов не рассматривались. Эксперименты по движению газожидкостных смесей проводились по следующей методике:

ь Задавался постоянный расход воздуха;

ь При помощи расходомеров, установленных на входе и на выходе из установки, определялся момент стабилизации расхода газа по всей длине трубы;

ь Подавался фиксированный расход жидкости;

ь Замерялись расход газа, расход жидкости, давление на входе в модель, перепад давления в модели, водонасыщенность модели.

В проведенных экспериментах определялась величина и ее зависимость от двух безразмерных параметров

и , где: (1)

 - потери давления в трубе (кгс/см2);

, - плотности газа (при рабочих условиях) и жидкости (кг/м3);

- внутренний диаметр трубы (м);

- длина трубы (м);

- скорость газа (м/с);

- средняя по сечению трубы скорость жидкости (м/с);

- модифицированный параметр Фруда;

- параметр Фруда для жидкости.

При заданном расходе жидкости получена однозначная зависимость удельных потерь давления от параметра (рис. Рис. 1).

Полученные экспериментальные зависимости были нами аппроксимированы, для использования в численных расчетах, гладкой (с непрерывной производной) числовой функцией.



Рис. 1. Экспериментальная зависимость потерь давления в вертикальной скважине от комплексного параметра Фруда и расхода жидкости

По результатам экспериментов были сделаны выводы, что при малых насыщенностях жидкостью вертикальной трубы, которые имеют место на газовых месторождениях и подземных хранилищах газа, газовую фазу можно рассматривать как непрерывную, а наличие жидкости в потоке можно рассматривать как наличие посторонних частиц, приводящих к увеличению гидравлических сопротивлений потока. В этом случае закон гидравлического сопротивления можно представить в виде ( 2 ), где первое слагаемое в правой части уравнения характеризует гравитационные потери, второе - характеризует потери давления на трение, ускорение смеси, изменение поверхностной энергии, теплообмен и т.д.

(2)

Такая запись отличается от общепринятой тем, что в весовой составляющей участвует плотность газа, а не смеси. Это сознательное допущение, сделанное исходя из следующих соображений:

ь удобство учета новых экспериментальных данных при такой форме записи;

ь особенности замера потерь давления на экспериментальной установке, которая на сегодняшний день является уникальной в мировом масштабе и, видимо, будет определять в ближайшие годы развитие науки в рассматриваемых вопросах; на установке можно не только моделировать но и воспроизводить режимы работы эксплуатационных скважин;

ь малая насыщенность потока газа жидкостью, в связи с чем общепринятая запись с плотностью смеси в весовой составляющей потерь давления подходит плохо;

ь достоверное определение плотности смеси по результатам экспериментов затруднительно;

ь косвенным подтверждением правильности такого подхода является сохранение однозначной зависимости потерь давления от параметров и для высоких давлений, когда столб газа оказывает значительное воздействие.

Основой для расчетов режимов работы скважины с учетом наличия жидкости в стволе является определение устьевого давления по заданным забойному давлению, расходу газа и расходу жидкости. Алгоритм определения устьевого давления заключающийся в численном интегрировании уравнения ( 2 ), включает:

1. Выбор шага интегрирования , внутри которого плотность газа, температуру и расход жидкости, а следовательно и параметры и , можно считать постоянными величинами.

2. Определение плотности газа, а также параметров и по известному давлению в начале интервала (для первого интервала - это заданное забойное давление скважины).

3. Расчет потерь давления на участке по уравнению (3):

(3)

4. Определение давления в конце данного интервала, или в начале следующего, по известному давлению в начале интервала и по найденным потерям давления.

5. Распределение давления по стволу скважины и устьевое давление оцениваются последовательным повторением операций 2 - 4.

Рабочим дебитом скважины, в рамках диссертационной работы, называется такой дебит, при котором вся жидкость, поступающая в скважину из пласта, а также вся жидкость, выделяющаяся в стволе скважины из газа, полностью выносится из скважины, поэтому накопления жидкости в скважине не происходит.

Рабочий дебит устойчив, то есть при скачке устьевого давления и последующем его возвращении к исходной величине, дебит скважины также вернется к исходному. В случае работы в неустойчивом режиме при скачке давления скважина либо войдет в режим самозадавливания, либо самопроизвольно перейдет на устойчивый дебит.

Минимальным рабочим дебитом скважины называется рабочий дебит, ниже которого в скважине накапливается жидкость.

По вышеизложенному алгоритму можно определить зависимость устьевого давления от забойного давления. При низких забойных давлениях, когда дебит скважины высок и вся жидкость выносится из скважины, устьевое давление относительно низкое. Постепенно, с увеличением забойного давления, дебит газа, поступающего из пласта, уменьшается и, соответственно, устьевое давление растет (рис. Рис. 2).

При определенном забойном давлении (на рис. Рис. 2 оно составляет 78,3 кгс/см2) наступает переломный момент: несмотря на то, что забойное давление растет, и дебит скважины уменьшается, устьевое давление не растет, а снижается. Это явление обусловлено тем, что происходит процесс накопления жидкости в стволе скважины и дебита газа уже не хватает для того, чтобы выносить жидкость из скважины. Жидкость, непрерывно накапливающаяся в скважине, оказывает все большее сопротивление потоку газа, поэтому устьевое давление падает. «Переломное» забойное давление () и является забойным давлением, при котором реализуется минимальный рабочий дебит скважины.

Следует иметь в виду, что режимы работы скважины при забойных давлениях выше , хотя и реализуемы, но не являются рабочими, т.к. при этих режимах происходит непрерывный процесс накопления жидкости в скважине - скважина самозадавливается. Поиск можно осуществлять при помощи различных численных методов. Нами использовался известный метод «золотого сечения» поиска экстремума функции.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Типичная зависимость устьевого давления и зависимость пластового дебита от забойного давления для газовой скважины, в стволе которой присутствует жидкость

В соответствии с вышеизложенным, алгоритм определения минимального рабочего дебита скважины состоит из трех этапов:

1. По алгоритму определения устьевого давления, определяем зависимость устьевого давления от забойного;

2. Определяем забойное давление, соответствующее экстремуму найденной зависимости;

3. По найденному забойному давлению определяем минимальный рабочий дебит скважины из двучленной формулы притока пластового газа (4).

, где: (4)

- коэффициент фильтрационного сопротивления скважины, (кгс/см2)2?(тыс.м3/сут);

- коэффициент фильтрационного сопротивления скважины, (кгс/см2)2?(тыс.м3/сут)2;

- забойное и пластовое давления, кгс/см2;

- дебит газа при стандартных условиях, тыс.м3/сут.

Зависимость, изображенная на рис. Рис. 2, состоит из двух частей. Левая часть - зона рабочих режимов работы скважины, правая - зона режимов самозадавливания скважины. Левая и правая ветви кривой разделяются точкой, отвечающей забойному давлению , соответствующему минимальному рабочему дебиту.

Рабочий дебит скважины определяется исходя из величины , найденной путем поиска точки пересечения левой ветви зависимости с заданным устьевым давлением (рис. Рис. 2). Очевидно, такая точка пересечения либо одна, либо не существует, т.к. левая ветвь монотонна и ограничена. Поиск точки пересечения можно производить при помощи различных численных методов поиска корней уравнения. Нами использовался метод деления отрезка пополам.

Таким образом, алгоритм определения рабочего дебита скважины по заданному устьевому давлению состоит из четырех этапов:

1. По алгоритму определения устьевого давления, определяем зависимость устьевого давления от забойного;

2. По алгоритму определения минимального рабочего дебита скважины, находим забойное давление ;

3. Находим забойное давление , соответствующее точке пересечения левой ветви найденной зависимости с заданным значением устьевого давления;

4. По найденному , определяем рабочий дебит скважины по двучленной формуле притока газа из пласта ( 4 ).

Расчет эксплуатации скважины с закачкой газа в затрубье

Эксплуатация скважины с циклической закачкой газа в затрубье может производиться при недостаточных дебитах скважины для выноса жидкости. Алгоритм расчета режима работы скважины с учетом наличия жидкости в продукции при закачке газа в затрубье по заданному устьевому давлению приведен ниже:

1. Задать дебит закачки газа в затрубье.

2. Определить зависимость устьевого давления скважины от забойного по следующей процедуре:

2.1. Для каждого значения забойного давления определяем пластовый дебит газа, дебит жидкости, параметры и .

2.2. По алгоритму расчета потерь давления в скважине, задавшись дебитом газа равным сумме дебита закачки и пластового дебита, определяем устьевое давление.

2.3. По алгоритму определения минимального рабочего дебита скважины, находим забойное давление ;

2.4. Находим забойное давление , соответствующее точке пересечения левой ветви найденной зависимости с заданным значением устьевого давления;

3. По найденному , определяем рабочий дебит скважины по двучленной формуле притока газа из пласта ( 4 ).

Расчет совместной эксплуатации скважины по лифту и затрубью

Эксплуатация газовой скважины совместно по лифтовым трубкам и затрубью может использоваться для кратковременного повышения производительности скважины. Кроме того, движение газа по концентрически расположенным трубам реализуется при спуске в НКТ трубок меньшего диаметра, например, колтюбинговых.

При проведении расчетов рассматриваемого режима работы, НКТ обсчитывается в точности по выше приведенным алгоритмам. Затрубье же обсчитывается по той же методике с применением «эффективного диаметра», то есть в расчетах рассматривается фиктивная труба диаметром, определяемым по формуле ( 5 )

, где: (5)

- «эффективный» диаметр фиктивной трубы, см; - диаметр затрубья, см; - диаметр НКТ внешний, см.

Тонким моментом при таком подходе является распределение количеств поступающей из пласта жидкости между НКТ и затрубьем. На рис. Рис. 3 сплошной кривой изображена типичная зависимость производительности скважины при совместной эксплуатации по НКТ и затрубью от соотношения количеств пластовой воды, поступающей в НКТ и в затрубье. Пунктирными кривыми показаны зависимости дебитов НКТ и затрубья по отдельности.

Распределение количеств пластовой воды между НКТ и затрубьем меняется во времени. Автор считает, что установившемуся режиму работы скважины соответствует точка минимума сплошной кривой на рис. Рис. 3. Однако этот вопрос требует проведения специальных исследований.



Рис. 3. Зависимость производительности скважины при совместной эксплуатации по НКТ и затрубью от соотношения количеств пластовой воды, поступающей в НКТ и в затрубье

Ниже изложен алгоритм расчета режима эксплуатации газовой скважины совместно по НКТ и затрубью по заданному устьевому давлению. Алгоритм несколько сложнее приведенных выше, т.к. имеется дополнительное условие - равенство устьевых давлений в НКТ и затрубье.

1. Определить зависимость дебитов по НКТ и по затрубью от забойного давления:

1.1. Задаться забойным давлением;

1.2. Определить зависимость устьевого давления от дебита при заданном забойном давлении;

1.3. Определить дебит при заданных забойном и устьевом давлениях путем нахождения точки пересечения найденной зависимости с заданным устьевым давлением. Если точки пересечения получилось две - выбираем большее значение: большее соответствует рабочему дебиту, меньшее - дебиту, ниже минимального рабочего;

1.4. Повторить пункты 1.1, 1.2, 1.3 для всего интервала варьирования забойного давления.

2. Определить зависимость совместного дебита НКТ и затрубья от забойного давления путем сложения найденных в пункте 1 зависимостей для НКТ и для затрубья;

3. По двучленной формуле притока ( 4 ) определить зависимость притока газа из пласта от забойного давления;

4. По точке пересечения найденных в пунктах 2 и 3 зависимостей определить забойное давление и дебит совместной работы НКТ и затрубья при заданном устьевом давлении.

Расчет работы скважины по многоступенчатому лифту

Для расчета лифт условно разбивается на интервалы одного диаметра. Расчет потерь давления производится для каждого из них по отдельности. Ниже приведен алгоритм расчета потерь давления в газовой скважине при заданной забойном давлении, учитывающий наличие жидкости в потоке газа, модифицированный для случая многоступенчатого лифта. Алгоритм заключается в численном интегрировании уравнения ( 2 ):

1. Выбрать шаг интегрирования , внутри которого плотность газа, температуру и расход жидкости, а следовательно и параметры и , можно считать постоянными величинами;

2. Определить плотность газа, а также параметры и по известному давлению в начале шага (для первого шага - это заданное забойное давление скважины) и диаметру скважины на данном шаге.

3. Расчет потерь давления на участке по уравнению ( 3 ).

4. Определение давления в конце данного интервала (в начале следующего), по известному давлению в начале интервала и по найденным потерям давления.

5. Распределение давления по всему стволу скважины и устьевое давление оцениваются последовательным повторением операций 2 - 4.

Алгоритм определения рабочего дебита скважины по заданному устьевому давлению не изменяется, за исключением того, что потери давления определяются по приведенному выше алгоритму.

Определение режима работы скважины, вскрывшей несколько продуктивных пластов

Для расчета дебита скважины, вскрывшей несколько продуктивных пластов ствол скважины разбивается на несколько условных интервалов, каждый из которых соответствует своему продуктивному пропластку. При этом длина всех интервалов (кроме верхнего) равна мощности вскрытого им пропластка. Длина верхнего интервала равна длине НКТ от устья до верхнего интервала перфорации.

Все интервалы пронумерованы от 1 до n, начиная с верхнего. Для каждого пропластка известны пластовое давление, фильтрационные коэффициенты. Ниже изложен алгоритм расчета дебита скважины, вскрывшей несколько продуктивных пластов.

1. Для (n-1)-ого интервала определить зависимость притока газа снизу от забойного давления. Определение производится по алгоритму определения рабочего дебита скважины по заданному устьевому давлению. Для этого рассмотреть n-ый интервал как условную отдельную скважину, устьевым давление для которой является забойное давление (n-1)-ого интервала;

2. Для каждого k-ого интервала (k меняется от n-2 до 1) определить зависимость производительности от давления наверху интервала (для интервала 1 - это устьевое давление скважины):

2.1. Рассмотреть k-ый интервал как условную отдельную скважину, устьевым давление для которой является забойное давление (k-1)-ого интервала (для интервала 1 - это устьевое давление скважины);

2.2. Задаться устьевым давлением k-ого интервала;

2.3. Определить для k-ого интервала зависимость устьевого давления от забойного;

2.4. Найти забойное давление , соответствующее минимальному рабочему дебиту k-ого интервала;

2.5. Найти забойное давление , соответствующее точке пересечения левой ветви найденной зависимости с заданным значением устьевого давления;

2.6. По найденному , определить рабочий дебит k-ого интервала по двучленной формуле притока газа из k-ого пропластка ( 4 ) и дебит газа, поступающего снизу по найденной уже зависимости для (k+1)-ого интервала. Производительность k-ого интервала при заданном устьевом давлении равна сумме двух найденных дебитов;

2.7. Повторить пункты 2.2 - 2.6 для всего диапазона варьирования устьевого давления k-ого интервала;

3. Найденная зависимость производительности 1-ого условного интервала от устьевого давления является зависимостью для всей скважины. Определить рабочий дебит скважины по точке пересечения этой зависимости с заданной величиной устьевого давления скважины.

Результаты расчетов показывают, что для некоторых режимов работы скважины нижние пропластки могут не дренироваться из-за столба жидкости, присутствующего в скважине.

Подбор оптимального диаметра лифтовых труб

По приведенным выше алгоритмам можно построить кривые аналогичные сплошным линиям, изображенным на рис. Рис. 4. Пунктирная линия отображает характеристику наземных сооружений. Точки пересечения характеристик скважины и наземных сооружений соответствуют рабочим режимам. Оптимальным с точки зрения производительности будет режим, соответствующий точке А. Оптимальным с точки зрения низкого устьевого давления на устье скважины будет режим, соответствующий точке В.



Рис. 4. Пересечение характеристик скважины для различных диаметров НКТ и характеристики наземных сооружений

В третьей главе изложена методика расчета режимов функционирования ПХГ (от скважин до подводящего газопровода). При расчетах учитываются такие факторы как:

ь пластовое давление в районе каждой эксплуатационной скважины;

ь вскрытие скважинами нескольких пропластков;

ь наличие жидкости в стволах скважин;

ь подключение нескольких скважин в один шлейф;

ь потери давления на установках технологической подготовки газа;

ь произвольная (древообразная) структура соединения внутрипромысловых коллекторов.

Принимаем, что система, режимы работы которой подлежат расчету, состоит из следующих элементов:

ь Скважин;

ь Коллекторов;

ь Сборных пунктов;

ь Компрессорных станций;

ь Сепараторов;

ь Головных сооружений;

ь Других сооружений газового промысла, для которых мы можем формально задать зависимость расхода газа от давлений на входе и выходе из сооружения.

Под коллектором понимается линейный участок внутрипромыслового трубопровода, ограниченный с обеих сторон соединениями с остальными элементами системы, перечисленными выше, а также, возможно, с другими коллекторами.

Элементы системы соединяются друг с другом, образуя древовидную иерархию. Элемент, который расположен в цепочке соединения элементов ближе к пласту, считается расположенным ниже в иерархии, чем элемент, расположенный ближе к магистральному газопроводу. Например, скважина в иерархии системы располагается ниже, чем шлейф, к которому она подключена. Таким образом, для любого элемента системы можно использовать термины «Верх» и «Низ». «Верх» - это выход из элемента при отборе газа и вход в элемент при закачке газа. «Низ» - это вход в элемент при отборе газа и выход из элемента при закачке газа.

Кроме того, определяются термины «Родительский элемент» и «Дочерний элемент». Рассмотрим какой-либо элемент А. Элемент В, который подсоединяется к элементу А сверху, называется «Родительским элементом» элемента А. Понятно, что элемент В стоит выше в иерархии чем элемент А. Например, для скважины родительским элементом является шлейф, для головных сооружений - подводящий газопровод Рассмотрим какой-либо элемент С. Любой элемент иерархии, для которого элемент С является родительским, называется «Дочерним элементом» элемента С. У элемента иерархии не может быть более одного родительского элемента и может быть неограниченное число дочерних элементов.

Указанная терминология введена нами для того, чтобы вне зависимости от рассматриваемого режима работы (отбора или закачки), описание структуры системы формулировалось одинаковым образом.

Расчет отдельных элементов системы

По излагаемой методике возможно рассчитать два варианта режима работы отдельного элемента системы с задачами, соответственно:

ь получение расхода по элементу по давлениям вверху и внизу элемента;

ь получение давления вверху элемента по давлению внизу элемента и расходу по элементу.

Кроме того, для каждого элемента системы вводится понятие «заданный перепад давления вверху элемента», предназначенное для описания возможных неизбежных потерь давления, например, на редуцирующем штуцере, или на установках подготовки газа и т.д.

Скважина

При отборе газа возможен расчет двух режимов работы скважины. Режим, учитывающий наличие жидкости в стволе скважины, рассчитывается по методике, изложенной в главе 2. Безводный режим - по широко известной формуле Г.А.Адамова. При закачке газа расчет режима работы скважины производится по аналогичной формуле, учитывающей обратное направление потока газа.

Для расчетов требуются следующие технологические параметры:

ь Коэффициент фильтрационного сопротивления А, (кгс/см2)2?(тыс.м3/сут);

ь Коэффициент фильтрационного сопротивления B, (кгс/см2)2?(тыс.м3/сут) 2;

ь Максимальная допустимая депрессия на пласт, кгс/см2;

ь Максимальный допустимый отбор из скважины, тыс.м3/сут;

ь Коэффициент гидравлического сопротивления НКТ;

ь Коэффициент продуктивности по воде (или водный фактор), (или ).

Дебит газа, поступающего из пласта при отборе, вычисляется исходя из общепринятой двучленной формулы:

(6)

Дебит газа, поступающего в пласт при закачке, вычисляется аналогично:

(7)

В случае вскрытия скважиной нескольких пластов расчет проводится путем добавления в систему элементов - скважин, являющихся дочерними по отношению к рассматриваемой, так, чтобы каждая из них работала с одним пропластком. Для каждой из этих дочерних скважин длина лифта будет приравнена к мощности вскрытого пропластка.

Коллектор

Режим работы коллектора может обсчитываться двумя способами:

1. Если задан адаптационный коэффициент гидравлического сопротивления коллектора (при помощи которого производится адаптация модели наземных сооружений), по формуле:

, где: (8)

- давление на входе в коллектор, кгс/см2;

- давление на выходе из коллектора, кгс/см2;

- расход по коллектору, тыс.м3/сут;

- адаптационный коэффициент гидравлического сопротивления коллектора, (кгс/см2)2?(тыс.м3/сут)2.

2. Если коэффициент гидравлического сопротивления коллектора не задан, то по стандартным формулам трубной гидравлики:

, где: (9)

- давление на входе в коллектор, МПа;

- давление на выходе из коллектора, МПа;

- расход по коллектору, млн.м3/сут;

- относительная плотность газа по воздуху;

- безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления;

- коэффициент сверхсжимаемости газа при (среднее давление в коллекторе, МПа) и (средняя температура в коллекторе, К);

- длина коллектора, км;

- внутренний диаметр коллектора, мм.

Компрессорная станция

Расчет режимов работы компрессорной станции (КС) может проводиться двумя способами:

1. При заданной групповой характеристике работы КС производится перерасчет этой характеристики в таблицы зависимостей производительности КС от давлений на приеме и на выкиде. Для перерасчета требуется знать мощность КС.

2. По заданным газодинамическим характеристикам компрессорных агрегатов КС, количеству ступеней сжатия и ожидаемым давлениям на входе и на выходе КС определяется ее технологическая схема (структура соединения агрегатов), дающая максимальную производительность ( 10 ). Подбор производится методом простого перебора. Далее, для этой технологической схемы производится расчет производительности КС по давлениям на приеме и на выкиде.

, где: (10)

, - давления на приеме и на выкиде компрессора, атм;

- мощность компрессора, л.с.;

- показатель адиабат сжатия;

- расход газа, тыс.м3/сут;

- расчетный коэффициент.

Расчет режимов работы всей системы

Для расчета режима функционирования системы необходимо задать граничные условия - давление вверху системы (либо расход вверху системы) и пластовые давления в зоне каждой скважины ПХГ. Самый верхний элемент системы (обычно подводящий газопровод), давление (расход) вверху которого и является давлением (расходом) вверху всей системы, называется «граничным элементом».

Расчет режимов работы системы состоит из двух этапов: технологического расчета и интерполяционного расчета.

Технологический расчет

Технологический расчет производится поэлементно, в направлении «снизу вверх», т.е. от скважин к подводящему газопроводу. При расчете для каждого элемента системы получают следующие зависимости: зависимость расходов от давлений вверху; зависимость давлений внизу от давлений вверху. Кроме того, для скважин, в случае учета наличия жидкости в стволе скважины, находится зависимость расходов жидкости от давлений вверху. Так как расчет зависимостей производится начиная от скважин и использует пластовое давление как ограничение, по существу, для каждого элемента системы находятся все возможные тройки значений: давление внизу; давление вверху; расход газа по элементу.

Расчеты зависимостей производятся с учетом всей заданной технологической информации. Зависимость расхода газа от давления вверху элемента здесь и далее называется характеристикой элемента. Ниже на рис. Рис. 5 - рис. Рис. 7 приведены некоторые типичные характеристики, получаемые в результате расчетов.

Рис. 5. Типичный вид характеристики элемента. Режим отбора.



Рис. 6. Типичный вид характеристики скважины. Режим отбора.

Рис. 7. Типичный вид характеристики скважины. Режим закачки

На рис. Рис. 6 можно видеть, что дебит скважины не изменяется для довольно большого диапазона давлений. Такой результат объясняется тем, что при расчетах характеристик скважин используются ограничения на максимальную депрессию на пласт и на максимальный допустимый дебит отбора. Для установления режимов работы скважины, соответствующих горизонтальному участку характеристики, скважину следует «зажимать». Давление, которое следует поддерживать на устье для того, чтобы не превысить указанные ограничения по дебиту, рассчитывается в процессе второго этапа расчета - интерполяционного.

Интерполяционный расчет

На этапе технологического расчета для каждого элемента системы получают все возможные тройки значений: давление на входе; давление на выходе; расход газа по элементу.

По любому значению описанной тройки, можно однозначно определить два других значения, так как найденные на этапе технологического расчета зависимости монотонны. Определение производится при помощи линейной интерполяции по рассчитанным в ходе технологического расчета таблицам.

Линейная интерполяция при описываемом подходе не оказывает существенных погрешностей, т.к. значения расхода газа в соседних ячейках интерполяционной таблицы отличаются обычно в первом знаке после запятой, а значения давления - во втором (единицы измерения, соответственно, тыс.м3/сут и кгс/см2), при этом общеизвестно, что погрешность замеров расходов газа в наземных сооружениях ПХГ и газовых месторождений может доходить до 10%, а давлений - до 5% и более. Очевидно, что стремление к точности результатов расчетов, превышающей точность замеров, практического смысла не имеет.

Пусть требуется найти давление на выходе (Р) по расходу (Q). Пусть . Тогда:

(11)

Интерполяционный расчет основывается на интерполяции этим способом табличных данных, полученных на этапе технологического расчета, и использует только одно граничное условие - давление на выходе из системы, либо расход на выходе из системы. Расчет направлен «сверху вниз», т.е. от подводящего газопровода к скважинам.

В результате интерполяционного расчета получается распределение давлений и расходов в системе по всем элементам.

Применение методики

В соответствии с изложенной методикой автором были выполнены расчеты режимов работы следующих объектов: Невское ПХГ, Совхозное ПХГ, газовое месторождение Медвежье и др. Ниже приведен пример расчета режима работы ГП одного газового месторождения при давлении на выходе 15,8 кгс/см2.

Таблица 2 видно, что совпадение расчетных и фактических данных хорошее (в пределах 7%) для всех скважин, кроме номеров 126 и 304, различие для которых объясняется неточно определенными коэффициентами фильтрационного сопротивления А и В.

В результате расчета отбор газа из ГП составил 4400 тыс.м3/сутки. Фактический отбор составлял 4500 тыс.м3/сутки. Итак, получено хорошее соответствие расчетных результатов и фактических данных, и можно сделать вывод, что созданная модель может быть использована для проведения прогнозных расчетов.

газ скважина продуктивный пласт

Таблица 1. Данные по скважинам

№ ск.	В продукции скважины есть жидкость? (да/нет)	Коэфф фильтр. сопр. А ((кгс/см2) ?(тыс.м3/ сут))	Коэфф. фильтр. сопр. В ((кгс/см2)2 (тыс.м3/ сут) 2)	Пластовое давление (кгс/см2)	Диаметр лифта (см)	Используемая длина ствола (м)	Водогазовый фактор. (м3 ?тыс.м3)	Макс. допустимый дебит отбора (тыс.м3? сут.)
112	да	0,259387	0,003235	23,99	11,3	1140,7	0,0004	145
115	да	0,238759	0,008815	22,68	11,3	1117,1	0,0016	105
116	да	0,273341	0,001198	22,30	15,4	1118,6	0,0005	220
117	да	0,843994	0,000697	22,64	11,3	1086,2	0,0001	215
122	да	0,295273	0,000345	23,71	15,4	1124,9	0,0005	315
125	да	0,204413	0,013169	22,36	10	1148,1	0,0007	110
126	да	0,457195	0,003064	22,27	11,3	1188,5	0,0014	200
127	да	0,306672	0,000425	22,07	15,4	1107,3	0,0002	270
301	да	1,345847	0,004918	24,62	11,3	1163,93	0,0006	130
302	да	0,433082	0,000480	24,21	15,4	1139,94	0,0006	500
303	да	0,402048	0,000542	23,52	15,4	1141,45	0,0002	280
304	да	0,350395	0,000942	23,45	15,4	1108,4	0,0009	300
305	да	0,149417	0,000476	25,41	15,4	1102,8	0,0007	440
306	нет	0,776405	0,000192	23,02	15,4	1125,6	0	200
312	да	0,245659	0,000372	22,76	15,4	1165,2	0	380
314	да	0,220206	0,002093	21,79	11,3	1139	0,0021	185
315	да	0,661210	0,001538	24,24	11,3	1146,96	0,0010	210
316	нет	1,584698	0,008402	25,12	8,9	1145,13	0	120
317	да	1,241729	0,007524	21,47	11,3	1127	0,0047	200
320	да	0,148394	0,000674	24,58	15,4	1132	0,0007	410
321	да	0,706039	0,003396	23,39	10	1127,09	0,0001	200
322	да	0,636763	0,002213	25,70	11,3	1144,33	0,0001	200

Рис. 8. Структура подключения скважин ГП

Таблица 2. Сравнение расчетных и фактических дебитов

№ скважины	Расчет (тыс.м3/сут)	Факт (тыс.м3/сут)	Погрешность (%)
112	145	147	1
115	97	96	1
116	220	224	2
117	166	156	6
122	289	276	5
125	108	106	1
126	137	160	14
127	254	247	3
301	130	121	7
302	325	347	6
303	195	193	1
304	239	269	11
305	376	388	3
306	83	87	4
312	373	397	6
314	168	170	1
315	194	202	4
316	120	123	2
317	80	75	7
320	410	411	0
321	101	106	4
322	200	195	3

В заключении приведены выводы по основному содержанию диссертационной работы.

1. Разработана методика расчета режимов работы газовых скважин, в продукции которых содержится жидкая фаза при различных технологических схемах их эксплуатации. Методика основана на использовании экспериментальных данных по исследованию двухфазного движения жидкости и газа в вертикальных трубах. Определены условия устойчивой работы газовых скважин при водопроявлениях;

2. Создано компьютерное программное обеспечение, позволяющее решать следующие задачи для скважин, работающих с водопроявлениями:

2.1. Выбор оптимального диаметра лифтовой колонны;

2.2. Определение режима эксплуатации скважины с закачкой газа в затрубье;

2.3. Обоснование режима совместной эксплуатации скважины по лифту и затрубью.

2.4. Определение режима работы скважины по многоступенчатому лифту;

2.5. Определение режима работы скважины, вскрывшей несколько продуктивных пластов.

3. Разработана методика расчета режимов работы системы пласт - скважина - наземное обустройство промысла (станции) с учетом наличия жидкости в стволах эксплуатационных скважин.

4. По разработанным нами методикам проведены расчеты по Невскому, Касимовскому, Совхозному подземным хранилищам газа, месторождению природного газа Медвежье, ряду других объектов. Достоверность результатов расчетов подтверждается их практическим совпадением с фактическими данными по эксплуатации ПХГ.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Толмачев Д.В. Методика определения запасов газа в ПХГ по данным измерения давления и расхода газа // Тезисы докладов 4-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» - М.: Нефть и газ, 2001. - с. 35;

2. Толмачев Д.В. Расчет оптимального режима отбора газа из ПХГ // Тезисы докладов 5-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» - М.: Нефть и газ, 2003. - с. 8;

3. Бондарев Е.В., Бондарев В.Л., Бузинов С.Н., Толмачев Д.В. Расчет технологических режимов отбора газа из газовых месторождений и ПХГ с учетом газожидкостного подъемника // Подземное хранение газа. Проблемы и перспективы. Юбилейный сборник научных трудов. - М.: ВНИИГАЗ, 2003

4. Толмачев Д.В. Эксплуатация газовых скважин с водопроявлениями на ПХГ // Тезисы докладов научной конференции аспирантов, молодых преподавателей и сотрудников ВУЗов и научных организаций «Молодежная наука - нефтегазовому комплексу» - М.: Нефть и газ, 2004 - с. 41;

5. Толмачев Д.В. Расчет оптимального режима отбора газа из подземного хранилища / Сборник работ победителей 13-ого конкурса молодежных разработок по проблемам топливно-энергетического комплекса / Министерство Промышленности и Энергетики Российской Федерации, Федеральное Агентство по Энергетике, Общероссийская общественная организация «Национальная Система развития научной, творческой и инновационной деятельности молодежи России «ИНТЕГРАЦИЯ»» - М.: ЦНИИНефтехим, 2005 - c. 124 - 127.

6. Толмачев Д.В. Определение режима работы газовых скважин при наличии жидкости в стволе // Нефтепромысловое дело, 2007, №3 - с. 46 - 50.

Размещено на Allbest.ru

...