Експлуатація свердловин фонтанним способом.

1. Умови фонтанування свердловин

2. Мінімальний вибійний тиск фонтанування свердловини

3. Принципи проектування фонтанної експлуатації свердловин

де V, і( - витрати газу га рідини за термобаричних умов у точ­ці їх визначення.

Залежність між φ_г f_г встановлюють за експеримента­льними даними. Втрати тиску на тертя від час руху газорідинної суміші більші, ніж під час руху однорідної рідини, їх також подають залежно від дійсного об'ємного вмісту фаз.

У випадку висхідного руху газорідинної суміші у піді­ймальних трубах тиск, і температура зменшуються. Суміш ру­хається в бік меншого тиску. Температура кадр Землі зростає з глибиною, але стала в часі, Проте температура, нафти, яку видобувають із глибинного пласта, в міру піднімання вздовж стовбура, зменшується внаслідок неусталеного (змінного в ча­сі) теплообміну з оточуючими стовбур свердловини гірськими породами (нафта віддає теплоту породам.).. Зменшення тиску та температури вздовж стовбура свердловини (знизу вверх) супроводжується зміною параметрів газорідинної суміші (гус­тіша, в'язкість, газовміст та інш.) і відповідно до складових рівняння балансу тисків. Тому рівняння (3.10) справедливе для піднімача малої довжини, в межах якої мсжна допускати параметри суміші незмінними,. Тому, щоб визначити тиск біля башмака підіймальних труб у разі відомого тиску на викиді чи навпаки, усю довжину труб розбивають на короткі ділянки довжиною Δl для яких розраховують втрати тиску Δр з ви­користанням рівняння (З.10). Так як тиск на початку однієї ді­лянки рівний тиску на кінні попередньої (або заданому і:пеку на кінці підіймальних труб), то в результаті розраховують і будують криву розподілу тиску p(z) вздовж підіймальних труб, яку показано на рис. 3.5. На рис, 3.5 зображено також криву зміни тиску спадного потоку газу в лінії газоподавання.

Умови фонтанування свердловин. Стосовно до фон­танної свердловини рівняння балансу/ тисків (З.10) можна пе­ретворити до вигляду:

Де р_в - вибійний тиск (тиск на вибої свердловини в процесі її роботи); р₂ - тиск на гирлі (викиді) свердловини (гирловий тиск), р_стф - гідростатичний тиск флюїдів у свердловині; р_т - втрати тиску натертя (гідравлічний опір).

Залежно від співвідношення зисків р_в і р₂ з тиском на­сичення нафти газом р_н (або інакше від місцезнаходження початку виділення розчиненого газу із нафти) розрізняємо три види фонтанування і відповідні їм три тини фонтанних сверд­ловин.

Перший вид - артезіанське фонтанування: р_в > р_н , р₂ ≥ р_н тобто фонтанування відбувається за рахунок гідро­статичного напору рідини (рис. 3,6, а).

У свердловині має місце звичайне переливання рідини через гирло, рухається негазована (без вільного газу) рідина (аналогічно артезіанським водяним свердловинам). У затрубному просторі між насосно-компресорними (підіймальними) трубами / (НКТ) і обсадною експлуатаційної) колоною 2 зна­ходиться рідина, в чому можна переконатися, відкривши, на­приклад, триходовий кран під манометром, що показує затрубний тиск р_затр.

Другий вид - газліфтне фонтанування з початком виді­лення газу у стовбурі свердловини: р_в≥р_н ; р₂<р_н (рис. 3.6, б). У пласті рухається негазована рідина, а у свердловині -ганована суміш (газліфтна суміш). Якщо тиск біля башмака НКТ р₁≥р_н, то в затрубному просторі усюди і біля гирла знаходиться газ, а загрубими тиск р_затр., як празнло, не пере­вищує (0,1...0,5 МПа). Так як р₁≥р_н>р₂, то в міру піднімання нафти тиск знижується, збільшується кількість пільти .> гачу, мас 'місце розширення галу, зростає газовміст потоку. іоб'їо фонтанування відбуваються за принципом роботи газл-рідинного піднімача.

Третій вид......газліфтне фонтанування з початком виби­ття газу в пласті: р_в <р_н; рі < р_н (рис. 3.6,в), У пласті рухається газовам рідина, до вибою свердловини та до баш­мака НКТ поступає газорідинна суміш. Внаслідок часткової сепарації" газу біля башмака ІІКТ у загрубими простір посту­пає вільний газ, тому в разі коли р_в <р,₍, рівень рідини зав­жди встановлюється біля башмака НКТ. Заірубний тиск га'їу р_тр . як правило, високий, майже сягає значень тисків/д і/ь. У ралі наявності витікань газу із затрубного простору (через канапи негермегачносі і 0 різьопих з'єдшшах НКТ і обсадної колоїди в гирловому устаткуванні) рівень рідини буде знахо­дитись вище башмака НКТ.

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

Умова артезіанського фонтанування безпосередньо ви­пливає із рівняння. (3.13) баланс тисків:

Де:Н - глибина свердловини по вертикалі (береться, звичайно. до середини інтервалу продуктивного пласта); р=(р₁-р₂)/2 - середня густина рідини у свердловині; р₁, р₂ - густина рі­дини відповідно в умовах вибою та гирла; g - прискорення ві­льного падіння.

Втрати тиску на тертя р_Т розраховуємо та формулою Дарсі-Вейсбаха:

де: d - діаметр труб, через які проходить рух рідини

об'ємною швидкістю λ - коефіцієнт гідравлічного опору.

Тиск р₂ приймаємо залежно від умов нафтозбору. Він забезпечує рух продукції свердловини від гирла до пункту збору, залежно від втрат тиску на гідравлічний, опір в гирло­вому устаткуванні, системі збору і т.д.

Внаслідок нерозривності потоку гри пале фонтанування можливе за умови рівності витрат рідини , яка припливає із пласта, Q_пл. і рідини, яка піднімається в стовбурі свердловини, Q_під.

Оскільки приплив і піднімання рідини відбуваються за рахунок пластової енергії,; то спільна робота пласта і фонтан­ної свердловини буде.узгоджуватися через величину вибійно­го тиску р_в. Приплив (дебіт свердловини) можна описати, наприклад, степеневим рівнянням .

Визначивши із нього вибійний тиску р_в, умову взаємно-пов'язаної узгодженої роботи пласта і. свердловини на основі (3.14) записуємо у вигляді:

або у функціональному вигляді з урахуванням залежності Р_т від Q.

M(Q)=N(Q) (3.18)

Розв'язуючи рівняння (3.17) графоаналітичним методом (рис.3.17.а) або шляхом ітерації (наближення), знаходимо де­біт свердловини Q і відповідний йому вибійний тиск, який на­зиваємо мінімальним (граничним) вибійним тиском артезіан­ського-фонтанування р _{в min} Фонтанування можливе тільки за усіх вибійних тисків р_в > р _{в min}, однак у разі узгодженої роботи пласта і свердловини вибійний тиск: р_в < р_пл, тобто артезіанське фонтанування свердловин можливе за умови р_пл >р_в> р _{в min}

Якщо НКТ опущено до вибою, то за відомою величиною затрубного тиску р_затр. виміряною манометром, можна роз­рахувати вибійний тиск:

Фонтанні свердловини другою та третього типів явля­ють собою газорідинний піднімач, причому газ не вводиться з поверхні, а виділяється із нафти, яка припливає із пласта. За тиску, рівного тиску насичення нафти газом р_н„ кількість ві­льного газу дорівнює нулю, весь газ розчинений у нафті. Вздовж шляху руху в міру зниження тиску від р_н де р₂ кі­лькість вільного газу, яка припадає на одиницю витрати наф­ти, збільшується від нсля до деякої значний. Усереднену за довжиною підіймальних труб витрату газу можна записати, використовуючи закон Генрі:

Таким чином у підіймальних трубах магмо питому ви-фату газу, яка називається ефективним газовим фактором:

тобто усереднену витрату видобувного газу, віднесену до ви­добувної рідини.

Ефективний газовий фактор G_еф. не повинен бути мен­шим необхідної питомої виграти газу R₀ в газорідинному піднімачі.

З позицій раціонального витрачання пластової енергії фонтанний піднімач повинен працювати з максимальним кое­фіцієнтом корисної дії, тобто за оптимальної питомої витрати газу. Тоді умову газліфтного фонтанування свердло вини запитуємо так (див. рис 1.7, б):

де питома витрата газу за оптимального режиму роботи опи­сується за формулою Крилова:

У свердловинах другого типу підіймальні труби доціль­но опускати до рівня початку виділення газу, тобто забезпечи­ти р_l=р_н . Із (3.22) можна визначити глибину опускання пі­діймальних труб І,.

Тоді мінімальний (граничний) вибійний тиск газліфтного фонтанування: за умов L > Н :

Якщо розрахункова значина L>H, то свердловина буде третього типу. У такому разі труби опускають до вибою і беруть тиск. Із трансцендентного рівняння (3.22) визначають мінімальний: вибійний тиск газліфтного фо­нтанування р_втн графоаналітичним методом (див. рис 3.7,б) або шляхом ітерації, беручи р_l=p_{в min} .

Таким чином фонтанування свердловини можливе (а пе­вного технологічного режиму, який характеризується величи­нами Q_p,p_в,р₂,р_затр..

Принципи проектування фонтанної експлуатації свердловин. У міру відбирання нафти із покладу змінюються умови його розробки, а значить, і умови фонтанування сверд­ловини: змінюються пластовий тиск р_пл., вибійний тиск р_в, дебіт рідини Q_p збільшується обводненість продукції п_в і т.д Звідси виходить, що з плином часу піднімач необхідно було б змінювати. Проте з одного боку, в початковий період є великий надлишок пластової енергії, показником якої є вели­чина гирлового тиску ру, З іншого боку, заміна піднімача (НКТ).у свердловині - це складний, дорогий процес, який зде­більшого негативно впливає на продуктивність свердловини (дуже знижує її). Тому, піднімач проектують зразу на весь період фонтанування. Оскільки в кінці періоду фонтанування немає надлишку пластової енергії, то піднімач розраховують для кінцевих умов фонтанування за оптимального режиму ро­боти, а відтак перевіряють на пропускну здатність для почат­кових умов за максимального режиму. Якщо ж розрахований піднімач не може пропустити початковий дебіт, то його пере­раховують для початкових умов за максимального режиму. Як правило, розрахунку підлягають глибина опускання труб і, мінімальний вибійний тиск фонтанування р_втн і діаметр

груб сі, Інші величини задають або визначають з інших мірку­вань. Для проектування експлуатації фонтанних свердловин використовують умови фонтанування. Відзначимо, що запро­ектувати роботу фонтанної свердловини можна також набагато точніше графоаналітичним методом шляхом побудови кривої розподілу тиску вздовж ліфта р(г), як це показано на рис. 3.5.

Обладнаний фонтанних свердловин. Обладнання будь-якої свердловини, у тому числі фонтанної, повинно за­безпечити відбирання продукції на заданому режимі і можли­вість здійснення необхідних технологічних операції з ураху­ванням вимог охорони, надр, довкілля та запобіганням аварій­них ситуацій. Воно поділяється на наземне (гирлове) та сверд­ловинне {підземне).

Газліфтне фонтанування з початком виділення газу в пласті (р_в < р_н; р₂ < р_н), де р_в -вибійний тиск у свердловині, Па; р_и — тиск насичення нафти газом, Па; Рг - гирловий тиск (на викиді свердловини), Па; р_загр - затрубний тиск, Па.

Умова артезіанського фонтанування записується із рівняння балансу діючих тисків у вигляді:

де H - глибина свердловини по вертикалі (приймається звичайно до рівня середини інтервалу перфорації, тобто середини продуктивного пласта), м; р=(р_в +р₂)/2 – середня густина рідини у свердловині, кг/м³; р_в , р_{2 –} густина рідини відповідно в умовах вибою і гирла, кг/м³; g – прискорення вільного падіння, м/с²; Δр_т – втрати тиску на гідравлічний опір,Па; р₂ – гирловий тиск, Па. З урахуванням викривлення свердловини

де H - відстань від гирла до вибою вздовж осі похилої свердловини, м; α₃ - середній зенітний кут нахилу свердловини (або кут відхилення осі свердловини від вертикалі ділянок різного нахилу свердловини.

10.3. Мінімальний вибійний тиск фонтанування свердловини

Мінімальний вибійний тиск фонтанування - це найменший тиск, при якому ще можли­ве фонтанування. Він визначається із умов фонтанування.

Стосовно до артезіанського фонтанування для його визначення вибійний тиск р_ь пред­ставляють із рівняння припливу рідини у свердловину (рівняння індикаторної лінії). На­приклад, із параболічного рівняння припливу Q=k₀(p_пл-р_в)ⁿ

Тоді записуємо умову(10.1) у вигляді рівності

або у функціональному вигляді з врахуванням залежності Δр_т від QM(Q)=N(Q) де Q — об'ємний дебіт свердловини, м³/с; к₀ — коефіцієнт пропорціональності (коефіцієнт про­дуктивності свердловини при n-1), м³/(сПаⁿ); п — показник режиму фільтрації; р_пл — пластовий тиск, Па. Втрати тиску на гідравлічне тертя Δр_т визнача­ються за формулою Дарсі-Вейсбаха з врахуванням діаметра і довжини труб, по яких ру­хається рідина у свердловині. Тиск р_г тут і далі визначається із умови нафтогазозбору на промислі.

Розв'язуючи останню рівність методом послідовних наближень (ітерацій) або, графоа­налітичним методом (рис. 10,3, а), знаходимо дебіт (? і за формулою (10.3) мінімальний вибійний тиск фонтанування Р_втіп. Із рис. 10.3,а видно, що фонтанування можливе при р_пл>р_в≥р_{в min}. Найбільший дебіт при артезіанському фонтануванні може бути при р₂=р_н

Для визначення мінімального вибійного тиску при газліфтному фонтануванні з умови фонтанування розраховуємо довжину підйомних труб за формулою

Якщо одержуємо L≤H, то мінімальний вибійний тиск газліфтного фонтанування (другий тип свердловини)

Якщо одержуємо L > Н, то маємо свердловину третього типу. Тоді приймаємо L ≈ Н, а мінімальний вибійний тиск p_Bmіn визначаємо із трансцендентного рівняння графоа­налітичним методом (рис. 10.3, б):

Підкреслимо, що в силу нерозривності потоку тривале фонтанування можливе за умови узгодженої спільної роботи пласта і підйомника, тобто за умови рівності витрат рідини, яка припливає із пласта Q_пл і яка піднімається у стовбурі свердловини Q_св : Q_пл = Q_св=Q.

Спільна їх робота узгоджується через р₈, що видно при ар­тезіанському фонтануванні з рівняння (10.1). Графік спільної ро­боти пласта і фонтанної свердловини при газліфтному фонтануванні пока­зано на рис. 10.4. Точки перетину ліній Q_nл(p_B) і Q_св (р_в) характеризу­ють спільну узгоджену роботу пласта і підйомника; у решті випадків має місце неузгоджена робота (Q_пл > Q_св

або Q_пл < Q_св). При­чому точці Н відповідає нестійка ро­бота, оскільки найменші коливання приводять до зриву фонтанування (точка 5) або переходу роботи в точ­ку С - точку стійкої спільної узгодже­ної роботи пласта і підйомника. Це легко зрозуміти, пов'язавши зміну р_в зі зміною рівня рідини у свердловині, наприклад, для свердловини другого типу (при Q_пл > Q_св нагромаджується рідина у свердловині та зростає р_в, а при Q_nл < Q_CB — навпаки зменшується р_в). Тривале газліфтне фонтанування можли­ве тільки при одному цілком визначеному тискові р_вс За зміни р₂, L, d точка С буде пе­реміщатися вздовж індикаторної лінії £?_пл(р_в), а при деякому їх співвідношенні криві Q_nл(p_B) і Q_св (р_в) можуть не перетинатися, тоді фонтанування не відбуватиметься (можливі положення кривої ліфтування на рис. 10.4 показані пунктирною лінією).

При зниженні вибійного тиску нижче p_Bmіn фонтанування зривається, а отже на мо­мент зриву фонтанування дебіт Q > 0 (Цей дебіт відповідає p_Bmіn)

10.4. Розрахунок фонтанної експлуатації за методикою Крилова та із використанням кривих розподілу тиску вздовж ліфта

Фонтанний підйомник проектують на весь період фонтанування. Суть методики Кри­лова полягає в тому, що розраховують підйомник для кінцевих умов фонтанування при оп­тимальному режимі, а після цього перевіряють на пропускну здатність для початкових умов при максимальному режимі. Звичайно, розрахунку підлягають L, p_Bmіn i d. Решту величин задають або визначають із інших міркувань, наприклад, обводненість доцільно обґрунтувати техніко-економічними розрахунками.

Стосовно свердловин першого типу розміри L, d підйомних труб задають із техно­логічних міркувань (невелика довжина, максимально можливий діаметр при заданому діаметрі експлуатаційної колони) для забезпечення різних промивань у свердловині, заміни рідин при освоєнні й глушінні та інших технологічних операцій, зменшення корозії експлу­атаційної колони і т.ін. У всіх випадках, коли у продукції є пісок (пісочні свердловини), труби спускають до нижніх отворів перфорації (фільтру), а якщо парафін - до глибини ви­падання парафіну.

Допустимий мінімальний зазор між внутрішньою стінкою обсадної колони і зовнішньою стінкою муфти підйомних труб становить 12-15 мм. Це означає, що максимальний діаметр насосно-компресорних труб не повинен перевищувати при 146 -міліметровій експлуа­таційній колоні 73 мм, при 168 -міліметровій — 89 мм і при 194 -міліметровій — 114 мм (взято за умовними діаметрами обсадних і насосно-компресорних труб).

Гранична глибина спуску НКТ у фонтанну свердловину залежно від діаметра і групи міцності (сталь марки Д, Е, К, Л, М, Р) становить 1780 — 5500 м.

Граничну допустиму глибину спуску однорозмірної колони труб у фонтанну свердлови­ну визначають із розрахунку на дію власної ваги залежно від типу труб за формулою

Із умови артезіанського фонтанування (10.4) знайдемо дебіт свердловини Q і за рівнянням індикаторної лінії (10.3) відповідний йому вибійний тиск p_Bmіn. Параметрирідини приймають при середніх значеннях тиску і температури у свердловині. Тиски затрубний p_затр і біля башмака НКТ р₁, пов'язані рівнянням (9.1).

Лекція 18.

Експлуатація свердловин газліфт ним способом.

1. Конструкції і системи газліфтних піднімачів.

2. Різновиди та область застосування газліфтного способу.

3. Принципи проектування газліфтної експлуатації свердловини.