Источники пластовой энергии

1 СКВАЖИННАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ ________________________________________________________________________________ _____________ Глава 1 ИСТОЧНИКИ ПЛАСТОВОЙ ЭНЕРГИИ § 1. Пластовые давления Для правильного понимания всех технологических процессов и явлений, связанных с эксплуатацией нефтяных месторождений и скважин, необходимо уяснить ряд терминов для давлений, которые определяют или влияют на эти технологические процессы. Статическое давление на забое скважины Статическое давление - это давление на забое скважины, устанавливающееся после достаточно длительной ее остановки. Оно равно гидростатическому давлению столба жидкости в скважине высотой (по вертикали), равной расстоянию от уровня жидкости до глубины, на которой производится измерение. Обычно за такую глубину принимается середина интервала вскрытой толщины пласта. С другой стороны, это давление равно давлению внутри пласта, вскрытого скважинами, и поэтому оно называется пластовым давлением. Статический уровень Уровень столба жидкости, установившийся в скважине после ее остановки при условии, что на него действует атмосферное давление, называется статическим уровнем. Если устье скважины герметизировано, то обычно в верхней части скважины скапливается газ, создающий некоторое давление на уровень жидкости. В этом случае уровень жидкости не называется статическим, хотя соответствует статическим условиям скважины, и давление на забое скважины равно сумме гидростатического давления столба жидкости и давления газа. Динамическое давление на забое скважины Это давление устанавливается на забое во время отбора жидкости или газа из скважины или во время закачки жидкости или газа в скважину. Динамическое давление на забое очень часто называют забойным давлением в отличие от статического, которое называют пластовым давлением. Однако и статическое, и динамическое давления в то же время являются забойными. Динамический уровень жидкости Уровень жидкости, который устанавливается в работающей скважине при условии, что на него действует атмосферное давление (межтрубное пространство открыто), называется динамическим уровнем. При герметизированном затрубном пространстве динамическое давление будет равно сумме гидростатического давления столба жидкости от уровня до забоя и давления газа, действующего на уровень. Высота столба жидкости измеряется по вертикали. Поэтому в наклонных скважинах при вычислении гидростатических давлений должна делаться соответствующая поправка на кривизну скважины. Среднее пластовое давление По среднему пластовому давлению оценивают общее состояние пласта и его энергетическую характеристику, обусловливающую способы и возможности эксплуатации скважин. Статические давления в скважинах, расположенных в различных частях залежи и 2 характеризующие локальные пластовые давления, могут быть неодинаковыми вследствие разной степени выработанности участков пласта, его неоднородности, прерывистости и ряда других причин. Поэтому используют понятие среднего пластового давления. Среднее пластовое давление Рср вычисляют по замерам статических давлений Рi в отдельных скважинах. Среднее арифметическое давление из m измерений по отдельным скважинам m Р ср =  Рi 1 m (2.1) Эта величина неточно характеризует истинное среднеинтегральное пластовое давление и может от него сильно отличаться, например, при группировке скважин в одной какой-либо части залежи. Средневзвешенное по площади пластовое давление n Р ср =  Рifi 1 n  fi (2.2) 1 где fi - площадь, приходящаяся на i-ю скважину, Pi - статическое давление в i-й скважине, n - число скважин. Это давление полнее характеризует энергетическое состояние пласта, однако не учитывает того, что толщина пласта на различных участках различна. Поэтому вводится понятие о средневзвешенном по объему пластовом давлении. Средневзвешенное по объему пласта давление учитывает не только площадь fi, приходящуюся на каждую скважину, но и среднюю толщину пласта hi в районе скважины. Таким образом, n Р ср =  Рifi h i 1 n  fi h i (2.3) 1 Среднее пластовое давление определяют по картам изобар (линий равных давлений). Для этого измеряют планиметром площадь между каждыми двумя соседними изобарами, рассчитывают среднее пластовое давление на этой площади, как среднее арифметическое из значений давлений двух соседних изобар, и, умножая его на площадь между изобарами, суммируют. Общую сумму делят на суммарную площадь, в пределах которой проводится вычисление. Определенное таким образом среднее давление ничем не отличается от того, которое получается по (2.2), и также является средневзвешенным по площади. Если на карту изобар наложить карту полей равных толщин, то среднее пластовое давление можно вычислить как средневзвешенное по объему пласта, используя формулу (2.3). В этом случае fi - часть площади между двумя изобарами с одинаковыми толщинами hi, Pi - среднее давление между двумя изобарами. Этот способ дает наиболее объективную оценку среднего пластового давления. Пластовое давление в зоне нагнетания При поддержании пластового давления воду закачивают в нагнетательные скважины, которые располагают рядами. В зонах расположения нагнетательных скважин в пласте создается повышенное давление. Для характеристики процесса нагнетания и контроля за его динамикой пользуются понятием пластового давления в зоне нагнетания. С этой целью на карте изобар выделяют район размещения нагнетательных скважин,окружая их характерной изобарой, имеющей, например, значение первоначального пластового давления. В пределах этой изобары и определяют пластовые давления, как средневзвешенные по площади, 3 используя формулу (2.2), или как средневзвешенные формулу (2.3) и дополнительно карту полей равных толщин. по объему, используя Пластовое давление в зоне отбора За пределами площади, ограниченной характерной изобарой, т. е. в районе добывающих скважин, также определяют среднее пластовое давление одним из трех названных методов и называют его пластовым давлением в зоне отбора. Во всех случаях предпочтительнее пластовое давление определять как средневзвешенное по объему пласта. Начальное пластовое давление Среднее пластовое давление, определенное по группе разведочных скважин в самом начале разработки, называется начальным пластовым давлением. Текущее пластовое давление В процессе разработки и эксплуатации пластовое давление меняется. Динамика пластового давления является важнейшим источником информации о состоянии объекта эксплуатации. Поэтому в различные моменты времени определяют среднее пластовое давление и строят графики изменения этого давления во времени. Это давление называют текущим пластовым давлением. Приведенное давление Для объективной оценки забойных давлений и возможности их сравнения вводится понятие приведенного давления. Измеренные или вычисленные забойные давления приводятся (пересчитываются) к условной горизонтальной плоскости, которой может быть принята любая плоскость в пределах залежи, абсолютная отметка которой известна. Обычно за плоскость приведения принимают плоскость, проходящую через первоначальный водонефтяной контакт, абсолютная отметка которого определяется при разведке месторождения. Если забои скважин сообщаются через проницаемый пласт, то в них устанавливаются одинаковые приведенные статические давления. Приведенное давление (рис. 2.1) в скв. 1 Р1 = Р с1 + н  g  h1 , а приведенное давление в скв. 2 будет Р 2 = Р с 2 + н  g  h 2 , ρн - плотность нефти в пластовых условиях; g ускорение силы тяжести; Δh1, Δh2 - разности гипсометрических отметок забоев скв. 1, 2 и плоскости приведения. Если водонефтяной контакт поднялся на Δz, а плоскость приведения осталась прежней, то приведенные давления для скв. 1 Р1 = Р с1 + н  g  h1 + в  g  z , , для скв. 2 Р 2 = Р с 2 + н  g  h 2 + в  g  z , . Здесь Δh1 и Δh2 - разность отметок забоев скважин и текущего положения водонефтяного контакта; ρв - плотность воды в пластовых условиях. Кроме перечисленных давлений необходимо знать также давления на линии нагнетания и на линии отбора. Определение этих понятий будет дано в 3 главе при изложении методов поддержания пластового давления. 4 § 2. Приток жидкости к скважине Приток жидкости, газа, воды или их смесей к скважинам происходит в результате установления на забое скважин давления меньшего, чем в продуктивном пласте. Течение жидкости к скважинам исключительно сложно и не всегда поддается расчету. Лишь при геометрически правильном размещении скважин (линейные или кольцевые ряды скважин и правильные сетки), а также при ряде допущений (постоянство толщины, проницаемости и других параметров) удается аналитически рассчитать дебиты этих скважин при заданных давлениях на забоях или, наоборот, рассчитать давление при заданных дебитах. Однако вблизи каждой скважины в однородном пласте течение жидкости становится близким к радиальному. Это позволяет широко использовать для расчетов радиальную схему фильтрации. Скорость фильтрации, согласно закону Дарси, записанному в дифференциальной форме, определяется следующим образом: k dp v=−  ,  dr (2.4) где k - проницаемость пласта; μ - динамическая вязкость; dp/dr - градиент давления вдоль радиуса (линии тока). По всем линиям тока течение будет одинаковое. Другими словами, переменные, которыми являются скорость фильтрации и градиент давления, при изменении угловой координаты (в случае однородного пласта) останутся неизмененными, что позволяет оценить объемный расход жидкости q как произведение скорости фильтрации на площадь сечения пласта. В качестве площади может быть взята площадь сечения цилиндра 2πrh произвольного радиуса r, проведенного из центра скважины, где h - действительная толщина пласта, через который происходит фильтрация. Тогда q = 2rhv = −2rh Обозначим k dp  ..  dr (2.5) kh = .  В общем случае предположим, что ε - гидропроводность - изменяется вдоль радиуса r, но так, что на одинаковых расстояниях от оси скважины вдоль любого радиуса величины ε одинаковые. Это случай так называемой кольцевой неоднородности. Предположим, что ε задано в виде известной функции радиуса, т. е. kh = ( r ) .  (2.6) Вводя (2.6) в (2.5) и разделяя переменные, получим dr 2 = −  dp . r(r) q (2.7) Дифференциальное уравнение (2.7) с разделенными переменными может быть проинтегрировано, если задана функция ε(r). В частности, если гидропроводность не зависит от радиуса и постоянна, то (2.7) легко интегрируется в пределах области фильтрации, т. е. от стенок скважины rс с давлением Pс до внешней окружности Rк, называемой контуром питания, на котором существует постоянное давление Pк. Таким образом, Rк P dr 2 к = −  r(r) q   dp , rс Рс При ε = const будем иметь 1 2  (ln R к − ln rс ) =  (Р к − Р с ) .  q 5 (2.9) Решая (2.9) относительно q, получим классическую формулу притока к центральной скважине в круговом однородном пласте: q= 2  (Р к − Р с ) . ln (R к rс ) (2.10) Если (2.8) проинтегрировать при переменных верхних пределах r и P, то получим формулу для распределения давления вокруг скважины: r P dr 2 (2.12) = −  dp . r  q rс Рс После интегрирования, подстановки пределов и алгебраических преобразований имеем   1 r 2  ln =  (Р − Р с ).  rс q (2.12) Решая уравнение относительно р(r) и подставляя (2.10) в (2.12), получим уравнение распределения давления вокруг скважины: r rс Р(r ) = Р с + (Р к − Р с )  . Rк ln rс ln (2.13) Если в (2.8) в качестве переменных пределов принять не верхние, а нижние пределы, то выражение для р(r) можно записать в другом виде: Rк r . Р(r ) = Р к − (Р к − Р с )  R ln к rс ln (2.14) Подставляя в (2.13) или (2.14) Rк вместо переменного радиуса r, получим P(Rк) = Pк ; при r = rс имеем другое граничное условие: P(rc) = Рс. Таким образом, граничные условия выполняются. Из (2.13) и (2.14) следует, что функция P(r) является логарифмической, т. е. давление вблизи стенок скважины изменяется сильно, а на удаленном расстоянии - слабо. Это объясняется увеличением скоростей фильтрации при приближении струек тока к стенкам скважины, на что расходуется больший перепад давления. Рассмотрим случай радиального притока в скважину при произвольно изменяющейся вдоль радиуса гидропроводности. Проинтегрируем в (2.8) правую часть и перепишем результат следующим образом: q= 2  (Р − Р с ) Rк . (2.15) 1  r  (r ) dr rс Подынтегральная функция y( r ) = 1 . r(r ) (2.16) 6 может быть построена графически по заданным значениям ε для различных радиусов и проинтегрирована в пределах от rс до Rк любым методом приближенного интегрирования или измерением планиметром площади под кривой у(r) в заданных пределах. В некоторых случаях добывающая скважина дренирует одновременно несколько пропластков с различными проницаемостями, толщинами, вязкостями нефти, а также пластовыми давлениями. Однако приток в такой сложной системе будет происходить при одинаковом забойном давлении (приведенном). При этом некоторые пропластки с меньшим пластовым давлением, чем на забое скважины, способны поглощать жидкость. В любом случае общий приток такого многослойного пласта будет равен алгебраической сумме притоков из каждого пропластка: n q = q1 + q 2 + ... + q n =  q i . (2.17) 1 Формулы радиального притока, вследствие их простоты, часто используются в инженерных расчетах. При этом погрешности в оценке исходных параметров, таких как k, h, μ, (Pк - Pс), непосредственно влияют на величину q. Что касается величин Rк и rс, то, поскольку они находятся под знаком логарифма, в отношении их допустимы значительные погрешности. Пример. Допустим истинное значение Rк = 100 м, а в расчете по ошибке было принято Rк = 1000 м, т. е. допущена 10-кратная ошибка. Тогда истинный приток q ист = 2кh  (Р к − Р с ) ,   ln (100 0,1) (2.18) где rc = 0,1 м. Расчетный приток q расч = 2кh  (Р к − Р с ) .   ln (1000 0,1) (2.19) Сравнение производим при прочих равных условиях, деля (2.18) на (2.19): q ист ln (10000 ) 4 = = . q расч ln (1000 ) 3 (2.20) Откуда qрасч = 3/4 qист. Т. е. расчетный дебит будет составлять 75% истинного дебита. При применении формулы радиального притока для скважины, расположенной среди других добывающих скважин, за Rк принимают половину расстояния до соседних скважин или средневзвешенную по углу величину этого расстояния. Формула радиального притока часто используется для определения гидропроводности по известным дебиту и давлениям. Поскольку формулы описывают радиальную фильтрацию в пласте, то в них необходимо подставлять значение вязкости нефти при пластовых условиях, то есть при пластовых температуре и давлении с учетом соответствующего количества растворенного газа. Вычисленный дебит q (объемный расход жидкости) также получается при пластовых условиях. Для перевода дебита к нормальным поверхностным условиям необходимо вычисленный дебит разделить на объемный коэффициент пластовой жидкости. § 3. Режимы разработки нефтяных месторождений Фильтрация жидкости по пласту к забоям скважин - к точкам наиболее низкого давления осуществляется за счет пластовой энергии. Жидкость под действием пластового давления находится в сжатом состоянии. В процессе эксплуатации месторождения, как правило, пластовое давление падает. Поэтому важно извлечь запасы нефти из пласта, до того как давление снизится и станет невозможно поддерживать необходимые депрессии. За изменением пластового давления постоянно следят и при быстром его снижении применяют искусственные методы воздействия на залежь и, в частности, методы поддержания пластового давления. Темп снижения пластового давления, характеризующего энергетические ресурсы пласта, зависит от темпа отбора пластовой жидкости: нефти, воды и 7 газа, который обусловлен проектом разработки месторождения, и от того осуществляется или нет поддержание пластового давления. Это искусственные факторы. С другой стороны, запас пластовой энергии, величина начального пластового давления и темп его снижения зависят и от природных - естественных факторов: ▪ наличия газовой шапки, энергия расширения которой используется при разработке месторождения; ▪ запаса упругой энергии в пластовой системе; ▪ содержания растворенного в нефти газа, энергия расширения которого приводит к перемещению пластовых жидкостей и газов к забоям скважин; ▪ наличия источника регулярного питания объекта разработки пластовой законтурной водой и интенсивность замещения этой водой извлекаемой из пласта нефти; ▪ гравитационного фактора, который эффективно может способствовать вытеснению нефти в пластах с большими углами падения. Перечисленные факторы, определяющиеся природными условиями, связаны с процессом формирования месторождения и не зависят от технолога. Одни из этих факторов могут иметь определяющую роль в процессах разработки, другие подчиненную роль. Капиллярно-поверхностные силы особенно существенны в пористых средах с большой удельной поверхностью способствуют, а чаще тормозят фильтрацию пластовой жидкости и поэтому в совокупности с перечисленными факторами определяют интенсивность притока жидкости к забоям скважин. Совокупность всех естественных и искусственных факторов, определяющих процессы, проявляющиеся в пористом пласте при его дренировании системой эксплуатационных и нагнетательных скважин, принято называть режимом пласта. Выделяют пять режимов: - водонапорный (естественный и искусственный), - упругий, - газонапорный (режим газовой шапки), - режим растворенного газа - и гравитационный. От правильной оценки режима дренирования зависят технологические нормы отбора жидкости из скважин, предельно допустимые динамические забойные давления, выбор расчетно-математического аппарата для прогнозирования гидродинамических показателей разработки, определения объемов добычи жидкости и газа, расчета процесса обводнения скважин, а также и тех мероприятий по воздействию на залежь, которые необходимы при разработке для достижения максимально возможного конечного коэффициента нефтеотдачи. Однако определить режим залежи не всегда просто, так как в ряде случаев многие факторы, определяющие режим, проявляются одновременно. Рассмотрим идеализированные условия, когда тот или иной режим проявляется в «чистом виде», т. е. когда изменения в залежи в процессе ее разработки обусловлены действием только одного режима, а проявление других режимов либо отсутствует вовсе, либо столь незначительно, что им возможно пренебречь. § 4. Водонапорный режим При этом режиме фильтрация нефти происходит под действием давления краевых или законтурных вод, имеющих регулярное питание (пополнение) с поверхности за счет талых или дождевых вод или за счет непрерывной закачки воды через систему нагнетательных скважин. Условие существования водонапорного режима Р пл  Р нас , где Pпл - среднее пластовое давление, Pнас - давление насыщения. При этом условии свободного газа в пласте нет и фильтруется только нефть или нефть с водой. Проницаемый пласт 2 (рис. 2.3) обеспечивает гидродинамическую связь области отбора нефти 1 с областью питания 3, которой может служить естественный водоем - русло реки. В результате процессов складкообразования пористый и проницаемый пласты могут 8 получить выход на дневную поверхность в районе, например, речного русла 3, из которого происходит непрерывная подпитка пласта водой при отборе нефти через скважины 4. Пласт-коллектор должен иметь достаточную проницаемость на всем протяжении от залежи до мест поглощения поверхностных вод. Это и обусловливает активность законтурной воды. Как правило, пластовое давление в подобных залежах равно гидростатическому давлению столба воды высотой, равной глубине залегания пласта. Причем давление после некоторого снижения в начальной стадии разработки остается в дальнейшем практически постоянным при установленных темпах отбора жидкости (2 - 8 % от извлекаемых запасов в год). При водонапорном режиме извлечение нефти сопровождаются ее замещением законтурной или нагнетаемой водой, что объясняет достаточно стабильные во времени дебиты скважин, пластовое давление и газовый фактор. Стабильность газового фактора обусловлено еще и тем, что при Pпл > Pнас выделения газа в пласте не происходит, поэтому с каждой тонной нефти добывают только то количество газа, которое было в ней растворено при пластовых условиях (рис. 2.4). Обводнение скважины происходит относительно быстро. Однако при сильной слоистой неоднородности пласта обводнение скважин может растягиваться во времени, так как по хорошо проницаемым прослоям пластовая вода быстро достигает забоев скважин, а по плохо проницаемым - медленно. При водонапорном режиме происходит достаточно эффективное вытеснение нефти и достигаются наиболее высокие коэффициенты нефтеотдачи. В отличие от естественного водонапорного режима при искусственном непрерывный напор воды, вытесняющей нефть, создают ее нагнетанием с поверхности через систему нагнетательных скважин. В таком случае пласт-коллектор не обязательно должен иметь выход на дневную поверхность для получения непрерывного питания. При водонапорном режиме количество отобранной жидкости из залежи (нефть, вода) всегда равно количеству вторгшейся в залежь законтурной воды в пластовых термодинамических условиях. Перераспределение давления в пласте, которое происходит при изменении отборов жидкости из скважин, должно при этом режиме происходить быстро (теоретически мгновенно), поэтому этот режим еще называют жестким. Депрессионная воронка вокруг скважины устанавливается также мгновенно. Этот режим теоретически изучен наиболее полно. В настоящее время более 80 % всей добываемой нефти получается из месторождений, разрабатываемых в условиях водонапорного режима (главным образом искусственного). § 5. Упругий режим При этом режиме вытеснение нефти происходит под действием упругого расширения самой нефти, окружающей нефтяную залежь воды и скелета пласта. Обязательным условием существования этого режима (как и водонапорного) является превышение пластового 9 давления над давлением насыщения (Pпл > Pнас). Пласт должен быть замкнутым, но достаточно большим, чтобы его упругой энергии хватило для извлечения основных запасов нефти. Объемный коэффициент упругости среды определяется как доля первоначального объема этой среды, на которую изменяется этот объем при изменении давления на единицу, т. е. =− V , V  Р (2.43) где ΔV - приращение объема (за счет упругого расширения); ΔP - приращение давления (понижение давления); V - первоначальный объем среды. Поскольку отрицательному приращению давления соответствует положительное приращение объема, то впереди ставится знак минус. Твердый скелет пористого пласта при изменении внутреннего давления деформируется вследствие изменения объема самих частиц оседания кровли пласта при уменьшении внутрипорового давления, что приводит к уменьшению пористости и к дополнительному вытеснению жидкости. Из экспериментальных данных известно: 1 ; Па −10 1 для нефти  н = (7  30 )  10 ; Па −10 1 для породы  п = (0,3  2 )  10 . Па для воды в = (2,7  5)  10 −10 Обычно для оценки сжимаемости пласта пользуются приведенным коэффициентом сжимаемости, который называют коэффициентом упругости пласта. Это усредненный коэффициент объемной сжимаемости некоторой фиктивной среды, имеющей объем, равный объему реального пласта с насыщающими его жидкостями, совокупное упругое приращение которых равно упругому приращению объема фиктивной среды. Согласно определению можно найти упругие приращения объемов воды, нефти и породы для единичного элемента объема пласта *  V  P = в  Vв  Р + н  Vн  Р + п  Vп  Р . (2.44) где V - объем фиктивной среды, равный сумме объемов воды, нефти и твердого скелета пласта; Vп, Vв, Vн - общие объемы твердого скелета пласта и насыщающих его воды и нефти соответственно; β* - приведенный коэффициент упругости пласта. Обозначая m, αв, αн соответственно пористость, водо- и нефтенасыщенность пласта, можем вместо (2.44) записать *  V  P = в  V  m   в  Р + н  V  m   н  Р + п  V  (1 − m )  Р , или * = m  (в   в + н   н ) + п  (1 − m ). (2.45) (2.46) Это и будет наиболее общее выражение для приведенного объемного коэффициента упругости пластовой системы. Упругий режим, относящийся к режиму истощения, существенно неустановившийся. Давление в пласте по мере отбора жидкости падает. Для него характерны непрерывно разрастающаяся вокруг скважины воронка депрессии, систематическое падение дебита во времени при сохранении постоянства депрессии или систематическое увеличение депрессии во времени при сохранении дебита. Однако во всех случаях при упругом режиме газовый фактор должен оставаться постоянным по тем же причинам, что и при водонапорном режиме. Темп падения среднего пластового давления может быть различным в зависимости от общего запаса упругой энергии в пласте (от размеров окружающего залежь водного бассейна). 10 Несложно вывести приближенную формулу, описывающую падение безразмерного среднеинтегрального пластового давления Р при упругом режиме во времени t, при постоянном темпе отбора жидкости (q = const). Можно получить аналогичную формулу при переменном темпе отбора, когда функция изменения темпа отбора задана, например линейно возрастает или изменяется по любому другому закону. При q = const изменение давления Р(t) соответствует прямолинейному закону, т.е. прямой линии, но не проходящей через начало координат. При переменном темпе отбора закон изменения среднеинтегрального давления в пласте будет криволинейный. Геологическими условиями, благоприятствующими существованию упругого режима, являются: - залежь закрытая, не имеющая регулярного питания; - обширная водонасыщенная зона, находящаяся за пределами контура нефтеносности; отсутствие газовой шапки; - наличие эффективной гидродинамической связи нефтенасыщенной части пласта с законтурной областью; - превышение пластового давления над давлением насыщения. Чтобы при приемлемом темпе снижения среднего давления в пласте Рпл за разумные сроки отобрать запасы нефти, нужно иметь очень большое отношение объема упругой системы к геологическим запасам нефти. При разработке залежи в условиях упругого режима быстрое понижение давления происходит в пределах самой залежи, а во всей системе, питающей залежь упругой энергией давления (в законтурной области), снижается медленно. Из сказанного не следует, что упругий режим и связанные с ними процессы играют незначительную роль при добыче нефти. При определенных благоприятных условиях весь запас нефти может быть извлечен за счет упругого режима (при большой упруговодонапорной системе). Последний играет существенную роль при переходных процессах, возникающих в результате изменения режимов работы скважин. При этом в пласте происходят затяжные процессы перераспределения давления, протекающие по законам упругого режима. § 6. Режим газовой шапки Этот режим проявляется в таких геологических условиях,.при которых источником пластовой энергии является упругость газа, сосредоточенного в газовой шапке. Для этого необходимо, чтобы залежь была изолирована по периферии непроницаемыми породами или тектоническими нарушениями. Законтурная вода, если она имеется, не должна быть активной. Нефтяная залежь должна находиться в контакте с газовой шапкой. При таких условиях начальное пластовое давление будет равно давлению насыщения, так как дренирование залежи происходит при непрерывном расширении газовой шапки и нефть постоянно находится в контакте с газом. Темп изменения среднего пластового давления при разработке такой залежи может быть различным в зависимости от темпов разработки и от соотношения объемов газовой шапки и нефтенасыщенной части залежи. Такую залежь можно рассматривать как сосуд с жидкостью и газом, причем отбор жидкости сопровождается расширением газа. На рис. 2.6 представлены результаты расчетов поведения пластового давления во времени в процессе разработки залежи в режиме газовой шапки. 11 Из рисунка видно, что изменение пластового давления происходит по криволинейному закону и темп падения давления тем больше, чем меньше объем газовой шапки по отношению к объему нефтяной части залежи (чем больше n). При объеме нефти в залежи, в четыре раза превышающем объем начальной газовой шапки, через десять лет давление снизится на 50 % (P = 0,5). Тогда как при объеме нефти, составляющем 0,25 от объема газовой шапки, к тому же времени давление снизится только на 5,8 %. Таким образом, разработка месторождения при режиме газовой шапки неизбежно сопровождается падением пластового давления со всеми вытекающими из этого последствиями (уменьшение дебитов, сокращение периода фонтанирования, переход нефтяных скважин на газ и др.). В реальных условиях разработка такого месторождения может быть осуществлена в условиях смешанного режима с помощью искусственного поддержания пластового давления закачкой воды в законтурную область или закачкой газа в газовую шапку. Конечная нефтеотдача в условиях режима газовой шапки не достигает тех величин, что при режимах вытеснения нефти водой, и не превышает по приблизительным оценкам 0,4 - 0,5. Для этого режима характерен закономерный рост газового фактора и переход скважин на добычу чистого газа по мере выработки запасов нефти и расширения газовой шапки. Режим газовой шапки в общем имеет подчиненное значение и сравнительно небольшое распространение. Продукция скважин, как правило, безводная. § 7. Режим растворенного газа Дренирование залежи нефти с непрерывным выделением из нефти газа и переходом его в свободное состояние, увеличением за счет этого объема газонефтяной смеси и фильтрации этой uaie к точкам пониженного давления (забои скважин) называется режимом растворенного газа. Источником пластовой энергии при этом режиме является упругость газонефтяной смеси. Условия существования режима растворенного газа следующие: - Pпл < Рнас (пластовое давление меньше давления насыщения); - отсутствие законтурной воды или наличие неактивной законтурнойводы; - отсутствие газовой шапки; - геологическая залежь должна быть запечатана. При этих условиях пластовая энергия равномерно распределена во всем объеме нефтенасыщенной части пласта. При таком режиме правомерен принцип равномерного размещения скважин по площади залежи. Рассмотрим законы изменения среднего пластового давления в залежи в условиях режима растворенного газа. Примем, что начальное среднее пластовое давление равно давлению насыщения (абсолютному), т.е. Рнач = Рнас. Полагая, что линейный закон растворимости газа Генри при изменении давления от Рнач до Р справедлив, можно определить объем выделившегося газа из объема нефти Vн при понижении давления. (2.79) V =   (Р нач − Р )  Vн где α - коэффициент растворимости, приведенный к стандартным условиям; V - объем выделившегося газа, также приведенный к стандартным условиям. Этот объем следует привести к пластовому текущему давлению Р и температуре Т, используя уравнение состояния. 12 Выделившийся свободный газ будет равномерно распределен в нефти, образуя газонефтяную смесь. Поскольку объем смеси будет больше объема пор пласта, то ее избыток будет фильтроваться к забоям скважин. Предположим, что в начальный момент поры пласта заполнены только нефтью, так что Vпор = Vн (наличие связанной воды не меняет конечных результатов). Следовательно при снижении давления из общего объема пор пласта Vпор должна выделиться смесь, объем которой Vвс будет равен разности    (Pнач − Р )  Р 0  Т  z р  Vвс = Vсм − Vпор = Vн  1 +  − Vн Р  Т   Этот объем будет состоять из нефти и газа. Определим долю нефти в смеси, как отношение объема всей нефти в пласте к объему всей образовавшейся смеси, т. е. н = Vн . Vсм (2.83) Это среднее содержание жидкой фазы - нефти в смеси. Но необходимо различать: α1 - долю жидкой фазы в выделившейся из пор смеси и долю жидкой фазы в смеси α2, остающейся в порах пласта на данной стадии разработки. Доля нефти в выделившейся смеси (α1) всегда значительно меньше доли нефти в остающейся смеси (α2). Это объясняется следующим: 1. Вязкость газа значительно меньше вязкости нефти, поэтому, обладая большей подвижностью, он скорее достигает забоя скважины. 2. В результате дегазации нефти ее вязкость увеличивается, а следовательно, уменьшается подвижность. 3. С увеличением газонасыщенности пористой среды фазовая проницаемость для газа возрастает, а для нефти уменьшается (согласно кривым фазных или относительных проницаемостей) . Перечисленные факторы приводят к уменьшению жидкой фазы в выделившейся из пор газожидкостной смеси, другими словами, к росту газового фактора. Предположим, что доля нефти в выделившейся смеси в k раз меньше, чем ее среднее значение. Продолжая выкладки, можно получить следующую формулу, описывающую изменение среднеинтегрального пластового давления во времени при эксплуатации месторождения на режиме растворенного газа: Р= Р Р нач =   Р 0  Т  z р  (1 − kt ) Т 0  kt +   Р 0  Т  z р  (1 − kt ) . (2.87) По формуле (2.87) произведем численную оценку безразмерного пластового давления Р и его изменение во времени. Результаты расчета представлены на рис. 2.7. Как видим, закон падения явления - криволинейный. К исходу 10 лет эксплуатации месторождения при k = 2 и отборе 5% от извлекаемых запасов в год пластовое давление должно упасть на 55,5 % и составить 44,5 % от первоначального, равного давлению насыщения (см. рис. 2.7, линия 1). За это время ( t = 10 лет) будет отобрано 50% извлекаемых запасов, которые составляют 40% геологических (при η = 0,4). При k = 4 то же давление через 10 лет составит 11,8% от первоначального. Из формулы (2.87) следует также, что при больших t (время разработки) выражение, стоящее в круглых скобках, может стать отрицательным. Это означает, что пластовое давление Р будет отрицательным. Физически это невозможно. Поэтому полное истощение месторождения наступает при kηδt = 1. 13 Режим растворенного газа характеризуется быстрым падением пластового давления и закономерным увеличением газового фактора, который на определенной стадии разработки достигает максимума, а затем начинает падать в результате общего истощения и полной дегазации месторождения. Режим отличается самым низким коэффициентом нефтеотдачи, в редких случаях достигающим значений 0,25. Без искусственного воздействия на залежь (например, закачкой воды или другими методами) режим считается малоэффективным. Однако в начальные периоды разработки скважины бурно фонтанируют, хотя и непродолжительное время. При дренировании залежи в условиях режима растворенного газа (при отсутствии искусственного воздействия) вода в продукции скважин отсутствует. § 8. Гравитационный режим Гравитационным режимом дренирования залежей нефти называют такой режим, при котором фильтрация жидкости к забоям скважин происходит при наличии «свободной поверхности». Свободной поверхностью называют поверхность фильтрующей жидкости или газонефтяной контакт, устанавливающийся в динамических условиях фильтрации, на котором давление во всех точках остается постоянным. Этот режим называют еще иногда безнапорным, хотя это принципиально не точно. Гравитационный режим может возникнуть в любой залежи на последней стадии ее разработки как естественное продолжение режима растворенного газа. Наглядным и в то же время точным примером дренирования в условиях гравитационного режима может служить высачивание воды по периметру конической кучи песка, предварительно смоченного водой. При гравитационном режиме скважины имеют углубленный забой-зумф для накопления нефти и погружения в него насоса. Из определения этого режима следует, что если в затрубном пространстве такой скважины существует атмосферное давление, то такое давление установится на всей свободной поверхности, разделяющей нефтенасыщенную и газонасыщенную части пласта, и фильтрация жидкости в скважину будет происходить только под действием разности уровней жидкостей в удаленной части пласта и непосредственно на стенде скважины. При избыточном давлении в затрубном пространстве скважины фильтрация жидкости попрежнему будет происходить под воздействием разности уровней жидкости, так как это давление устанавливается на всей свободной поверхности. Гравитационный режим может иметь решающее значение при шахтных методах добычи нефти. В горизонтальных пластах его эффективность чрезвычайно мала. Скважины характеризуются очень низкими, но устойчивыми дебитами. Однако в крутопадающих пластах эффективность гравитационного режима увеличивается. Этот режим практического значения в процессах нефтедобычи по существу не имеет и важен только для понимания процессов, происходящих в нефтяных залежах при их разработке. Глава 2 ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗАЛЕЖЬ НЕФТИ § 1. Цели и методы воздействия Целями воздействия на залежь нефти являются поддержание пластового давления и, что более важно, увеличение конечной нефтеотдачи. В последнем случае методы воздействия могут быть иными, и они часто находят применение на истощенных месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки, хотя пластовое давление может оставаться на уровне первоначального или превышать его. Часто методы воздействия преследуют обе цели, т. е. поддержание пластового давления и увеличение конечного коэффициента нефтеотдачи. 14 Масштабы применения методов воздействия на залежи нефти очень велики. Около 85 % нефти добывается из пластов, подвергнутых методам воздействия. Среди них доминирующим методом остается поддержание пластового давления (ППД) закачкой в пласт воды. Существуют следующие основные методы воздействия на пласт: А. Поддержание пластового давления закачкой в пласт воды, к которому относятся: 1. Законтурное заводнение. 2. Приконтурное заводнение. 3. Внутриконтурное заводнение. Последнее можно разделить на: а) разрезание залежи линейными или круговыми рядами нагнетательных скважин; б) блочная система заводнения; в) очаговое заводнение; г) избирательное заводнение; д) площадное заводнение. Б. Поддержание давления закачкой газа: 1. Закачка воздуха. 2. Закачка сухого газа. 3. Закачка обогащенного газа. 4. Закачка газа при параметрах, близких к критическим. В. Тепловые методы воздействия. 1. Закачка в пласт горячей воды. 2. Закачка перегретого пара. 3. Создание в пласте подвижного фронта горения. 4. Тепловая обработка призабойной зоны пласта. Существуют так же, хотя в очень ограниченных масштабах и другие специальные методы воздействия, которые являются сочетанием названных выше. К этим методам можно отнести закачку различных веществ в пласт, таких как растворители с последующим их проталкиванием сухим газом или водой (закачка сжиженного газа); карбонизированная вода с последующим ее проталкиванием водой; углекислый газ; мицеллярные растворы в виде оторочек, смешивающихся с пластовой нефтью и вытесняющим агентом - водой; газогенераторные газы, получаемые сжиганием нефти при давлениях закачки в специальных аппаратах - газогенераторах. Основное назначение многих из этих методов - не поддержание пластового давления, а повышение коэффициента нефтеотдачи в сочетании с попутным эффектом - частичным поддержанием пластового давления. Как показывают исследования, объем растворителей при закачке должен составлять от 5 до 15% объема пласта между линиями нагнетания и отбора. Для закачки газа требуются очень мощные компрессорные установки высокого давления (превышающие пластовое), что приводит к большим удельным расходам энергии на единицу добытой нефти по сравнению, например, с закачкой воды. Для реализации перспективного метода - закачки карбонизированной воды и СО2 - необходимы очень большие количества углекислого газа, получение которого в нужных количествах также вызывает большие технические трудности и требует специальных капитальных вложений. § 2. Технология поддержания пластового давления закачкой воды Размещение скважин Законтурное заводнение. Воздействие на пласт в этом случае осуществляется через систему нагнетательных скважин, расположенных за внешним контуром нефтеносности. Линия нагнетательных скважин располагается примерно в 300 - 800 м от контура нефтеносности для создания более равномерного воздействия на него, предупреждения образования языков обводнения и локальных прорывов воды в эксплуатационные скважины. Законтурное заводнение целесообразно: 15 ▪ при хорошей гидродинамической связи нефтеносного пласта с областью размещения нагнетательных скважин; ▪ при сравнительно малых размерах залежи нефти, когда отношение площади залежи к периметру контура нефтеносности составляет 1,5 - 1,75 км (хотя известны случаи разработки месторождений при иных соотношениях этих величин); ▪ при однородном пласте с хорошими коллекторскимп свойствами как по толщине пласта, так и по площади. В этих условиях система законтурного заводнения позволяет наиболее полно выработать запасы и вытеснить нефть к центральной возвышенной части пласта, к так называемому стягивающему ряду добывающих скважин или к одной скважине. Законтурное заводнение имеет и недостатки. К их числу можно отнести следующие: ▪ повышенный расход энергии (дополнительные затраты мощностей насосных установок) на извлечение нефти, так как нагнетаемой воде приходится преодолевать фильтрационное сопротивление зоны пласта между контуром нефтеносности п линией нагнетательных скважин; ▪ замедленное воздействие на залежь из-за удаленности линии нагнетания; ▪ повышенный расход воды вследствие ее оттока во внешнюю область пласта за пределы линии нагнетания. Приконтурное заводнение. Ускорения воздействия на залежь можно достигнуть размещением нагнетательных скважин в непосредственной близости от контура нефтеносности или даже между внешним и внутренним контурами нефтеносности. Приконтурное заводнение применяется: ▪ при ухудшенной гидродинамической связи пласта с внешней областью; ▪ при сравнительно малых размерах залежи (см. законтурное заводнение); ▪ для интенсификации процесса эксплуатации, так как фильтрационные сопротивления между линиями нагнетания и отбора уменьшаются за счет их сближения. Однако вероятность образования языков обводнения и прорыва воды к отдельным скважинам эксплуатационных рядов увеличивается. С этим связаны некоторые возможные потери нефти вследствие образования целиков между нагнетательными скважинами. Нефть из этих целиков может быть вытеснена только при очень тщательном регулировании процесса выработки, включая бурение дополнительных скважин. С энергетической точки зрения приконтурное заводнение более экономично, хотя при хорошей гидропроводности внешней области потери нагнетаемой воды неизбежны. Внутриконтурное заводнение. Воздействие на пласт в этом случае осуществляется через систему нагнетательных скважин, расположенных по той или иной схеме внутри контура нефтеносности. Это более интенсивная система воздействия на залежь нефти, позволяющая сократить сроки выработки запасов и быстро наращивать добычу нефти. Различают несколько разновидностей внутриконтурного заводнения: разрезание залежи линиями нагнетательных скважин на полосы, кольца, создание центрального разрезающего рядас несколькими поперечными рядами и в сочетании с приконтурным заводненном.. Выбор схемы расположения нагнетательных скважин определяется конкретными геологическими условиями, экономически целесообразными сроками выработки запасов и величиной необходимых капвложений. Как правило, линии нагнетательных скважин располагают в зонах пласта с улучшенными коллекторскими свойствами и перпендикулярно к доминирующему простиранию линз и проницаемых песчаников, что позволяет устранить или уменьшить блокировку нагнетаемой воды и повысить охват пласта воздействием. Законтурное заводнение при наличии внутриконтурного должно предотвратить вытеснение нефти во внешнюю - законтурную область, а также интенсифицировать процесс. С энергетической точки зрения использование внутриконтурного заводнения более эффективно, чем законтурного и приконтурното, так как почти вся нагнетаемая вода используется в этом случае для вытеснения нефти по обе стороны разрезающего ряда. При внутриконтурном заводнении скважины разрезающих рядов эксплуатируются на нефти 16 «через одну» для формирования фронта вытеснения, т. е. полосы водонасыщенной части пласта. Перечисленные системы заводнения, как правило, применяются на больших оконтуренных месторождениях с установленными границами и достаточно достоверными данными о характеристиках пласта. Блочное заводнение целесообразно на больших неоконтуренных месторождениях, когда по данным разведочных скважин очевидна промышленная нефтеносность в районе их расположения. В этом случае до окончательной разведки месторождения и определения контуров нефтеносности возможен ускоренный ввод объекта в эксплуатацию путем разрезания рядами нагнетательных скважин месторождения на отдельные блоки с самостоятельными сетками эксплуатационных скважин. Тогда внутри каждого блока бурят добывающие скважины в виде рядов, число и плотность которых на площади блока определяют гидродинамическими и технико-экономическими расчетами. При окончательной разведке и оконтуривании месторождения блоки, введенные в эксплуатацию раньше, технологически вписываются в общую схему разработки и составляют с ней органически целое. Очаговое заводнение используют в сочетании с любой другой системой заводнения для улучшения охвата пласта вытеснением, а также для выработки запасов из отдельных линз или участков пласта (застойных зон), на которые не распространяются влияние закачки от ближайших нагнетательных рядов. Как правило, при очаговом заводнении используют под нагнетание одну из добывающих скважин, расположенную рационально по отношению к окружающим добывающим скважинам и в зоне пласта с повышенной проницаемостью. Однако для очагового заводнения возможно бурение специальной скважины или даже группы скважин для увеличения охвата воздействием большего объема нефтенасыщенной части пласта или его слабопроницаемых зон. При достаточно детальной геологической изученности объекта разработки очаговое заводненне может применяться и как самостоятельное на всех этапах разработки и доразработки месторождения и в известном смысле является средством регулирования процесса вытеснения. Избирательную систему заводнення применяют, как н очаговую, при выработке запасов нефти из сильно неоднородных прерывистых как по простиранию, так и по толщине коллекторов. При этой системе точки бурения нагнетательных скважин определяют с учетом детального изучения геологических условий распространения продуктивного пласта, его связей с забоями ближайших добывающих скважин и таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную интенсивность вытеснения нефти водой и свести до минимума влияние неоднородности и линзовидности пласта на полноту выработки и конечный коэффициент нефтеотдачи. Вследствие этого нагнетательные скважины оказываются расположенными на площади хаотично, отражая естественную неоднородность коллектора. Это осложняет систему водоснабжения натнетательных скважин. На первых этапах разработки, когда геологическая информация ограничена или просто недостаточна, эта система не может быть применена. Она эффективна лишь на последующих этапах, когда выявляются детали строения пласта н результаты влияния на скважины закачки основной системы заводнения. Площадное заводнение - наиболее интенсивная система воздействия на пласт, обеспечивающая самые высокие темпы разработки месторождений. Добывающие и нагнетательные скважины при этой системе располагаются правильными геометрическими блоками в виде пяти-, семи- или девятиточечных сеток, в которых нагнетательные и добывающие скважины чередуются (рис. 3.1). При разбуриваннп площади по таким равномерным сеткам скважин оказывается, что при пятиточечной схеме на каждую нагнетательную скважину приходится одна добывающая, при семиточечной схеме две добывающие, а при девятиточечной три добывающие скважины. Учитывая, что нагнетательные скважины не дают продукцию, становится очевидным, что девятиточечная схема экономически вытоднее, однако интенсивность воздействия на залежь при этом 17 меньше и вероятность существования целиков нефти при прорыве воды в добывающие скважины больше. Исторически сложилось так, что площадное заводненне использовали на последних стадиях разработки как вторичные методы добычи нефти. Однако система площадного заводнения имеет самостоятельное значение, может эффективно использоваться на ранних этапах разработки при хорошей изученности пласта. В заключение необходимо заметить, что перечисленные схемы размещения скважин могут применяться не только при закачке воды, но и при закачке газа или при проталкивании газом или водой различных растворителей в виде оторочек. Однако масштабы применения других методов воздействия, по сравнению с закачкой воды, настолько малы, что приходится говорить главным образом о размещении скважин при заводнении. § 3. Основные характеристики поддержания пластового давления закачкой воды Техника и технология ППД закачкой воды связана с некоторыми понятиями и определениями, которые характеризуют процесс, его масштабы, степень компенсации отборов закачкой, сроки выработки запасов, число нагнетательных и добывающих скважин и др. К числу таких характеристик относится количество нагнетаемой воды. При искусственном водонапорном режиме, когда отбор нефти происходит при давлении в пласте выше давления насыщения, объем отбираемой жидкости, приведенный к пластовым условиям, должен равняться объему нагнетаемой жидкости, также приведенной к пластовым условиям, г. е. к пластовой температуре и давлению. Поскольку в этих условиях пластовая продукция состоит только из нефти и воды, а газ находится в растворенном состоянии, то можно написать следующее уравнение баланса расходов жидкостей, приведенных к пластовым условиям: ( ) Q наг  b в = Q н  b н + Q в  b 'в + Q ут  k , (3.1) Qнаг - объемный расход нагнетаемой воды при стандартных условиях (например, м3/г); bв объемный коэффициент нагнетаемой воды, учитывающий увеличение объема воды при нагревании до пластовой температуры и уменьшение ее объема при сжатии до пластового давления (для обычных пластовых температур и давлений bв = 1,01); Qн - объемная добыча нефти (суммарный дебит) при стандартных условиях (дебит товарной нефти); bн - объемный коэффициент нефти, учитывающий ее расширение за счет растворения газа, повышения температуры и незначительное сжатие от давления. (Для каждого конкретного пласта bн определяется экспериментально на установках pVT или приближенно рассчитывается по статистическим формулам. Обычно bн = 1,05 - 1,30, но иногда достигает величины 2,5 для нефтей грозненских месторождений верхнего мела); Qв - объемная добыча извлекаемой из пласта воды, измеренная при стандартных условиях; bв' - объемный коэффициент извлекаемой минерализованной воды, который может отличаться от объемного коэффициента для пресной воды; Qут - объемный расход воды, уходящей во внешнюю область (утечки); k - коэффициент, учитывающий потери воды, при периодической работе нагнетательных скважин на самоизлив, при порывах водоводов и по другим технологическим причинам. Обычно коэффициент k = 1,1 - 1,15. 18 Из уравнения (3.1) находят расход нагнетаемой воды Qнаг. Очевидно, число нагнетательных скважин nнаг, их средний дебит qнаг и расход нагнетаемой воды Qнаг связаны соотношением (3.2) Qнаг = q наг  n наг . Если по результатам опытной эксплуатации нагнетательных скважин или по результатам расчета известен их дебит qнаг, то из (3.2) определяют необходимое число нагнетательных скважин nнаг. Если nнаг предопределено схемой размещения скважин, то из (3.2) определяют средний дебит нагнетательной скважины qнаг, который зависит от гидропроводности пласта в районе нагнетательной скважины и от репрессии, т. е. от величины давления нагнетания воды. Дебит нагнетательной скважины находят гидродинамическими расчетами всей системы добывающих и нагнетательных скважин или приближенно по формуле радиального притока, преобразованной для репрессии. Давление нагнетания и дебиты должны находиться в технически осуществимых пределах и не должны превышать возможностей технологического оборудования. Некоторое регулирование этих величин возможно воздействием на призабойную зону нагнетательных скважин для улучшения их поглотительной способности (кислотные обработки, гидроразрывы и др.). Для оценки степени компенсации отборов жидкостей из пласта закачкой вводится понятие коэффициента компенсации. Коэффициент текущей компенсации mт = Q наг  b в . Q н  b н + Q в  b 'в + Q ут  k ( ) (3.3) - отношение дебита нагнетаемой воды к дебиту отбираемых жидкостей, приведенных к пластовым условиям за единицу времени (год, месяц, сутки и т.д.). Этот коэффициент показывает, насколько скомпенсирован отбор закачкой в данный момент времени. Если mт < 1, закачка отстает от отбора н следует ожидать падения среднего пластового давления. Если mт > 1, закачка превышает отбор и давление в пласте должно расти. При mт = 1 должна наблюдаться стабилизация текущего пластового давления на существующем уровне, независимо, каким он был в начале разработки. Коэффициент накопленной компенсации t mн =  Q наг  b в  dt  (Q н  b н + Q в  b в + Q ут ) k  dt t . (3.4) ' Числитель в (3.4) - суммарное количество закачанной в пласт воды от начала закачки до данного момента времени t. Знаменатель - суммарное количество отобранной из пласта нефти и воды, приведенное к пластовым условиям, а также суммарные утечки за время нагнетания в течение всей эксплуатации залежи, включая отбор жидкости разведочными скважинами. При этом, если mн < 1, текущее среднее пластовое давление меньше первоначального, так как закачка не скомпенсировала суммарный отбор. Если mн = 1. среднее пластовое давление восстанавливается до начального пластового давления, так как закачка полностью компенсирует суммарный отбор жидкостей. Если mн > 1, текущее среднее пластовое давление превышает первоначальное, так как закачано в пласт жидкости больше, чем отобрано. 19 В технологии добычи нефти часто пользуются такими понятиями, как «давление на линии нагнетания» и «давление на линии отбора». Введение этих понятий упрощает физическую картину фильтрации жидкости от линии расположения нагнетательных скважин к рядам добывающих скважин, а также позволяет однозначно характеризовать депрессию обусловливающую приток жидкости к линиям отбора. Давление на линии нагнетания - это среднеинтегральное давление в пласте вдоль линии нагнетательных скважин. Вокруг нагнетательных скважин образуются репрессионные воронки, обращенные вверх с наибольшим давлением (вершина воронки) на забоях нагнетательных скважин (рис. 3.3). На рисунке ординаты заштрихованной части эпюры абсолютные величины давлений в пласте, изменяющиеся вдоль S. Средняя ордината, т. е. высота рн прямоугольника длиной S и площадью РнS, - среднеинтегральное давление. По определению S Рн =  Р(S)  dS S . (3.13) или Рн = F , S (3.14) где F - заштрихованная площадь эпюры давлений. Забойные давления нагнетательных скважин могут быть различны. Закон распределения давления вокруг забоя скважин близок к логарифмическому. Используя формулу для распределения давления при радиальном течении, можно построить кривые распределения давления между нагнетательными скважинами. Таким образом, по эпюре распределения давления вдоль линии нагнетания в реальном конкретном случае может быть определена площадь эпюры F, а по формуле (3.14) найдено давление на линии нагнетания. Существуют весьма простые расчетные методы определения давления на линии нагнетания, однако эти методы справедливы только при одинаковых забойных давлениях во всех нагнетательных скважинах, равных расстояниях между скважинами и однородном пласте. Расчетная формула имеет вид Рн = Рн − Q   (3.15) где Рн - давление на забоях нагнетательных скважин (во всех скважинах одинаковое); Q суммарный дебит нагнетательного ряда; =   - внутреннее фильтрационное сопротивление нагнетательного ряда. ln 2khn rпр Здесь μ - вязкость воды; k - проницаемость; h - толщина пласта; n - число скважин в ряду; σ половина расстояния между нагнетательными скважинами; rпр - приведенный радиус нагнетательной скважины. Давление на линии отбора определяется аналогично, т. е. как среднеинтегральное давление вдоль линии добывающих скважин. 20 В добывающих скважинах депрессионная Давление на линии отбора равно воронка обращена вершиной вниз (рис. 3.4). S Рс =  Р(S)  dS S (3.16) или Рс = F , где F - площадь заштрихованной эпюры. S При аналитических расчетах Рс = Рн + Q   где Рс - давление на забоях добывающих скважин данного ряда (одинаковые во всем ряду); Q - дебит добывающих скважин данного ряда, расположенных в пределах длины S. Среднее давление на линии нагнетания меньше забойных давлений в нагнетательных скважинах (Рн' < Рн), а среднее давление на линии отбора больше забойных давлений в добывающих скважинах (Pс' > Pс). Величина Рн' - Pс' = Δр, называется депрессией между линией нагнетания и линией отбора. От величины этой депрессии зависит дебит добывающих рядов скважин, который увеличивается с ростом Δр. Увеличение депрессии может быть достигнуто как за счет увеличения давления на линии нагнетания рн, так и за счет снижения давления на линии отбора Pс. § 4. Водоснабжение систем ППД Основное назначение системы водоснабжения при поддержании пластового давления добыть нужное количество воды, пригодной для закачки в пласт, распределить ее между нагнетательными скважинами и закачать в пласт. Конкретный выбор системы водоснабжения зависит от того, на какой стадии разработки находится данное месторождение. В настоящее время ППД стремятся осуществить с самого начала разработки месторождения. В этом случае необходимо большое количество (практически 100%) пресной воды, так как добывающие скважины на этой стадии практически дают безводную продукцию. В дальнейшем скважины все больше обводняются, появляется во все возрастающих количествах попутная вода, которая должна быть утилизирована. В связи с этим системы водоснабжения должны видоизменяться и приспосабливаться к конкретным условиям разработки месторождения. Проектируемая система водоснабжения должна предусматривать рост обводненности продукции скважин и необходимость утилизации всех так называемых промысловых сточных вод, включая ливневые, попутные, воды установок по подготовке нефти н др. .Для соблюдения мер по охране природы и окружающей среды система водоснабжения в любом случае должна предусматривать 100%-ную утилизацию сточных вод и работу всей системы ППД по замкнутому технолотическому циклу. Это усложняет и несколько удорожает систему водоснабжения, так как возникает необходимость специальной подготовки сточных вод, очистки их от нефтепродуктов н взвеси, борьбы с возрастающей коррозией технологического оборудования и водоводов. Однако сточные воды, как правило, содержащие ПАВы, вводимые на установках по обезвоживанию и обессоливанию нефти, обладают улучшенными отмывающими и нефтевытесняющими способностями, что должно привести к увеличению нефтеотдачи пласта. Конкретный выбор системы водоснабжения зависит от источников воды для закачки в пласт, которыми могут быть: ▪ открытые водоемы (рек, озер, морей); ▪ грунтовые, к которым относятся подрусловые воды; ▪ водоносные горизонты данного месторождения; 21 ▪ сточные воды, состоящие из смеси добытой вместе с нефтью пластовой воды, ▪ воды отстойных резервуарных парков, установок по подготовке нефти, ливневые воды промысловых объектов. Сточные воды загрязнены нефтепродуктами и требуют специальной очистки. Используемая для ППД вода не должна вызывать образование нерастворимых соединений при контакте с пластовой водой, что может привести к закупорке пор, или, как говорят, должна обладать химической совместимостью с пластовой. Качество воды оценивают в первую очередь следующими параметрами: количеством механических примесей (КВЧ - количество взвешенных частиц), нефтепродуктов, железа и его соединений, дающих при окислении кислородом нерастворимые осадки, закупоривающие поры пласта, сероводорода (H2S), способствующего коррозии водоводов и оборудования, микроорганизмов, а также солевым составом воды и ее плотностью. Практика показала, что в большинстве случаев можно исключить специальную химическую подготовку воды и не предъявлять жесткие требования к КВЧ, а в ряде случаев в десятки раз увеличить допустимое КВЧ без заметного уменьшения поглотительной способности скважин. Например, для высокопроницаемых пластов Ромашкинского месторождения была доказана возможность нагнетания воды с содержанием до 30 мг/л нефти и до 40 - 50 мг/л твердых частиц размером 5 - 10 мкм. Однако опыт показал, что нормирование качества воды для нагнетания в пласт нецелесообразно, так как пористость, проницаемость и трещиноватость пластов могут в широком диапазоне изменять требования к воде и к содержанию КВЧ в частности. Обычно при опытной закачке выявляются как пригодность имеющейся воды, так и возможная приемистость нагнетательных скважин и требуемое давление. Система водоснабжения состоит обычно из нескольких достаточно самостоятельных звеньев или элементов, к которым относятся водозаборные устройства, напорные станции первого подъема, станция водоподготовки (при необходимости), напорная станция второго подъема, нагнетающая очищенную воду в разводящий коллектор и напорные станции третьего подъема или так называемые кустовые насосные станции (КНС), закачивающие воду непосредственно в нагнетательные скважины. Между отдельными звеньями системы водоснабжения создаются промежуточные буферные емкости для запаса воды, обеспечивающие непрерывность работы системы при кратковременных изменениях пропускной способности отдельных элементов в результате остановок по технологическим причинам или при авариях: порывах водоводов, остановке скважин. Такая система водоснабжения - типичная для восточных районов европейской части СССР и некоторых других районов - показана на рис. 3.5. При использовании сточных вод 22 необходимое количество пресных вод (или морских) сокращается. Это приводит к уменьшению мощности водозаборных сооружений, станции первого подъема, а также буферных емкостей перед станцией водоподготовки. Давление, развиваемое насосами (как правло, центробежными) станции первого подъема, обычно невелики и зависят в известной мере от рельефа местности, удаления станции водоподготовки и расхода жидкости. Как правило, оно не превышает 1,0 МПа. Давление развиваемое насосами станции второго подъема, обычно больше и обусловлено необходимостью создания подпора на приеме насосов высокого давления самых удаленных станций третьего подъема (КНС). Давление подпора иногда достигает 3,0 МПа. Разводящий водовод, питающий КНС, иногда выполняется в виде кольцевого водовода, замыкающего все КНС в единое кольцо, если они размещаются по периметру промысловой площади. Кольцевая схема обеспечивает непрерывность питания всех КНС при порыве водовода практически в любом месте. Совершенно новые технические решения системы водоснабжения были найдены для условий Западной Сибири, Тюменской области и некоторых других районов. Мощная и широко распространенная пластовая водонапорная система, залегающая на глубинах от 900 до 1100 м, в этих районах позволила решить проблему водоснабжения проще и экономически дешевле, использовать для ППД подземные воды мощных водонапорных комплексов апт-сеноманских и альб-сеноманских отложений. Дебиты водяных скважин, пробуренных на эти пласты, достигают 3000 - 4000 м3/сут при депрессиях, измеряемых несколькими метрами водяного столба. Сущность новых технических решений заключалась в устранении ряда промежуточных элементов типовой схемы, в совмещении нагнетательных скважин с водозаборными и создании КНС непосредственно в водозаборных скважинах. В принципе эти схемы не являются оригинальными, так как на ряде месторождений межпластовый переток воды из водоносных пластов, залегающих выше или ниже нефтеносного, был осуществлен как в условиях естественного, так и в условиях принудительного перетока. Однако масштабы применения этих схем и широкое использование новых технических средств для их осуществления на месторождениях Тюменской области являются исключительно большими. Необходимо отметить, что пластовые высоконапорные воды, как правило, достаточно чисты, не нуждаются в особой подготовке и могут непосредственно закачиваться в нагнетательные скважины по герметичным системам без контакта с воздухом. Это существенно упрощает водоснабжение по крайней мере на начальных этапах разработки, когда попутной воды нет пли ее очень мало. На последующих этапах разработки, когда возникает необходимость утилизации сточных вод, их подготовки и очистки от нефти и подавления коррозионной активности, система водоснабжения с использованием вод глубинных пластов будет осложнена новыми элементами и станет похожей на типовую схему. § 5. Техника поддержания давления закачкой воды Водозаборы Водозаборы открытых водоемов обычного типа, применяемые в коммунальном хозяйстве, - самые простые водозаборы. Существенный технологический недостаток открытых водозаборов, сооружаемых в реках, - это непостоянство качества воды. В паводковый и ливневые периоды вода сильно загрязняется илом и взвесью, что затрудняет ее подготовку. Очистные сооружения, рассчитываемые на установившийся режим работы, обычно не справляются с пиковой нагрузкой, .а это приводит к снижению производительности станции водоподготовки и качества воды. Всасывающая труба открытого водозабора оборудуется приемной сеткой для предупреждения попадания водорослей, щепы и других крупных предметов, выносится на некоторое расстояние от берега и устанавливается глубже, чем возможный минимальный уровень в реке (водоеме) для непрерывного отбора более чистой воды и защиты водозабора от ледохода при паводке. Размер всасывающих труб, высота всасывания и другие элементы 23 конструкции рассчитываются обычными методами трубной гидравлики. Закрытый водозабор или так называемый подрусловый представляет собой одну или несколько групп мелких водозаборных скважин вблизи реки, пробуренных на подстилающие дно реки аллювиальные хорошо проницаемые породы и имеющие «глубины 10 - 50 м. Скважины закрепляются колонной с фильтром в нижней части. Из скважин вода откачивается либо специальными погружными центробежными насосами, либо (если динамический уровень достаточно высок) с помощью сифонных, т. е. вакуумных, устройств. Как показала практика, сифонный водозабор на 15 - 25 % дешевле механизированного и поэтому более предпочтителен. Подрусловый водозабор подает воду, прошедшую естественную фильтрацию в пласте, поэтому качество получаемой воды высокое и практически не зависит от паводков. Оголовок скважины обычно размещается в подземной бетонной шахте глубиной 2 - 4 м. Шахта на поверхности закрывается люком и имеет стремянку для доступа оператора к оборудованию устья скважины. Вдоль линии расположения водозаборных скважин в грунте укладывается приемный коллектор, к которому присоединяется каждая скважина через запорную задвижку низкого давления и обратный клапан. При сифонном водозаборе коллектор от группы скважин подсоединяется к вакуумным котлам, в которых создается вакуум до 0,08 МПа с помощью небольших специальных вакуумных насосов. Вода подрусловых скважин не содержит газа, поэтому вакуумные насосы требуются только для поддержания постоянного разрежения в коллекторе. Вакуумных котлов обычно два. Один - резервный. Котлы имеют большую высоту (около 7 м) и устанавливаются вместе с насосами станции первого подъема в бетонной шахте. В верхней части шахты размещаются электрические станции управления электродвигателями с необходимой местной и, если нужно, дистанционной автоматикой. В шахте обычно устанавливаются центробежные насосы 8НДВ с подачей Q = 540 м3/ч и напором H = 74 м с приводом от электродвигателя мощностью 180 кВт. Один из насосов - резервный для обеспечения непрерывности работы при ремонтах. Всасывающие линии центробежных насосов всегда находятся под заливом, так как уровень воды в котлах высокий. На выкидных линиях устанавливают задвижки, обратный клапан и расходомер. Обычно выкидных линий две. Это повышает надежность систем при возможных порывах и ремонтах. Часто все задвижки, клапаны, фланцевые соединения, расходомеры и другие устройства группируются и устанавливаются в отдельной небольшой шахте для предотвращения затопления основной шахты с электрооборудованием в случае неисправностей и порывов. В случае механизированного водозабора в скважины опускаются на глубину ниже динамического уровня специальные погружные артезианские центробежные электронасосы (тип АП - артезианский погружной) с подачей от 7 до 100 м3/ч, напором от 65 до 200 м и мощностью погружного электродвигателя от 2,5 до 150 кВт. Эти центробежные насосы имеют общий вал с погружным электродвигателем. Кроме того, применяются насосы АТН-10 или АТН-8 с числом ступеней от 14 до 26. Насосы АТН отличаются от насосов АП тем, что у них электродвигатель располагается над устьем скважины вертикально и соединяется валом с центробежным насосом, находящимся под динамическим уровнем. Вал проходит внутри труб, на которых спускается насос, и выводится из труб через сальник. 24 Насосы АНТ-8 и АТН-10 развивают напор от 57 до 106 м, а их подача равна 30 3 90 м /ч (720 - 2160 м3/сут). Мощность электродвигателей 10 - 20 кВт. При механизированном водозаборе напор, развиваемый погружными насосами, может быть достаточным для подачи воды в буферную емкость станции второго подъема или станции водоподготовки. В этом случае надобность в станции первого подъема отпадает. Водозаборные скважины, особенно с механизированным водоподъемом, требуют периодического обслуживания, ремонта, контроля за их работой и за положением динамического уровня. Фильтровая часть водозаборных скважин со временем заиливается, и для восстановления их дебита требуются периодические чистки и промывки. Эти работы, связанные с поднятием тяжестей, выполняются через горловину бетонной шахты со оголовка скважины с помощью простых треног и подъемных механизмов. Дебит скважины определяется с помощью шайбных измерителей расхода или по перепаду давления на коротком эталонном участке выкидной трубы. Динамический уровень достаточно просто и точно можно определить с помощью тонкой трубки, опускаемой под уровень жидкости. К верхнему концу трубки присоединяется водяной, ртутный или образцовый манометр низкого давления. Через тройник на трубке нагнетается воздух шинным насосом. Когда воздух начнет выходить из погруженного конца трубки, давление, показываемое манометром, стабилизируется и будет соответствовать глубине погружения трубки под динамический уровень воды в скважине, Насосные станции первого подъема При сифонных водозаборах насосы станции первого подъема (обычно три, из которых один резервный) устанавливаются в большой полуподземной шахте вместе с вакуумными котлами. При механизированном водоподъеме функции станции первого подъема выполняют насосы, установленные в каждой водозаборной скважине. В этом случае результирующий напор насосов, выкидные линии которых объединены общим коллектором, должен быть достаточным для подачи воды к буферным емкостям, к станции водоподготовки или к станции второго подъема. Если этого напора недостаточно, очевидно, потребуются дожимные насосы соответствующей производительности. Буферные емкости Они необходимы для обеспечения резерва воды обычно для шестичасовой непрерывной работы при прекращении подачи воды со станции первого подъема. Предполагается, что за 6 ч можно устранить причины (порыв водовода, прекращение подачи электроэнергии и др.) остановки подачи воды со стороны станции первого подъема. В северных и восточных районах получили широкое распространение подземные железобетонные резервуары, открывающиеся на поверхность земли только своими люкамилазами. Подземные резервуары предотвращают замерзание воды в зимний период, не требуют оборгева, не загромождают территорию и не коррелируют. В иных условиях (жаркий климат) временно могут применяться обычные стальные резервуары на поверхности земли. На заболоченных территориях заглубление в грунт невозможно, поэтому используются металлические буферные емкости, устанавливаемые на поверхности с подогревательными змеевиками в придонной части и внешней теплоизоляцией для обеспечения работы в зимний период. Станции второго подъема Насосные станции второго подъема осуществляют распределение воды по магистральным водоводам и снабжение ею непосредственно КНС. Располагаются они, как правило, в местах сосредоточения основных сооружений систем ППД (станции водоподготовки, ремонтные цехи и др.) и часто совмещаются с одной из КНС. На станциях второго подъема используют центробежные двух-, шестиступенчатые насосы с электроприводом. Число насосов, их подача и напор подбираются в соответствии с общими требованиями системы и гидравлическим расчетом. При этом предусматривается установка резервных насосов из расчета на два работающих один резервный, чтобы избежать в работе системы ППД остановок для замены изношенных насосов и для выполнения ремонтных 25 работ. Такие остановки вредно отражаются на работе всей системы и, в частности, на поглотительной способности нагнетательных скважин. Современные станции второго подъема имеют блоки местной автоматики, которые обеспечивают работу станции на автоматическом режиме с самозапуском при подаче энергии после обесточивания фидеров, включением резервного насоса при наличии определенных аварийных признаков (перегрев подшипников, обмоток электродвигателя, прекращение подачи смазки, падение давления на приеме и пр.) у основных рабочих насосов и подачей различных сигналов на центральный диспетчерский пункт. Обычно станции второго подъема развивают такое давление, которое необходимо для преодоления гидравлических потерь до самых удаленных КНС с учетом разницы в гипсометрических отметках, путевого отбора воды на промежуточных КНС и обеспечения некоторого подпора (в некоторых случаях до 3 МПа) на приемах главных насосов КНС. Подпор на приемах насосов КНС позволяет на такую же величину увеличить давление на выкиде насосов, т. е. давление нагнетания, что в некоторых случаях существенно увеличивает поглотительную способность скважин. Каждая КНС обеспечивает водой ближайшие три - шесть нагнетательных скважин, которые группируются по давлению. Обслуживание одной КНС большего числа нагнетательных скважин нецелесообразно, так как это приводит к необходимости прокладки более длинных водоводов высокого давления к удаленным нагнетательным скважинам. Как правило, каждая нагнетательная скважина соединяется с КНС самостоятельным водоводом, так как в этом случае обеспечивается централизованный (в КНС) индивидуальный замер поглотительной способности каждой скважины, возможность группировки скважин по давлениям нагнетания и раздельного нагнетания, а также более независимая работа нагнетательных скважин и системы в целом в случаях порывов водоводов. Водоводы, идущие от КНС к нагнетательным скважинам, работают под очень высоким давлением, достигающим 25 МПа, изготавливаются из труб диаметром 89 или 102 мм и укладываются в траншеи на глубину ниже глубины промерзания. Расход жидкости замеряется централизованно на распределительной гребенке внутри КНС с помощью диафрагменных счетчиков высокого давления. Поскольку расход воды на каждую скважину и давление нагнетания достаточно стабильны, то отпадает необходимость в постоянном измерении этих величин. Поэтому регистрирующий прибор - расходомер может быть установлен один. Он поочередно может быть подключен к измерительной диафрагме (измеряется перепад давления при прохождении жидкости через диафрагму) во фланцевом соединении каждого водовода. § 6. Оборудование кустовых насосных станций Кустовые насосные станции оборудуются насосами различных типов: АЯП, 5МС7Х10; 6МС7Х10 и др. В последнее время разработаны центробежные насосы специально для поддержания пластового давления. Некоторые технические характеристики этих насосов приведены ниже: ЦНС-150 Х 100, z = 8, Q == 150 м3/ч, P = 10,0 МПа ЦНС-150 Х 125, z = 0, Тоже P =12,5 » ЦНС-150 Х 150, z =12, » P = 15,0 » ЦНС-150 Х 175, z =14, » P = 17,5 » ЦНС-150 Х 200, z = 16, » P = 20,0 » Размеры насосов, м: длина . ....... ... ... ……… 2,5 - 3,3 ширина .....................….. 1,5 высота .....................…. 1,5 Масса, т.......................... 4-5,5 Номинальное давление p этих насосов соответствует режиму наивысшего коэффициента полезного действия. Расчетный к. п. д. насосов - 0,7; частота вращения вала n 26 = 3000 1/мин. Насосы допускают подпор 0,8 - 3 МПа и при некотором снижении подачи развивают повышенное давление (насос ЦНС-150 Х 200 при Q = 100 м3/ч развивает давление до 25 МПа). Насосы изготавливаются в так называемом черном и нержавеющем (НЖ) исполнении (проточная часть выполнена из нержавеющей стали) для перекачки агрессивных сточных вод. Насосы НЖ примерно в 4 раза дороже насосов черного исполнения. Привод насосов - синхронный электродвигатель мощностью от 700 до 1500 кВт с массой до 6,5 т и напряжением электропитания 3 кВт (электродвигатели СТД). Насосы ЦНС имеют замкнутую циркуляционную систему смазки, приводимую в действие масляным насосом мощностью 3 кВт и поддерживающим давление в системе 0,28 МПа. В последнее время созданы так называемые блочные кустовые насосные станции БКНС, изготавливающиеся индустриальным; способом и доставляющиеся на место установки в виде отдельных блоков, число которых определяется проектируемой производительностью. На месте установки они монтируются с помощью мощных автокранов. Основной блок представляет собой раму из таврового проката, на которой установлены насос, двигатель с масляной системой и другими элементами. Рама заделана в железобетонную плиту, служащую общей опорой. Сверху для укрытия оборудования от осадков предусмотрена металлическая кабина, состоящая из каркаса, на котором укрепляются панели с минераловатными матами для утепления (при необходимости). БКНС могут работать при температурах до - 55 °С (специально для условий Севера), причем обогрев осуществляется за счет теплоты, выделяемой электродвигателями. В кабинах также имеется вентиляционная система. Кроме основных блоков в состав БКНС входят вспомогательные блоки, в которых размещаются электрические распределительные устройства, распределительная гребенка напорного коллектора, низковольтное оборудование и блок для управления и автоматики. БКНС, созданные на базе насоса ЦНС-150Х150, рассчитаны на подачу 3600, 7200 и 10800 м3/сут. В соответствии с этим в состав БКНС входит один, два или три рабочих насоса ЦНС150Х150 и, кроме того, в обязательном порядке один насос резервный (табл. 3.1). Таблица 3.1 Основные характеристики БКНС Масса Число с блоков Шифр обору Размеры, при числе Блок блока довани м насосов ем, 2 3 4 т Насосный крайний НБ-1 19 9,8х3,1х3 1 1 1 (резерв ный) Насосный средний НБ-2 18 9,8х3х3 1 2 3 (рабочий) Низковольтный А-1 10 9,8х3х3 1 1 1 Блок управления и А-2 10 9,8х3х3 1 1 1 автоматики Распределительная БГ-1 9,85 6,2х3х3 2 2 2 гребенка напорного коллектора Электрическое распределительное РУ-6 9х7,5х4,2 1 1 1 устройство 27 БКНС не лишены известных недостатков. К их числу относится повышенная вибрация вследствие отсутствия фундамента, в результате которой может наблюдаться смещение блоков (сползание) на слабых грунтах. Кроме того, при ремонте насосов, их разборке и смене возникает необходимость снятия крышки кабины, а также использования для этих целей автокранов. Несмотря на эти недостатки, БКНС позволили сильно сократить сроки строительно-монтажных работ при сооружении системы ППД и осуществлять поддержание пластового давления на ранних стадиях разработки месторождения, не допуская существенного снижения пластового давления. Современные КНС и БКНС высокоавтоматизированные объекты системы ППД. Они могут работать практически без обслуживающего персонала при периодической проверке функционирования отдельных элементов и узлов оборудования. Это достигается благодаря использованию местной автоматики, с помощью которой контролируют важнейшие узлы и элементы оборудования. Обычно такой контроль за работой КНС осуществляется с помощью унифицированного блока местной автоматики БМА-19. Как видно из схемы, при нарушении хотя бы одного из установленных параметров работы станции, например при падении давления в нагнетательной линии, нагреве статора или подшипника электродвигателя, возникает электрический сигнал, который дает команду в цепях управления на остановку соответствующего агрегата. При этом управление работой станции может быть как местное, так и дистанционное с центрального диспетчерского пункта. Кроме того, станция БМА-19 предусматривает возможность автоматического пуска резервного насоса при заданном снижении давления в нагнетательной гребенке. Выкидные линии автоматизированной КНС должны быть снабжены дистанционно управляемыми задвижками высокого давления с электроприводами, а также обратными клапанами. § 7. Технология и техника использования глубинных вод для ППД Использование вод глубинных водоносных пластов, залегающих выше или ниже нефтеносного пласта, для поддержания давления известно давно. Вначале такое использование сводилось к одновременному вскрытию водоносного и нефтеносного пластов одной скважиной. Если давление в водоносном пласте было больше, чем в нефтеносном пласте, происходил переток воды и вытеснение нефти в продуктивном горизонте. Воды глубинных пластов, как правило, очень чистые, без взвеси, с малым содержанием окислов железа, минерализованные, являются хорошим вытесняющим нефть агентом. На месторождениях с водоносными горизонтами, использование воды которых допустимо с точки зрения охраны природы и санитарно-гигиенических норм, эти горизонты могут быть идеальными источниками водоснабжения системы ППД. При использовании глубинных вод необходимо различать: 28 1. Системы с естественным перетоком воды из водоносного пласта в нефтеносный под воздействием естественной репрессии приведенных давлений без применения механических средств для принудительной закачки (дожимных насосов). 2. Системы с принудительным перетоком, в которых необходимая для закачки воды репрессия создается с помощью специальных погружных или поверхностных дожимных насосов. Обе системы в свою очередь могут подразделяться на системы с нижним перетоком, когда водоносный пласт залегает выше нефтеносного и системы с верхним перетоком, когда водоносный пласт залегает ниже нефтеносного. Кроме того, использование глубинных вод может быть осуществлено по схеме с внутрискважинным перетоком, при которой вода глубинного водоносного горизонта закачивается в нефтяной пласт без выхода ее на поверхность и по схеме внескважинным перетоком, при котором вода глубинного водоносного горизонта подается (естественно или принудительно) на поверхность, а затем закачивается в соседние нагнетательные скважины или в ту же водозаборную скважину по второму каналу (рис. 3.7). В последнем случае происходит совмещение функций водозаборной и нагнетательной скважин. При нижнем перетоке (рис. 3.7, а) вода поступает из нижнего водоносного пласта по НКТ, проходит камеру, где устанавливается расходомер, спускаемый на кабеле (при дистанционной регистрации) или на стальной проволоке (при местной регистрации) с поверхности в НКТ. Пройдя расходомер, вода через отверстия в НКТ поступает в нефтяной пласт. При верхнем перетоке (рис. 3.7,6) вода поступает из верхнего водоносного пласта, проходит по каналам перекрестной муфты и попадает в НКТ. Выше перекрестной муфты расположена камера для расходомера, спускаемого с поверхности. Через отверстия в НКТ над камерой вода попадает в кольцевое пространство и далее в хвостовую часть НКТ и в пласт. При естественном перетоке пакер, герметизирующий кольцевое пространство между НКТ и обсадной колонной, вообще говоря, необязателен, так как давление жидкости над пакером и под ним почти одинаковое. (Разница обусловлена только потерями давления на трение.) Однако для направления всего потока воды через расходомер кольцевое пространство должно быть герметизировано, поэтому установка пакера, хотя бы самого простого, не рассчитанного на значительный перепад давления, необходима. При принудительном перетоке установка пакера для герметизации кольцевого пространства обязательна не только для того, чтобы направить весь поток жидкости через расходомер, а главным образом для того, чтобы обеспечить перепад давления, создаваемый дожимным насосом для принудительного перетока. Поэтому пакер, на который будет действовать перепад давления, создаваемый дожимным насосом, должен надежно герметизировать кольцевое пространство между НКТ и обсадной колонной. Кроме того, для предупреждения смещения пакера по обсадной колонне под действием страгивающей силы, обусловленной разностью давлений н достигающей 150 кН (в зависимости от давления), пакер закрепляют на обсадной колонне устройством, называемым якорем. При приведенных схемах оборудования можно измерять, но нельзя регулировать расход жидкости, что бывает нужно для управления процессом ППД. Для регулировки расхода возможна установка глубинных штуцеров - диафрагм, заранее оттарированных на поверхности, или установка иных устройств, изменяющих местное гидравлическое сопротивление и спускаемых с помощью, например, канатной техники. 29 Использование устройств для естественного перетока может оказаться эффективным для заводнення истощенных нефтяных пластов, в которых пластовое давление достаточно мало. В этих случаях разница приведенных давлений на отметке нефтяного пласта может быть большой и достаточной для поглощения нужных объемов воды. В неистощенных пластах, поскольку давления, как правило, равны гидростатическим, необходимой для поглощения естественной репрессии получить нельзя, поэтому возникает необходимость в принудительном перетоке. В практике ППД на нефтяных промыслах Башкирии, Куйбышевской области и других районов нашли применение (хотя и очень ограниченное) различные конструкции для принудительного перетока. Большинство из них основано на использовании погружных центробежных электронасосов, предназначенных для эксплуатации нефтяных скважин. В некоторых схемах для принудительного перетока используются штанговые насосы, а также появившиеся недавно центробежные электронасосы, спускаемые в скважину не на НКТ, а на кабеле-канате. Кабель-канат одновременно выполняет роль кабеля, подводящего электроэнергию к электродвигателю, и роль каната, на котором вся установка опускается в скважину и извлекается на поверхность. Насос, спускаемый на кабеле-канате, фиксируется в скважине на пакере, предварительно установленном на требуемой глубине с помощью НКТ, которые затем извлекаются. Подаваемая насосом жидкость движется по обсадной колонне и омывает кабель-канат. В настоящее время промышленностью уже освоены установки, спускаемые на кабеле-канате (табл. 3.2). Таблица 111.2 Характеристика погружных установок, спускаемых на кабеле-канате Марка Подача, м3/сут Напор, м УЭЦНБ5А-160-1100 УЭЦНБ5А-250-800 УЭЦНБ5А-250-1050 160 250 250 1100 800 1050 При нижнем перетоке (рис. 3.8, а) вода из нижнего пласта проходит через внутреннюю полость пакера 1, многоступенчатый центробежный насос 4 и выбрасывается в кольцевое пространство, омывая расположенный выше электродвигатель 2. При верхнем перетоке вода проходит по кольцевому пространству, омывает двигатель (что необходимо для его охлаждения), попадает в приемную сетку 7 насоса 4 и далее выходит из насоса под высоким давлением через внутреннюю полость гидравлического якоря 5, удерживающего установку от смещения, и пакер 1, герметизирующий кольцевое пространство. Рабочие колеса на валу центробежного насоса в этом случае «переворачиваются» для нагнетания жидкости сверху вниз. В последнее время отечественной промышленностью созданы специальные высокопроизводительные погружные центробежные установки для ППД при использовании глубинных вод для условий Западной Сибири. Их краткая характеристика приведена в табл. 3.3. Эти насосы имеют соответствующее электрооборудование, т. е. станцию управления с необходимой автоматикой и трансформатор с регулируемым напряжением во вторичной обмотке для компенсации потерь напряжения в питающем кабеле. По сравнению с обычными они 30 Таблица 3.3 Характеристика погружных высокопроизводительных насосов для ППД Показатели УЭЦНУЭЦН16-3000- 16-20001000 1400 Подача (номинальная), 3000 2000 3 м /сут Напор (номинальный), м 1000 1400 Рекомендуемый режим работы: подача, м3/сут 2600 1500 3800 2500 напор, м 1000 - 720 1500 1200 Мощность электродвигателя, 500 500 кВт Напряжение 3000 3000 электродвигателя, В Частота вращения вала, 2970 2970 об/мин Диаметр, мм 375 375 Длина, м 7,6 9,5 Масса, кг 3225 4200 имеют увеличенные диаметры, поэтому могут быть спущены только в скважины с внутренним диаметром не менее 402 мм. Технические возможности этих насосов в сочетании с особенностями апт-альб-сеноманских водоносных горизонтов (обильные водопритоки, высокие уровни) в условиях нефтяных месторождений Тюменской области позволили по-новому решить вопросы техники ППД и, в частности, совместить водозаборную скважину с нагнетательной и подземной кустовой насосной станцией. Водозаборные скважины, пробуренные на апт-альб-сеноманские горизонты, являются фонтанирующими с незначительным статическим давлением на устье (0 - 0,5МПа). Эти скважины дают притоки в несколько тысяч кубических метров в сутки при очень малых депрессиях. Воды этих скважин минерализованы, содержат растворенные газы углеводородного состава с большим содержанием азота. Газовые факторы достигают 1 - 3 м3/м3. Температура - 40 - 50 °С. Относительная плотность 1,05 - 1,1. При интенсивных отборах жидкости в воде может появиться песок. В этом случае необходим предварительный отстой воды перед закачкой в пласты. 31 Широкое распространение этих водоносных комплексов позволило размещать водозаборные скважины непосредственно у нагнетательных и оборудовать их насосами УЭЦН-16-30001000 с большой подачей. Поскольку динамические уровни в водозаборных скважинах близки к поверхности, то давление, развиваемое этими насосами, достаточно для обеспечения требуемой приемистости нагнетательных скважин. Одна из возможных схем использования этих вод показана на рис. 3.9. Водозаоорная скважина специальной конструкции с увеличенным диаметром обсадной колонны в верхней части оборудуется центробежным насосом УЭЦН-16-3000-1000, спускаемым на НКТ, на малую глубину (50 - 150 м). Выкид насоса присоединяется к устью нескольких нагнетательных скважин, число которых зависит от подачи погружного насоса и поглотительной способности нагнетательных скважин. Объем нагнетаемой воды определяется с помощью счетчиков-расходомеров. Такая техника использования глубинных вод для ППД возможна при отсутствии песка в продукции водозаборных скважин. Однако при отборах из апт-альбсеноманских водоносных горизонтов, превышающих 3000 м3/сут, в водозаборных скважинах непосредственно после пуска появляется песок в количествах, доходящих до 5 г/дм3 и более. В дальнейшем количество песка убывает и через 0,5 - 2 сут достигает следов или нескольких десятков миллиграммов на литр воды. При таких количествах песка центробежные насосы могут работать нормально, тем не менее 32 присутствие песка в откачиваемой жидкости нежелательно, так как песок вызывает износ рабочих органов погружных центробежных насосов, сокращает межремонтный период работы установок, вызывает засорение призабойной зоны пласта нагнетательных скважин и снижение их поглотительной способности. Для предупреждения вредного влияния песка забои водозаборных скважин оборудуются соответствующими песочными фильтрами (щелевые, гравийные и др.) и на выкидных линиях насосов, на поверхности земли устанавливают отстойники высокого давления для улавливания песка, которые периодически промываются. В тех случаях, когда обильное количество песка и высокое давление не позволяют осуществить нормальный отстой песка, приходится идти на снижение давления воды перед отстоем в сосудах низкого давления и последующее повышение давления после отстоя дожимными насосами для закачки в нагнетательные скважины. Другим возможным решением проблемы использования глубинных вод может быть совмещение нагнетательной и водозаборной скважин. Часть воды, подаваемой насосом водозаборной скважины (подземной КНС), направляется в совмещенную нагнетательную скважину, а избыток (если он есть) направляется в соседние нагнетательные скважины (рис. 3.10). Под динамический уровень водозаборной скважины 1 опускается насос 2, который откачивает воду из водоносного пласта (ВП) и подает ее по НКТ малого диаметра 3 к замерному распределительному узлу 4 через отстойник высокого давления 5. Расход воды измеряется диафрагменными расходомерами 6. Часть воды по НКТ большого диаметра 7 и обводному каналу 8 поступает в хвостовую часть НКТ под насос и далее в нефтяной пласт (НП). Хвостовая часть НКТ уплотняется в обсадной колонне пакером 9. Таким образом, водоносный и нефтяной пласты разобщаются. Центробежный насос 2 приводится во вращение погружным электродвигателем 10, который связан электрокабелем со станцией управления и трансформатором II. Избыток воды подается в нагнетательные скважины 12. Глубина погружения насоса под динамический уровень определяется давлением, при котором начинается выделение из воды растворенного газа, и количеством этого газа. Для условий Западной Сибири глубина погружения составляет обычно 150 - 200 м. В тех случаях, когда дебит водозаборных скважин при фонтанном режиме их работы оказывается достаточно большой, насосная блочная станция третьего подъема (КНС) сооружается на поверхности, а устья одной или нескольких водозаборных скважин через герметизированный отстойник и сепаратор низкого давления соединяются непосредственно с приемным коллектором КНС. Отстойник и сепаратор устанавливаются для отделения взвеси и газа. В условиях сильной заболоченности территории промыслов Западной Сибири водозаборные скважины приходится бурить в виде куста, в котором одна из скважин вертикальная, а несколько других - наклонные. Забои таких наклонных водозаборных скважин удается разнести, на расстояние до 500 м от вертикали. Этим достигается снижение взаимного влияния скважин друг на друга и, следовательно, повышение их дебита. Описанные технические схемы водоснабжения системы ППД, как показал опыт их использования в условиях Западной Сибири, позволили: 1. Уменьшить металлоемкость системы ППД. 2. Сократить энергетические затраты, так как существенно сокращается общая длина водоводов. 3. Уменьшить более чем в 2 раза удельные капиталовложения на получение 1 м3 воды. 4. Уменьшить также более чем в 2 раза себестоимость 1 м3 добываемой воды. 5. Добиться высокой стабильности работы всей системы ППД и качества нагнетаемой воды вследствие отсутствия контакта воды с воздухом и сокращения времени контакта воды с железом в результате уменьшения длины водоводов. § 8. Поддержание пластового давления закачкой газа В продуктивных коллекторах, в составе которых присутствует много глинистого материала, разбухающего при его смачивании пресной водой, закачка воды для ППД, как правило, неэффективна. Нагнетательные скважины обладают очень низкой поглотительной 33 способностью с большим затуханием приемистости, требует специальной обработки воды и высоких давлений нагнетания. Однако в этих же условиях закачка сухого углеводородного газа, не взаимодействующего с породами коллектора, может оказаться достаточно эффективной, так как при этом обеспечиваются технически приемлемые параметры процесса, такие как приемистость и давление. С энергетической точки зрения ППД закачкой газа - процесс более энергоемкий по сравнению с закачкой воды. Другими словами, на вытеснение единицы объема нефти при закачке газа затрачивается энергии больше, чем при вытеснении нефти водой. Это объясняется двумя главными причинами. 1. При закачке воды необходимое забойное давление создается как давлением воды на устье нагнетательной скважины, так и большим гидростатическим давлением водяного столба в скважине. При закачке газа, плотность которого значительно меньше плотности воды, гидростатическое давление газового столба мало (примерно в 7 - 15 раз меньше, чем водяного). Поэтому необходимое забойное давление приходится создавать за счет увеличения давления на устье (давление нагнетания), вследствие чего возрастают затраты энергии на закачку газа в пласт. 2. При закачке газа, вследствие его большой сжимаемости, необходимый объем газа нужно предварительно сжать до забойного давления, на что расходуется большое количество энергии. Тогда как при закачке воды, вследствие ее «жесткости», энергия на сжатие практически равна нулю. Кроме того, некоторое количество нагнетаемого углеводородного газа растворяется в пластовой нефти, отчего общее количество закачиваемого газа увеличивается. Поэтому ППД закачкой газа не нашло широкого распространения и применяется главным образом на истощенных нефтяных месторождениях, пластовое давление которых мало, или на неглубоких месторождениях. Количество газа, необходимое для нагнетания в пласт только для поддержания пластового давления на существующем уровне, очевидно, равняется сумме объемов добытой нефти, воды и газа, приведенных к пластовым условиям (Р, Т). Компрессоры, необходимые для осуществления ППД, подбираются в соответствии с давлением на устье и общим расходом нагнетаемого газа. При наличии на данном месторождении или поблизости мощного источника природного газа достаточно высокого давления его можно эффективно использовать для ППД. Это приводит к большому сокращению капитальных вложений, так как отпадает необходимость в строительстве компрессорных станций, и к сокращению энергетических затрат на закачку газа, составляющих главные статьи расходов на осуществление ППД закачкой газа в пласт. В качестве рабочего агента может быть использован не только сухой углеводородный газ, но и воздух, а также и углекислый газ - 002, если имеются его источники. Использование углеводородного и углекислого газов более предпочтительно, так как их высокая растворимость в нефти приводит к снижению вязкости нефти на контакте с газом в пласте и увеличению коэффициента вытеснения. Кроме того, закачка чистого углеводородного газа, а тем более углекислоты более безопасна, чем закачка воздуха, при котором возможно образование взрывоопасных смесей с углеводородами. Газ в нагнетательные скважины обычно закачивают через НКТ, спускаемые до верхней части фильтра колонны. Кольцевое пространство между НКТ и обсадной колонной перекрывается пакером, устанавливаемым в нижней части НКТ. Это делается для изоляции колонны, которая не всегда выдерживает высокие давления закачки, а на истощенных месторождениях обсадные колонны из-за коррозии бывают негерметичными. Прорывы нагнетаемого газа в отдельные добывающие скважины увеличивают его удельный расход н энергетические затраты на процесс. Поэтому важно своевременное их выявление и устранение. Прорывы газа в добывающие скважины происходят по наиболее проницаемым прослоям после вытеснения из них жидкости (нефти и воды). Для их выявления следят за величиной газового фактора в добывающих скважинах и за химическим 34 составом газа. Особенно просто выявляются такие прорывы при закачке воздуха, когда в извлекаемом газе резко увеличивается содержание азота, сопровождаемое увеличением газового фактора. Борьба с прорывами нагнетаемого газа ведется уменьшением отборов жидкости из скважин, в которых отмечается прорыв. В результате чего возрастает забойное давление в скважине и снижается или полностью прекращается поступление газа. Иногда приходится полностью закрывать скважину, в которую произошел прорыв газа. В некоторых случаях борьбу с прорывами ведут со стороны нагнетательной скважины, в которую вместе с газом закачивают воду, нефть или другую вязкую жидкость, заполняющую проницаемый прослой и таким образом затрудняющую фильтрацию газа по такому прослою. § 9. Методы теплового воздействия на пласт Эти методы являются перспективными для добычи высоковязких нефтей и нефтей с неньютоновскими свойствами. Однако существуют месторождения с такими условиями залегания и свойствами нефти, при которых тепловые методы воздействия могут оказаться единственными, допускающими промышленную разработку. Если пластовая температура равна или близка к температуре начала кристаллизации парафина в пластовых условиях, то вытеснение нефти холодной водой приведет к охлаждению пласта, выпадению парафина и закупорке пор, что усилится при сильной послойной неоднородности пласта. Нагнетаемая холодная вода, быстро продвигаясь по наиболее проницаемому прослою, станет источником охлаждения выше и ниже залегающих менее проницаемых прослоев. Охлаждение приведет в лучшем случае к загустению нефти, а в худшем - к выпадению растворенных парафинов в твердую фазу и консервации запасов нефти в пропластках. Указанные особенности свойств нефти и сильная послойная неоднородность пласта могут привести к получению значительного эффекта при закачке в такой пласт теплоносителя. В этом случае горячая вода (или пар), проникая по хорошо проницаемому прослою, будет прогревать выше и нижезалегающие слои пласта, что приводит к снижению вязкости нефти и способствует более полному извлечению запасов. Методы теплового воздействия на пласт перспективны как методы увеличения нефтеотдачи пластов и как едва ли не единственный способ добычи высоковязких нефтей и битумов. Различают следующие основные виды тепловых методов. 1. Закачка в пласт горячих теплоносителей (вода и пар). 2. Создание внутрипластового подвижного очага горения. 3. Циклическая тепловая обработка призабойной зоны пласта. Если первые два технологических процесса относятся к методам воздействия на пласт, то последний имеет большее отношение к методам воздействия на призабойную зону пласта. Наилучшие теплоносители среди технически возможных - вода и пар. Это объясняется их высокой энтальпией (теплосодержанием на единицу массы). Вообще теплосодержание пара выше, чем воды, однако с увеличением давления они приближаются друг к другу (рис. 3.11). С увеличением давления нагнетания преимущества пара по сравнению с водой уменьшаются, если их оценивать только с позиций количества вводимой в пласт теплоты. Это также указывает на то, что наибольшая эффективность достигается при закачке пара в неглубокие скважины, когда требуются низкие давления. Следует иметь в виду, что теплосодержание единицы объема пара меньше, чем воды, и 35 особенно при низких давлениях. Однако приемистость нагнетательных скважин при закачке пара выше, чем при закачке воды, вследствие меньшей вязкости пара. При движении горячей воды по трубопроводам и пласту происходит ее охлаждение. При движении пара такого снижения температуры не происходит благодаря скрытой теплоте парообразования и изменению его сухости. Процессы теплового воздействия связаны с потерей теплоты в трубопроводах, скважине и в самом пласте на прогрев кровли и подошвы. К. п. д. применяемых парогенераторов около 80%. Теплопотери в поверхностных паропроводах оцениваются примерно от 0,35 до 3,5 млн. кДж/сут на каждые 100 м трубопровода. Это сравнительно малая доля, так как современные парогенераторы имеют производительность порядка 250 - 650 млн. кДж/сут. Теплопотери в скважине составляют примерно 1,7 млн. кДж/сут на каждые 100 м длины НКТ. Для снижения потерь теплоты кольцевое пространство заполняют газом (теплопроводность газа меньше теплопроводности жидкости). Расчеты показывают, что при осуществлении мер по снижению потерь теплоты в скважине их можно довести до 2 - 3 % от общего количества теплоты, вводимой в скважину при закачке горячей воды, и до 3 - 5 % прн закачке пара на каждые 100 м длины ствола. Потери в стволе скважины существенно ограничивают эффективные глубины залегания пластов для теплового воздей ствия: для воды 1000 - 1200 м и для пара 700 - 1000 м при максимально возможных темпах закачки теплоносителя. Увеличение скорости закачки почти не сказывается на абсолютной величине теплопотерь, поэтому увеличение темпов закачки приводит к уменьшению доли теплопотерь от общего количества вводимой в пласт теплоты. Тепловая эффективность воздействия на пласт оценивается отношением накопленной в объеме пласта теплоты Qп к общему количеству введенной теплоты Qв. Это отношение называют коэффициентом теплоиспользования. Теплопотери в кровлю и подошву пласта увеличиваются по мере увеличения фронта нагнетания и площади, охваченной теплоносителем. При уменьшении толщины пласта доля потерь в кровлю и подошву возрастает коэффициент теплоиспользования уменьшается. Оценки теплопотерь показывают, что по истечении определенного времени потери становятся равными количеству вводимой теплоты и коэффициент теплоиспользования обращается в нуль (рис. 3.12). Оценка реальных потерь теплоты (см. рис. 3.12) показывает, что через 86,8 сут закачки в пласт толщиной h = 5 м при χ =0,003 м3/ч теплопотери достигнут 42%. Причем эти так называемые интегральные потери не зависят от геометрии течения теплоносителя по пласту (радиальная или линейная). Эти оценки указывают также, что темп ввода теплоносителя в пласт должен быть максимально возможным, так как при этом коэффициент теплоиспользования возрастает. 36 Теплопередача в пласте осуществляется конвективным (потоком горячей воды или пара) и диффузионным (за счет теплопроводности пористой среды) способами. В результате в пласте формируется температурный фронт перемещающийся в направлении фильтрации теплоносителя. Однако теплоперенос, т. е. движение теплового фронта, и массоперенос, т. е. движение самого теплоносителя в пласте, происходят с разными скоростями вследствие утечки теплоты на нагрев не только самого пласта, по которому происходит фильтрация теплоносителя, но и окружающих пород. При закачке горячей воды в пласте формируется две зоны: зона с падающей температурой и зона, не охваченная тепловым воздействием, с первоначальной пластовой температурой. При закачке пара формируется три зоны: первая зона с примерно одинаковой температурой, насыщенная паром, температура которой зависит от давления в этой зоне. Вторая зона - зона горячего конденсата (воды), в которой температура снижается от температуры насыщенного пара до начальной пластовой. Третья зона - зона, не охваченная тепловым воздействием, с пластовой температурой. Вследствие расхода теплоты, содержащейся в теплоносителе, на прогрев пласта и окружающих пород тепловой фронт отстает от фронта вытеснения (теплоносителя), причем чем меньше толщина пласта, тем отставание больше при прочих равных условиях. Это объясняется тем, что при малой толщине пласта доля потерь теплоты в кровлю н подошву пласта больше и охлаждение теплоносителя происходит быстрее. Однако такое отставание теплового фронта зависит еще и от теплофизических и коллекторских свойств пласта и теплоносителя, а также от эффективности вытеснения нефти водой (рис. 3.13). Из рисунка видно, что при толщине пласта 10 м (линия 3) через год температурный фронт отстанет от фронта вытеснения в 13,3 раза (а = 0,075), а при толщине пласта 30 м (линия 1) - в 9,1 раза (а = 0,11). При закачке пара также происходит отставание температурного фронта от фронта вытеснения. Однако за счет скрытой теплоты парообразования при конденсации пара прогретая зона пласта увеличивается в 3 - 5 раз (в зависимости от сухости нагнетаемого пара и давления) по сравнению с закачкой горячей воды. В этом заключается одно из преимуществ использования пара по сравнению с горячей водой в качестве теплоносителя. При закачке горячей воды в зоне, не охваченной тепловым воздействием, происходит вытеснение нефти водой в изотермических условиях, а в нагретой зоне, в которой температура изменяется от пластовой до температуры воды на забое скважины, - в неизотермическнх. При этом понижается вязкость нефти, улучшается соотношение подвижностей нефти и воды, происходит тепловое увеличение объема нефти и ослабление молекулярно-поверхностных сил. Все это приводит к увеличению нефтеотдачи. При закачке пара в зоне конденсации механизм вытеснения аналогичен механизму вытеснения при закачке горячей воды. В первой зоне благодаря высокой температуре происходит частичная разгонка легких компонентов нефти и переход их из зоны пара в зону конденсаций, что также приводит к еще большему увеличению нефтеотдачи. Роль каждого из перечисленных факторов зависит как от температурной обстановки в пласте, так и от физико-химических свойств пластовой нефти (плотность, вязкость, наличие легких компонентов и пр.). Кроме того, на практике замечены увеличение и последующая стабильность приемистости нагнетательных скважин при закачке горячей воды. Однако при закачке пара в результате действия пресного конденсата на глинистые компоненты пористой среды, приводящего к разбуханию глин, может наблюдаться и снижение приемистости. § 10. Техника закачки теплоносителя в пласт Приготовление горячих теплоносителей для закачки их в пласт может осуществляться как на поверхности, так и на забое нагнетательной скважины. В первом случае (паровые или водогрейные котлы или различного рода нагреватели) неизбежны большие потери теплоты, а следовательно, и температуры теплоносителя при его движении от устья скважины до забоя. 37 Поэтому закачка теплоносителя в глубокие скважины вообще может быть неэффективной. При установке генератора теплоты непосредственно на з;абое такие потери исключаются. Технически гораздо проще приготовить теплоноситель на поверхности, нежели на забое скважины. Создание забойных теплогенераторов нужной производительности и надежности пока осуществить не удается. Охлаждение горячей воды при закачке можно рассчитать, например, по формуле, полученной согласно упрощенной расчетной схеме А. К). Намиотом. Результаты расчетов по этой формуле показаны на графике 3.14. Как видно из рисунка, температура забоя в результате прогрева повышается и через некоторое время стабилизируется. Потери температуры при глубине 500 м составляют примерно 10 °С, при 1000 м - 17 °С и при 1500 м - 25 °С. Представление о динамике прогрева самого пласта можно получить из рис. 3.15. Начальная температура пласта принята 20 °С, забойная температура 170 °С (постоянная), фильтрация горячей воды по пласту происходит с постоянной скоростью 0,006 м/ч. Такая скорость соответствует суточной закачке 720 м3/сут через нагнетательные скважины, расположенные на расстоянии 1000 м друг от друга (или 360 м3/сут при расстоянии 500 м между скважинами). Толщина пласта принята 10 м. Как видно из рис. 3.15, тепловой фронт при этих параметрах лишь через год достигает расстояния около 80 м. Впереди этого фронта температура пласта будет оставаться первоначальной, и вытеснение нефти в основном объеме пласта будет происходить при обычных условиях. Промышленная закачка горячей воды в больших масштабах была осуществлена на Узеньском месторождении (п-ов Мангышлак). Вначале воду готовили по двухконтурной схеме, так как питание котлов осуществлялось специально обработанной водой для предупреждения отложения солей. В скважины нагнеталась морская соленая вода, которая до поступления на КНС нагревалась во втором контуре в специальных теплообменниках. Опыт показал, что работа по такой схеме оказалась малоэффективной. Частые неполадки были связаны с коррозией, отложениями солей, водорослей, с прогоранием труб котельной установки и другими причинами. В нагнетательных скважинах необходимо было установить специальную устьевую арматуру, допускающую температурные расширения труб. Стоимость процесса оказалась высокой, а энергетический к.п.д. - низким. В последнее время созданы новые нагреватели (рис. 3.16), так называемого погружного типа. В них смесь газа с воздухом горит непосредственно в воде. Нагреватель устанавливается перед КНС. В нем осуществляется контактный нагрев морской воды, подаваемой центробежным насосом. Образующийся в нагревателе шлам периодически удаляют из котла продувкой. Нерастворимые газообразные продукты горения отделяются в специальном сепараторе и сбрасываются в атмосферу или используются для 38 предварительного подогрева холодной воды. К. п. д. погружных нагревателей достигает 0,92 - 0,95. В подогревателе поддерживается небольшое давление, создаваемое насосом, для транспортировки воды и недопущения ее вскипания. Воздух и газ в горелки подается в необходимой пропорции и количествах, зависящих от расхода воды и установленного режима работы. Насосы, нагреватель и сепаратор снабжены соответствующей автоматикой, регулирующей параметры работы отдельных узлов установки и обеспечивающей необходимые соотношения между температурой, давлением, расходами воды, газа и воздуха. Преимущество таких нагревателей состоит в том, что они не требуют предварительной обработки питаемой воды. Температура получаемой воды не превышает 100 ˚С. В погружных водоподогревательных аппаратах вода обогащается углекислым газом и кислородом, содержание которых колеблется от 30 до 70 мг/л в зависимости от температуры и давления в аппаратах. Это вызывает активную коррозию технологических трубопроводов, насосных агрегатов и запорной арматуры. Для получения воды с более высокой температурой существуют специальные двухконтурные установки производительностью до 600 м3/ч. При нагреве воды до температуры 150 - 200 °С используются водогрейные теплофикационные котлы. При закачке горячей воды, особенно при высоких устьевых температурах, трубы, через которые ведется закачка, и все системы горячего водоснабжения испытывают значительные температурные деформации, так как при эксплуатации системы неизбежны остановки и охлаждения. Если в поверхностных горячих водоводах вопрос о компенсации температурных деформаций решается сравнительно просто, то в нагнетательных скважинах при закачке горячей воды по НКТ, башмак которых снабжен пакером и зафиксирован якорем, положение осложняется. В таких условиях аппаратура должна обеспечивать не только нужную прочность сооружения, так как вода закачивается при давлениях до 20 МПа и температурах до 200 °С, но и возможность относительного перемещения НКТ в устьевом сальнике. Соединение арматуры с водоводом делается шарнирным (рис. 3.17). Техническая характеристика арматуры АП60-150 Давление, МПа: пробное ..........................…………………………………. 30 рабочее ..........................………………………………….. 20 Максимальная температура, °С ................………………... 320 Максимальное температурное удлинение НКТ, мм .......... 500 Диаметр проходного сечения, мм ................……………… 60 Арматура АП60-150 комплектуется термостойким лубрикатором для спуска в скважину глубинных приборов и специальной колонной головкой. При закачке теплоносителя в пласт, особенно такого как пар, башмак НКТ герметизируется специальным термостойким пакером для предотвращения попадания в затрубное пространство скважины закачиваемого пара или воды, что снижает теплопотери в стволе скважины. Закачка пара в пласты используется в несколько больших масштабах, чем закачка горячей воды. Применяется как непрерывная закачка пара через систему нагнетательных скважин, так и циклическая в добывающие скважины для прогрева призабойной зоны и 39 последующего перевода скважины на режим отбора жидкости. Для закачки пара используются передвижные и стационарные парогенераторные и котельные установки. На каждой установке предусмотрены системы подготовки и подачи топлива (газ, нефть) и воздуха, а также необходимая автоматика и контрольно-измерительная аппаратура для автоматического или полуавтоматического регулирования подготовки пара. К обязательным элементам процесса подготовки пара в парогенераторной установке относятся: 1. Предварительная фильтрация питательной воды через осветлительный фильтр для удаления механических примесей. 2. Фильтрация питательной воды через натрийкатионитовые фильтры для умягчения воды, т. е. для удаления из нее солей жесткости. При снижении смягчающей способности катионитов последнюю восстанавливают пропусканием через катионат раствора поваренной соли. 3. Деаэрация для удаления из воды агрессивных газов и кислорода. Деаэрация может быть горячей и холодной, высокого и низкого давления. Для связывания остаточного кислорода в воду вводят химические реагенты (гидрозингидрат или гидрозинсульфат). 4. Подача подготовленной воды насосом высокого давления в прямоточный паровой котел для генерации пара нужной температуры и давления обычно с сухостью около 80 %. Это позво Таблица 3.4 Техническая характеристика передвижных парогенераторов ляет снизить требования к процессу смягчения воды, так как оставшиеся растворенные соли удерживаются в капельной влаге котловой воды и уносятся вместе с паром. В настоящее время применяются отечественные передвижные парогенераторные установки ППГУ-4/120 и ППГУ-4/120М, а также японские «Такума» и KSK. Установки состоят из двух блоков: парогенераторного и водоподготовки, работа которых полностью автоматизирована (табл. 3.4). При непрерывной закачке телоносителя, даже такого как вода, пласт прогревается медленно. За год прогретая зона составляет несколько десятков метров, причем основное количество вносимой теплоты локализуется не перед областью вытеснения, а позади ее. При непрерывной закачке пара, на генерацию которого расходуется больше топлива, чем на подогрев воды, и массовое теплосодержание которого больше, чем у воды, зона прогрева будет несколько больше. Таким образом, закачка теплоносителя может быть эффективной при малых глубинах залегания пластов (сотни метров) и незначительных расстояниях между нагнетательными и добывающими скважинами (десятки метров). В связи с этим циклическая закачка пара в добывающие скважины для очистки призабойной зоны, расплавления в ней смол и парафинов с последующим переводом таких скважин на режим отбора нашла более широкое распространение. 40 § 11. Внутрипластовое горение Создание подвижного фронта горения непосредственно в пласте сокращает потери теплоты и поднимает эффективность теплового воздействия. В пористой среде, насыщенной частично коксоподобными остатками нефти, возможно непрерывное горение при подаче в пласт воздуха в необходимых количествах. В результате горения в пласте происходит термическая перегонка нефти и унос продуктов разложения в зону перед фронтом горения. Коксоподобные остатки термической перегонки нефти в пористой среде и являются топливом, которое поддерживает очаг горения. Зона горения перемещается от стенок нагнетательной скважины в радиальном направлении. Образующиеся горячие газы проталкивают нефть и воду к добывающим скважинам. В результате создания теплового фронта, температура которого достигает 450 500 °С, происходит следующее. 1. Переход в газовую фазу некоторых (наиболее легких) компонентов нефти, насыщающей породу перед фронтом горения. 2. Расщепление (крекинг) некоторых углеводородов, составляющих нефть. 3. Горение коксоподобного остатка, образовавшегося в результате крекинг-процесса. 4. Плавление парафинов и асфальтенов в порах породы. 5. Переход в паровую фазу пластовой воды, находящейся перед фронтом. 6. Уменьшение вязкости нефти перед фронтом в результате ее нагревания и смешивания с легкими фракциями нефти, переносимыми потоком газов от фронта горения. 7. Конденсация продуктов перегонки нефти и образование подвижной зоны повышенной нефтенасыщенности перед фронтом горения по мере снижения температур. 8. Образование сухой выгоревшей массы пористой породы часто с разрушенными связями между твердыми частицами вследствие термического воздействия за фронтом горения. При внутрипластовом горении в пласте формируется несколько зон (рис. 3.18). I. Выгоревшая зона со следами несгоревшей нефти или кокса, в которой закачанный воздух нагревается теплотой, оставшейся в этой зоне после прохождения фронта горения. II. Зона горения, в которой максимальная температура достигает 300 - 500 °С. Теплота в этой зоне передается главным образом за счет конвекции. III. Зона испарения, в которой происходит разгонка нефти на фракции и крекинг остаточной нефти в результате ее нагрева горячими газами, поступающими из зоны горения. Пластовая 41 и связанная воды в этой зоне превращаются в пар сухой или влажный в зависимости от температуры и давления в пласте. IV. Зона конденсации, в которой происходит конденсация углеводородов и паров воды вследствие понижения температуры. Нефть и вода проталкиваются к добывающим скважинам несконденсировавшимися газами и газами, образовавшимися в результате горения, такими как 002, СО и N^. V. Зона увеличенной водонасыщенности, содержащая все три компонента - нефть, воду и газы. VI. Зона увеличенной нефтенасыщенности, образующаяся в результате перемещения нефти из предыдущих зон и содержащая маловязкую нефть вследствие обогащения ее легкими фракциями углеводородов. Температура в этой зоне близка к первоначальной. VII. Невозмущенная зона, в которой пластовая температура практически остается первоначальной, а поэтому и вязкость вытесняемой нефти низкой. Термодинамический и гидродинамический расчеты процесса внутрипластового горения представляют сложную задачу, но в специальной литературе имеются приближенные методы расчета параметров процесса. Горение в пласте происходит в результате выгорания коксоподобного остатка, крекинга и разгонки нефти, на что расходуется от 5 до 15% запасов пластовой нефти. Это количество зависит от пластовых параметров, химического состава нефти и других факторов. Экспериментально определяется количество коксового остатка на единицу объема пласта. Затем расчетным путем или также экспериментально определяется количество окислителя (воздуха), необходимого для сжигания единицы массы коксового остатка. Причем считается, что не весь кислород воздуха используется на процесс, а только часть. Это учитывают введением коэффициента использования воздуха, равного 0,8 - 0,9. По мере расширения фронта горения в пласте количество нагнетаемого воздуха соответственно должно увеличиваться. Горение коксоподобного остатка нефти происходит при температуре около 375 "С. Для поддержания такой температуры, а следовательно, непрерывного горения необходимо сжечь от 20 до 40 кг кокса на 1 м3 породы. Такое количество кокса могут дать только тяжелые нефти с относительной плотностью выше 0,870. Легкие нефти не дают нужного для процесса количества коксоподобного остатка. С другой стороны, очень тяжелые нефти, с относительной плотностью свыше 1, также приводят к неэффективности процесса, поскольку в этом случае содержание кокса в нефти чрезмерно велико и объем вытесняемой нефти может оказаться незначительным. Для сжигания 1 кг кокса требуется примерно 11,3 м3 воздуха при 100%-ном использовании кислорода воздуха. Однако для расчетов принимают коэффициент использования от 70 до 90 %. Таким образом, для обеспечения процесса горения на 1 м3 породы, содержащей от 20 до 40 кг кокса, потребуется примерно от 325 до 500 м3 воздуха. Воспламенение кокса в пласте происходит либо принудительно, либо самопроизвольно. Так, например, на залежи нефти Павлова Гора на одном участке фронт горения был создан самопроизвольно после прокачки около 600 тыс. м^ воздуха в течение 66 сут (около 4-х месяцев с учетом перерывов). Для ускорения процесса на другом участке инициирование горения в пласте было осуществлено с помощью забойной газовой горелки в течение 54 ч. За это время на забое было введено около 25 млн. кДж теплоты. Для розжига пласта используются также забойные электронагреватели и зажигательные химические смеси. Дальнейшее поддержание горения осуществляется закачкой необходимого количества окислителя - воздуха. Различают прямоточный процесс внутрипластового горения и противоточный. При прямоточном процессе очаг горения перемещается по пласту в направлении нагнетаемого воздуха, т.е. от нагнетательной скважины к окружающим эксплуатационным. В этом случае пласт разжигается со стороны нагнетательной скважины. Считается, что прямоточный процесс горения эффективен при сравнительно легких нефтях. Нефть вытесняется по всему пласту впереди фронта горения при температурах, близких к пластовой, что является недостатком. При противоточном процессе очаг горения перемещается по пласту в 42 направлении, противоположном нагнетаемому воздуху, т. е. От эксплуатационных скважин к нагнетательной. В этом случае нефть разжигается на забоях эксплуатационных скважин при последующей подаче окислителя через центральную нагнетательную скважину. При этом прогретая зона остается не за (фронтом горения, как при прямоточном процессе, а перед ним, что способствует более эффективному вытеснению нефти. Кроме того, различают сухое и влажное и сверхвлажное внутрипластовое горение. Сухое горение осуществляется при подаче окислителя атмосферного воздуха, практически не содержащего водяных паров. При влажном горении на 1 м3 воздуха добавляется около 1 л воды. При сверхвлажном горении содержание воды доводится до 5 л. Учитывая, что при генерации пара в зоне внутрипластового очага горения при испарении связанной воды пар способствует наиболее полному вытеснению нефти из плохопроницаемыхзон, предложено в нагнетаемый воздух добавлять некоторое количество распыленной влаги для генерации пара в зоне горения. При избытке кокса и при малом количестве связанной воды такое мероприятие может привести к некоторому понижению температуры в зоне горения и переносу теплоты в зону, расположенную впереди фронта горения, за счет испарения воды и последующей ее конденсации. Кроме того, добавление некоторого количества воды снижает удельный расход воздуха, а следовательно, и мощности компрессорной станции. Имеются данные, указывающие, что при влажном горении удается снизить удельный расход воздуха в 1,5 - 3 раза. Контроль за процессом горения в пласте осуществляется как с помощью измерения температур на забоях добывающих и специальных наблюдательных скважин, так и путем анализа выходящих газов, главным образом на содержание в них CO2. Глава 3 ПОДГОТОВКА СКВАЖИН К ЭКСПЛУАТАЦИИ Пробуренные нефтедобывающие скважины обычно эксплуатируются несколько десятков лет. В течение этого времени месторождение проходит различные стадии разработки - от начальной, когда добывается безводная нефть и, как правило, фонтанным способом, до последних стадий, когда добывается в больших количествах сильно обводненная продукция механизированным способом. Пластовое давление в процессе разработки также снижается, и поэтому на последующих этапах приходится извлекать большие объемы жидкости при низких динамических уровнях. В ряде случаев в результате накопления информации о неоднородности пласта и расчлененности его на самостоятельные пропластки выявляется необходимость их раздельной эксплуатации или раздельной закачки воды в разные пропластки через одну и ту же скважину. Надежно определить условия эксплуатации данной скважины на весь период ее работы не представляется возможным. Однако чем лучше конструкция скважин соответствует всему возможному разнообразию условий их работы в будущем, тем легче выбрать оборудование для оптимальных условий эксплуатации как отдельных скважин, так и месторождений в целом на разных стадиях егс разработки. В связи с этим особое значение приобретает диаметр эксплуатационной колонны. Часто именно он ограничивает подачу насосного оборудования для откачки больших объемов жидкости или специального оборудования для раздельной эксплуатации пластов. В связи с этим нельзя не отметить, что в ряде случаев экономия, достигаемая при бурении скважин малого или уменьшенного диаметра, оборачивается убытками вследствие невозможности оптимальной эксплуатации таких скважин на последующих этапах разработки месторождения. 43 Конструкция крепления скважины определяется геологическими и техническими факторами с учетом ее длительной эксплуатации. Важным элементом конструкции скважины является конструкция призабойной части. § 1. Конструкция оборудования забоев скважин В любом случае конструкция забоя скважины должна обеспечивать: - механическую устойчивость призабойной части пласта, доступ к забою скважин спускаемого оборудования, предотвращение обрушения породы; - эффективную гидродинамическую связь забоя скважины с нефтенасыщенным пластом; - возможность избирательного вскрытия нефтенасыщенных и изоляцию водо- или газонасыщенных пропластков, если из последних не намечается добыча продукции; - возможность избирательного воздействия на различные пропластки или на отдельные части (по толщине) монолитного пласта; - возможность дренирования всей нефтенасыщенной толщины пласта. Геологические и технологические условия разработки месторождений различны, поэтому существует несколько типовых конструкций забоев скважин. 1. При открытом забое (рис. 4.1, а) башмак обсадной колонны цементируется перед кровлей пласта. Затем пласт вскрывается долотом меньшего диаметра, причем ствол скважины против продуктивного пласта оставляется открытым. Такая конструкция возможна при достаточно устойчивых горных породах; при сравнительно однородном пласте, не переслаивающимся глинами, склонными к набуханию и обрушению без газоносных и водоносных прослоев; при наличии до вскрытия пласта достаточно точных данных об отметках кровли и подошвы продуктивного пласта; при относительно малой толщине пласта, оставляемого без крепления, а также в том случае, если при эксплуатации такой скважины не может возникнуть необходимость избирательного воздействия на отдельные пропластки. Существенным достоинством открытого забоя является его гидродинамическая эффективность. Скважина с открытым забоем принимается за эталон и ее коэффициент гидродинамического совершенства принимается равным единице. Вместе с тем, невозможность избирательного вскрытия нужных пропластков и избирательного воздействия на них вместе с постоянной угрозой обвалов в призабойной зоне при создании больших депрессий сильно ограничивают возможности использования открытого забоя. Поэтому менее 5 % всего фонда скважин имеют открытый забой. 44 2. Если забой скважины оборудован фильтром, то возможны два варианта конструкции. Первый вариант (рис. 4.1, б): скважина бурится сразу до подошвы пласта, крепится обсадной колонной с заранее насверленными отверстиями в нижней части, приходящимися против продуктивной толщи пласта, затем выше кровли пласта колонна цементируется по способу манжетной заливки. Пространство между перфорированной частью колонны и вскрытой поверхностью пласта остается открытым. Условия применения такой конструкции по существу одинаковы с условиями для применения открытого забоя. Однако в этом случае более надежно крепление забоя и гарантируется сохранение полного диаметра колонны до самого забоя даже в случаях частичного обрушения пород в призабойной части. Второй вариант (рис. 4.1, в): башмак обсадной колонны спускается до кровли пласта и цементируется. В открытой части пласта находится фильтр с мелкими круглыми или щелевидными отверстиями. Кольцевое пространство между верхней частью фильтра и низом обсадной колонны герметизируется специальным сальником или пакером. Основное назначение фильтров - предотвращение поступления песка в скважину. Одно время широкое применение нашли фильтры с продольными щелевыми отверстиями длиной 50 - 80 мм и шириной 0,8 - 1,5 мм. Кроме того, применялись так называемые кольцевые фильтры, в которых щели создавались между торцами металлических колец, одеваемых на перфорированную трубу. Между торцами колец в нескольких точках по периметру устанавливались прокладки из калиброванной металлической ленты, определявшие ширину кольцевых щелей. В ряде случаев использовались гравийные фильтры, представляющие собой две перфорированные мелкими отверстиями концентрично расположенные трубы. В кольцевое пространство между трубами утрамбовывался отсортированный гравий диаметром 4 - 6 мм, который и являлся основным фильтрующим элементом, задерживающим пластовый песок. Известны также металлокерамические фильтры, изготовляемые путем спекания под давлением керамической дроби. Кольца из такого материала одеваются на перфорированную трубу и на ней закрепляются. Металлокерамические фильтры обладают малым гидравлическим сопротивлением и задерживают самые мелкие фракции песка. Кроме того, известны другие конструкции фильтров, которые не нашли распространения. Конструкция забоя с фильтром применяется редко и только как средство борьбы с образованием песчаных пробок в скважинах, вскрывающих несцементированные нефтенасыщенные песчаные пласты, склонные к пескопроявлению. 3. Скважины с перфорированным забоем (рис. 4.1, г) нашли самое широкое распространение (более 90% фонда). В этом случае пробуривается ствол скважины до проектной отметки. Перед спуском обсадной колонны ствол скважины и особенно его нижняя часть, проходящая через продуктивные пласты, исследуется геофизическими средствами. Результаты таких исследований позволяют четко установить нефте-, водо- и газонасыщенные интервалы и наметить объекты эксплуатации. После этого в скважину опускается обсадная колонна, которая цементируется от забоя до нужной отметки, а затем перфорируется в намеченных интервалах. Скважина с перфорированным забоем имеет следующие преимущества: - упрощение технологии проводки скважины и выполнения комплексных геофизических исследований геологического разреза; - надежная изоляция различных пропластков, не вскрытых перфорацией; - возможность вскрытия пропущенных или временно законсервированных нефтенасыщенных интервалов; - возможность поинтервального воздействия на призабойную зону пласта (различные обработки, гидроразрыв, раздельная накачка или отбор и др.); - устойчивость забоя скважины и сохранение ее проходного сечения в процессе длительной эксплуатации. Перфорированный забой при вскрытии пласта, склонного к пескопроявлению, не обеспечивает надежную защиту скважины от поступления песка и образования песчаных 45 пробок на забое. Поэтому при вскрытии рыхлых коллекторов для защиты от песка против перфорированного интервала размещают дополнительный фильтр для задержки песка. Однако в этом случае фильтрационное сопротивление потоку пластовой жидкости резко возрастает. Кроме того, перфорированный забой вызывает сгущение линий тока у перфорационных отверстий, что приводит к увеличению фильтрационного сопротивления по сравнению с открытым забоем. § 2. Приток жидкости к перфорированной скважине При фильтрации жидкости, подчиняющейся линейному закону, приток жидкости к скважине можно выразить следующим образом: q= (Р п − Р с ) (Р − Р с ) , 2kh  (Р п − Р с ) = = п Rф R  R     ln  к   ln  к  2kh  rс   rс  (4.1) где Rф - фильтрационное сопротивление. Приток жидкости к перфорированной скважине qп = (Р п − Р с ) (4.2) R ф + R доп будет отличаться тем, что вследствие сгущения линий тока у перфорационных отверстий возникнет дополнительное фильтрационное сопротивление Rдоп: R доп =  С, 2kh (4.3) где С - некоторая геометрическая характеристика. Подставляя (4.3) в (4.2), получим qп = (Р п − Р с )     Rк   + С  ln  2kh   rс   = 2kh  (Р п − Р с ) .   Rк    + С   ln  r   с   (4.4) Можно представить два крайних случая геометрической характеристики забоя. 1. Нет ни одного отверстия в обсадной колонне. Тогда, очевидно qп = 0, С = ∞. 2. Вся поверхность обсадной колонны в пределах толщины пласта покрыта перфорационными отверстиями. В этом случае сгущения линий тока не происходит и геометрия потока не будет отличаться от геометрии потока к забою скважины с открытым забоем. Очевидно, в этом случае С = 0. 46 Таким образом, величина С должна изменяться от 0 до ∞. С увеличением числа перфорационных отверстий n, их диаметра d, а также глубины L перфорационных каналов в породе пласта дополнительное фильтрационное сопротивление Rдоп должно уменьшаться, а следовательно, должно уменьшаться С. Таким образом, С = f (n, d, L ). (4.5 Задача о притоке жидкости к перфорированной скважине была решена методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), основанном на тождественности уравнений фильтрации и распространения электрического тока в геометрически подобных системах. Отношение дебита перфорированной скважины к дебиту скважины с открытым забоем, принятой за эталон, при прочих равных условиях принято называть коэффициентом гидродинамического совершенства (4.6)  = qп q . 47 Подставляя вместо qп его значение из (4.4) и вместо q - из (4.1) и сокращая, найдем R  ln  к   rс  . = R  ln  к  + С  rс  (4.7) В методе ЭГДА в геометрически подобных системах токи являются аналогом расходов фильтрующейся жидкости, напряжения перепадов давлений и омические сопротивления фильтрационных сопротивлений. Используя гладкий цилиндрический электрод в качестве электрической модели скважины с открытым забоем и цилиндр из изоляционного материала с вмонтированными электродами в качестве модели перфорированной скважины, сравнивают протекающие через них токи при последовательном помещении этих моделей в токопроводящую среду (электролит) геометрически подобную пластовой системе и определяют коэффициент совершенства системы η и, используя (4.7), находят С (рис. 4.2). Меняя число электродов n, их диаметр d и длину L, можно установить зависимость C = f{n, d, L). Несовершенные скважины бывают трех видов: скважина с открытым забоем, частично вскрывающая пласт на величину b (рис. 4.3, а) - несовершенная скважина по степени вскрытия - δ = b/h; скважина с перфорированным забоем и вскрывающая пласт на полную толщину (рис. 4.3, б) - несовершенная скважина по характеру вскрытия; скважина, перфорированная не на всю толщину пласта и вскрывающая его частично (рис. 4.3, в) несовершенная по степени и характеру вскрытня (двойной вид несовершенства). 48 Используя метод ЭГДА для определения притока в скважины, несовершенные по степени вскрытия, получим зависимости C = f(a, δ) для различных безразмерных толщин пласта а = h/D, где h - полная толщина пласта, D - диаметр скважины (рис. 4.4). Для скважины с двойным несовершенством величина С может быть найдена следующим образом. Представим приток в скважину с двойным несовершенством состоящим из двух последовательных притоков (рис. 4.5): - притока в фиктивную несовершенную по степени вскрытия скважину увеличенного радиуса R и притока в несовершенную по характеру вскрытия скважину с действительным радиусом rс и плотностью перфорации n. При этом движении поток жидкости на своем пути от контура питания Рк до стенки скважины rс будет последовательно преодолевать несколько фильтрационных сопротивлений: R1 - фильтрационное сопротивление от Рк до стенки фиктивной скважины R, R2 - дополнительное фильтрационное сопротивление, вызванное несовершенством скважины по степени вскрытия и равное - (μ/2πkh) *С1, где С1 - коэффициент, учитывающий несовершенство по степени вскрытия фиктивной скважины радиусом R, R3 фильтрационное сопротивление от R до стенки скважины rс при толщине пласта b = δ٠h, где δ - степень вскрытия; R4 - дополнительное фильтрационное сопротивление, вызванное несовершенством по характеру вскрытия при толщине пласта также b = δ٠h и учитываемое коэффициентом C2. Приток в такую сложную систему определится следующим образом: q= Рп − Рс , R1 + R 2 + R 3 + R 4 (4.8) Из формул (4. 1) и (4.3) следует R   ln к ; 2kh R  R2 =  С1 ; 2kh  R R3 =  ln ; 2kh rс  R4 =  С2 . 2kh R1 = (4.9) (4.10) (4.11) (4.12) Тот же приток можно определить через сумму двух фильтрационных сопротивлений. Одно из них есть фильтрационное сопротивление, возникающее при течении от Rк до rс для плоско-радиального течения и равное R 1* = R   ln к . 2kh rс (4.13) 49 Второе - дополнительное фильтрационное сопротивление R*2, обусловлено двойным видом несовершенства скважины и характеризуется коэффициентом С: R *2 = так что q=  С, 2kh Рп − Рс . R 1* + R *2 (4.14) (4.15) Из условия равенства расходов, т. е. приравнивая (4.8) и (4.15), найдем R1* + R *2 = R 1 + R 2 + R 3 + R 4 . (4.16) После подстановки в (4.16) значений согласно (4.9) - (4.14) и сокращений получим R  1 R 1 R  ln  к  + С = ln  к  + С1 +  ln   +  С 2 .   rс    R   rс  (4.17) Решая (4.17) относительно искомого С и после преобразований логарифмов найдем С = С1 + 1 1−   R   С2 +  ln   .    rс  (4.18) Величина R принимается равной 5rс из условия выравнивания струек тока и перехода их в достаточно правильный плоско-радиальный поток. При этом условии С = С1 + 1 1−   С2 +  ln 5 .   (4.19) Здесь C1 определяется по графику C1 = f(δ, а) для скважин, несовершенных по степени вскрытия. Причем безразмерная толщина вычисляется по соотношению а = h/2R; δ = b /h относительное вскрытие пласта фиктивной скважины; C2 определяется по одному из графиков C2 = f(nD, а, L) или интерполяцией значений, определяемых из графиков. Определение С для скважины с двойным видом несовершенства по формуле (4.19) более правильно учитывает дополнительнoe фильтрационное сопротивление такой скважины и дает большую величину для С, нежели простое сложение C1 и C2, как это необоснованно делается в ряде литературных источников. Для расчетов притока жидкости к системе взаимодействующих гидродинамически несовершенных, т. е. перфорированных, скважин важное значение имеет понятие приведенного радиуса rпр. Приведенным радиусом называется радиус такой фиктивной совершенной скважины, дебит которой, при прочих равных условиях, равен дебиту реальной гидродинамически несовершенной скважины. Из определения следует q= 2kh  (Р п − Р с ) 2kh  (Р п − Р с ) = .   Rк    Rк    + С   ln    ln    r r   с    пр  (4.20) Поскольку дебиты приравниваются при прочих равных условиях, то из (4.20) следует, что R  R  ln  к  + С = ln  к  . r   rс   пр  Умножая С на 1 = lnе и делая некоторые преобразования, получим R  R  ln  к  − ln  к  = ln еС r   rс   пр  откуда 50 rпр = rс еС (4.21) Таким образом, зная rпр для перфорированной скважины из (4.21) и подставляя его значение вместо действительного радиуса скважины rс в любые формулы радиального притока или притока группы взаимодействующих скважин, получим приток для перфорированной скважины или их системы. Подставляя вместо rс значение rпр, мы как бы заменяем одну скважину или систему реальных перфорированных скважин их гидродинамическими эквивалентами совершенными скважинами с фиктивными приведенными радиусами rпр. Таким образом, введение понятия приведенного радиуса позволяет распространить сложные расчетно-аналитические формулы по определению дебитов системы взаимодействующих идеальных совершенных скважин с плоской фильтрацией на такую же систему реальных перфорированных скважин с пространственной фильтрацией вблизи забоев. § 3. Техника перфорации скважин Существует четыре способа перфорации: пулевая, торпедная, кумулятивная, пескоструйная. Первые три способа перфорации осуществляются на промыслах геофизическими партиями с помощью оборудования, имеющегося в их распоряжении. Поэтому детально техника и технология этих видов перфорации первыми тремя способами изучается в курсах промысловой геофизики. Пескоструйная перфорация осуществляется техническими средствами и службами нефтяных промыслов. При пулевой перфорации в скважину на электрическом кабеле спускается стреляющий пулевой аппарат, состоящий из нескольких (8 - 10) камор стволов, заряженных пулями диаметром 12,5 мм. Каморы заряжаются взрывчатым веществом (ВВ) и детонаторами. При подаче электрического импульса происходит залп. Пули пробивают колонну, цемент и внедряются в породу. Существует два вида пулевых перфораторов: перфораторы с горизонтальными стволами. В этом случае длина стволов мала и ограничена радиальными габаритами перфоратора; перфораторы с вертикальными стволами с отклонителями пуль на концах для придания полету пули направления, близкого к перпендикулярному по отношению к оси скважины. Пулевой перфоратор ПБ-2 собирается из нескольких секций. Вдоль секции просверлено два или четыре вертикальных канала, пересекающих каморы с ВВ, стволы которых заряжены пулями и закрыты герметизирующими прокладками. Верхняя секция запальная имеет два запальных устройства. При подаче по кабелю тока срабатывает первое запальное устройство и детонация распространяется по вертикальному каналу во все каморы, пересекаемые этим каналом. В результате почти мгновенного сгорания ВВ давление газов в каморе достигает 2 тыс. МПа, под действием которых пуля выбрасывается. Происходит почти одновременный выстрел из половины всех стволов. При необходимости удвоить число прострелов по второй жиле кабеля подается второй импульс и срабатывает вторая половина стволов от второго запального устройства. В этом перфораторе масса заряда ВВ одной каморы мала и составляет 4-5 г, поэтому пробивная способность его невелика. Длина образующихся перфорационных каналов составляет 65 - 145 мм (в зависимости от прочности породы и типа перфоратора). Диаметр канала 12 мм. 51 На рис. 4.6 показан пулевой перфоратор с вертикально-криволинейными стволами ПВН-90. При вертикальном расположении стволов объем камор и длина стволов больше. Одна камора отдает энергию взрыва сразу двум стволам. Масса ВВ в одной каморе достигает 90 г. Давление газов в каморах здесь ниже и составляет 0,6 - 0,8 тыс. МПа, но действие их более продолжительное. Это позволяет увеличить начальную скорость вылета пули и пробивную способность перфоратора. Длина перфорационных каналов в породе получается 145 - 350 мм при диаметре около 20 мм. В каждой секции перфоратора имеются четыре вертикальных ствола, на концах которых сделаны плавные желобки - отклонители. Пули, изготовленные из легированной стали, для уменьшения трения в отклонителях покрываются медью или свинцом. Выстрел из всех стволов происходит практически одновременный, так как все каморы с ВВ сообщаются огнепроводным каналом. В каждой секции два ствола направлены вверх и два вниз. Это позволяет компенсировать реактивные силы, действующие на перфоратор. Торпедная перфорация осуществляется аппаратами, спускаемыми на кабеле и стреляющими разрывными снарядами диаметром 22 мм. Внутренний заряд ВВ одного снаряда равен 5 г. Аппарат состоит из секций, в каждой из которых имеется по два горизонтальных ствола. Снаряд снабжен детонатором накольного типа. При остановке снаряда происходит взрыв внутреннего заряда и растрескивание окружающей горной породы. Масса ВВ одной камеры - 27 г. Глубина каналов по результатам испытаний составляет 100 - 160 мм, диаметр канала - 22 мм. На 1 м длины фильтра обычно делается не более четырех отверстий, так как при торпедной перфорации часты случаи разрушения обсадных колонн. Пулевая и торпедная перфорации применяются ограниченно, так как все больше вытесняются кумулятивной перфорацией. Кумулятивная перфорация осуществляется стреляющими перфораторами, не имеющими пуль или снарядов. Прострел преграды достигается за счет сфокусированного взрыва. Такая фокусировка обусловлена коняческой формой поверхности заряда ВВ, облицованной тонким металлическим покрытием (листовая медь толщиной 0,6 мм). Энергия взрыва в виде тонкого пучка газов - продуктов облицовки пробивает канал. Кумулятивная струя приобретает скорость в головной части до 6 - 8 км/с и создает давление на преграду до 0,15 - 0,3 млн. МПа. При выстреле кумулятивным зарядом в преграде образуется узкий перфорационный канал глубиной до 350 мм и диаметром в средней части 8 - 14 мм. Размеры каналов зависят от прочности породы и типа перфоратора. Все кумулятивные перфораторы имеют горизонтально расположенные заряды и разделяются на корпусные и бескорпусные. Корпусные перфораторы после их перезаряда используются многократно. Бескорпусные - одноразового действия. Однако разработаны и корпусные перфораторы одноразового действия, в которых легкий корпус из обычной стали используется только лишь для герметизации зарядов при погружении их в скважину. 52 Перфораторы спускаются на кабеле (имеются малогабаритные перфораторы, опускаемые через НКТ), а также перфораторы, спускаемые на насосно-компрессорных трубах. В последнем случае инициирование взрыва производится не электрическим импульсом, а сбрасыванием в НКТ резинового шара, действующего как поршень на взрывное устройство. Масса ВВ одного кумулятивного заряда составляет (в зависимости от типа перфоратора) 25 - 50 г. Максимальная толщина вскрываемого интервала кумулятнвным перфоратором достигает 30 м, торпедным - 1 м, пулевым - до 2,5 м. Это является одной из причин широкого распространения кумулятивных перфораторов. Рассмотрим устройство корпусного кумулятивного перфоратора ПК-105ДУ (рис. 4.7), нашедшего широкое распространение. Электрический импульс подается на взрывной патрон 1, находящийся в нижней части перфоратора. При взрыве детонация передается вверх от одного заряда к другому по детонирующему шнуру 2, обвивающему последовательно все заряды. Корпусные перфораторы позволяют простреливать интервал до 3,5 м за один спуск, корпусные одноразового действия - до 10 м и бескорпусные или так называемые ленточные до 30 м. Ленточные перфораторы (рис. 4.8) намного легче корпусных, однако их применение ограничено величинами давления и температуры на забое скважины, так как их взрывной патрон и детонирующий шнур находятся в непосредственном контакте со скважинной жидкостью. В ленточном перфораторе заряды смонтированы в стеклянных (или из другого материала'), герметичных чашках, которые размещены в отверстиях длинной стальной ленты с грузом на конце. Вся гирлянда спускается на кабеле. Обычно при залпе лента полностью не разрушается, но для повторного использования не применяется. Головка, груз, лента после отстрела извлекаются на поверхность вместе с кабелем. К недостаткам бескорпусных перфораторов надо отнести невозможность контролирования числа отказов, тогда как в корпусных перфораторах такой контроль легко осуществим при осмотре извлеченного из скважины корпуса. Кумулятивные перфораторы нашли самое широкое распространение. Подбирая необходимые ВВ, можно в широких диапазонах регулировать их термостойкость и чувствительность к давлению и этим самым расширить возможности перфорации в скважинах с аномально высокими температурами и давлениями. Однако получение достаточно чистых с точки доения фильтрации, и глубоких каналов в породе остается 53 актуальной проблемой и до сих пор. В этом отношении определенным шагом вперед было осуществление пескоструйной перфорации, которая позволяет получить достаточно чистые и глубокие перфорационные каналы в пласте. § 4. Пескоструйная перфорация При гидропескоструйной перфорации разрушение преграды происходит в результате использования абразивного и гидромониторного эффектов высокоскоростных песчаножидкостных струй, вылетающих из насадок специального аппарата - пескоструйного перфоратора, прикрепленного к нижнему концу насосно-компрессорных труб. Песчаножидкостная смесь закачивается в НКТ насосными агрегатами высокого давления, смонтированными на шасси тяжелых автомашин, поднимается из скважины на поверхность по кольцевому пространству. Это сравнительно новый метод вскрытия пласта. В настоящее время ежегодно обрабатываются около 1500 скважин этим методом. Область и масштабы применения гидропескоструйного метода обработки скважин постоянно расширяются, и кроме вскрытия пласта он нашел применение при капитальных ремонтах, вырезке колонн и в сочетании с другими методами воздействия. При гидропескоструйной перфорации (ГПП) создание отверстий в колонне, цементном камне и канала в породе достигается приданием песчано-жидкостной струе очень большой скорости, достигающей нескольких сотен метров в секунду. Перепад давления при этом составляет 15 - 30 МПа. В породе вымывается каверна грушеобразной формы, обращенной узким конусом к перфорационному отверстию в колонне. Размеры каверны зависят от прочности горных пород, продолжительности воздействия и мощности песчаножидкостной струи. При стендовых испытаниях были получены каналы до 0,5 м. Размеры канала увеличиваются сначала быстро и затем стабилизируются в результате уменьшения скорости струи в канале и поглощения энергии встречным потоком жидкости, выходящей из канала через перфорационное отверстие. Стендовые испытания ГПП, проведенные ВНИИ, позволили установить соотношения между параметрами процесса (рис. 4.9), необходимые для его проектирования. Результаты, приведенные на рис. 4.9, получены при разрушении цементных блоков, утопленной под уровень жидкости струей водопесчаной смеси. Время воздействия на преграду не должно превышать 15 - 20 мин, так как при более продолжительном воздействии каналы не увеличиваются. Перфорация производится пескоструйным аппаратом, спускаемым на насоснокомпрессорных трубах. Аппарат АП6М конструкции ВНИИ (рис. 4.10) имеет шесть боковых отверстий, ___________________ Рис. 4.10. Аппарат для пескоструйной перфорации АП-6М: 1 - корпус. 2 - шар опрессовочного клапана; 3 - узел насадки; 4 - заглушка; 5 - шар клапана; 6 - хвостовик; 7 - центратор ___________________ в которые ввинчиваются шесть насадок для одновременного создания шести перфорационных каналов. При малой подаче насосных агрегатов часть отверстий может 54 быть заглушена пробками. Насадки в стальной оправе изготавливаются из твердых сплавов, устойчивых против износа водопесчаной смесью, трех стандартных диаметров 3; 4, 5 и 6 мм. Насадки диаметром 3 мм применяются для вырезки прихваченных труб в обсаженной скважине, когда глубина резания должна быть минимальной. Насадки диаметром 4,5 мм используются для перфорации обсадных колонн, а также при других работах, когда возможный расход жидкости ограничен. Насадки диаметром 6 мм применяют для получения максимальной глубины каналов и при ограничении процесса по давлению. Медленно вращая пескоструйный аппарат или вертикально его перемещая, можно получить горизонтальные или вертикальные надрезы и каналы. В этом случае сопротивление обратному потоку жидкости уменьшается и каналы получаются примерно в 2,5 раза глубже. В пескоструйном аппарате предусмотрены два шаровых клапана, сбрасываемых с поверхности. Диаметр нижнего клапана меньше, чем седло верхнего клапана, поэтому нижний шар свободно проходит через седло верхнего клапана. После спуска аппарата, обвязки устья скважины и присоединения к нему насосных агрегатов система спрессовывается давлением, превышающим рабочее в 1,5 раза. Перед опрессовкой в НКТ сбрасывается шар диаметром 50 мм от верхнего клапана для герметизации системы. После опрессовки обратной промывкой, т. е. закачкой жидкости в кольцевое пространство, верхний шар выносится на поверхность и извлекается. Затем в НКТ сбрасывается малый - нижний шар, и при его посадке па седло нагнетаемая жидкость получает выход только через пасадки. После этого проводится перфорация закачкой в НКТ водопесчаной смеси. Концентрация песка в жидкости обычно составляет 80 - 100 кг/м3. При пескоструйной перфорации НКТ испытывают большие напряжения. Усилия в муфтовом соединении НКТ в верхнем - наиболее опасном сечении от веса колонны НКТ и давления жидкости не должны превосходить усилия, страгивающего резьбовое соединение муфт, Рстр. Общие гидравлические потери при гидропескоструйной перфорации складываются из следующих: P1 - потерь давления на трение в НКТ при движении песчано-жидкостной смеси от устья до пескоструйного аппарата; ΔP - потерь давления в насадках, определяемых по графикам или расчетным путем; P2 - потерь на трение восходящего потока жидкости в затрубном кольцевом пространстве; P3 - противодавления на устье скважины в затрубном пространстве при работе по замкнутой системе. Так как гидростатические давления жидкости в НКТ и кольцевом пространстве уравновешены, то давление нагнетания на устье Pу будет равно сумме всех потерь: Р у = Р1 + Р + Р 2 + Р 3 . (4.26) Величина P1 определяется по формулам трубной гидравлики L v 2т Р1 =     g , d в 2g (4.27) где коэффициент трения λ определяется как обычно, через число Re, но увеличивается на 15 - 20% вследствие присутствия песка в жидкости; L - длина НКТ; dв - внутренний диаметр НКТ; vт - линейная скорость потока в НКТ, vт = 4Q/(πdв2); ρ - плотность песчаножидкостной смеси. Величина ΔP определяется по графикам (см. рис. 4.9). Величина Р2 также определяется по формуле трубной гидравлики для движения жидкости по кольцевому пространству v к2 L Р 2 = (1,15  1,20 )      g , D в − d н 2g (4.28) где Dв - внутренний диаметр обсадной колонны, dн - наружный диаметр НКТ. vк = 4Q/(π(Dв2 - dн2)) - линейная скорость восходящего потока жидкости в кольцевом пространстве, которая не должна быть меньше 0,5 м/с для полного выноса песка и предупреждения прихвата труб. 55 Во ВНИИ были определены суммарные потери на трение (Р1 + Р2) в реальных скважинах при прокачке водопесчаных смесей (рис. 4.11). Суммарный расход жидкости равен произведению числа действующих насадок n на расход жидкости через одну насадку qж: (4.29) Q = qж  n . Например, при шести насадках и расходе через одну насадку 4 л/с общий расход составит 24 л/с, а потери на трение в скважине глубиной 1700 м при 168-мм колонне и 73-мм НКТ составит около 8,2 МПа (см. рис. 4.11). При расходе через 4,5-мм насадку, равном 4 л/с, перепад давления в насадках ΔP составит около 40,0 МПа (см. рис. 4.9 При выборе перепада давления в насадках следует иметь в виду, что нижний предел допустимых перепадов должен обеспечить эффективное разрушение колонны, цементного камня и породы, а поэтому не должен быть меньше 12,0 - 14,0 МПа для 6-мм насадок и 18,0 20,0 МПа для насадок 4,5 и 3 мм. При очень большой прочности горных пород (σсж> 20,0 30,0 МПа) нижние пределы, как показывает опыт, целесообразно увеличить до 18,0 - 20,0 МПа для 6-мм насадки и 25,0 - 30,0 МПа для 4,5-и 3-мм насадки. Для точной установки перфоратора против нужного интервала применяют в колонне НКТ муфту-репер. Это короткий (0,5 - 0,7 м) патрубок с утолщенными стенками (15 - 20 мм), который устанавливают выше перфоратора на расстоянии одной или двух труб. После спуска колонны НКТ в нее опускают на кабеле малогабаритный геофизический индикатор, реагирующий на утолщение металла. Получая таким образом отметку муфты-репера, определяют положение перфоратора по отношению к разрезу продуктивного пласта. Однако при этом необходимо учитывать дополнительное удлинение НКТ при создании в них давления. Это удлинение, пропорциональное нагрузке, определяется формулой Гука L = Ру  F  L Ef z , (4.30) где Ру - давление на устье скважины; F - площадь сечения НКТ; L - длина НКТ; Е - модуль Юнга, Па (обычно 20 •104 МПа); f - площадь сечения металла труб, м2; z коэффициент, учитывающий трение труб о стенки обсадной колонны (принимают 1,5 - 2). Эти дополнительные удлинения могут быть значительными и достигать 1 м. При гидропескоструйной перфорации применяется то же оборудование, как и при гидроразрыве пласта. Устье скважины оборудуется стандартной арматурой типа 1АУ700, рассчитанной на рабочее давление 70,0 МПа. Для прокачки песчано-жидкостной смеси используются насосные агрегаты, смонтированные на платформе тяжелых грузовых автомобилей 2АН-500 или 4АН-700, развивающие максимальные давления соответственно 50 и 70 МПа. При меньших давлениях используют цементировочные агрегаты, предназначенные для цементировочных работ при бурении. Число агрегатов n определяется как частное от деления общей необходимой гидравлической мощности на гидравлическую мощность одного агрегата, причем для запаса берется еще один насосный агрегат, n= Q  Ру   qа  Ра + 1, (4.31) 56 где Q - расчетный суммарный расход жидкости; Pу - давление на устье скважины; qа - подача одного агрегата на расчетном режиме; Ра - давление, развиваемое агрегатом; η коэффициент, учитывающий техническое состояние насосных агрегатов и их износ η = 0,75 1. Агрегат 4АН-700 снабжен дизелем мощностью 588 кВт при 2000 об/мин трехплунжерным насосом 4Р-700 с диаметрами плунжеров 100 или 120 мм. Ход плунжера 200 мм. Коробка передачи имеет четыре скорости. Характеристика агрегата приведена в табл. 4. 1. Песчаножидкостная смесь готовится в пескосмесительном агрегате (2ПА; ЗПА и др.), который представляет собой бункер для песка емкостью 10 м3 с коническим дном. В нижней части Таблица 4.1 Характеристика насосного агрегата 4АН-700 Теоретическая Частота подача, л/с, при Давление, МПа Скорост вращения втулках ь , 1/мин 100 мм 120 мм 100 мм 120 мм 1 80 6,3 9 71,9 50,0 2 109 8,5 12,3 52,9 36,6 3 153 12,0 17,3 37,4 26,0 4 192 15,0 22,0 29,8 20,7 * Примечание: к. п. д. агрегата - 0,83; коэффициент наполнения - 1; частота вращения вала двигателя - 1800 1./мин. бункера вдоль продольной оси установлен шнек. Скорость вращения шнека ступенчато изменяется от 13,5 до 267 об/мин. В соответствии с этим подача песка изменяется от 3,4 до 676 кг/мин. Кроме того, агрегат снабжен насосом 4НП (насос песковый) низкого давления для перекачки песчано-жидкостной смеси. Бункер со всем оборудованием смонтирован на шасси тяжелого автомобиля. Специальные рабочие жидкости завозят на скважину автоцистернами или приготавливают в небольших (10 - 15 м3) емкостях, установленных на салазках. В обвязку поверхностного оборудования монтируют фильтры высокого давления - шламоуловители, предупреждающие закупорку насадок крупными частицами породы. Песчано-жидкостная смесь готовится тремя способами: - с повторным использованием песка и жидкости (закольцованная схема); - со сбросом отработанного песка с повторным использованием жидкости; - со сбросом жидкости и песка. Наиболее экономична закольцованная схема, так как при этом расходы жидкости и песка минимальные. Кроме того, при использовании специальных жидкостей (нефть, раствор кислоты, глинистый раствор и др.) не загрязняется территория. Для сравнения можно привести фактические данные, полученные на Узеньском месторождении. При работе по кольцевой схеме было израсходовано 20 м3 воды и 4,1 т песка, а при работе со сбросом воды и песка потребовалось 275 м3 воды и 14 т песка. Схема (рис. 4.12) предусматривает также необходимые операции по промывке скважины как через колонну НКТ, так и через кольцевое пространство. Обязательным элементом схемы обвязки является установка обратных клапанов на выкидных линиях агрегатов и лубрикатора или байпаса для ввода шаров-клапанов пескоструйного аппарата. В качестве рабочей используют различные жидкости, исходя из условия ее относительной дешевизны, предотвращения ухудшения коллекторских свойств пласта и открытого фонтанирования. Состав жидкости устанавливают в лабораториях. Для целей ГПП используют воду, 5 - 6%-ный раствор ингибированной соляной кислоты, дегазированную нефть, пластовую сточную или соленую воду с ПАВами, промывочный 57 раствор. В случае если плотность рабочей жидкости скважины, добавляют утяжелители: мел, бентонит и др. не обеспечивает глушение Объем рабочей жидкости принимается равным 1,3 - 1,5 объема скважины при работе по замкнутому циклу. При работе со сбросом объем жидкости определяют из простого соотношения (4.32) V = qн  n  t  N , где qн - -принятый расход жидкости через одну насадку; n число одновременно действующих насадок; t продолжительность перфорации одного интервала (15 - 20 мин); .N число перфорационных интервалов. Количество песка принимается из расчета 50 - 100 кг песка на 1 м3 жидкости. Процесс ГПП связан с работой насосных агрегатов, развивающих высокие давления, и в некоторых случаях с применением горячих жидкостей. Поэтому проведение этих работ регламентируется особыми правилами по охране труда и пожарной безопасности, несоблюдение которых может привести к очень тяжелым последствиям. Перед началом работ обязательна опрессовка всех коммуникаций на давление, в 1,5 раза превышающее рабочее. ГПП осуществляют, начиная с нижних интервалов. Пескоструйная перфорация в отличие от кумулятивной или пулевой перфорации позволяет получить каналы с чистой поверхностью и сохранить проницаемость на обнаженной поверхности пласта. Громоздкость операции, задалживание мощных технических средств и большого числа обслуживающего персонала определяют довольно высокую стоимость этого способа перфорации и сдерживают ее широкое применение по сравнению с кумулятивной перфорацией. § 5. Методы освоения нефтяных скважин Освоение скважины - комплекс технологических операций по вызову притока и обеспечению ее продуктивности, соответствующей локальным возможностям пласта. После проводки скважины, вскрытия пласта и перфорации обсадной колонны, которую иногда называют вторичным вскрытием пласта, призабойная зона и особенно поверхность вскрытого пласта бывают загрязнены тонкой глинистой взвесью или глинистой коркой. Кроме того, воздействие на породу ударных волн широкого диапазона частот при перфорации вызывает иногда необратимые физико-химические процессы в пограничных слоях тонкодисперсной пористой среды, размеры пор которой соизмеримы с размерами этих пограничных слоев с аномальными свойствами. В результате образуется зона с пониженной проницаемостью или с полным ее отсутствием. Цель освоения - восстановление естественной проницаемости коллектора на всем протяжении вплоть до обнаженной поверхности пласта перфорационных каналов и получения продукции скважины, соответствующей ее потенциальным возможностям. Все операции по вызову притока и освоению скважины сводятся к созданию на ее забое депрессии, т. е. давления ниже пластового. Причем в устойчивых коллекторах эта депрессия 58 должна быть достаточно большой и достигаться быстро, в рыхлых коллекторах, наоборот, небольшой п плавной. Различают методы освоения пластов с высоким начальным давлением, когда ожидаются фонтанные проявления, н с малым давлением (на разработанных площадях), когда угрозы открытого фонтанирования нет и предполагается механизированный способ эксплуатации. В практике нефтедобычи известно много случаев открытого нерегулируемого фонтанирования скважин с длительными пожарами в результате нарушения технологии вскрытия пласта н освоения скважины. Такие явления не только выводят из строя саму скважину, но и приводят к истощению самого месторождения. Можно выделить шесть основных способов вызова притока: тартание, поршневание, замена скважинной жидкости на более легкую, компрессорный метод, прокачка газожидкостной смеси, откачка глубинными насосами. Перед освоением на устье скважины устанавливается арматура или ее часть в соответствии с применяемым методом и предлагаемым способом эксплуатации скважины. В любом случае на фланце обсадной колонны должна быть установлена задвижка высокого давления для перекрытия при необходимости ствола скважины. Тартание - это извлечение из скважины жидкости желонкой, спускаемой на тонком (16 мм) канате с помощью лебедки. Желонка изготавливается из трубы длиной 8 м, имеющей в нижней части клапан со штоком, открывающимся при упоре на шток. В верхней части желонки предусматривается скоба для прикрепления каната. Диаметр желонки обычно не превышает 0,7 диаметра обсадной колонны. За один спуск желонка выносит жидкость объемом, не превышающим 0,06 м3. Тартание - малопроизводительный, трудоемкий способ с очень ограниченными возможностями применения, так как устьевая задвижка при фонтанных проявлениях не может быть закрыта до извлечения из скважины желонки и каната. Однако возможность извлечения осадка и глинистого раствора с забоя и контроля за положением уровня жидкости в скважине дают этому способу некоторые преимущества. Поршневание. При поршневании (свабировании) поршень или сваб спускается на канате в НКТ. Поршень представляет собой трубу малого диаметра (25 - 37,5 мм) с клапаном, в нижней части открывающимся вверх. На наружной поверхности трубы (в стыках) укреплены эластичные резиновые манжеты (3 - 4 шт.), армированные проволочной сеткой. При спуске поршня под уровень жидкость перетекает через клапан в пространство над поршнем. При подъеме клапан закрывается, а манжеты, распираемые давлением столба жидкости над ними, прижимаются к стенкам НКТ и уплотняются. За один подъем поршень выносит столб жидкости, равный глубине его погружения под уровень жидкости. Глубина погружения ограничена прочностью тартального каната и обычно не превышает 75 - 150 м. Поршневание в 10 - 15 раз производительнее тартания. Устье при поршневании также остается открытым, что связано с опасностями неожиданного выброса. Замена скважинной жидкости. Замена осуществляется при спущенных в скважину НКТ и герметизированном устье, что предотвращает выбросы и фонтанные проявления. Выходящая из бурения скважина обычно заполнена глинистым раствором. Производя промывку скважины (прямую или обратную) водой или дегазированной нефтью, можно получить уменьшение забойного давления на величину (4.33) Р = (1 − 2 )  Lg  cos , где ρ1- плотность глинистого раствора; ρ2 - плотность промывочной жидкости; L - глубина спущенных НКТ; β - средний угол кривизны скважины. Таким способом осваиваются скважины с большим пластовым давлением Pпл > ρ2ּgּLּcosβ и при наличии коллекторов, хорошо поддающихся освоению. Как видно из формулы (4.33), при смене глинистого раствора (ρ1 = 1200 кг/м3) на нефть (ρ2 = 900 кг/м3) максимальное снижение давления составит всего лишь 25 % от давления, создаваемого столбом глинистого раствора. Этим по существу и ограничиваются возможности метода. Замена жидкости в скважине проводится с помощью насосных агрегатов, а иногда и буровых насосов. В некоторых случаях, когда по опыту освоения скважины данного месторождения 59 имеется уверенность в безопасности, применяют дополнительно поршневание для отбора части жидкости из скважины и дальнейшего снижения забойного давления. Компрессорный способ освоения. Этот способ нашел наиболее широкое распространение при освоении фонтанных, полуфонтанных и частично механизированных скважин. В скважину спускается колонна НКТ, а устье оборудуется фонтанной арматурой. К межтрубному пространству присоединяется нагнетательный трубопровод от передвижного компрессора. При нагнетании газа жидкость в межтрубном пространстве оттесняется до башмака НКТ или до пускового отверстия в НКТ, сделанного заранее на соответствующей глубине. Газ, попадая в НКТ, разгазирует жидкость в них. В результате давление на забое сильно снижается. Регулируя расход газа (воздуха), можно изменять плотность газожидкостной смеси в трубах, а следовательно, давление на забое Pз. При Pз < Pпл начинается приток, и скважина переходит на фонтанный или газлифтный режим работы. После опробований и получения устойчивого притока скважина переводится на стационарный режим работы. Освоение ведется с непрерывным контролем параметров процесса при герметизированном устье скважины. Поэтому этот способ наиболее безопасен и позволяет быстро получить значительные депрессии на пласт, что особенно важно для эффективной очистки призабойной зоны скважины. Однако применение компрессорного способа освоения ограничено в скважинах, пробуренных в рыхлых и неустойчивых коллекторах. В некоторых районах возникает необходимость освоения скважин глубиной 4500 - 5500 м, а увеличение глубины также ограничивает использование компрессорного способа. Для более полного использования пластовой энергии, выноса жидкости с забоя и возможных промывок скважин башмак НКТ опускают до верхних перфорационных отверстий. Чтобы оттеснить уровень жидкости до башмака НКТ, особенно при больших глубинах, нужны компрессоры, развивающие давление в несколько десятков мегапаскалей. Это осложняет освоение. Поэтому в колонне труб на заранее определенной глубине делают так называемое пусковое отверстие (пусковые муфты или пусковой клапан). Опускающийся в межтрубном пространстве уровень жидкости обнажает это отверстие, нагнетаемый газ поступает через него в НКТ и разгазирует столб жидкости выше отверстия. Если давление внутри НКТ на уровне отверстия после разгазирования обозначить Р1, то забойное давление Рс будет равно (4.34) Р с = Р1 + (H − L)1  g  cos , где Н - глубина забоя (до верхних перфораций); L - глубина пускового отверстия; ρ1 плотность скважинной жидкости; β - средний угол кривизны скважины. Забойное давление до нагнетания газа равно Р до = H  1  g  cos  . (4.35) Вычитая из (4.35) (4.34), найдем депрессию на пласт (4.36) Р с = L  1  g  cos − Р1 . Чем больше давление, развиваемое компрессором, тем на большей глубине L может быть предусмотрено пусковое отверстие или башмак НКТ, а следовательно, больше ΔР при прочих равных условиях. Однако с увеличением L увеличивается и Р1, которое, вообще говоря, зависит от расхода газа, но оно не может быть снижено менее чем до 7 - 10 % от гидростатического давления, определяемого первым слагаемым в (4.36). Поэтому для освоения глубоких скважин требуются компрессоры, развивающие высокое давление. В момент оттеснения уровня жидкости к башмаку НКТ или пусковому отверстию давление в межтрубном пространстве, а следовательно, и на выходе компрессора максимально. По мере разгазнрования жидкости в НКТ давление pi (внутри НКТ на уровне отверстия) будет снижаться и давление на забой падать. Поэтому процесс освоения рассчитывают на этот, так сказать, критический момент. Освоение скважин закачкой газированной жидкости. Освоение скважин путем закачки газированной жидкости заключается в том, что вместо чистого газа или воздуха в 60 межтрубное пространство закачивается смесь газа с жидкостью (обычно вода или нефть). Плотность такой газожидкостной смеси зависит от соотношения расходов закачиваемых газа и жидкости. Это позволяет регулировать параметры процесса освоения. Поскольку плотность газожидкостной смеси больше плотности чистого газа, то это позволяет осваивать более глубокие скважины компрессорами, создающими меньшее давление. Для такого освоения к скважине подвозится передвижной компрессор, насосный агрегат, создающий по меньшей мере такое же давление, как и компрессор, емкости для жидкости и смеситель для диспергирования газа в нагнетаемой жидкости. При нагнетании газожидкостная смесь движется сверху вниз при непрерывно изменяющихся давлении и температуре. Процесс этот сложный. Однако можно записать уравнение баланса давлений с усредненными параметрами смеси и расхода. При закачке газожидкостной смеси (ГЖС) на пузырьки воздуха действует архимедова сила, под действием которой они всплывают в потоке жидкости. Скорость всплытия зависит от размеров газовых пузырьков, вязкости жидкости и разности плотностей: чем мельче пузырьки, тем меньше скорость их всплытия. Обычно эта скорость относительно жидкости составляет 0,3 - 0,5 м/с. Поэтому скорость движения жидкости вниз должна быть больше скорости всплытия пузырьков газа. Иначе газ не достигнет башмака НКТ и давление на забое не снизится. Для создания достаточно больших скоростей жидкости необходимы большие расходы. Поэтому при закачке ГЖС предпочтительно это делать не через кольцевое пространство, а через НКТ, так как малое их сечение позволяет получить достаточно большие нисходящие скорости при умеренных объемных расходах жидкости. Считается, что для успешного осуществления процесса достаточно иметь нисходящую скорость жидкости порядка 0,8 - 1 м/с. Для выноса с забоя тяжелых осадков (глинистого раствора, утяжелителя и частиц породы) обычно применяется обратная промывка. Поэтому закачка ГЖС, которая осуществляется после промывки, также производится по схеме обратной промывки без изменения обвязки скважины. Запишем баланс давлений при закачке ГЖС в кольцевое пространство в тот момент, когда давление на насосе будет максимально. Рассмотрим случай, когда НКТ до башмака заполнены жидкостью, а затрубное пространство заполнено ГЖС; причем обе системы движутся со скоростями, соответствующими темпу нагнетания ГЖС. Обозначим: ат - удельные потери на трение в НКТ при движении по ним жидкости, выраженные в м столба жидкости; ак - удельные потери на трение в кольцевом пространстве, выраженные в м столба ГЖС. При обратной промывке давление у башмака НКТ со стороны кольцевого пространства равно (4.37) Р см = см  g  L  cos − а к  см  g  L + Р к . Давление у башмака со стороны НКТ равно Р т =  ж  g  L  cos  + а т   ж  g  L + Р у , (4.38) где ρсм - среднеинтегральное значение плотности ГЖС в кольцевом пространстве; ρж плотность скважинной жидкости; L - длина НКТ; β - средний угол отклонения ствола скважины от вертикали; Рк - давление нагнетания на устье скважины в кольцевом пространстве; Ру - противодавление на выкиде; g - ускорение свободного падения. Очевидно, Рт = Рсм, поэтому, приравнивая (4.37) и (4.38) и решая относительно L, получим L= Рк − Р у (ж − см )  g  cos + (а т  ж + а к  см )  g . (4 .39) Формула (4.39) определяет предельную глубину спуска башмака НКТ при заданных параметрах процесса (ρж, ρсм, Рк, Ру, ат, ак). Решая формулу (4.39) относительно Рк, 61 получим давление на глубине L спуска НКТ: устье скважины, необходимое для закачки ГЖС при заданной Р к = Р у + L  g( ж −  см )  cos  + (а т   ж + а к   см ) . (4.40) Величины Ру, L, ρж, β обычно известны. Величины ат, ак и ρсм определяются: ат - по обычным формулам трубной гидравлики, а ак и ρсм - сложными вычислениями с использованием ЭВМ для численного интегрирования дифференциального уравнения движения ГЖС. При освоении скважины газированной жидкостью к устью присоединяется через смеситель линия от насосного агрегата, ко второму отводу смесителя - выкидная линия компрессора. Сначала запускается насос и устанавливается циркуляция. Скважинная жидкость (глинистый раствор) сбрасывается в земляной амбар или другую емкость. При появлении на устье нагнетаемой чистой жидкости (вода, нефть) запускается компрессор, и сжатый газ подается в смеситель для образования тонкодисперсной ГЖС. По мере замещения жидкости газожидкостной смесью давление нагнетания увеличивается и достигает максимума, когда ГЖС подойдет к башмаку НКТ. При попадании ГЖС в НКТ давление нагнетания снижается. Освоение скважиными насосами. На истощенных месторождениях с низким пластовым давлением, когда не ожидаются фонтанные проявления, скважины могут быть освоены откачкой из них жидкости скважинными насосами (ШСН или ПЦЭН), спускаемыми на проектную глубину в соответствии с предполагаемыми дебитом и динамическим уровнем. При откачке из скважины жидкости насосами забойное давление уменьшается, пока не достигнет величины Рс < Рпл, при которой устанавливается приток из пласта. Такой метод эффективен в тех случаях, когда по опыту известно, что скважина не нуждается в глубокой и длительной депрессии для очистки призабойной зоны от раствора и разрушения глинистой корки. Перед спуском насоса скважина промывается до забоя водой или лучше нефтью, что вызывает необходимость подвоза к скважине промывочной жидкости - нефти и размещения насосного агрегата и емкости. При промывке водой в зимних условиях возникает проблема подогрева жидкости для предотвращения замерзания. В заключение необходимо отметить, что в различных нефтяных районах вырабатывались и другие практические приемы освоения скважин в соответствии с особенностями того или иного месторождения. В качестве примера можно указать и на такой прием, когда при компрессорном методе в затрубное пространство, заполненное нагнетаемым воздухом, подкачивают некоторое количество воды для увеличения плотности смеси и снижения давления на компрессоре. Это позволяет осуществить продавку скважины при большей глубине спуска НКТ. § 6 Передвижные компрессорные установки Для освоения скважин и вызова притока используются различные передвижные компрессорные установки. Широкий диапазон климатических и технологических условий потребовал создания передвижных компрессорных установок различных конструкций. Наиболее распространена передвижная компрессорная установка УКП-80. Она смонтирована на гусеничной тележке ТГТ-20 «Восток» и имеет на общей раме дизель В2300, редуктор и компрессор КП-80 с подачей 8 м3/мин при стандартных условиях. Техническая характеристика УКП-80 Рабочее давление, Мпа ..................... 8 Подача, м3/мин ………........................ 8 Расход топлива, кг/ч .........…............. 43 Общая масса установки, кг..............… 16 100 Длина, мм ..........................…………… 6615 Высота, мм .........................………….. 2870 Ширина, мм ........................……….… 2650 62 Мощность дизеля, кВт ....................…. 173 УКП-80 транспортируется к скважинам трактором-тягачом. Для облегчения транспортировки УКП-80 к скважинам ее монтируют на шасси тяжелых грузовиков КрАЗ257. Новая станция КС-16/100 смонтирована на трехосном автоприцепе, закрытом цельнометаллическим кожухом. Общая масса станции 23 т. Станция имеет дизель 1Д12Б, редуктор, трансмиссию и четырехступенчатый компрессор с подачей 16 м3/мин при давлении 10 МПа, теплозвукоизолированную кабину для машиниста, в которую вынесены приборы для контроля и управления. Эта станция расширяет возможности освоения скважин, так как имеет в 2 раза большую подачу и рассчитана на повышенное давление. Однако для условий севера ее использование затруднено из-за заболоченности территорий и отсутствия дорог. Существенным достижением в этой области явилось использование относительно легких и компактных свободнопоршневых дизелей-компрессоров ДК-10. Эти машины не имеют шатунно-кривошипного механизма, поэтому лучше уравновешены. Свободнопоршневой дизель-компрессор (СПДК) имеет двухтактный дизель и четырехступенчатый поршневой компрессор со свободными поршнями, движущимися в противоположных направлениях с одинаковой длиной хода. Он выполнен в одном корпусе, имеет общую для дизеля и компрессора пусковую систему, системы смазки и охлаждения. Поршневые группы движутся возвратно-поступательно в противоположных направлениях. В машине отсутствуют передаточные механизмы (редуктор, трансмиссия), нет маховиков, муфт сцепления и т. п. Это и обусловливает малую массу, компактность и высокий к. п. д. На базе дизелей-компрессоров ДК-10 создан передвижной агрегат АК-7/200, состоящий из двух компрессоров ДК-10, смонтированных под кожухом на металлических санях. Передвижной агрегат АК-7/200 может транспортироваться на внешней подвеске вертолета. Масса агрегата 6,8 т при подаче 7 м3/мин и давлении 20 МПа. Температура воздуха на выходе из последней ступени 35ºС. Расход топлива 34 кг/ч. Запуск производится от баллонов сжатым воздухом без предварительного подогрева. Имеется изолированная кабина для машиниста. Это позволило использовать агрегат в северных условиях и на заболоченных территориях Кроме того, имеется аналогичный агрегат (дизель-компрессорная станция ДКС 7/100 А), смонтированный на шасси автомобиля высокой проходимости КрАЗ2555. Для условий северных нефтяных месторождений создан также агрегат ДКС-3,5/200 Тп, состоящий из одного компрессора ДК-10, смонтированного на плавающем гусеничном транспортере ГТ-Т. Подача его 3,5 м3/мин, давление 20 МПа, расход топлива 17 кг/ч. Для освоения очень глубоких скважин используют агрегат ДКС-1,7/400, состоящий из одного дизеля-компрессора ДК-10 с подачей 1,7 м3/мин и развивающий давление 40 МПа. Он смонтирован на металлических санях. Его масса 3,5 т. Однако малые подачи сильно увеличивают продолжительность освоения скважин. § 7. Освоение нагнетательных скважин Если целью освоения эксплуатационной скважины является получение возможно большего коэффициента продуктивности при данных параметрах пласта, то цель освоения нагнетательной скважины - получение возможно большего коэффициента поглощения или приемистости, который можно определить как отношение изменения количества нагнетаемой воды к соответствующему изменению давления нагнетания Кп = Q1 − Q 2 , Р1 − Р 2 или в дифференциальном виде Кп = dQ . dР 63 При больших Кп возможна закачка в пласт расчетных количеств воды при относительно низких давлениях нагнетания. Это приводит к сокращению энергетических затрат на поддержание пластового давления и к некоторому сокращению необходимого числа нагнетательных скважин. Нагнетательные скважины бурятся в водонасыщенной (например, законтурные) и в нефтенасыщенной (скважины разрезающих рядов или внутриконтурные) частях пласта. Методы их освоения различны. Если первые осваиваются сразу под нагнетание воды, то вторые обычно предварительно эксплуатируются на нефть для получения самой нефти, а также для понижения пластового давления в зоне скважины. Если осваивается под нагнетание внутрпконтурный ряд нагнетательных скважин, то они осваиваются через одну, т. е. одна скважина ряда используется под нагнетание воды, а соседняя эксплуатируется как нефтяная с максимально возможным отбором жидкости. Следующая скважина также осваивается под нагнетание, а соседняя - как эксплуатационная и т. д. Максимально возможный отбор нефти из скважин нагнетательного ряда производится до тех пор, пока в их продукции появится пресная вода, нагнетаемая в соседние водяные скважины. Такой порядок освоения позволяет сформировать в нефтенасыщенной части пласта линейный фронт нагнетаемой воды, вытесняющий нефть к эксплуатационным рядам скважин. По степени трудности освоения нагнетательные скважины можно условно разделить на три группы. I группа. Скважины, пробуренные в монолитные сравнительно однородные песчаники с хорошей проницаемостью [(0,5 - 0,7)10-12 м2 с толщиной пласта более 10 м. Они осваиваются простейшими способами, например, после тщательной промывки (допустимое КВЧ порядка 3 - 5 мг/л) последующим интенсивным поршневанием для создания чистых дренажных каналов в призабойной части пласта. Такие скважины обычно имеют высокие удельные коэффициенты приемистости (более 0,25 м3/(сут МПа) на 1 м толщины пласта) и работают с высокими устойчивыми расходами, превышающими 700 - 1000 м3сут. II группа. Скважины, вскрывающие пласты с глинистыми прослоями, песчаники которых имеют пониженную проницаемость. Общая толщина песчаных прослоев обычно составляет от 6 до 12м. Средний удельный коэффициент приемистости таких скважин примерно в 2 раза меньше, чем у скважин I группы. Скважины II группы трудно осваиваемые и требуют специальных методов освоения или целого комплекса таких методов. Характеризуются затуханием поглотительной способности и периодическими остановками для мероприятий по восстановлению приемистости. III группа. Скважины, вскрывающие пласты с глинистыми прослоями, чередующимися с проницаемыми песчаниками с малой суммарной толщиной и низкой проницаемостью. Удельные коэффициенты приемистости составляют менее 0,1 м 3/(сут МПа). Освоение таких скважин под нагнетание затягивается на несколько месяцев и требует применения самых эффективных методов воздействия на их призабойную зону, как, например, поинтервального гидроразрыва пласта, кислотных обработок и очень больших давлений нагнетания, соизмеримых с горным. Приемистость скважин III группы быстро затухает и через 2 - 3 мес в них снова проводятся работы по ее восстановлению. Для таких скважин особенно жесткими становятся требования к закачиваемой воде, которая не должна содержать взвесь и гидроокись железа. При освоении нагнетательных скважин используют следующие технические приемы. 1. Интенсивные промывки прямые и обратные с расходом 1200 - 1500 м3/сут до минимально возможного и стабильного содержания КВЧ в обратном потоке. Их продолжительность обычно 1 - 3 сут. Воду для промывки берут из нагнетательного водовода или закачивают насосным агрегатом по закольцованной схеме с обязательным предварительным отстоем воды в специальных емкостях. При этом тщательно контролируются выходящая и нагнетаемая воды на содержание КВЧ. Вообще скважины промывают после всех операций, проводимых для увеличения их поглотительной способности. 64 2. Интенсивный дренаж скважины для очистки призабойной зоны. Дренаж осуществляется различными методами. а) Поршневанием при максимально возможной глубине спуска поршня, при этом необходимо устанавливать пакер, изолирующий кольцевое пространство. В последнем случае удается получить большие депрессии на пласт (до 12 МПа). б) Компрессорным способом. Жидкость из скважины отбирается с помощью передвижного компрессора при условии, что последний позволяет продавить жидкость до башмака НКТ. Трубы в этом случае должны быть спущены до верхних дыр фильтра. Сверление в НКТ пускового отверстия для снижения необходимого давления компрессора в данном случае нежелательно, так как при последующем нагнетании воды через это отверстие давление будет передаваться в затрубное пространство. Использование пускового отверстия возможно только лишь в период интенсивного дренирования. Дренирование производится до стабилизации КВЧ при постоянном контроле за его содержанием. в) Насосным способом (ПЦЭН) до стабилизации КВЧ. г) Самоизливом при интенсивном водопритоке, т. е. сбросом воды из скважины в канализацию. Такая операция более эффективна при многократных кратковременных изливах, когда скважина периодически в течение 6 - 15 мин работает на излив с максимальной производительностью. Такую операцию повторяют до стабилизации КВЧ. К такому способу целесообразно прибегать в тех случаях, когда дебит скважины превышает несколько десятков кубометров в сутки. Кратковременными изливами удается в 4 - 6 раз сократить расход воды по сравнению с непрерывным самоизливом для достижения стабильного содержания КВЧ. 3. Солянокислотные обработки призабойных зон скважин, вскрывших карбонатные пласты или пласты, содержащие карбонатный цементирующий материал, а также для растворения окалины. Для этого в пласт закачивают 0,8 - 1,5 м3 на 1 м толщины пласта 10 15%-ного раствора ингибированной соляной кислоты и оставляют скважину на сутки. Затем после дренирования и промывки скважину переводят под нагнетание. 4. Гидравлический разрыв пласта (ГРП). Скважины III группы обычно удается освоить только после ГРП и ряда последующих операций (дренаж, промывка). Однако в горизонтах, представленных чередованием глин и песчаников, ГРП не эффективен, так как трещины образуются в одном наиболее проницаемом прослое. Лучшие результаты получаются при поинтервальном ГРП, т. е. гидроразрыве каждого прослоя. При этом необходимо применение двух пакеров, спускаемых на НКТ II устанавливаемых выше и ниже намечаемого для обработки интервала. 5. Промывка скважины НКТ и водоводов водопесчаной смесью. Часто малоэффективность освоения нагнетательных скважин или малые приемистости являются результатом быстрого загрязнения поверхности пласта окалиной и твердыми частицами, приносимыми водой из водоводов. Для их очистки водоводы и скважины промывают водопесчаной смесью (50 кг песка 3 на 1 м воды) с помощью цементировочных агрегатов. При таких промывках из скважины или водовода выходит густая, черпая водопесчаная смесь с ржавчиной, по через 20 - 30 мин, в зависимости от интенсивности прокачки, вода светлеет и содержание в ней КВЧ и железа уменьшается до следов. После таких промывок уменьшаются почти наполовину потери на трение в водоводах. 6. Нагнетание в скважину воды в течение нескольких часов под высоким давлением, превышающим нормальное давление нагнетания, в тех случаях, если коллектор имеет некоторую естественную трещиноватость. Для этого к скважине подключают три-четыре насосных агрегата и создают дополнительное давление, при котором естественные трещины в пласте расширяются и поглотительная способность скважины резко возрастает. Такая операция представляет собой упрощенный вариант ГРП» после которого в пласте происходит необратимый процесс раскрытия трещин, через которые глубоко в пласт прогоняются взвесь и глинистые осадки. 65 7. Предварительная обработка горячей водой или нефтью нефтяных скважин, предназначенных под нагнетание, для удаления парафиновых и смолистых накоплений в призабойных зонах. Подогрев осуществляют от паровых передвижных установок, смонтированных на автомобильном ходу (ППУ). Расход нагнетаемой воды обычно увеличивается быстрее, чем растет давление нагнетания. Другими словами, коэффициент поглотительной способности увеличивается с ростом давления нагнетания. Глубинные исследования расходомерами показали, что при этом возрастает и интервал поглощения, а следовательно, и охват пласта процессом вытеснения по толщине в результате увеличения раскрытости естественных трещин и присоединения дополнительных прослоев пласта к процессу поглощения жидкости. Для расширения интервала поглощения иногда закачивают в скважину 2 - 5 м3 известковой суспензии концентрации 15 кг СаО на 1 м3 воды с последующим добавлением сульфит-спиртовой барды (ССБ) вязкостью примерно 500·10-3 Па-с для уплотнения поглощающего прослоя. При последующем увеличении давления нагнетания таким приемом удается расширить интервал поглощения и выравнять или расширить профиль приемистости. При получении отрицательных результатов закачанная известковая суспензия растворяется слабым раствором НСL и последующей промывкой скважины. Глава 4 ГАЗЛИФТНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ГАЗЛИФТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ Газлифтная скважина - это по существу та же фонтанная скважина, в которой недостающий для необходимого разгазирования жидкости газ подводится с поверхности по специальному каналу (рис. 9.1). По колонне труб 1 газ с поверхности подается к башмаку 2, где смешивается с жидкостью, образуя ГЖС, которая поднимается на поверхность по подъемным трубам 3. Закачиваемый газ добавляется к газу, выделяющемуся из пластовой жидкости. В результате смешения газа с жидкостью образуется ГЖС такой плотности, при которой имеющегося давления на забое скважины достаточно для подъема жидкости на поверхность. Все понятия и определения, изложенные в теории движения газожидкостных смесей в вертикальных трубах, в равной мере приложимы к газлифтной эксплуатации скважин и служат ее теоретической основой. Точка ввода газа в подъемные трубы (башмак) погружена под уровень жидкости на величину h; давление газа Р1 в точке его ввода в трубы пропорционально погружению h и связано с ним очевидным соотношением Р1 = hρg. Давление закачиваемого газа, измеренное на устье скважины, называется рабочим давлением Рp. Оно практически равно давлению у башмака Р1 и отличается от него только на величину гидростатического давления газового столба ΔР1 и потери давления на трение газа в трубе ΔР2, причем ΔР1 увеличивает давление внизу Р1, а ΔР2 уменьшает. Таким образом, Р1 = Р р + Р1 − Р 2 или Р р = Р1 − Р1 + Р 2 (9.1) 66 В реальных скважинах ΔР1 составляет несколько процентов от Р1, а ΔР2 еще меньше. Поэтому рабочее давление Рр и давление у башмака Р1 мало отличаются друг от друга. Таким образом, достаточно просто определить давление на забое работающей газлифтной скважины по ее рабочему давлению на устье. Это упрощает процедуру исследования газлифтной скважины, регулировку ее работы и установление оптимального режима. Скважину, в которую закачивают газ для использования его энергии для подъема жидкости, называют газлифтной, при закачке для той же цели воздуха эрлифтной. Применение воздуха способствует образованию в НКТ очень стойкой эмульсии, разложение которой требует ее специальной обработки поверхностно-активными веществами, нагрева и и дли тельного отстоя. Выделяющаяся при сепарации на поверхности газовоздушная смесь опасна в пожарном отношении, так как при определенных соотношениях образует взрывчатую смесь. Это создает необходимость выпуска отработанной газовоздушной смеси после сепарации в атмосферу. Применение углеводородного газа, хотя и способствует образованию эмульсии, но такая эмульсия нестойкая и разрушается (расслаивается) часто простым отстоем без применения дорогостоящей обработки для получения чистой кондиционной нефти. Это объясняется отсутствием кислорода или его незначительным содержанием в используемом углеводородном газе и химическим родством газа и нефти, имеющих общую углеводородную основу. Кислород, содержащийся в воздухе, способствует окислительным процессам и образованию на глобулах воды устойчивых оболочек, препятствующих слиянию воды, укрупнению глобул и последующему их оседанию при отстое. Вследствие своей относительной взрывобезопасности отработанный газ после сепарации собирается в систему газосбора и утилизируется. Причем отсепарированный газ газлифтной скважины при бурном перемешивании его с нефтью при движении по НКТ обогащается бензиновыми фракциями. При физической переработке такого газа на газобензиновых заводах получают нестабильный бензин и другие ценные продукты. Что касается нефти, то она стабилизируется, что уменьшает ее испарение при транспортировке и хранении. Переработанный (осушенный) на газобензиновых заводах газ снова используется для работы газлифтных скважин после его предварительного сжатия до необходимого давления на компрессорных станциях промысла. Таким образом, газлифт позволяет улучшать использование газа и эксплуатировать месторождение более рационально по сравнению с эрлифтом. Единственным достоинством эрлифта является неограниченность источника воздуха как рабочего агента для газожидкостного подъемника. Реальные газлифтные скважины не оборудуются по схеме, показанной на рис. 9.1, так как спуск в скважину двух параллельных рядов труб, жестко связанных внизу башмаком, практически осуществить нельзя. Эта схема приведена только лишь для пояснения принципа работы газлифта. Однако ее использование вполне возможно и в ряде случаев целесообразно для откачки больших объемов жидкости, например, из шахт или других емкостей с широким проходным сечением. Для работы газлифтных скважин используется углеводородный газ, сжатый до давления 4 -10 МПа. Источниками сжатого газа обычно бывают либо специальные компрессорные станции, либо компрессорные газоперерабатывающих заводов, развивающие необходимое давление и обеспечивающие нужную подачу. Такую систему газлифтной эксплуатации называют компрессорным газлифтом. Системы, в которых для газлифта 67 используется природный газ из чисто газовых или газоконденсатных месторождений, называют бескомпрессорным газлифтом. При бескомпрессорном газлифте природный газ транспортируется до места расположения газлифтных скважин и обычно проходит предварительную подготовку на специальных установках, которая заключается в отделении конденсата и влаги, а иногда и в подогреве этого газа перед распределением по скважинам. Избыточное давление обычно понижается дросселированием газа через одну или несколько ступеней штуцеров. Существует система газлифтной эксплуатации, которая называется внутрискважинным газлифтом. В этих системах источником сжатого газа служит газ газоносных пластов, залегающих выше или ниже нефтенасыщенного пласта. Оба пласта вскрываются общим фильтром. В таких случаях газоносный горизонт изолируется от нефтеносного пласта одним или двумя пакерами (сверху и снизу), и газ вводится в трубы через штуцерное устройство, дозирующее количество газа, поступающего в НКТ. Внутрискважинный газлифт исключает необходимость предварительной подготовки газа, но вносит трудности в регулировку работы газлифта. Этот способ оказался эффективным средством эксплуатации добывающих скважин на нефтяных месторождениях Тюменской области, в которых над нефтяными горизонтами залегают газонасыщенные пласты с достаточными запасами газа и давления для устойчивой и продолжительной работы газлифта. 2. КОНСТРУКЦИИ ГАЗЛИФТНЫХ ПОДЪЕМНИКОВ Два канала, необходимых для работы газлифтной скважины в реальных условиях, создаются двумя рядами концентрично расположенных труб, т. е. спуском в скважину первого (внешнего) и второго (внутреннего) рядов труб. Внешний ряд труб большего диаметра (обычно 73 - 102 мм) спускается первым. Внутренний, меньшего диаметра (обычно 48, 60, 73 мм) спускается вторым внутрь первого ряда. Образуется так называемый двухрядный подъемник, в котором, как правило, сжатый газ подается в межтрубное пространство между первым и вторым рядами труб, а ГЖС поднимается по внутреннему, второму ряду труб (рис. 9.2, а). Первый ряд труб обычно спускается до интервала перфорации, а второй под динамический уровень 68 на глубину, соответствующую рабочему давлению газа, так как погружение башмака НКТ под динамический уровень, выраженное в единицах давления, всегда равно рабочему давлению газа. В газлифтной скважине, оборудованной двухрядным подъемником, реальный динамический уровень устанавливается во внешнем межтрубном пространстве - между обсадной колонной и первым рядом труб. Если межтрубное пространство перекрыто II там имеется некоторое давление газа, то действительное, а следовательно, и рабочее давление будет складываться из погружения под уровень и гидростатического давления газа во внешнем межтрубном пространстве: Р1 = h    g + Р з пли h = h + Рз g (9.2) Двухрядные подъемники раньше применялись широко, особенно когда эксплуатация скважин осложнялась выделением песка, который нужно было выносить на поверхность. Скорость восходящего потока при движении по первому ряду труб больше, чем при движении по обсадной колонне. Поэтому башмак первого ряда спускался, как правило, до забоя. В то же время при необходимости можно было легко изменять погружение второго ряда труб в связи с изменением динамического уровня, увеличением отбора или по другим причинам. При таком изменении первый ряд труб остается на месте. Однако двухрядный подъемник - сооружение металлоемкое, а поэтому дорогое. Лишь при отсутствии герметичности обсадной колонны его применение оправдано как вынужденная мера. Разновидностью двухрядного подъемника является полуторарядный (рис. 9.2, б) в котором для экономии металла трубы первого ряда имеют хвостовую часть (ниже башмака второго ряда) из труб меньшего диаметра. Это существенно уменьшает металлоемкость конструкции, позволяет увеличить скорость восходящего потока, но осложняет операцию по увеличению погружения, т. е. по допуску второго ряда, так как для этого необходимо предварительно изменить подвеску первого ряда труб. Схема однорядного наименее металлоемкого подъемника приведена на рис. 9.2, в. Газ подается в межтрубное пространство и ГЖС поднимается по одному ряду труб, диаметр которых определяется дебитом скважины и 69 техническими условиями ее эксплуатации. Реальный уровень жидкости всегда устанавливается у башмака подъемных труб. Уровень не может быть выше, так как в этом случае газ не будет поступать в НКТ. Он не может быть и ниже башмака, так как тогда в НКТ не будет поступать жидкость. Однако при пульсирующем режиме работы газожидкостного подъемника уровень жидкости колеблется у башмака, периодически его перекрывая. Видимого погружения и динамического уровня жидкости при однорядном подъемнике нет, а гидростатическое давление у башмака подъемных труб, создаваемое погружением его под динамический уровень, заменяется давлением газа Р1. Положение динамического уровня (называемого иногда условным) как обычно определяется рабочим давлением газа pi, пересчитанным в соответствующую высоту столба жидкости (см. рис. 9.2, в). На рис. 9.2, в показан пьезометр, присоединенный к скважине. В таком пьезометре устанавливается реальный динамический уровень, соответствующий рабочему давлению. Недостатком однорядного подъемника является низкая скорость восходящего потока между забоем и башмаком, глубина спуска которого определяется рабочим давлением газа, отбором жидкости, а также коэффициентом продуктивности скважины. Однако при этом упрощается допуск труб или вообще изменение глубины их подвески, если возникает такая необходимость. Поэтому существует разновидность однорядного подъемника - подъемник с рабочим отверстием (см. рис. 9.2, г). Один ряд труб необходимого диаметра спускается до забоя (или до верхних дыр перфорации), но на расчетной глубине, т. е. на глубине, где должен быть башмак (глубина места ввода газа в НКТ), устанавливается рабочая муфта с двумя-четырьмя отверстиями диаметром 5 - 8 мм. Сечение отверстий должно обеспечить пропуск расчетного количества газа при перепаде давлений у отверстий, не превышающем 0,1—0,15 МПа. Перепад давления у отверстий удерживает уровень жид кости ниже отверстия на 10—15 м и обеспечивает более равномерное поступление газа в трубы. Однорядный подъемник с рабочим отверстием (или муфтой) создает наибольшие скорости восходящего потока, является наименее металлоемким, однако требует подъема колонны труб при необходимости изменения погружения. Положение условного динамического уровня и погружение определяются рабочим давлением газа у рабочих отверстий, пересчитанным в столб жидкости. Однорядная конструкция газлифта, при котором используются 60 или 73-мм трубы, создает широкое межтрубное пространство, размеры которого играют решающую роль в случае использования различных клапанов, широко применяемых в настоящее время. В однорядном подъемнике вместо рабочей муфты с рабочими отверстиями может применяться так называемый концевой рабочий клапан, поддерживающий постоянный перепад давления при прохождении через него газа, равный 0,1—0,15 МПа, достаточный для того, чтобы постоянно удерживать уровень жидкости ниже клапана на 10—15 м. Концевой клапан обычно приваривается к спецмуфте с внешней стороны и имеет пружинную регулировку необходимого перепада давления и расхода газа. Такой клапан снабжается еще специальным шариковым клапаном, который закрывает рабочее отверстие и позволяет осуществлять обратную промывку скважины до забоя (рис. 9.3). Необходимо отметить, что любая конструкция газлифтного подъемника может работать по двум схемам. В одном случае сжатый газ подается в межтрубное пространство, а ГЖС движется по центральной колонне труб. Эта схема обычная (см. рис. 9.2, а, б, в, г) и 70 называется кольцевой, так как газ направляется в кольцевое пространство. В другом случае сжатый газ можно подавать в центральную колонну труб, а ГЖС в этом случае будет подниматься по кольцевому пространству. Такая схема называется центральной, так как газ закачивается в центральные трубы. Почти все газлифтные скважины работают по кольцевой схеме, так как поперечное сечение кольцевого пространства, как правило, больше сечения центральных труб и оптимальные условия работы по нему могут быть достигнуты только при больших дебитах. Кроме того, при отложении парафина его удаление с внутренних стенок обсадной колонны пли первого ряда труб практически невозможно. 3. ПУСК ГАЗЛИФТНОЙ СКВАЖИНЫ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ (ПУСКОВОЕ ДАВЛЕНИЕ) Эксплуатация скважин не протекает бесперебойно. По различным причинам их приходится останавливать для ремонта и вновь пускать в эксплуатацию. Пуск газлифтных скважин имеет некоторые особенности, связанные с принципом их работы. Рассмотрим пуск газлифтной скважины, оборудованной однорядным подъемником, работающим по кольцевой системе. Процесс пуска состоит в доведении закачиваемого газа до башмака подъемных труб, т. е. в отжатии газом уровня жидкости до башмака. Это означает, что объем жидкости в межтрубном пространстве V1 должен быть вытеснен нагнетаемым газом (рис. 9.4). Вытесняемая жидкость перетекает в подъемные трубы, в результате чего уровень в них становится выше статического. Возникает репрессия на пласт, определяемая превышением столба жидкости Δh над статическим уровнем, под действием которой должно произойти частичное поглощение жидкости пластом. При плохой проницаемости пласта или наличии на забое илистых осадков, которые могут играть роль обратного клапана, т. е. пропускать жидкость из пласта и препятствовать ее поглощению, вся вытесняемая жидкость перетечет в подъемные трубы, так что объем V1 будет равен объему жидкости V2 перемещенной в трубы. При частичном поглощении жидкости пластом V2 < V1. Обозначим в общем случае 71 V2 =   V1 , (9.3) где α <1 при поглощении и α = 1 без поглощения. Введем обозначения: h - погружение башмака подъемных труб под статический уровень; Δh - повышение уровня (над статическим) в подъемных трубах; fг - площадь сечения межтрубного пространства, куда закачивается газ; fж - площадь сечения подъемных труб, куда перетекает жидкость. Тогда V1 = f г  h V2 = f ж  h (9.4) Подставляя (9.4) в (9.3) и решая относительно, получим h =   h  f г f ж (9.5) В момент пуска газлифтной скважины, т. е. когда уровень жидкости в межтрубном пространстве будет оттеснен до башмака, давление газа, действующее па этот уровень, будет уравновешиваться гидростатическим давлением столба жидкости высотой h + Δh в подъемных трубах. Это и будет то максимальное давление газа, которое называется пусковым, необходимое для пуска газлифтной скважины. Таким образом, Р пуск = (h + h )    g . (9.6) Подставляя в (9.6) значение Δh согласно (9.5) и вынося h за скобки, получим  f  Р пуск = h    g1 +   г  . fж   (9.7) Это и будет формула для определения пускового давления. Повторяя аналогичный вывод для работы газлифтной скважины по центральной системе, обозначая при этом, как и прежде, fг сечение трубы, куда закачивается газ, и fж - сечение, по которому поднимается жидкость (в этом случае межтрубное пространство), мы получим точно такую же формулу (9.7). Более того, для двухрядного подъемника, обозначая также fг - сечение того пространства, куда закачивается газ, а fж - сечение того пространства (или сумму тех межтрубных пространств), в которое перетекает жидкость, мы получим (формулу, совпадающую с формулой (9.7). Таким образом, формула (9.7) является наиболее общей для определения пускового давления газлифтной скважины, оборудованной как однорядным, так и двухрядным подъемником, работающим как по кольцевой, так и по центральной системе. Применительно к схеме, показанной на рис. 9.4, будем иметь ( )  2 D в − d н2 , 4  f ж =  d в2 , 4 fг = (9.8) где Dв - внутренний диаметр обсадной колонны; dн , dв - наружный и внутренний диаметры подъемных труб. Подставляя (9.8) в формулу (9.7), получим Р пуск  D в2 − d н2    = h    g 1 +   2 d в   (9.9) Пренебрежем толщиной стенок труб, т. е. примем dн = dв = d и допустим, что α = 1 (поглощения нет - наиболее трудный с точки зрения пускового давления случай). После некоторых преобразований получим Р пуск D в2 = h g  2 d (9.10) Для того же однорядного подъемника, работающего по центральной системе, имеем 72  2  dв , 4  f ж = D в2 − d н2 , 4 fг = ( ) (9.11) После подстановки (9.11) в основную формулу (9.7) получим Р пуск  d в2  . = h    g1 +   2 2  D − d  в н  (9.12) При указанных выше допущениях (α = 1, dн = dв = d) Р пуск D в2 . = h g  2 Dв − d 2 ( ) (9.13) Для двухрядного лифта, работающего но кольцевой системе, ( ( ) )  2 d1в − d 22н , 4   f ж = D в2 − d12н +  d 22в , 4 4 fг = (9.14) где d1в, d1н - внутренний и наружный диаметры первого ряда труб (большего диаметра), d2в, d2н - то же, для второго ряда труб (малого диаметра). При подстановке (9.14) в формулу (9.7) получим Р пуск  d12в − d 22н   . = h    g 1 +   2 2 2  D − d + d  в 1н 2в  (9.15) Пренебрегая толщинами стенок и считая, что d1н = d1в = d1 и d2н = d2в = d2, а также принимая α = 1, получим Р пуск   D в2  . = h    g 2 2 2   D в − d1 + d 2  (9.16) Для того же двухрядного подъемника, работающего по центральной системе, имеем  2  d 2в 4   f ж = D в2 − d12н +  d12в − d 22н . 4 4 fг = ( ) ( ) (9.17) Или Р пуск   d 22в . = h    g1 +   2 2 2 2  D − d + d − d  в 1н 1в 2н  (9.18) При допущениях α = 1, d1н = d1в = d1 и d2н = d2в = d2, получим Р пуск = h    g  D в2 . D в2 − d 22 ( ) (9.19) Формула (9.19) совпадает с (9.13), так как пренебрежение толщиной стенок первого ряда труб при работе двухрядного подъемника по центральной системе равносильно их отсутствию. Для наклонных скважин со средним зенитным углом кривизны β формула пускового давления получит поправку в виде множителя cos β, так как гидростатическое давление столба жидкости определяется его проекцией на вертикаль, т. е. 73 Р пуск = (h + h )    g  cos  . С учетом сказанного общая формула будет иметь вид  f  Р пуск = h    g1 +   г   cos  . fж   (9.20) Соответствующим образом преобразуются и формулы для всех частных случаев, т. е. все формулы (9.9, 9.10, 9.12, 9.13, 9.15, 9.16, 9.18, 9.19) приобретут множитель cosβ. Пренебрежение толщиной стенок труб уменьшает пусковое давление приблизительно на 3 6 %. При пуске газлифтной скважины возможны такие случаи, когда высота столба жидкости при продавке, равная h + Δh будет превышать общую длину колонн подъемных труб L. В этом случае жидкость будет переливаться на устье в систему нефтесбора, в которой может существовать давление Рл. В таком случае пусковое давление не может превышать гидростатическое давление столба жидкости в лифтовых трубах высотой, равной длине труб L, сложенное с давлением на устье Рл. С учетом среднего угла кривизны β это давление будет равно (9.21) (Р пуск ) max    g  L  cos  + Р л . Таким образом, если вычисление пускового давления по обобщенной формуле (9.7) или по формулам для любого частного случая даст Рпуск > (Рпуск)max, то справедливо вычисление по формуле (9.21). Если результат получится обратный, т. е. Рпуск < (Рпуск)max, то справедливо вычисление по обобщенной формуле (9.7) или ее производным. Все полученные для пускового давления формулы дают его величину, приведенную к башмаку подъемных труб. Действительное пусковое давление на устье скважины будет меньше вычисленного на величину гидростатического (пренебрегая силами трения газа) давления газового столба в колонне. Учитывая кривизну скважины и определяя гидростатическое давление газового столба по плотности газа на устье, определим пусковое давление на устье следующим образом: (Р пуск ) у = Р пуск − Р , (9.22) где Р = г  g  L  cos , (9.23) ρг - плотность газа при термодинамических условиях в скважине. Из законов газового состояния имеем г = о  (Р пуск + Р о )  Т о Р о  z ср  Т ср , (9.24) где ρо - плотность нагнетаемого газа при стандартных условиях (Ро, То); Тср - средняя температура в скважине; То - стандартная температура; zср - средний коэффициент сжимаемости газа для условий Тср и Рсp. Подставляя (9.24) в (9.23) и далее в (9.22), получим для пускового давления на устье (Р пуск ) у = Р пуск −  о  (Р пуск + Р о )  Т о Р о  z ср  Т ср  g  L  cos  , (9.25) где Ро—абсолютное давление, а Рпуск предварительно определяется по обобщенной формуле (9.20) либо, в случае перелива, по формуле (9.21). Таблица 9.1. Значения коэффициента т [формула (9.26)] 74 m С учетом толщины стенки трубы Без учета толщины стенки труб Однорядный подъемник Двухрядный подъемник кольцевая центральная кольцевая центральная 8,49 1,1335 1,285 1,1535 8,93 1,1261 1,308 1,1261 Примечание. Данные приведены для наиболее употребительных диаметров Dв = 150,3 мм d1н == 101,6 мм, d1в = 88,9 мм, d2н = 60,3 мм, d2в = 50,3 мм, причем α = 1. Из приведенных формул видно, что пусковое давление зависит от погружения башмака под статический уровень жидкости, от соотношения диаметров труб и обсадной колонны, а также от системы работы лифта (кольцевая или центральная). Ранее было показано, что рабочее давление газлифтной скважины определяется только погружением под динамический уровень, которое всегда меньше погружения под статический уровень. Поэтому пусковое давление всегда больше рабочего. Это осложняет промысловое обустройство и технику эксплуатации газлифтных скважин, так как для их пуска необходимо иметь источник высокого давления газа в виде специального компрессора или газовой линии, рассчитанной на пусковое давление. Любую формулу пускового давления можно представить в виде Р пуск = h    g  m (9.26) где m - коэффициент, определяемый соотношениями диаметров труб с учетом или без учета толщины их стенки (табл. 9.1). Однорядный подъемник, работающий по кольцевой системе, дает наибольшее увеличение пускового давления по сравнению со статическим давлением (hρg) у башмака подъемных труб. Тот же подъемник при переходе на центральную систему позволяет существенно снизить пусковое давление. При двухрядном подъемнике пусковое давление увеличивается несущественно, максимум на 30,8 %, и переход на центральную систему уменьшает его назначительно (12,61 %). Неучет толщины стенок трубы вносит погрешность в определение пускового давления, не превышающую 5 % (при однорядном подъемнике). В случае поглощения жидкости пластом (α < 1) пусковые давления во всех случаях будут меньше. Коэффициент поглощения α зависит от многих факторов, таких как коэффициент продуктивности скважины при поглощении, репрессия, определяемая величиной m, длительность пуска, вязкость жидкости и др. Однако он всегда может быть определен для реальной скважины по фактическому пусковому давлению. Приравнивая правую часть формулы пускового давления (9.20) фактически измеренному пусковому давлению (Рпус)ф и решая равенство относительно α, найдем  f  (Р пуск ) ф = h    g1 +   г   cos  fж   откуда 75  (Р пуск ) ф  f = − 1  ж .  h    g  cos   f г (9.27) Заметим, что для одной и той же скважины величина α непостоянна и зависит от темпа пуска скважины. Чем быстрее происходит пуск, тем ближе значение α к единице и наоборот, так как при быстром запуске пласт не успевает поглотить существенное количество жидкости. Поскольку по определению α = V2/V1 [формула (9.З)], то, зная фактическое α [формула (9.27)], можно определить объем поглощенной пластом жидкости при запуске скважины V = V1 − V2 = V1 −   V1 = V1  (1 −  ) , где V1 - объем вытесняемой газом жидкости в скважине до момента прорыва этого газа через башмак подъемных труб. Характерный процесс пуска газлифтной скважины в функции времени показан на рис. 9.5. После прорыва газа через башмак подъемных труб и выноса части жидкости скважина переходит на установившийся режим работы с соответствующим отбору динамическим уровнем, а следовательно, и соответствующим этому уровню рабочим давлением Рp. 4. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПУСКОВЫХ ДАВЛЕНИЙ В практике эксплуатации газлифтных скважин, особенно в ранние периоды, было выработано много практических приемов пуска газлифтных скважин и преодоления трудностей, связанных с возникновением высоких пусковых давлений. К этим методам можно отнести следующие. Применение специальных пусковых компрессоров При использовании компрессорных станций в качестве источника сжатого газа для газлифтных скважин на этих станциях устанавливается один или несколько компрессоров (в зависимости от потребности), развивающих повышенное давление, достаточное для пуска скважины. Пусковые компрессоры работают в специальную пусковую линию, соединяющую компрессорную станцию с газораспределительным узлом, в котором путем переключения соответствующих задвижек газ из пусковой линии может быть направлен в любую газлифтную скважину. После пуска скважины на распределительном узле новым переключением задвижек в газовую линию этой скважины направляется газ из рабочей магистрали с давлением, соответствующим рабочему давлению. В особых случаях для пуска скважин применяются передвижные компрессоры на автомобильном ходу или на специальных рамах, перемещаемых вертолетами аналогично тому, как это практикуется при освоении скважин и вызове притока. Последовательный допуск труб Башмак подъемных труб в этом случае спускается под статический уровень не на проектную глубину, а на такую, при которой можно продавить скважину имеющимся давлением Рк (давление компрессора или в газовой линии). Глубина спуска башмака под уровень находится из формулы пускового давления (9.20) путем приравнивания ее к величине имеющегося давления Рк  f Р к = Р пуск = h1    g1 +   г fж  откуда    cos  ,  76 h1 = Рк  f   g1 +   г fж     cos   (9.28) После спуска башмака труб под уровень на глубину h1 скважина пускается и продувается до выхода из скважины чистого газа. При этом часть жидкости из скважины выбрасывается. После этого арматура устья снимается, и колонна подъемных труб спускается ниже на величину h2 < h1, после чего снова ставится арматура и скважина снова продувается до чистого газа. Так делается несколько раз, пока башмак труб не достигнет проектной глубины. При каждом очередном допуске труб погружение hi+1 берется на 10—30 % меньше, чем погружение hi в предшествующем допуске. Последовательный допуск труб очень трудоемкий процесс с ограниченными возможностями. Он применим в скважинах, имеющих очень малый коэффициент продуктивности, а следовательно, медленное восстановление уровня в промежутках между очередными продувками скважины, так как после очередной продувки необходимо разобрать устьевую арматуру, осуществить допуск труб и снова собрать арматуру для следующей продувки. Переключение работы подъемника с кольцевой системы на центральную Переключение скважины с кольцевой системы на центральную только на период ее пуска уменьшает пусковое давление при однорядном подъемнике в 8,49/1,1335 = 7,5 раза (см. табл. 9.1). При двухрядном - такое переключение дает незначительный эффект и пусковое давление уменьшается всего лишь на 11 %. Поэтому при однорядном лифте переключение на центральную систему пуска может оказаться очень эффективным средством. После пуска скважины лифт переключается на кольцевую систему для нормальной ее эксплуатации. Задавка жидкости в пласт Если скважина при репрессии хорошо поглощает жидкость, то закачкой газа и выдержкой скважины под давлением достаточно длительное время можно задавить жидкость в пласт. Уровень опустится, дойдет до башмака и скважина будет пущена. Длительность выдерживания скважины под максимальным давлением зависит от ее поглотительной способности. Чем она больше, тем время выдержки меньше. В принципе этот прием пуска пригоден при условии, что давление компрессора равно или превышает статическое давление у башмака, т. е. при условии Рк > h1ρg. Применение пусковых отверстий На колонне лифтовых труб ниже статического уровня заблаговременно сверлятся так называемые пусковые отверстия. При закачке газа в межтрубное пространство опускающийся уровень жидкости обнажает первое отверстие, через которое газ поступает в НКТ, разгазирует в них жидкость до такой степени, что она начинает переливать. Это явление аналогично работе газлифтной скважины с башмаком, установленным на уровне первого отверстия. После перелива жидкости равенство давлений в межтрубном пространстве и в НКТ на уровне отверстия нарушается. Для восстановления равенства 77 давлений уровень в межтрубном пространстве опускается на определенную величину, зависящую от давления компрессора и плотности ГЖС в НКТ. Если на этой глубине сделать новое отверстие, то после его обнажения через него пойдет газ в НКТ из затрубного пространства. Вследствие усиливающегося поступления газа в подъемник (работа двух отверстий) выброс жидкости увеличится, равенство давлений внутри НКТ на уровне второго отверстия и в межтрубном пространстве снова нарушится и для его восстановления уровень в межтрубном пространстве снова опустится на некоторую глубину, где должно находиться третье отверстие. Таким способом можно понизить уровень в межтрубном пространстве до башмака НКТ, после чего газлифт перейдет на нормальную работу через башмак. Однако при установившейся работе газлифта через эти пусковые отверстия, остающиеся все время открытыми, будет происходить дополнительная утечка газа, что приведет к повышенному удельному расходу нагнетаемого газа, а следовательно, к снижению к. п. д. подъемника по сравнению с его работой при поступлении газа только через башмак. Поэтому эти отверстия после перехода на нормальную работу необходимо закрыть. Для этого используют специальные устройства - пусковые клапаны. Рассмотрим этот процесс подробнее. На рис. 9.6 показана схема скважины с пусковыми отверстиями. Газ нагнетается в межтрубное пространство, в котором компрессором поддерживается постоянное давление Рк. Приравнивая правую часть формулы для пускового давления (9.20) к давлению компрессора Рк, учитывая при этом противодавление на устье Ру и решая равенство относительно погружения под статический уровень x1, соответствующего давлению Рк, получим [см. формулу (9.28)].  f Р к = x1    g1 +   г fж  откуда x1 =    cos  + Р у  Рк − Р у  f    g1 +   г   cos  fж   (9.29) Таким образом, первое отверстие делается на глубине от устья (9.30) L1 = Sс + x1 , где Sc - статический уровень жидкости в скважине. После обнажения первого отверстия O1 и поступления через него газа происходит сначала вспенивание, потом подъем и выброс жидкости через устье. В результате давление в НКТ Ро1 на уровне первого отверстия О1 уменьшится. Перепад давления у отверстия увеличится. Увеличится расход газа через отверстие и выброс жидкости. В конце концов процесс стабилизируется и давление Ро1 достигнет минимума (рис. 9.7). Здесь а - начальный перепад давления в отверстии, ΔР - изменение перепада давления в отверстии в результате разгазирования жидкости в НКТ и ее выброса. Но на уровень Y1 по-прежнему действует давление Рк. Поэтому для восстановления нарушенного равновесия давления в НКТ и в межтрубном пространстве уровень Y1 должен понизиться на величину x2 (см. рис. 9.6), при которой выполняется равенство давлений Р к = (Р о1 ) min + x 2    g  cos , (9.31) 78 откуда x2 = Р к − (Р о1 ) min   g  cos  На этой глубине должно быть сделано второе отверстие O2 L 2 = L1 + x 2 (9.32) После оттеснения уровня жидкости ниже второго отверстия О2 оно вступит в работу; через него пойдет газ, усилится выброс. В результате давления в НКТ Ро2 в точке О 2 понизится до (Рo2)min. Снова нарушится равновесие, для восстановления которого уровень в межтрубном пространстве понижается на xз, до положения Yз. Из условия равенства давлений аналогично предыдущему найдем положение отверстия Оз: x3 = Р к − (Р о 2 ) min   g  cos  (9.33) Соответственно глубина третьего отверстия Оз будет L3 = L 2 + x 3 и т. д. (9.34) Отсюда видно, что с помощью пусковых отверстий, расположенных соответствующим образом по длине НКТ, можно оттеснить уровень жидкости в межтрубном пространстве до проектной глубины, т. е. до башмака НКТ, и осуществить пуск газлифтной скважины имеющимся давлением Рк. С увеличением глубины расстояния между отверстиями уменьшаются, так как х1 > х2 > х3 > … > хi. Для гарантированного пуска число отверстий делается на 10—15 % больше расчетного, причем все они пропорционально смещаются вверх. Размер отверстий рассчитывается по предельному расходу газа (по подаче компрессора), при котором скорость его истечения в отверстии не превышает критических значений (скорости звука). Предельное давление в НКТ Рoimin рассчитывается по формулам работы подъемника на нулевой подаче или находится по специальным графикам. После перехода на нормальный режим работы через башмак отверстия, остающиеся открытыми, увеличивают удельный расход газа, поэтому этот метод снижения пускового давления практически не применяется. Здесь описаны принципиальные возможности пуска скважины с помощью пусковых отверстий и полная методика расчета не приводится, так как она достаточна сложна и содержит много таких деталей, как, например, особенности расчета размещения отверстий при начальном переливе и при вступлении в работу самого пласта. Имеются и другие приемы преодоления трудностей пуска газлифтных скважин, как, например, предварительное понижение уровня жидкости в скважине путем поршневания или оттартывания желонкой. В настоящее время для пуска газлифтных скважин используются более надежные и рациональные методы снижения пусковых давлений с помощью пусковых и рабочих клапанов. 5. ГАЗЛИФТНЫЕ КЛАПАНЫ Современная технология зксплуатации газлифтных скважин неразрывно связана с широким использованием глубинных клапанов специальной конструкции, с помощью которых устанавливается или прекращается связь между трубами и межтрубным пространством и регулируется поступление газа в НКТ. В настоящее время существует большое число глубинных клапанов разнообразных конструкций. Все клапаны по своему назначению можно разделить на три группы. 1. Пусковые клапаны для пуска газлифтных скважин и их освоения. 2. Рабочие клапаны для непрерывной или периодической работы газлифтных скважин, оптимизации режима их работы при изменяющихся условиях в скважине путем 79 ступенчатого изменения места ввода газа в НКТ. При периодической эксплуатации через эти клапаны происходит переток газа в НКТ в те моменты, когда над клапаном накопится столб жидкости определенной высоты и эти клапаны перекрывают подачу газа после выброса из НКТ жидкости на поверхность. 3. Концевые клапаны для поддержания уровня жидкости в межтрубном пространстве ниже клапана на некоторой глубине, что обеспечивает более равномерное поступление через клапан газа в НКТ и предотвращает пульсацию. Они устанавливаются вблизи башмака колонны труб. По конструктивному исполнению газлифтные клапаны очень разнообразны. В качестве упругого элемента в них используется либо пружина (пружинные клапаны), либо сильфонная камера, в которую заблаговременно закачан азот до определенного давления (сильфонные клапаны). В этих клапанах упругим элементом является сжатый азот. Существуют комбинированные клапаны, в которых используются и пружина, и сильфон. По принципу действия большинство клапанов являются дифференциальными, т. е. открываются или закрываются в зависимости от перепада давлений в межтрубном пространстве и в НКТ на уровне клапана. Они используются как в качестве пусковых, так и в качестве рабочих. В отечественной практике нефтедобычи пружинные клапаны были разработаны (А. П. Крылов и Г. В. Исаков) и испытаны на нефтяных промыслах Баку. Пружинный дифференциальный клапан (рис. 9.8) укрепляется на внешней стороне НКТ. Он имеет основной 1 и вспомогательный 2 штуцера. Газ поступает через отверстия 3, число которых можно изменять. На обоих концах штока 4 имеются две клапанные головки, причем пружины, натяжение которых регулируется гайкой 6, держат шток прижатым к нижнему штуцеру 2. Таким образом, нормально клапан открыт. При его обнажении газ через отверстие 3 и штуцер 1 проникает в НКТ и газирует в них жидкость. В результате давление в НКТ Рт падает, а Рк остается постоянным. Возникает сила, стремящаяся преодолеть натяжение пружины Рп и закрыть клапан. Если f2 - площадь сечения нижнего штуцера, Рт - давление внутри клапана (потерями на трение пренебрегаем), а Рк - давление, действующее на нижний клапан, то условие закрытия клапана запишется как f 2  (Pк − Pт )  Fп или f 2  Р зак  Fп , (9.35) где Рзак = Рк - Рт - такая разность давлений, при которой преодолевается сила пружины Fп и клапан закрывается (закрывающий перепад). После закрытия верхняя головка прижмется к штуцеру 1, площадь которого f1 намного больше f2. При закрытии давление на клапане ниже штуцера 1 станет равным Рк. Оно будет действовать на большую площадь верхнего штуцера f1, и клапан будет надежно удерживаться в закрытом состоянии при условии f1  (Pк − Pт )  Fп , (9.36) Поскольку f1>> f2, то согласно (9.36) клапан будет оставаться закрытым даже при малом перепаде давлений Рк - Рт. При уменьшении разницы Рк - Рт до определенного минимума пружина преодолеет силу f1(Рк - Рт) и клапан откроется. Эта разница давлений называется открывающим перепадом. Таким образом, открытие клапана произойдет при условии f1  Р от  Fп , (9.37) 80 Сопоставляя (9.35) и (9.37) и учитывая, что f1>> f2, можно видеть, что Рзак >> Рот. Величины Рзак и Рот можно регулировать, изменяя натяжение пружины регулировочной гайкой 6, а также изменением сечения f2 штуцера 2. Пропускная способность клапана по газу регулируется числом или размером отверстий 3. Важной характеристикой для клапана является зависимость его пропускной способности от перепада давлений на клапане (рис. 9.9). К моменту закрытия клапана и отсечки газа уровень жидкости в межтрубном пространстве обнажает следующий клапан, который вступает в действие вместо закрытого предыдущего. Сильфонные клапаны бывают двух типов: • работающие от давления в межтрубном пространстве Рк; • работающие от давления в НКТ Рт. Сильфонный клапан, управляемый давлением Рк, (рис. 9.10), состоит из сильфонной камеры 1, заряженной азотом до давления. Эффективная площадь сечения сильфона fс. На штоке 2 имеется клапан 3, сечение седла которого fк. Через штуцерное отверстие 4 газ поступает из межтрубного пространства через клапан в НКТ. При закрытом клапане давление Рк в нем будет действовать на площадь сильфона fс за вычетом площади клапана fк. Со стороны НКТ на площадь fк будет действовать давление Рт. Обе эти силы будут стремиться открыть клапан. Препятствовать открытию будет давление газа в сильфоне Рс, действующее на площадь fc. Открытие клапана произойдет, если Рк (fс − fк ) + Рт  fк  Рс  fс . Давление, при котором откроется клапан, будет равно (Р к ) от  Рс  fс − Р т  fк . (f с − f к ) или (Р к ) от  Р с  fс fк − Рт  . (f с − f к ) (f с − f к ) 81 Деля числитель и знаменатель справа на fс и (Р к ) от  Р с  обозначая fк / fс =R, получим 1 R − Рт  . (1 − R ) (1 − R ) (9.38 ) Это будет давление в межтрубном пространстве, при котором клапан откроется. Решая (9.38) относительно Рс - давления зарядки сильфона, найдем Р с = (Р к ) от  (1 − R ) − Р т  R. (9.39 ) Это будет давление, которое необходимо создать в сильфонной камере при ее зарядке на поверхности при заданном давлении в межтрубном пространстве для открытия клапана (Рк)от. После открытия клапана давление внутри клапана будет действовать на всю площадь сильфона, поэтому будет справедливо равенство сил Рк  f с = Рс  f с . Непосредственно перед закрытием клапана в нем под сильфоном должно быть давление закрытия (Ра)зак (Р к ) зак  f с = Р с  f с . Откуда видно, что (Рк)зак = Рс. Тогда разница открывающего и закрывающего перепадов будет равна (Р к )от − (Р к )зак = Р с 1 R R − Рт − Р с = (Р с − Р т ) . 1− R 1− R 1− R (9.40 ) После подстановки в (9.40) значения Рс согласно (9.39) найдем R Р = (Р к )от − (Р к )зак = (Р к )от (1 − R ) + Р т  R − Р т  , 1− R или Р = (Р к )от − Р т   R. Из (9.41) видно, что R = fк / fс является важной величиной, определяющей характеристику клапана. Обычно диаметр седла клапана колеблется в пределах от 3 до 12 мм, а R от 0,08 до 0,5. Однако действительная величина R из-за неучета сил трения газа в клапане меньше расчетной, определяемой формулой (9.41). Это означает, что эффективное значение R меньше действительного. Уменьшение составляет ~ 6—7 %. Таким образом, изменением давления в межтрубном пространстве можно управлять работой клапана, т.е. открывать его или закрывать. (9.41) 82 Принципиальная схема клапана, чувствительного к изменениям давления в трубах, показана на рис. 9.11. В нем на сильфон всегда действует давление Рт, устанавливающееся в трубах. При накопленни жидкости в НКТ и соответствующем увеличении давления сопротивление сильфона преодолевается, и клапан открывается, впуская газ в НКТ из мсжтрубного пространства. После открытия давление Рт, будет действовать на всю площадь сильфона fс. При снижении давления в трубах до некоторой величины клапан закроется, так как сила, действующая со стороны сильфона, станет больше, чем сила, дсйствующая со стороны камеры клапана. Комбинированные клапаны имеют в дополнение к сильфону цилиндрическую пружину, которая воспринимает на себя часть нагрузки. Это позволяет делать сильфон более чувствительным к изменениям давления, действующего на него при прямом и обратном ходе. Клапаны этого типа могут применяться при периодической газлифтной эксплуатации. После выброса жидкости клапан закроется и откроется вновь только при накоплении жидкости в НКТ до определенной величины. Газлифтные клапаны в зависимости от конструкции укрепляются на колонне НКТ либо снаружи, либо внутри в специальных камерах, имеющих эллиптическое сечение. При наружном креплении клапанов для их замены при поломке или при необходимости изменения регулировки из скважины извлекают всю колонну труб. При креплении клапанов в эллиптических камерах внутри НКТ они извлекаются с помощью специальной, так называемой канатной техники, а колонна труб остается и скважине. Газлифтные клапаны и особенно его рабочие органы изготавливаются из специальных сталей и сплавов, стойких к действию коррозии и износу. Для того чтобы можно было осуществлять при необходимости промывку скважины, оборудованной газлифтными клапанами, последние снабжаются дополнительным узлом, выполняющим роль обратного клапана. При создании давления внутри НКТ обратный клапан закрывается, и поток промывочной жидкости идет не через газлифтный клапан, а через башмак колонны труб. Газлифтные клапаны, несмотря на их кажущуюся простоту, как это может показаться, если рассматривать их принципиальные схемы, в действительности являются сложными приборами, для изготовления которых нужна совершенная технология и высокая точность производства. Конструкция газлифтного клапана, управляемого давлением в трубах, показана в качестве примера на рис. 9.12. Клапан предназначен для крепления снаружи НКТ. Принципиальная схема такого клапана была показана на рис. 9.11. Такой газлифтный клапан комплектуется обратным клапаном, привинченным к нижнему концу. 6. ПРИНЦИПЫ РАЗМЕЩЕНИЯ КЛАПАНОВ Пусковые клапаны должны обладать большим закрывающим перепадом давлений, чтобы закрыться тогда, когда оттесняемый уровень жидкости достигнет следующего клапана и даст доступ газу через второй клапан. В такой последовательности клапаны работают до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет башмака НКТ или рабочего клапана. После этого скважина переходит на нормальный режим работы, а давление газа становится равным рабочему давлению. При больших закрывающих перепадах число клапанов на колонне труб 83 будет наименьшим. При последовательной работе пусковых клапанов с некоторого момента времени начинается приток жидкости из скважины, и это вносит изменения в порядок расчета их размещения. Очевидно, что при условии Рс > Рп притока жидкости из пласта в скважину не будет, и расчет размещения клапанов ведется без его учета. При условии Рс < Рп начнется приток, что необходимо учитывать. Глубина уровня жидкости в межтрубном пространстве, при котором можно не учитывать приток, так как давление на забое скважины будет оставаться больше пластового, определится как сумма глубины статического уровня Sс и давления газа в межтрубном пространстве, выраженного в м столба жидкости, L  Sс + Рк , g (9.42 ) где Рк - давление газа в межтрубном пространстве на уровне жидкости. При L  Sс + Рк , g (9.43 ) начнется приток, который необходимо учитывать при расчете размещения клапанов. Ранее было показано, что первое пусковое отверстие необходимо делать на глубине L1, которая определяется формулой (9.30), с учетом (9.29). Однако пусковые клапаны необходимо устанавливать на 15—20 м выше расчетной величины. Это создает начальный перепад давления у клапана, равный а = 15— 20 м столба жидкости, и ускоряет прохождение газа через клапан в начальный момент времени. При установке клапана точно на глубине L 1 давления по обе стороны его будут одинаковыми и движения газа через клапан не будет. С учетом сказанного формула для определения глубины установки первого клапана будет L1 = Sс + Р к1 − Р у  f  g  1 +   г   cos  fж   , (9.44 ) где Рк1 - давление газа на уровне первого клапана. Если перелив жидкости происходит раньше, чем газ в межтрубном пространстве достигнет глубины установки первого клапана, определяемой формулой (9.44), то первый клапан необходимо установить на глубине L1', которая определится из равенства давления в межтрубном пространстве Рк и гидростатического давления негазированного столба жидкости в НКТ высотой от уровня жидкости до устья с учетом давления на устье Р у и смещения клапана вверх на 20 м: ( ) Р к1 = L'1 + 20  g  cos  + Р у , откуда L'1 = Р к1 − Р у g  cos  − 20. (9.45) Место установки второго клапана определится из равенства давлений в межтрубном пространстве Рк2 на глубине установки второго клапана и давления в НКТ на той же глубине с учетом негазированного столба жидкости в НКТ между первым и вторым клапанами и давлением в НКТ на уровне первого клапана после выброса жидкости Рт. Аналогично случаю размещения пусковых отверстий [формула (9.31)] для равенства давлений будем иметь следующее соотношение: 84 Р к 2 = Р т1 + (х 2 + 20)  g  cos, (9.46) где Рк2 - давление газа в межтрубном пространстве на уровне второго клапана; Рт 1- давление в НКТ на уровне первого клапана после выброса жидкости; х2 - расстояние между первым и вторым клапанами (негазированный столб жидкости); 20м - поправка на смещение клапана для создания начального перепада давлений. Давление Рт1 включает противодавление на устье Ру и определястся либо по кривым распределения давления Р(х) в НКТ, либо по формулам, описывающим работу газожидкостного подъемника на режиме нулевой подачи, либо по среднему градиенту давления в НКТ при работе газлифта через первый клапан. Решая (9.46) относительно х2 и зная глубину установки первого клапана L1 [формулы (9.45) или (9.44)], получим L 2 = L1 + х 2 , или L 2 = L1 + Р к 2 − Р т1 − 20. g  cos  (9.47) По аналогии можно написать общую формулу для глубины установки i-го клапана L 2 = L1 + Р к 2 − Р т1 − 20. g  cos  (9.47) Формула (9.48) справедлива для расчета глубины установки клапанов независимо от того, есть или нет приток жидкости. Все различие расчета заключается в методе определения величины Ртi. Если при Рс > Рп, т. е. при отсутствии притока, Ртi желательно определять по нулевому дебиту, так как такой подход позволит определить наименьшее число клапанов, то при Рс > Рп, т. е. при наличии притока, Ртi надо определять с учетом притока. При наличии кривой Р(х) распределения давления в НКТ при нормальной работе лифта величины Ртi могут быть сняты с этой кривой. Существует также графический метод определения мест установки клапанов. При этом делаются предположения, что давления в НКТ на уровне клананов не падают ниже величины, соответствующей нормальной работе скважины; расход газа через клапан равен расходу газа в подъемнике при нормальной его работе; закон распределения давления в НКТ - линейный; давления у башмака Рб и на устье Ру при нормальной работе лифта известны. При линейном законе распределения давление на глубине х в НКТ равно Р тх = Р у + х (Р б − Р у ). L (9.49) Для определения Li по формуле (9.48) величина Рт(i-1) с учетом (9.49) находится так: Р т (i−1) = Р у + L i−1 (Р б − Р у ). L (9.50) Таким образом, по (9.50) определяется давление внутри НКТ на уровне предыдущего клапана Рт(i-1), а затем по формуле (9.48) глубина установки последующего клапана. Расчет прекращается, когда Li+1 > L, где L - длина спущенных труб или расстояние от устья до точки ввода газа в НКТ при нормальной работе скважин. Такой точкой может быть место установки концевого рабочего клапана или рабочего отверстия в однорядном лифте. 85 Графический метод расчета размещения пусковых клапанов нагляднее и проще (рис. 9.13). Для его использования необходимо иметь кривые распределения давления Р(х) в НКТ при нормальной работе газлифта (кривая 1), изменения давления газа в межтрубном пространстве (кривая 2) и изменения температуры (кривая 3). Если при пуске скважины происходит перелив жидкости - из точки Ру проводится линия 4 изменения гидростатического давления столба негазированной жидкости в НКТ до пересечения с линией давления газа 2 (точка а). Наклон этой линии зависит от плотности негазированной нефти и определяется простым уравнением (трением за малостью пренебрегаем) Р х = Р у + хg. (9.51) где Рх - гидростатическое давление на глубине х, откладываемой по оси ординат. Ордината точки а определяет глубину установки первого клапана L1, так как при этом гидростатическос давление жидкости в НКТ равно давлению газа в межтрубном пространстве. Пересечение горизонтали, проведенной из точки а, с линией 1 даст давление в НКТ Рт1 на уровне первого клапана после разгазирования и выброса жидкости из НКТ на участке L 1 тем количеством газа, которое равно расчетному для нормальной работы газлифта через башмак. Первый клапан на глубине L1 должен быть рассчитан на пропуск именно такого количества газа. После достижения в НКТ давления Рт1 вследствие нарушения равновесия уровень жидкости в межтрубном пространстве понизится до восстановления равенства давления в НКТ и межтрубном пространстве. Этому состоянию равновесия соответствует точка б. Эта точка находится проведением линии 5, параллельной линии 4, от точки Рт 1 на линии 1 до пересечения с линией 2, соответствующей изменению давления газа в межтрубном пространстве. Линия 5 является изменением гидростатического давления негазированной жидкости в НКТ между первым и вторым клапанами. Точка б соответствует равенству давлений в НКТ и межтрубном пространстве. Горизонтальная линия, проведенная через точку б до пересечения с осью ординат, даст глубину установки второго клапана L 2, а ее пересечение с линией 1 - давление Рт2 в НКТ после выброса жидкости из НКТ на участке L2 L1. Далее из точки Рт2, проводится линия 6, параллельная линиям 5 и 4, до пересечения с линией 2. Получаем точку в - глубину L3 установки третьего клапана. Указанный порядок графических построений продолжается до тех пор, пока глубина установки (i+1)- го клапана Li+1 не станет больше длины НКТ L. Из рис. 9.13 видно, что для данного случая необходимо установить пять пусковых клапанов на глубинах L1; L2; L3; L4; L5. Шестой клапан будет уже ниже башмака труб, находящегося на глубине L. Пересечение горизонтальных линий с температурной кривой Т(х) определит рабочие температуры пусковых клапанов на глубинах их установки. Эти температуры должны быть учтены при регулировке пусковых клапанов на поверхности и зарядке их сильфонных камер. Для уменьшения числа пусконых клапанов применяется повышенное давление газа (рис. 9.13, линия 2). Как видно, линия имеет небольшой наклон, учитывающий увеличение давления газа с глубиной за счет собственного веса. Линия 2 для газа строится по известной барометрической формуле 86 Р( х ) = Р к  е 0 gхТ0 Р0Тср zср , (9.52) где ρо - плотность газа при стандарных условиях; g - ускорение силы тяжести; Тср, zср средние абсолютная температура в скважине и коэффициент сжимаемости соответственно; Рк - давление в межтрубном пространстве на устье скважины (абсолютное); Р(х) - давление на глубине х (абсолютное), Распределение давления газа Р(х) можно рассчитать по упрощенной формуле через параметры на устье скважины, а именно    gТ Р ( х ) = Р к  1 + 0 0  х   Р Т z  0 ср ср   (9.53) Так как (9.53) - уравнение прямой, то достаточно вычислить давления Р, задавшись одним значением х. Полученную точку нанести на график и соединить ее прямой с точкой, соответствующей давлению на устье Рк. Температурная линия 3 строится путем соединения прямой линией пластовой температуры Тп и температуры на устье Ту. После того как газ достигнет башмака НКТ и начнется его поступление через башмак, давление в межтрубном пространстве может быть снижено до рабочего Рр, которое определяется нормальным режимом работы газлифтной скважины, характеризуемым расчетной линией распределения давления в НКТ 1. При нормальной работе газлифта черед башмак давления в НКТ и межтрубном пространстве на уровне башмака практически равны (рис. 9.13. точка с). Проводя линию 7, параллельную линии 2, до пересечения с горизонтальной линией на устье скважины, получим рабочее давление на устье Рр. Из принципов работы пусковых клапанов следует, что первый клапан закрывается при вступлении в работу второго, второй - при вступлении в работу третьего и т. д. Процесс разгазирования столба жидкости на участке L1, газом, поступающим через первый клапан, характеризуется перемещением точки Рт1 (по горизонтальной линии от точки а влево к линии 1, пока давление в НКТ не снизится до Рт1. К этому времени уровень жидкости обнажает второй клапан, через который газ начинает поступать в НКТ на глубине L2. Верхний клапан должен закрыться. Следовательно, закрывающий перепад первого клапана должен равняться расстоянию между точками а и Рт 1 в соответствующем масштабе. Аналогично, для второго клапана закрывающий перепад будет равен расстоянию между точками б и Рт2 и т. д. Все клапаны должны быть отрегулированы на эти открываюшие перепады созданием соответствующих натяжения пружины или давления в сильфонных камерах при их зарядке на поверхности в специальной испытательной установке, с учетом температуры на глубине их установки (Т1, Т2 и т. д.). До сих пор были наложены основные принципы размещения пусковых клапанов, которые не учитывают гидравлических потерь в самих клапанах при прохождении через них газа. Эти потери зависят от конструкции клапанов, сечения проточных каналов (отверстий штуцеров) и расхода газа. Для определения потерь на испытательных стендах снимаются характеристики пропускной способности клапанов и зависимости от перепада давления до и после клапана, а также регулируются их закрывающие и открывающие перепады. Кроме того, для инициирования прохождения газа через клапан необходимо создавать начальный перепад давления примерно в 20 м столба жидкости аналогичному тому, как это делается при размещении пусковых отверстий. Изложенная методика расчета размещения позволяет определить минимально необходимое число клапанов при данном пусковом давлении рк. Если увеличить рк (см. рис. 9.13), что соответствует смещению линии 2 вправо, то число ступеней между линиями 1 и 2 уменьшится, а следовательно, уменьшится число необходимых клапанов. Однако для уверенного пуска газлифта число клапанов берется с некоторым запасом. Это означает, что закрытие, например, верхнего (первого) клапана происходит не при выходе на нормальный режим (точка Рт1 рис. 9.13), а несколько раньше, т. е. при давлении в НКТ, несколько большем, чем Рт1. Для уяснения этих деталей рассмотрим размещение первого клапана (рис. 9.14). Точка Рк1 определяет равенство 87 давлений в НКТ и в межтрубном пространстве. Для создания инициирующего перепада клапан надо установить на такой глубине, чтобы давление за ним Р'к1 было бы меньше Рк1. Этот начальный перепад будет определяться расстоянием по горизонтали между точками б и Р'к1. Если задается перепад в 20 м столба жидкости, то необходимо эту величину отложить в единицах давления на горизонтальной линии а—б, начиная от точки б. Глубина установки первого клапана с учетом упомянутой поправки будет уже не на L 1, как прежде, a L'1, т. е. несколько меньшая. Для гарантирования пуска расчетное давление в НКТ на уровне первого клапана L'1 несколько увеличивают. С этой целью закрывающий перепад первого клапана ΔР 1 = Рк1 - Рт1, полученный ранее, уменьшают примерно на 10 % и откладывают его в масштабе по горизонтальной линии а—б, начиная с точки а, и получают точку Р'т1, - давление в НКТ, при котором должен закрыться первый клапан, установленный на глубине L 1. Положение второго клапана определяют проведением прямой 4, параллельной линии 3. Но в отличие от предыдущего эта новая линия 4 начинается в точке Р'т1, а не в точке Рт1, как раньше. Пересечение линии 4 с линией давления газа даст точку Р'к2, обеспечивающую начальный перепад давления в 20 м столба жидкости на уровне второго клапана, и определит глубину его установки L'2. Аналогично продолжается определение глубин установки и других клапанов. Очевидно, что с учетом этих поправок число клапанов увеличится, но увеличится и надежность системы. Учет этих поправок вносит изменения и в закрывающие перепады. Для первого клапана закрывающий перепад ΔΠз1 будет равен расстоянию от точки б до точки Р'т1. Для второго клапана ΔΠз2 - расстояние от точки в до точки Р'т2 и т. д. Здесь не рассмотрен случай, когда при пуске газлифтной скважины перелива не происходит и вся жидкость остается в НКТ. В этом случае уровень в НКТ не доходит до устья на некоторую величину, которую можно определить из формулы пускового давления (9.20). Если на устье скважины при ее пуске существует давление Ру, то формула (9.20) несколько изменится. К давлению пуска прибавится противодавление на устье Ру, которое надо преодолеть. С учетом этого формула для пускового давления (9.20) примет вид  f  Р пус = h    g  1 +   г   cos  + Р у , fж   (9.54) где h - погружение башмака под статический уровень. Подставляя вместо Рпус давление в межтрубном пространстве Рк, и решая (9.54) относительно h, получим возможное понижение уровня жидкости в межтрубном пространстве: h= Рк − Р у  f    g  1 +   г   cos  fж   , (9.55) Таким образом, h есть понижение уровня, отсчитанное от статического в межтрубном пространстве, когда на него действует давление газа Рк, а в НКТ имеется противодавление Ру. Давление в межтрубном пространстве Рк уравновешивается столбом жидкости в НКТ высотой х и противодавлением на устье Ру. Из равенства этих давлений получим Р к = х    g  cos  + Р у , (9.56) Откуда х= Рк − Р у   g  cos  , (9.57) 88 Здесь величина x отсчитывается от уровня жидкости в межтрубном пространстве, оттесненного от статического на величину h. Тогда расстояние S этого уровня жидкости в НКТ от устья будет равно S = Sс + h − x, (9.58) Подставляя в (9.58) значение h согласно (9.55) и значение х согласно (9.57), получим S = Sс + Рк − Р у  f    g  1 +   г   cos  fж   − Рк − Р у   g  cos  , (9.58) или после преобразований fг    Рк − Р у  fж S = Sс −  f   g  cos   1+   г  fж   ,   (9.59) Таким образом, если S > 0, т. e. уровень в НКТ ниже устья, то построение линии 3 должно начинаться из точки с координатами Ру и S, а не из точки Ру, 0, как это показано на рис. 9.13 и 9.14. В остальном графические построения остаются прежними. 7. ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА РЕЖИМА РАБОТЫ ГАЗЛИФТА Определение параметров режима работы газлифтной скважины основано на использовании кривых распределения давления при движении ГЖС в трубе. Важнейшими величинами, подлежащими определению, являются удельный расход нагнетаемого газа и давление нагнетания. Причем задача установления режима работы газлифта может быть поставлена по-разному. Например, ограничений на рабочее давление газа не накладывается; рабочее давление газа ограничено; рабочее давление не ограничено, но ограничен удельный расход газа; расход удельной энергии на подъем жидкости должен быть минимальным и т. д. Инженерный расчет газлифта, как и любого другого способа эксплуатации, возможен лишь в том случае, если уравнения притока жидкости и газа известны. При давлении на забое выше давления насыщения газовый фактор постоянный, и поэтому уравнение притока газа не требуется. Однако дренируемые пласты при вскрытии нескольких пропластков общим фильтром могут содержать чисто газовые прослои, для которых закон притока газа может существенно отличаться от закона притока жидкости. В таких случаях для расчета нужна индикаторная линия для газа или уравнение его притока. При заданном дебите проектируемой газлифтной скважины по уравнению притока или по индикаторной линии можно определить 89 забойное Давление Рс, соответствующее заданному дебиту Q. Должен быть известен пластовый газовый фактор Го При заданном дебите. Кроме того, должны быть известны или обоснованно приняты все остальные данные, необходимые для расчета кривой распределения давления Р(х). Начиная от точки Рс, по методу снизу вверх, по шагам, используя ту или иную методику расчета, определяют давления на разных глубинах и по этим данным строят кривую распределения Р(х) (рис. 9.15, кривая 1). Если Рс > Рнас, то в методику расчета вносится соответствующее изменение, и расчет кривой распределения давления для ГЖС начинается не от точки Рс, а от точки Рнас, лежащей выше. Далее рассчитывается также по шагам вторая кривая распределения Р(х), начиная от давления на устье, которое должно быть задано (рис. 9.15, кривая 2) по методу сверху вниз. Для построения второй кривой Р(х) принимается заданный дебит Q и другие параметры, которые использовались при расчете первой кривой Р(х). Однако расчетный газовый фактор Гр принимается с учетом удельного расхода нагнетаемого с поверхности газа Rн, т. е. Гр=Го+Rн. Величиной Rн можно задаться, исходя из реальных возможностей или технологических соображений. Если в последующем окажется, что принятый для расчета удельный расход нагнетаемого газа Rн дает неприемлемые результаты, то задаются другими Rн. Таким образом, вторая кривая Р(х) рассчитывается по тому же дебиту, что и первая, но для увеличенного газового фактора Гр=Го+Rн. Расчет и построение второй линии продолжаются до тех пор, пока обе линии (1 и 2) не пересекутся (рис. 9.15, точка а). Проекция этой точки на ось ординат определяет глубину ввода газа в НКТ Lг, а на ось абсцисс дает рабочее давление нагнетаемого газа у башмака Рб. Зная закон изменения давления газового столба и пренебрегая потерями на трение при движении газа по межтрубному пространству (рис. 9. 15, кривая 3), которые малы, можно определить рабочее давление нагнетаемого газа на устье Рp. Например, при использовании упрощенной формулы (9.53), решая ее относительно давления на устье, получим Рр = Рб .  0 gТ 0 1+  Lг Р 0 Т ср z ср (9.60) В данном случае Рр и Рб - абсолютные давления. Увеличение удельного расхода газа Гр приводит к уменьшению средней плотности ГЖС и градиента давления в трубах; это равносильно перемещению точки а (см. рис. 9.15) влево и вверх по линии 1 и, наоборот, уменьшение Гр увеличивает плотность и давление внизу подъемника и передвигает точку а вправо и вниз по линии 1. Из рис. 9.15 можно также видеть, что уменьшение Гр приводит к увеличению глубины ввода газа в НКТ, т. е. величины Lг, и увеличению рабочего давления. Увеличение Гр, наоборот, уменьшает рабочее давление и глубину места ввода газа в НКТ. Определенное по графику рабочее давление Рб и принятый удельный расход нагнетаемого газа Rн случайны и не всегда могут соответствовать технологическим возможностям эксплуатации. Для более обоснованного выбора режимных параметров работы газлифтной скважины при заданном дебите Q необходимо получить 90 результат для нескольких Rн. С этой целью вычисляются и строятся несколько кривых распределения давления Р(х) для нескольких разумно выбранных значений Rн, а следовательно, и Гр, но для одного заданного дебита Q (рис. 9.16). Для получения более надежных результатов и их анализа необходимо принять не менее четырех значений Rн и построить столько же кривых Р{х). Все кривые Р{х) рассчитываются по методу сверху вниз для заданного дебита Q и строятся из одной общей точки Ру. От точки Рс, как и прежде, строится линия распределения давления Р(х) для пластового газового фактора Го и заданного дебита Q (рис. 9.16, кривая 5). Пересечения кривых Р(х), построенных из точки ру, с нижней кривой Р(х) (точки 1, 2, 3, 4) дадут глубины ввода газа в НКТ Lг1, Lг2, Lг3, Lг4 и соответствующие им рабочие давления у башмака Рб1, Рб2, Рб3, Рб4. В дополнение к этим данным будем иметь четыре значения для удельного расхода нагнетаемого газа: Rн1 для кривой 1; Rн2 для кривой 2; Rн3 для кривой 3 и Rн4 для кривой 4. Поскольку с уменьшением расхода газа градиент давления растет и, следовательно, наклон линии Р(х) увеличивается, то можно сделать вывод о следующем соотношении: R н1  R н2  R н3  R н4. В результате таких расчетов получится совокупность данных, состоящая из нескольких значений Rн и соответствующих им значений Lг и Рб. Эти данные могут быть дополнены новыми важными данными об удельной энергии, расходуемой на подъем единицы массы или объема жидкости при различных режимах работы газлифта. Поскольку подъем происходит частично за счет пластовой энергии, обусловленной давлением на забое и пластовым газовым фактором, а частично за счет энергии, вводимой в скважину с поверхности и определяемой давлением нагнетаемого газа и удельным расходом нагнетаемого газа, то при оценке удельной энергии, затрачиваемой на подъем жидкости, представляет интерес только та энергия, которая затрачивается на поверхности в виде работы компрессорной станции при сжатии газа до определенного давления. Пластовая энергия хотя и расходуется на подъем жидкости, но в данном случае не должна учитываться. Газ в скважину нагнетается при рабочем давлении на поверхности. Поэтому указанная выше совокупность данных должна быть дополнена сведениями о рабочих давлениях на устье скважины Рp1, Рp2, Рp3, Рp4, соответствующих четырем значениям Rн. Величины Рр вычисляются, как и п предыдущем случае (см. рис. 9.15), по формуле (9.60). Знание рабочих давлений на устье скважины позволит определить удельную энергию на подъем жидкости для сравнительной оценки возможных режимов скважины с энергетической точки зрения, если предположить изотермическое расширение газа в НКТ, а энергию газа, выделяющегося дополнительно из жидкости, не учитывать, так как она относится к естественной пластовой энергии. В таком случае удельную энергию, отнесенную к 1 м3 жидкости, можно определить по формуле для изотермического процесса W = V  Р 0  ln Р1 . Р2 (9.61) 91 Применяя эту формулу для нашего случая и учитывая при этом, что газ расширяется при некоторой средней абсолютной температуре в НКТ Тср, что газ реальный, т. е. его сжатие или расширение характеризуется поправочным коэффициентом zср, а также что на подъем 1 м3 жидкости расходуется Rн м3 газа при стандартных условиях Ро и То, можно формулу (9.61) переписать следующим образом: W= R н  Р 0  z ср Т ср Т0  ln Рр Ру . (9.62) В этой формуле zcp определяется для среднего давления в скважине Рср = (Рр+Ру)/2 и средней температуры Тср. Заметим, что в формуле (9.62) давления должны быть взяты в абсолютных единицах. Определяя удельную энергию по формуле (9.62) для рассматриваемых четырех режимов, получим четыре значения удельной энергии. В результате получим следующую совокупность данных: удельный расход нагнетаемого газа Rн1, Rн2, Rн3; Rн4; рабочее давление Рр1, Рр2, Рр3, Рр4; глубина ввода газа Lг1, Lг2 Lг3, Lг4; удельная энергия W1, W2, W3, W4; рабочее давление у башмака Рб1, Р62, Рб3, Р64. По этим данным можно построить различные графические зависимости, которые позволят выбрать режим работы газлифта, отвечающий техническим возможностям промысла. Если учитывать главные режимные параметры - расход газа и его давление, то достаточно построить график Рp = f(Rн) (рис. 9.17). Через нанесенные на график четыре точки проводим плавную кривую 1, которая позволит выбрать любой промежуточный режим, лежащий между расчетными точками. График должен быть дополнен кривой зависимости Lp = f(Rн) (рис. 9.17, кривая 2). Если при выборе режима работы газлифта должны быть приняты во внимание энергетические условия, то на тот же график необходимо нанести кривую W = f(Rн). Этот график может иметь минимум (рис. 9.17, кривая 3). Построение таких графиков позволяет выбрать любой промежуточный режим, отличающийся от расчетных, и установить параметры оптимального режима работы газлифта, отвечающего минимальной удельной энергии. Как видно из рис. 9.17, минимуму W соответствуют оптимальные рабочее давление Рроп, расход газа Rноп и глубина спуска башмака или установки рабочего клапана Lгoп. 8. ОБОРУДОВАНИЕ ГАЗЛИФТНЫХ СКВАЖИН Арматура, устанавливаемая на устье газлифтных скважин, аналогичная фонтанной арматуре и имеет то же назначение - герметизацию устья, подвеску подъемных труб и возможность осуществления различных операций по переключению направления закачивания газа, операций по промывке скважины и пр. На газлифтных скважинах часто используется фонтанная арматура, остающаяся после фонтанного периода эксплуатации, но обычно применяется специальная упрощенная и более легкая арматура, поскольку возможные неполадки в ней не угрожают открытым фонтаном. Часто арматуру приспосабливают для нагнетания газа либо только в межтрубное пространство, либо в центральные трубы. Когда эксплуатация газлифтных скважин сопровождается интенсивным отложением парафина, арматура устья дополнительно оборудуется лубрикатором, через который в НКТ вводится скребок, спускаемый на проволоке для механического удаления парафина с внутренних стенок труб. Для борьбы с отложением парафина применяются и другие методы, как, например, остеклованные или эмалированные трубы, на гладкой поверхности которых парафин не удерживается и уносится потоком жидкости. На устье газлифтных скважин устанавливается регулирующая аппаратура - обычно клапан-регулятор давления с мембранным исполнительным механизмом, регулирующим давление после себя, для поддержания постоянного давления 92 нагнетаемого в скважину газа, так как в магистральных линиях часто наблюдаются колебания давления, нарушающие нормальную работу скважин, а иногда вызывающие и их остановку. В системах централизованного газоснабжения регуляторы давления, различные расходомеры, а также запорная арматура устанавливаются на газораспределительных пунктах (ГРП). При такой централизации контроля и управления за работой газлифтных скважин улучшается надежность и качество их обслуживания. Важнейшим достижением в области газлифтной эксплуатации было создание н освоение так называемой техники и технологии спуска н извлечения газлифтных клапанов через НКТ, устанавливаемых в специальных эксцентричных камерах, размещенных на колонне насосно-компрессорных труб на расчетных глубинах. Это исключило необходимость извлечения колонны труб для замены пусковых или рабочих клапанов при их отказе или поломке. В расчетных местах на колонне труб устанавливаются специальные эксцентричные камеры с карманом для ввода в него газлифтного клапана. В посадочном кармане спускаемый в него клапан уплотняется с помощью верхних и нижних колец из нефтестойкой резины и стопорной пружинной защелки. На внешней стороне эксцентричной камеры в месте расположения клапана между его уплотнительными кольцами делаются сквозные отверстия. Через эти отверстия газ из межтрубного пространства проходит в посадочный карман, а затем через боковые отверстия в самом клапане и его седло - в насосно-компрессорные трубы. Эксцентричная камера делается таким образом, что проходное сечение колонны труб и их соосность полностью сохраняются. В верхней части эксцентричной камеры (рис. 9.18) устанавливается специальная направляющая втулка, ориентирующая инструмент, на котором спускается клапан так, чтобы он при отклонении точно попадал в посадочный карман. На нижнем конце сборки посадочного инструмента имеется захватное пружинное устройство, которое освобождает головку клапана после его посадки в карман. Посадочный инструмент, имеющий шарнирные соединения, после того как он будет правильно ориентирован направляющей втулкой, переламывается в этих шарнирных соединениях с помощью пружинных устройств с тем, чтобы продольная ось спускаемого клапана совпала с продольной осью посадочной камеры. Посадочный инструмент спускается в НКТ на стальной проволоке диаметром от 1,8 до 2,4 мм через устье скважины. 93 Клапаны извлекаются также с помощью канатной техники. Для этого в скважину спускается экстрактор, который, попадая в эксцентричную камеру, после последующего небольшого подъема ориентируется там направляющей втулкой в плоскости посадочной камеры клапана. После ориентации экстрактора его звенья под действием пружин переламываются в сочленениях так, что становятся в положение перед ловильной головкой клапана. Захватное пружинное приспособление на конце экстрактора при посадке на ловильную головку клапана захватывает ее и при подъеме вырывает сам клапан из посадочной камеры. Для замены газлифтных клапанов в эксцентричных камерах или установки вместо газлифтных клапанов просто заглушек, не прибегая при этом к глушению или остановке скважины, на устье скважины устанавливается специальное оборудование устья газлифта ОУГ-80Х350 с проходным диаметром 80 мм и рассчитанное на давление 35 МПа, представляющее собой лубрикатор особой конструкции (рис. 9.19). На фланец верхней крестовины 1 газлифтной арматуры или на фланец буферной задвижки устанавливается малогабаритный перекрывающий механизм превентор 2 с ручным приводом, имеющий эластичные (резиновые) уплотняющие элементы, с помощью которых можно перекрыть скважину даже в том случае, когда в ней остается проволока. На превентор с помощью быстросъемных соединений крепятся секции лубрикатора 3, на верхнем конце которого имеется сальник 4 для пропуска проволоки 5 или тонкого каната и ролик 6. Внизу арматуры укрепляется натяжной шкив 7, через который канатик направляется на барабан лебедки с механическим приводом. Параллельно лубрикатору крепится небольшая съемная мачта 8 с полиспастом 9 для облегчения поднятия и сборки лубрикатора и ввода в него необходимого инструмента или извлечения поднятых клапанов. Натяжной шкив связан механически с датчиком 10, преобразующим силу натяжения канатика в электрические сигналы, передаваемые по кабелю 11 на индикаторное устройство. Датчик показывает натяжение канатика и дает информацию о захвате и извлечении газлифтного клапана из посадочной камеры. Вообще при использовании канатной техники 94 по натяжению канатика можно судить о проводимых операциях на глубине. В связи с этим точности определения натяжения канатика, предотвращению его обрыва придается особое значение при использовании канатной техники. В качестве привода для барабана лебедки используется гидравлический двигатель для более точного и плавного осуществления этих операций. Газлифтные клапаны устанавливаются и извлекаются с помощью гидравлической лебедки, смонтированной в кузове микроавтобуса, либо на специальной раме, переносимой вертолетом при использовании на заболоченных территориях. Такой агрегат (ДГТА-4) разработан проектной организацией Азинмаша. Агрегат смонтирован на шасси автомобиля УАЗ-452 и состоит из масляного насоса с приводом от двигателя автомобиля, двухскоростной лебедки с приводом от гидродвигателя, системы гидрооборудования, включающей клапанные и золотниковые устройства, а также гидросистему управления лебедкой. Перед оператором в кабине установлены индикатор натяжения проволоки и указатель глубины. Гидродвигатель лебедки может работать как насос в режиме торможения и может быть полностью остановлен перекрытием соответствующих клапанов. Агрегат применяется для работ по установке и извлечению газлифтных клапанов в скважинах глубиной до 4600 м при диаметре проволоки до 2,5 мм, а также для спуска измерительных приборов при исследовании скважин глубиной до 7000 м с проволокой 1,8 мм. Скорость подъема инструмента регулируется от 0,2 до 16 м/с. Номинальная мощность гидродвигателя лебедки ~ 27,2 кВт. Гидронасос масляный шестеренчатого типа развивает давление до 13 МПа при подаче 0,0025 м3/с (150 л/мин). Разработан также вариант агрегата для Западной Сибири на базе гусеничного транспортера ГАЗ-71. 9. СИСТЕМЫ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ Технически правильно организованная система газлифтной эксплуатации обязательно должна предусматривать использование отработанного в газлифтных скважинах газа низкого давления или так называемый замкнутый технологический цикл. Сущность его состоит в сборе отработанного газа и подаче его вновь на прием компрессоров, снабжающих газлифтные скважины газом высокого давления. Источником газа высокого давления могут быть как компрессорные станции, так и скважины чисто газовых месторождений. Отработанный газ после интенсивного перемешивания с нефтью в подъемных трубах насыщается тяжелыми газообразными углеводородами и для повторного использования требует предварительной подготовки. Природный газ газовых месторождений так же нуждается в предварительной подготовке - в удалении из газа конденсата и влаги, присутствие которых приводит к образованию в магистралях и в контрольно-измерительной арматуре кристаллогидратов, нарушающих нормальную эксплуатацию системы газоснабжения. Подготовка газа отделение конденсата и осушка - может производиться различными способами и составляет особую проблему, начиная от сооружения специальных газоперерабатывающих заводов с установками для низкотемпературной сепарации, абсорбционных установок для отделения тяжелых бензиновых фракций, осушки газа от влаги при его прокачке через «молекулярные сита» (твердые адсорбенты - молекулярные сита), очистки от сероводорода, механических примесей и др. до простого подогрева газа в беспламенных газовых печах перед подачей его в скважины. При использовании природного газа важно не допустить снижения давления ниже необходимого уровня в процессе предварительной подготовки газа. В наиболее простом виде подготовка осуществляется на специальных установках п состоит в следующем. 1. Дозированный ввод в поток газа на устье газовых скважин ингибиторов для предотвращения гидратообразования. Такими ингибиторами могут быть растворы хлористого кальция (СаСl2), гликоли, метанол и др. 95 2. Охлаждение газа с одновременным частичным понижением давления с последующим пропусканием его через сепараторы для отделения сконденсировавшейся капельной жидкой фазы. 3. Дросселирование газа через последовательную систему штуцеров для снижения давления газа до нужных пределов. 4. Подогрев газа в газовых пламенных или беспламенных печах до температуры 60— 90°С. 5. Пропуск газа через сосуды высокого давления - фильтры-пылеуловители для отделения механических примесей, вызывающих эрозию газлифтных клапанов, контрольноизмерительной и регулирующей аппаратуры и ряд других осложнений в работе всего газлифтного хозяйства. Для стабилизации давления в промысловой газораспределительной сети перед установкой по подготовке газа предусматривают регулятор давления «после себя». При движении по промысловым распределительным сетям газ охлаждается и газоконденсат, который улавливается в сепараторах и автоматически отводится при его накоплении по конденсатопроводам в нефтяную групповую установку. Опыт внедрения газлифта показал, что наиболее простым способом предотвращения осложнений в работе системы газораспределения, связанных с гидратообразованием, является подогрев газа. С этой целью разработаны передвижные подогреватели газа (ППГ-1), состоящие из двух секций трубчатого змеевика. В первой секции змеевик нагревается за счет теплоизлучения от раскаленных панелей беспламенных газовых горелок. Во второй секции за счет конвективного подогрева отходящими газами. Змеевики, нагревательные элементы, а также вся автоматика подогревателя крепятся на сварной металлической конструкции, снабженной салазками для транспортировки. Нагревательные элементы питаются горячим газом низкого давления. Отклонение температуры уходящего газа от заданной воспринимается регулятором температуры, воздействующим на клапан топливного газа. При увеличении температуры давление топливного газа понижается и наоборот. Установка снабжена необходимой автоматикой, запальным устройством и работает на автоматическом режиме. Производительность, м3/сут Нагрев газа, °С Расход топлива при давлении 50—70 кПа, м3/ч Температура уходящего газа, °С Максимальное давление подогреваемого газа, МПа Гидравлические потери давления газа в змеевике, МПа К. п. д. Габаритные размеры, м Масса, т 15-104 до 95 20_30 215—230 20 0,1—0,15 0,75—0,83 4,3х2,5х2,7 7,5 96 Подогреватели ППГ-1 и его модернизированная модель ППГ1-64 нашли широкое применение на отечественных промыслах с развитой газлифтной эксплуатацией. Подогреватели устанавливаются непосредственно у газовых скважин, иногда вдоль самого газопровода или перед газораспределительным пунктом (ГРП). В ГРП сосредоточено все управление и контроль за работой группы ближайших газлифтных скважин. Обычно к ГРП подводятся две линии - линия высокого давления для пуска скважин и линия нормального давления для работы газлифтных скважин. Регулировка рабочего давления и измерение расхода газа по каждой газлифтной скважине осуществляются на ГРП, в которых устанавливаются одна или несколько блочных газораспределительных батарей (ГРБ-14). ГРБ-14 рассчитана на подключение 14 скважин, изготавливается в заводских условиях и доставляется на ГРП в собранном виде (рис. 9.20). Батарея смонтирована на раме, имеет габариты 8х2 м, и массу 5 т. Суточный расход на одну скважину 5 - 12 тыс. м3 На каждой линии установлен игольчатый регулировочный вентиль и измерительная шайба. Дифференциальное давление до и после шайбы по тонким трубкам подается на регистрирующий самопишущий прибор с часовым механизмом для круглосуточной записи абсолютного давления и расхода на круглом бумажном бланке, отградуированном в процентах от максимального паспортного значения этих величин. В ряде случаев на линиях к скважинам устанавливается регулировочный клапан с мембранным исполнительным механизмом (МИМ), связанным с расходомером особой конструкции и позволяющим автоматически поддерживать заданный режим работы газлифтной скважины без ручной регулировки игольчатым вентилем. Трубопроводная обвязка и соответствующая запорная арматура позволяют осуществлять питание каждой скважины либо от пусковой, либо от рабочей линий. Выкидные линии скважин оборудуются обратными клапанами. В помещениях, где размещаются ГРБ, устанавливаются взрывобезопасное освещение и вентиляционные устройства. Кроме того, в нагнетаемый в газлифтные скважины газ часто вводят различные ингибиторы или ПАВы для борьбы с образованием стойких эмульсий и 97 лучшего диспергирования газожидкостных смесей, которое снижает потери давления на относительное скольжение газа и повышает к. п. д. подъема. Обработка эмульсий ПАВами уменьшает их эффективную вязкость, что также приводит к повышению к.п.д. и снижению удельных расходов нагнетаемого газа. Вводить ингибиторы и ПАВы удобнее всего на ГРП, на которых для этих целей кроме ГРБ устанавливают специальные дозировочные насосы с регулируемой и очень малой подачей. При ГРП сооружают легкое помещение для хранения затаренных ПАВов и для приготовления их растворов в специальных емкостях. Из емкости дозировочные насосы раствор ПАВа подают индивидуально в газовую линию каждой скважины пропорционально расходу газа пли подаче скважин. В чисто нефтяные скважины растворы ПАВа не подаются. 10. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГАЗЛИФТ Обычно разработка нефтяного месторождения сопровождается снижением пластового давления. Для эффективной работы газлифта необходимо иметь относительное погружение ε = 0,5—0,6. При падении пластового давления приходится опускать башмак насоснокомпрессорных труб до самого забоя скважины. Относительное погружение при этом уменьшается, что влечет за собой необходимость увеличения удельных расходов нагнетаемого газа. В конце концов эксплуатация скважин газлифтом из-за больших Rн становится невыгодной и возникает вопрос либо о переводе такой скважины на насосный способ эксплуатации, либо на периодический газлифт. Перевод на насосную эксплуатацию не всегда возможен из-за большого пластового газового фактора в условиях приема насоса, даже если его приходится устанавливать на забое, либо из-за обильного поступления песка. Такие скважины целесообразно перевести на периодический газлифт, при котором нагнетаемый в скважину газ подается периодически. Цикл работы периодического газлифта можно разделить на период накопления жидкости в скважине без закачки газа; период закачки сжатого газа в скважину; период расширения закачанного газа и выброса накопившейся в скважине жидкости. Вследствие цикличности работы скважины давление на забой периодически изменяется от минимального в начале периода накопления Тн до максимального к концу этого периода, т. е. перед началом периода выброса жидкости Тв. Уровень жидкости в скважине также изменяется от своего наинизшего положения перед началом периода накопления до наивысшего - к концу этого периода. Периодический газлифт называют еще лифтом замещения, так как накопившаяся жидкость замещается газом и выталкивается по насосно-компрессорным трубам в виде жидкостной пробки, которая в процессе своего подъема частично, а иногда и полностью смешивается с газом, образуя газожидкостную смесь. Дебит скважины при периодической эксплуатации всегда меньше, чем при непрерывной, при прочих равных условиях, так как среднеийтегральная депрессия на пласт вследствие периодических колебаний динамического уровня всегда меньше постоянной депрессии при непрерывной эксплуатации. Чем больше разница между среднеинтегральными депрессиями при периодической и непрерывной эксплуатациях, тем больше будет потеря добычи нефти при переходе на лифт замещения. Эта разница зависит от частоты циклов. Чем короче периоды, т. е. чем чаще циклы, тем меньше амплитуда колебаний динамического уровня жидкости в скважине и тем ближе его среднеинтегральное значение к уровню, устанавливающемуся при непрерывной работе скважины. Таким образом, переход на периодическую эксплуатацию неизбежно связан с частичной потерей в дебите скважины. Эти потери зависят от частоты циклов, которую можно изменять. Поэтому переход на периодический газлифт оправдан, если экономия от уменьшения удельного расхода газа, энергии и других затрат, связанных с таким переходом, превышает стоимость потерянной нефти. Необходимо заметить, что при определенной комбинации условий эксплуатировать скважину непрерывным газлифтом вообще становится невозможно из-за 98 низких уровней жидкости, слабых притоков, наличия песка и большого удельного расхода газа. Существует несколько разновидностей периодического газлифта: 1. Обычный газлифт с отсекателем на поверхности, действующим периодически. 2. Установка с концевым рабочим клапаном дифференциального действия и пакером, перекрывающим межтрубное пространство. 3. Установка с камерой замещения и двухрядным лифтом. 4. Установки с камерой замещения, однорядным лифтом и пакером. 5. Установки с плунжером. Этим перечнем не исчерпывается все разнообразие периодического и плунжерного газлифта. Однако подавляющая часть перечисленных разновидностей периодического газлифта находит весьма ограниченное практическое применение и поэтому описывается кратко. Следует отметить, что достоинства той или иной схемы периодического газлифта, кроме ее дешевизны, простоты и надежности, расцениваются по удельному расходу газа, а также по тому, воздействует или нет на пласт циклическое нагнетание газа в скважину, так как при таком воздействии сокращается приток и разрушается призабойная часть пласта. Газлифт с отсекателем - это обычная газлифтная скважина, которая работает периодически на режиме повторных пусков, причем циклы задаются клапаномпрерывателем, устанавливаемым на подводящей газовой линии у устья скважины.Программное устройство, имеющее часовой механизм, задает периоды, когда клапан открывает доступ газа в скважину для ее продувки и выброса жидкости и когда клапан находится в закрытом состоянии для накопления жидкости на забое. Такая система периодического газлифта имеет существенные недостатки. 1. При каждой подаче газа в межтрубное пространство давление этого газа передается на забой, в результате чего не только приостанавливается приток, но часть жидкости может поглощаться пластом благодаря возникновению давления больше пластового. 2. После каждого выброса происходит полная разрядка, т. е. выпуск газа из труб и из межтрубного пространства до давления на устье, что существенно увеличивает удельный расход газа. Установка с рабочим клапаном дифференциального действия и пакером (рис. 9.21) устраняет оба существенных недостатка обычного периодического газлифта, так как газ отсекается после выброса всей жидкости клапаном 1 у самого башмака НКТ, благодаря чему объем газа в межтрубном пространстве после окончания продувки сохраняется. Пакер 2 и обратный клапан 3 на башмаке НКТ изолируют пласт от давления газа со стороны НКТ в периоды продувки скважины, но одновременно и приостанавливают приток жидкости из пласта, так как на забое нет камеры или пространства, где эта жидкость могла бы накапливаться. Клапан 1 (см. рис. 9.21) нормально закрыт. Давление газа в межтрубном пространстве благодаря пакеру 2 и обратному клапану 3 не воздействует на пласт и не препятствует притоку жидкости, которая накапливается в НКТ. Сильфон клапана-отсекателя 1, чувствительный к давлению столба жидкости в НКТ, после достижения ею определенной высоты h сжимается и открывает доступ газа в НКТ. Клапан 3 предотвратит действие давления газа на пласт. После выброса жидкости давление Рт на уровне клапана в НКТ уменьшается практически до давления Ру на устье. При этом перепаде давления клапан-отсекатель закроется, 99 предотвратит «выпуск» газа из межтрубного пространства и будет оставаться закрытым до тех пор, пока в НКТ снова не накопится столб жидкости высотой h, при котором клапан вновь откроется. Недостатком схемы является периодическое прекращение притока жидкости из пласта в скважину в периоды подъема и выброса столба жидкости. Установка с камерой замещения и двухрядным подъемником показана на рис. 9.22. На конце внешнего первого ряда труб 3 спускается камера замещения 1 для накопления в ней жидкости. Обратный клапан 2 предохраняет пласт от воздействия сжатого газа в периоды продавки скважины. Приток жидкости при этом не приостанавливается, так как вся притекающая жидкость накапливается не только в камере замещения, но и в межтрубном пространстве 6. Автомат-отсекатель 5, установленный на подводящей газовой линии и снабженный программным устройством, в определенные моменты времени открывает доступ газа в пространство между первым и вторым рядами труб. Жидкость из камеры 1 выдавливается во второй внутренний ряд труб 4. После выброса жидкости и падения давления нагнетаемого газа автомат-отсекатель перекрывает доступ газа на период накопления жидкости.Преимуществом этой схемы является непрерывный приток жидкости из пласта в скважину и уменьшение потерь газа при разрядке за счет малого объема межтрубного пространства между рядами труб по сравнению с объемом обсадной колонны. К недостаткам следует отнести наличие двух рядов труб и специального автомата-отсекателя на газовой линии. Установка с камерой замещения и однорядным подъемником показана на рис. 9.23. По межтрубному пространству, перекрытому в нижней части пакером /, непрерывно подается сжатый газ. Пакер 1, накопительная камера 2 с обратным клапаном 3 и вспомогательной трубкой 4 в нижней части спускаются в скважину на одной колонне НКТ 5. Над пакером устанавливается клапан-отсекатель 6. По мере накопления жидкости в камере 2, межтрубном пространстве обсадной колонны, а также в НКТ растет давление, действующее на клапан 6 со стороны труб. При достижении определенного давления, на которое отрегулирован клапан, последний открывается и впускает газ в накопительную камеру из межтрубного пространства. Обратный клапан 3 закрывается. Происходит выброс жидкости и общее падение давления в системе. Перепад давления в отсекающем клапане достигает максимума, так как давление газа в межтрубном пространстве остается постоянным и равным давлению нагнетания. В этот момент клапан закрывается, предотвращая дальнейшее расходование газа из межтрубного пространства. После выброса и падения давления в НКТ обратный клапан 3 открывается. Жидкость, накопившаяся под пакером, перетекает и заполняет камеру замещения 2 и объем 100 НКТ над клапаном 6. При достижении определенного давления на клапан 6 со стороны НКТ он снова открывается и цикл повторяется. Такая схема периодического газлифта экономична, так как имеет один ряд труб и обеспечивает минимально возможный при данных условиях удельный расход газа. Однако регулировка продолжительности циклов. связанная с изменением регулировки клапана-отсекателя, затруднительна, ибо связана с необходимостью извлечения его на поверхность вместе со всем оборудованием. В связи с этим в последнее время созданы конструкции периодического газлифта, в которых рабочие клапаны-отсекатели устанавливаются в эксцентричных камерах и извлекаются с помощью канатной техники, как это описано ранее. В подобных схемах периодического газлифта возможно использование рабочих клапанов-отсекателей, управляемых с поверхности изменением в определенных пределах давления в межтрубном пространстве клапаном-регулятором давления на питающей газовой линии. При повышении давления в межтрубном пространстве до определенного предела рабочий клапан-отсекатель открывается, происходит впуск газа в камеру замещения и НКТ. После выброса жидкости давление в межтрубном пространстве несколько понижается и клапан-отсекатель закрывается для очередного накопления жидкости. Такая система удобна для регулирования периодичности работы газлифта на поверхности и выбора таких периодов накопления жидкости и ее выброса, при которых средний дебит достигает максимума, а удельный расход газа - минимума. Типичной установкой периодического газлифта с плунжером является так называемый плунжерный лифт. При вытеснении газом столба жидкости, накопившейся в камере замещения, по НКТ в установках периодического газлифта происходит неполное вытеснение жидкости на поверхность. Часть жидкости стекает по стенкам труб вниз. Количество стекающей вниз жидкости, очевидно, зависит от высоты подъема, диаметра труб и вязкости жидкости. Чем больше высота подъема и диаметр труб и чем меньше вязкость жидкости и скорость подъема, тем больше жидкости стечет вниз по внутренним стенкам колонны труб назад в камеру замещения. При некоторой комбинаций условий вся поднимаемая жидкость в процессе такого подъема заместится газом и стечет назад по стенкам труб. Это привело к мысли установить подвижную перегородку на границе раздела жидкости и газа. В качестве такой подвижной перегородки используют поршень-плунжер в виде свободно двигающейся в НКТ короткой трубы длиной 0,5 - 0,6 м. На внешней поверхности поршня делаются кольцевые канавки для увеличения гидравлического сопротивления в зазоре между плунжером и трубой, служащие лабиринтным уплотнением. Зазор между поршнем и внутренним диаметром НКТ составляет 1,5 - 2 мм. В нижней части поршня имеется клапан со штоком. При нажатии на шток клапан закрывается и может оставаться в закрытом состоянии, если давление, действующее на него снизу, больше давления, действующего сверху. При выравнивании давлений клапан падает под действием собственной тяжести и устанавливается в специальном посадочном седле, открывая боковые окна для свободного прохода газа через поршень. В таком состоянии (с открытым клапаном) поршень падает вниз по НКТ, достигает уровня жидкости, погружается в нее и доходит до упора на башмаке НКТ. Шток клапана, ударясь об упор, закрывает клапан, а газ, накапливающийся под плунжером, начинает толкать его вверх вместе со столбом жидкости, находящимся над поршнем. Происходит подъем очередной порции жидкости и ее перелив в отводную нефтесборную линию. После слива жидкости давления над и под плунжером выравниваются, клапан открывается и утапливается в свое седло, оставляя каналы открытыми для свободного прохода газа. В таком состоянии плунжер беспрепятственно падает по НКТ вниз до упора на башмаке, при ударе о который он снова закрывается. Цикл повторяется. Наличие такого разделительного поршня между столбом жидкости и подпирающим его газом существенно уменьшает потери жидкости, поскольку ее утечки в малом зазоре (1,5 - 2 мм) между поршнем и подъемными трубами малы. Кроме того, уменьшению этих утечек способствует и то, что давление газа под поршнем всегда несколько больше гидростатического давления столба жидкости над ним. Полет поршня вниз при открытом 101 клапане происходит с большой скоростью. Поэтому для смягчения его ударов в нижней части НКТ вместо жесткого упора устанавливается пружинный амортизатор, не препятствующий проходу жидкости, но смягчающий удары поршня при падении. На буфере скважины, в верхней части колонны НКТ также устанавливается пружинный амортизатор, смягчающий удары поршня при подъеме. Плунжерный лифт может работать как на пластовом газе, так и с подкачкой газа с поверхности. Поэтому обвязка устья предусматривает возможность подачи сжатого газа в межтрубное пространство при недостатке пластового газа. Кроме того, на газовой линии, питающей скважину, устанавливают клапан-прерыватель с мембранным исполнительным механизмом, действующим от давления на буфере, или связанный с часовым механизмом. При такой обвязке газ периодически с заданными циклами подается в межтрубное пространство, продолжительность которых подбирается опытным путем. Плунжерный лифт и его разновидности - так называемый гидропакерный лифт - не нашли широкого применения при добыче нефти. Неустойчивость работы, частые самопроизвольные остановки, необходимость постоянного квалифицированного обслуживания, а также низкий к. п. д. установки, связанный со значительным удельным расходом газа, не способствовали широкому распространению этого вида периодического газлифта. Следует также отметить, что сказанное относится не только к плунжерному лифту, но и к периодической газлифтной эксплуатации вообще. 11. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗЛИФТНЫХ СКВАЖИН Исследование газлифтных скважин необходимо для: • установления режима работы скважины с минимальным расходом нагнетаемого газа; • снятия индикаторной линии или определения уравнения притока; • определения глубины ввода газа в лифт; • снятия профиля притока при эксплуатации многопластового горизонта с помощью скважинных дебитомеров. При работе газлифтных скважин нередко наблюдается пульсация, т. е. чередование выбросов жидкости и газа. Такое явление наблюдается, когда режим работы газлифтной скважины соответствует той части кривой Q(V), которая лежит слева от точки оптимального режима, т. е. на левой крутой ветви кривой q{V). При пульсирующем режиме работы скважины удельный расход газа может быть намного больше, чем при работе на оптимальном режиме. Как отмечалось ранее, одним из методов борьбы с пульсацией является установление концевого рабочего клапана. Для установления оптимального режима газлифтная скважина исследуется методом установившихся отборов. Изменение отборов, т. е. дебитов, достигается изменением количества подаваемого газа на газораспределительном пункте или непосредственно у скважины, что приводит к изменению пропускной способности лифта. Изменение пропускной способности приводит к нарушению баланса между количеством жидкости, притекающей из пласта, и поднимаемой газлифтным подъемником из скважины. В результате жидкость либо накапливается в скважине (при двухрядном лифте), либо расходуется из затрубного пространства. Это приводит к изменению положения динамического уровня, а следовательно, погружения и 102 рабочего давления у башмака лифта. В соответствии с этим изменяется рабочее давление на устье и в ГРП. После наступления нового установившегося режима работы скважины, что отмечается постоянством расхода газа, его давления и дебита скважины, на забой можно спустить манометр и замерить соответствующее данному дебиту забойное давление. Изменяя таким образом несколько раз режим работы скважины, можно получить данные об изменениях дебита, удельного расхода нагнетаемого газа, рабочего давления на устье и забойного давления. По этим данным строятся графики изменения показателей от расхода газа, по которым можно установить желаемый режим работы газлифтной скважины и, в частности, оптимальный режим. Такое исследование дает наиболее точную информацию об условиях работы скважины и, в частности, наиболее точную индикаторную линию. Однако спуск манометра - процесс трудоемкий. Поэтому часто ограничиваются измерением только рабочего давления, расхода газа, дебита и вычислением удельного расхода нагнетаемого газа при различных режимах работы скважины. Регулировку расхода газа Vг начинают с самых малых значений, при которых возможна работа скважины, и доводят ступенчато до самых больших расходов, при которых наблюдается снижение дебита. По полученным данным строят графики, показанные на рис. 9.24. Увеличение дебита соответствует понижению давления на забое Рс, снижению динамического уровня и погружения, а следовательно, и рабочего давления у башмака НКТ Рб и на устье Рр. Поэтому кривая изменения рр должна иметь минимум против максимума дебита Q. Однако кривая Рр не является зеркальным отображением кривой Q, так как в характер зависимости Рр вносятся некоторые изменения за счет веса столба газа и его трения в межтрубном пространстве, а также за счет изменения плотности столба газожидкостной смеси между забоем и башмаком труб. Касательная, проведенная из начала координат к линии Q, определяет точку касания 1, соответствующую такому дебиту газлифтной скважины, при котором удельный расход нагнетаемого газа Rн = Vг / Q минимальный. На том же рисунке показана кривая Rн(Vг), на которой точка 2 соответствует (Rн)min. Точка 3 на кривой Q(Vг) характеризует максимальный дебит жидкости, который может быть получен, если не накладывать никаких ограничений на расходуемое количество газа и на к. п. д. его использования. Точка 4 на кривой Rн(Vг) соответствует удельному расходу газа при максимальной подаче газлифтного подъемника. При установлении режима работы скважины по данным ее исследования кроме дебита жидкости необходимо также учитывать рабочее давление газа, его ресурсы и к. п. д. процесса. По полученным таким способам данным можно построить индикаторную линию притока, однако достоверность ее будет тем меньше, чем больше расстояние между башмаком и забоем и чем больше пластовый газовый фактор. Дело в том, что по показанию манометра, замеряющего устьевое рабочее давление Рр, и по барометрической формуле, можно достаточно точно определить давление у башмака труб Рб. Потери давления на трение газа при его движении от устья до башмака обычно малы (при глубине скважины 1000 м, расходе газа 10000 м3/сут (средний - реальный расход), диаметре обсадной колонны 168 мм, диаметре НКТ 73 мм, Ру = 5 МПа потери на трение составляют 0,07 МПа.). В крайнем случае их нетрудно определить по соответствующим формулам, используемым при расчете систем транспортирования газа по трубопроводам. Таким образом, величина Рб определяется достаточно надежно. Для перехода от Рб к давлению на забое скважины Рс необходимо учесть гидростатическое давление в интервале между башмаком труб и забоем скважины, так как Рс = Рб +   g  (H − L), (9.63) где ρ - с чертой средняя плотность ГЖС между забоем Н и башмаком труб L. Кроме того, в интервале (Н - L) происходят потери давления на трение, которые, вообще говоря, невелики и поддаются оценке с помощью формул трубной гидравлики. Наибольшие затруднения возникают при определении р, и чем больше пластовый газовый фактор, тем больше погрешности в оценке средней плотности р на интервале Н - L. Дополнительные погрешности возникают в случае движения обводненной нефти, так как в этом случае из-за большей плотности воды по сравнению с нефтью возникает отрицательная относительная 103 скорость воды по отношению к нефти, и достоверный учет этих явлений затруднителен. Применяя численные методы построения кривой распределения давления Р(х) от башмака с дав лением RQ по методу .сверху вниз, можно определить забойное давление рс, так как n Р с = Р б +  Р i (9.64) i =1 где ΔРi рассчитывается, например, по методике, изложенной в главе 7. Рассчитав по формуле (9.63) или (9.64) давление на забое Рс при различных режимах работы газлифтной скважины и зная дебиты Qi, соответствующие этим режимам, можно построить график Q(Рc), т. е. индикаторную линию, и путем ее математической обработки получить общее уравнение притока жидкости или раздельно нефти, газа и воды для данной скважины. При установке на колонне НКТ нескольких дифференциальных пусковых клапанов и при изменении давления газа в подводящем газопроводе эти клапаны могут работать как рабочие. Поэтому при колебаниях давления газа или давления в пласте (например, при изменении темпа нагнетания воды в ближайшие нагнетательные скважины) поступление газа в НКТ газлифтной скважины может происходить не через башмак, а через какой-нибудь пусковой клапан, который начнет выполнять функции рабочего. Для распознавания таких самопроизвольных явлений, ведущих к нарушению установленных оптимальных режимов работы скважин, применяются чувствительные скважинные манометры и различные шумопеленгаторы. В местах притока газа наблюдается излом кривых распределения температуры вдоль НКТ, связанный с термодинамическими эффектами, происходящими при смешении пластовой жидкости с газом, проникающим из межтрубного пространства через работающий клапан. Шумопеленгатор, представляющий собой обычный микрофон, спускаемый в скважину на кабеле, непосредственно отмечает появление интенсивного шума на глубине работающего клапана. Подобные исследования важны для выявления неработающих клапанов и их замены. Дебитометрические исследования производятся, как обычно, с помощью скважинных дебитомеров или комплексных приборов типа «Поток», замеряющих одновременно несколько параметров и их распределение вдоль вскрытой части пласта - интервала перфорации. Эти исследования важны еще и потому, что при последующем переводе скважины с газлифтного способа на ПЦЭН или ШСН их осуществить будет уже нельзя, т. е. спуск подобных приборов в скважины, оборудованные этими насосами, практически невозможен. ГЛАВА 5 ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН ШТАНГОВЫМИ НАСОСАМИ 1. ОБЩАЯ СХЕМА ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ, ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ И НАЗНАЧЕНИЕ Штанговая насосная установки ШНУ (рис. 9.1) состоит из наземного и подземного оборудования. Подземное оборудование включает: штанговый скважинный насос (ШСН) со всасывающем клапаном 1 (неподвижный) на нижнем конце цилиндра и нагнетательным клапаном 2 (подвижный) на верхнем конце поршня-плунжера, насосные штанги 3 и трубы. Кроме того, подземное оборудование может включать различные защитные устройства (газовые и песочные якори, хвостовики), присоединяемые к приемному патрубку ШСН и улучшающие его работу в осложненных условиях (песок, газ). 104 В наземное оборудование входит станок-качалка (СК), состоящий из электродвигателя 9, кривошипа 7, шатуна 8, балансира 6, устьевого сальника 5, устьевой обвязки и тройника 4. Станок-качалка сообщает штангам возвратно-поступательное движение, близкое к синусоидальному. СК имеет гибкую канатную подвеску для сочленения с верхним концом полированного штока и откидную или поворотную головку балансира для беспрепятственного прохода спускоподъемных механизмов (талевого блока, крюка, элеватора) при подземном ремонте. Балансир качается на поперечной оси, укрепленной в подшипниках, и сочленяется с двумя массивными кривошипами 7 с помощью двух шатунов 8, расположенных по обе стороны редуктора. Кривошипы с подвижными противовесами могут перемещаться относительно оси вращения главного вала редуктора на то или иное расстояние вдоль кривошипов. Противовесы необходимы для уравновешивания СК. Редуктор с постоянным передаточным числом, маслозаполненный, герметичный имеет трансмиссионный вал, на одном конце которого предусмотрен трансмиссионный шкив, соединенный клиноременной передачей с малым шкивом электродвигателя 9. На другом конце трансмиссионного вала имеется тормозной барабан. Опорный подшипник балансира укреплен на металлической стойке-пирамиде. Все элементы станка-качалки - пирамида, редуктор, электродвигатель крепятся к единой раме, которая закрепляется на бетонном фундаменте. Кроме того, все СК снабжены тормозным устройством, необходимым для удержания балансира и кривошипов в любом заданном положении. Точка сочленения шатуна с кривошипом может менять свое расстояние относительно центра вращения перестановкой пальца кривошипа в то или иное отверстие, которых для этого предусмотрено несколько. Этим достигается ступенчатое изменение амплитуды качаний балансира, т. е. длины хода штанг. Поскольку редуктор имеет постоянное передаточное число, то изменение частоты качаний достигается только изменением передаточного числа клиноременной трансмиссии и сменой шкива на валу электродвигателя на больший или меньший диаметр. Промышленностью выпускается большое число станков-качалок различных типоразмеров (так называемый нормальный ряд) грузоподъемностью на головке балансира от 10 до 200 кН, в соответствии с широким диапазоном глубин и дебитов скважин, которые приходится оборудовать штанговыми установками (ШСНУ). Типоразмеры СК и их основные параметры регламентируются государственным стандартом. Штанговый скважинный насос состоит из длинного (2 - 4 м) цилиндра той или иной конструкции. На нижнем конце цилиндра укреплен неподвижный всасывающий клапан, открывающийся при ходе вверх. Цилиндр подвешивается на трубах. В нем перемещается поршень-плунжер, выполненный в виде длинной (1 - 1,5 м) гладко обработанной трубы, имеющей нагнетательный клапан, также открывающийся вверх. Плунжер подвешивается на штангах. При движении плунжера вверх жидкость через всасывающий клапан под воздействием давления на приеме насоса заполняет внутреннюю полость цилиндра. При ходе плунжера вниз всасывающий клапан закрывается, жидкость под плунжером сжимается 105 и открывает нагнетательный клапан. Таким образом, плунжер с открытым клапаном погружается в жидкость. При очередном ходе вверх нагнетательный клапан под давлением жидкости, находящейся над плунжером, закрывается. Плунжер превращается в поршень и поднимает жидкость на высоту, равную длине хода (0,6 - 6 м). Накапливающаяся над плунжером жидкость достигает устья скважины и через тройник поступает в нефтесборную сеть. 2. ПОДАЧА ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА И КОЭФФИЦИЕНТ ПОДАЧИ При перемещении плунжера вверх на величину его хода Sn вытесняется объем жидкости q1 = Sп  (F − f ), где F - площадь сечения плунжера (или цилиндра насоса); f - площадь сечения штанг. При перемещении плунжера вниз на ту же величину Sп вытесняется дополнительный объем жидкости, равный q 2 = Sп  f . За полный (двойной) ход плунжера подача насоса равна сумме подач за ход вверх и ход вниз: q = q1 + q 2 = Sп  (F − f ) + Sп  f = F  Sп . Если плунжер делает n ходов в минуту, то минутная подача будет равна (qn). Умножая на число минут в сутки, получим суточную подачу в объемных единицах Q = F  Sп  n  60  24 = 1440  F  Sп  n. (10.1) Между плунжером и точкой подвеса штанг, т. е. головкой балансира, от которого плунжеру передается возвратно-поступательное движение, находится длинная колонна штанг, которую необходимо рассматривать как упругий стержень. Поэтому движение плунжера ни по амплитуде, ни по фазе не совпадает с движением точки подвеса. Другими словами, ход плунжера Sп не равен ходу точки подвеса S. Действительный ход плунжера не поддается прямому измерению. Ход точки подвеса поддается измерению и бывает известен из паспортной характеристики станка-качалки. Поэтому в формулу (10.1) вместо Sп подставляют S, при этом получается так называемая теоретическая подача ШСН Q т = 1440  F  S  n. (10.2) Действительная подача Qд, замеренная на поверхности после сепарации и охлаждения нефти, как правило, меньше теоретической (за исключением насосных скважин с периодическими фонтанными проявлениями) в силу целого ряда причин. Отношение Qд к Qт называют коэффициентом подачи насоса, который учитывает все возможные факторы, отрицательно влияющие на подачу ШСН. .Таким образом, коэффициент подачи  = Qд / Qт . (10.3) Для каждой конкретной скважины величина η служит в известной мере показателем правильности выбора оборудования и режима откачки установки. Нормальным считается, если η >0.6 – 0.65. Однако бывают условия (большие газовые факторы, низкие динамические уровни), когда не удается получить и этих значений коэффициентов подачи, и тем не менее откачка жидкости с помощью ШСН может оставаться самым эффективным способом эксплуатации. На коэффициент подачи ШСН влияют постоянные и переменные факторы. К постоянным факторам можно отнести: • влияние свободного газа в откачиваемой смеси; 106 • уменьшение полезного хода плунжера по сравнению с ходом точки подвеса штанг за счет упругих деформаций насосных штанг и труб; • уменьшение объема откачиваемой жидкости (усадка) в результате ее охлаждения на поверхности и дегазации в сепарационных устройствах. К переменным факторам, изменяющимся во времени, можно отнести: • утечки между цилиндром и плунжером, которые зависят от степени износа насоса и наличия абразивных примесей в откачиваемой жидкости; • утечки в клапанах насоса из-за их немгновенного закрытия и открытия и, главным образом, из-за их износа и коррозии; • утечки через неплотности в муфтовых соединениях НКТ, которые все время подвергаются переменным нагрузкам. Переменные факторы, сводящиеся к различного рода утечкам, меняются во времени и поэтому их трудно определить расчетным путем, за исключением утечек через зазор между плунжером и цилиндром. Это приводит к тому, что коэффициент подачи η вновь спущенного в скважину насоса, после незначительного его снижения в начальный период в результате приработки плунжера, затем стабилизируется и длительное время остается практически постоянным. Затем он заметно начинает снижаться в результате прогрессирующего износа клапанов, их седел и увеличения зазора между плунжером и цилиндром. Наряду с этим может произойти и резкое уменьшение коэффициента подачи в результате смещения втулок насосов, отворотов и неплотностей в муфтах. Таким образом, результирующий коэффициент подачи насоса можно представить как произведение нескольких коэффициентов, учитывающих влияние на его подачу различных факторов:  = 1  2  3  4 , (10.4) где η1 - коэффициент наполнения цилиндра насоса жидкостью, учитывающий влияние свободного газа; η2—коэффициент, учитывающий влияние уменьшения хода плунжера; η3 коэффициент утечек, учитывающий наличие неизбежных утечек жидкости при работе насоса; η4 - коэффициент усадки, учитывающий уменьшение объема жидкости при достижении ею поверхностных емкостей. Рассмотрим эти коэффициенты более подробно, а также методы их расчета. 3. ФАКТОРЫ, СНИЖАЮЩИЕ ПОДАЧУ ШСН Влияние газа Влияние газа в откачиваемой жидкости учитывается коэффициентом наполнения цилиндра насоса. Он равен отношению объема жидкости Vж, поступившей в насос, ко всему объему смеси Vcм, состоящему из объема жидкости Vж и объема свободного газа Vг: 1' = Vж Vж 1 1 = = = , Vсм Vж + Vг 1 + Vг Vж 1 + R (10.5) где R—газовый фактор при температуре Тпр, и давлении Рпр на приеме насоса. Формула (10.5) не учитывает наличия в ШСН вредного пространства и его влияние на коэффициент наполнения при откачке газированной жидкости. Поэтому формула (10.5) дает завышенный η1’. Вредным пространством ШСН называют объем, заключенный между всасывающим и нагнетательным клапанами насоса при крайнем нижнем положении плунжера. При ходе плунжера вниз газожидкостная смесь под ним сжимается до давления, равного давлению над плунжером, которое достаточно велико. Газ растворяется в жидкости и, в частности, в той, которая находится во вредном пространстве. При последующем ходе вверх давление под плунжером падает до давления на приеме насоса. Растворенный газ выделяется и 107 задерживает открытие всасывающего клапана, пока давление не упадет до давления приема. В результате под плунжер поступает меньшее количество смеси. А. С. Вирновский предложил для коэффициента наполнения другую формулу, учитывающую вредное пространство насоса. Она имеет вид 1' = 1− k  R , 1+ R (10.6) Выведем формулу (10.6). Обозначим Vs - объем, описанный плунжером за ход вверх; Vвр объем вредного пространства; k=Vвр /Vs - доля вредного пространства от Vs, V=Vs+Vвр= Vж+Vг - общий объем под плунжером при его крайнем верхнем положении. Но Vг = RVж Следовательно, Vs + Vвр = Vж + R  Vж , откуда Vж = Vs + Vвр 1+ R . (10.7) Объем жидкости, поступившей в насос за очередной ход плунжера вверх, будет меньше первоначального объема Vж на величину объема жидкости во вредном пространстве Vвр. Следовательно, Vж' = Vж − Vвр = Vs + Vвр 1+ R − Vвр . Тогда коэффициент наполнения, очевидно, будет равен 1" = Vs − Vвр Vвр Vж' = − . Vs Vs  (1 + R ) Vs Вводя обозначения k = Vвр/Vs и делая алгебраические преобразования, получим 1" = k +1 1− k  R −k= , 1+ R 1+ R (10.8) Формула (10.8) дает заниженные значения коэффициента наполнения, так как исходит из предположения мгновенного выделения и растворения газа во вредном пространстве. Известно несколько формул для определения коэффициента наполнения насоса. Однако почти все они дают значения η1, лежащие в пределах η1’ и η1” Поэтому наиболее достоверно определение коэффициента наполнения как среднего между его максимальным и минимальным значениями, определяемыми формулами (10.5) и (10.8), соответственно: 1' + 1" 1  1 1− k  R 2 − k  R 1 = =  + = , 2 2 1 + R 1 + R  2  (1 + R ) (10.9) Величина R может быть определена через газовый фактор на поверхности Го, измеренный при стандартных условиях, т. е. при температуре То и атмосферном давлении Ро после полной дегазации нефти. Если от Го вычесть объем газа, растворенного в нефти при условиях приема насоса Vрг, и полученную разность привести к термодинамическим условиям приема, используя законы состояния газа, то получим 108 R= (Г 0 − Vрг )  Р 0 z прТ пр Р пр Т 0 , (10.10) где zпр - коэффициент, учитывающий отклонения углеводородного газа от идеального для условий приема насоса. Величина Vрг может быть найдена по результатам разгазирования нефти, получаемым при лабораторном анализе проб нефти на установках РVT. Если таких данных нет, то приближенно Vрг может быть определен через коэффициент растворимости газа α и давление на приеме насоса Рпр, взятое в избыточных единицах, Vрг =   (Р пр − Р 0 ), (10.11) Обычно Го относят либо к 1 т нефти, либо к 1 м3 нефти. В данном случае используется последнее. Для расчетов по формулам (10.5) и (10.9) необходимо знать величину R, отнесенную к 1 м3 жидкости, если в продукции скважины имеется вода. Как известно, растворимость газов в воде пренебрежимо мала по сравнению с растворимостью их в нефти. Обозначая через n содержание воды в откачиваемой смеси в долях единицы, можем составить такие соотношения: Vв = Vж  n; Vн = Vж  (1 − n ); Vг V Vг Vн Rж = г = = , Vж Vв + Vн Vв + 1 Vн (10.12) Подставляя в (10.12) значения Vв и Vн и обозначая R = Vг/Vн, получим Rж = R n +1 1− n = R  (1 − n ), (10.13) где Rж, R—газовый фактор на приеме насоса, отнесенный к 1 м3 жидкости и нефти соответственно. Следует учесть, что не весь свободный газ, поднимающийся по обсадной колонне, вместе с жидкостью попадает в насос. Часть газовых пузырьков, двигающихся, главным образом, вдоль стенки обсадной колонны, проскальзывает в межтрубное пространство скважины, обусловливая частичную сепарацию газа на приеме насоса. Отношение объема газа, проходящего через межтрубное пространство Vз, ко всему объему свободного газа, поступающего по обсадной колонне Vк, называется коэффициентом сепарации газа у приема насоса: m = Vз / Vк . На работающих насосных скважинах Vз может быть определен измерением расхода газа, выходящего из межтрубного пространства, так что полный расход газа равен Vк = Vз + Vн . 109 где Vн—расход газа, поступающего нз насосных труб. Таким образом, m = Vз / (Vз + Vн ). Разделив числитель и знаменатель на дебит скважины по нефти qн, получим в числителе затрубный газовый фактор Гз, а в знаменателе сумму затрубного Гз и трубного газового фактора Гт или m = Г з / (Г з + Г т ) = Г з Г 0 . (10. 14) где Го—полный газовый фактор, отнесенный к 1 м3 товарной нефти при стандартных условиях. В условиях приема насоса при давлении Рпр и температуре Тпр, которые всегда выше стандартных, нефть имеет увеличенный объем за счет некоторого количества растворенного газа и повышенной температуры. Это, как известно, учитывается объемным коэффициентом нефти для условий приема b > 1. С учетом сепарации газа на приеме насоса и увеличения объема нефти формула (10.13) перепишется следующим образом: Rж = R  (1 − n )  (1 − m) . b (10.15) Подставляя в (10.15) значение R из (10.10), получим Rж = Г  −   (Р пр − Р 0 )  Р 0 z пр Т пр b  Р пр Т 0  (1 − n )  (1 − m). (10.16) Это окончательная расчетная формула для определения газового фактора на приеме насоса Rж, по которому можно вычислить коэффициент наполнения насоса. При проектировании ШСНУ величину m необходимо предварительно рассчитать. Однако ее определение затруднительно, так как она зависит от соотношения площади сечения межтрубного пространства и приемного патрубка ШСН, дебита и вязкости жидкости, дисперсности свободного газа в условиях приема, скорости всплытия газовых пузырьков, конструкции и геометрии всасывающего устройства. Имеется ряд формул для определения m. В частности, Н. Н. Репиным с соавторами для определения коэффициента сепарации предложена следующая формула: fз F m= 1+ , q FC (10.17)  см  где fз - площадь сечения межтрубного пространства; F - площадь сечения обсадной колонны; q - расход жидкости; С - скорость всплывання газовых пузырьков (рекомендуется С=0,08— 0,25 м/с, для вязких жидкостей - меньшая величина, для маловязких - большая); ρсм/ρ относительная плотность газожидкостной смеси на приеме насоса. При q=0 m= fз/F, тогда как в этом случае в действительности весь свободный газ должен уходить в межтрубное пространство и m обращается в единицу. Однако формула (10.17) более обоснована, так как учитывает дебит, скорость всплытия газовых пузырьков и геометрию приема. По нашим оценкам и сопоставлениям с опытными данными формула (10.17) дает завышенные значения для m. Исходя из геометрии течения газожидкостного потока у приема насоса, можно предположить, что при всасывании линии тока располагаются в виде конуса, наружный 110 диаметр dк которого меньше внутреннего величины кольцевого зазора и равен диаметра обсадной колонны D на 1/4 1D − d dк = D −  , 4 2  где d - наружный диаметр приемного патрубка насоса. Таким образом, сепарируемый газ уходит в межтрубное пространство по кольцевому зазору площадью f вдоль стенок колонны, и общий расход газа на приеме насоса распределяется пропорционально этим площадям, так что m1 = f з / F, где F - площадь сечения обсадной колонны. Выражая площади через диаметры, найдем 2 1  D d   D − D −   −  2 4  2 2  15 14  d  1  d   m1 = = −   −   64 64  D  64  D  D2 2 или d d m1 = 0,2344 − 0,2187    − 0,0156    D D 2 (10.18) Это значение m1 справедливо в случае непрерывного поступления газожидкостной смеси к приему насоса. В ШСН всасывание происходит только во время хода плунжера вверх. Во время хода плунжера вниз газ полностью сепарируется в межтрубное пространство, поэтому среднее значение m за полный цикл приближенно можно оценить как удвоенное значение m, или d d m = 2  m1 = 0,4687 − 0,4374    − 0,0312    D D 2 (10.19) Формула (10.19) дает результаты, удовлетворительно совпадающие с опытными данными, но является приближенной. Она не учитывает вязкость жидкости, дебит скважины и ряд других факторов. Однако ее использование целесообразно, так как это позволяет уточнить величину Rж, а следовательно, коэффициент наполнения глубинного насоса. Влияние потери хода плунжера Поскольку теоретическая подача насоса определяется длиной хода точки подвеса штанг S, то всякое уменьшение действительного хода плунжера по сравнению с S непосредственно влияет на фактическую подачу насоса. Таким образом, 2 = Sп S −  − , S S (10.20) где Sп—действительный ход плунжера относительно цилиндра насоса; λ - потеря хода плунжера за счет упругих деформации штанг и труб. Эта потеря обусловлена тем, что при ходе вверх штанги дополнительно растягиваются от действия силы, равной произведению площади сечения плунжера на разность давлений над и под плунжером, так как нагнетательный клапан при ходе вверх закрыт. Одновременно насосные трубы сжимаются, так как действовавшая на них при ходе 111 вниз та же сила теперь (при ходе вверх) с труб снимается и воспринимается штангами. Величина этих деформаций может быть определена по формуле Гука. Кроме этого, в штангах, которые двигаются приблизительно по синусоидальному закону, возникают инерционные силы. Эти силы в верхней мертвой точке (м. в. т.) направлены вверх в сторону, противоположную направлению силы тяжести, и поэтому уменьшают силу тяжести штанг. В нижней мертвой точке (н. м. т.) инерционные силы направлены вниз и увеличивают силу тяжести штанг. Это приводит к дополнительному сжатию (в в. м. т.) и удлинению (в н. м. т.) штанг, и в результате чего полезный ход плунжера в цилиндре несколько увеличивается. Это и учитывается коэффициентом выигрыша хода К. С учетом поправки коэффициент потери хода цч запишется следующим образом: 2 = S К −  , S (10.21) Методы определения К и λ будут изложены ниже. Влияние утечек Рассмотрим утечки через зазор между плунжером и цилиндром насоса. Утечки в клапанах возникают, как правило, в изношенном насосе и отсутствуют в нормально работающем. Они приводят к перетеканию жидкости под плунжер, при его ходе вверх. Поэтому количество жидкости, поступающей через всасывающий клапан насоса, будет меньше, так как часть цилиндра уже заполнена жидкостью за счет утечки. Утечки учитываются коэффициентом ηз. Подставляя в формулу (10.3) значение коэффициента подачи η согласно (10.4) и решая равенство относительно ηз, получим 3 = Qф Q т  1  2  4 . (10.22) Если утечки q = 0, то ηз = 1 и фактическая подача равнялась бы Q=Qт η1 η2 η4. Поскольку q>0, ηз < 1, то Qф=Q - q. Следовательно, 3 = Q т  1  2  4 − q q =1− . Q т  1  2  4 Q т  1  2  4 (10.23) где q - объем жидкости, протекающей через зазор между плунжером и цилиндром и другие неплотности, м3/сут. Утечки происходят под воздействием перепада давлений над и под плунжером. Поскольку этот перепад существует только при ходе плунжера вверх, то утечки происходят в течение половины времени работы насоса. Для определения q предложено много методов и формул, в ряде случаев чрезвычайно сложных и не всегда оправданных из-за неточности некоторых нужных для расчета данных. Зазор между плунжером и цилиндром можно рассматривать как прямоугольную щель длиной s = πD, где D - диаметр плунжера; шириной δ, равной половине разности диаметров цилиндра и плунжера, и протяженностью l, равной длине плунжера. По закону Пуазейля при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости ее расход через такую щель равен Р  3  s q= , 12  l   (10.24) где μ—вязкость жидкости, ΔΠ перепад давления. В случае ШСН Р = Р н − Р пр , 112 где Рн - давление нагнетания (давление над плунжером при ходе вверх); Рпр - давление всасывания или (пренебрегая потерями давления во всасывающем клапане) давление на приеме насоса. Умножая (10.24) на 86400 (число секунд в сутках) и подставляя значение s = πD, получим   86400 Р   3  D Р   3  D  м 3  q=  = 22620   . 12 l  l    сут  (10.25) Учитывая, что утечки в плунжерной паре происходят в течение половины времени работы насоса, необходимо результат, полученный при расчете по формуле (10.25), уменьшить вдвое. Таким образом, получим q = 11310  Р   3  D  м 3   . l    сут  (10.26) При малых подачах насоса утечки могут составлять существенную долю от фактической подачи. Именно по этой причине длина плунжера делается достаточно большой - 1 м и больше. Формула (10.26) не учитывает движение плунжера, которое вносит некоторые изменения в характер течения жидкости через зазор. Однако она определяет утечки с достаточной для практики точностью. Влияние усадки жидкости Через ШСН проходит некоторый объем нефти и воды при давлении и температуре на приеме насоса. Когда продукция попадает в товарный парк, она дегазируется и охлаждается. Это учитывается объемными коэффициентами для нефти bн и для воды bв. Объемные коэффициенты - величины непостоянные, они изменяются от изменения температуры, давления и количества растворенного газа. В промысловых лабораториях или отраслевых институтах величины bв и bн определяются экспериментально и результаты представляются в виде таблиц или графиков. Коэффициент т]4, характеризующий потерю подачи ШСН в результате изменения объема продукции при переходе от условий приема к стандартным условиям, можно определить так: 4 = Qн + Qв , Qн  bн + Qв  bв (10.27) где Qн и Qв - дебиты нефти и воды при стандартных условиях в объемных единицах. По определению объемная обводненность продукции n= Qв , Qн + Qв откуда Qв = Qн n , 1− n (10.28) Подставляя (10.28) в (10.27) и производя нужные сокращения, получим 4 = 1 , b н  (1 − n ) + b в  n (10.29) Как видно из (10.28), при n=0 (воды нет) η4=1/bн, а при n=1 (чистая вода) η4=1/bв. Обычно для Рпр=1,5—3,0 МПа и tр=30—40°С bн =1,1— 1,15 и bв==1,005—1,025. Принимая вполне реальные значения n=0,3 (30%), bн =1,15 и bв =1,02, получим по (10.29) =0,9. 113 Таким образом, только за счет усадки нефти и воды подача ШСН уменьшится на 10 %. Для безводной продукции для принятых условий η4 =0,87, т. е. снижение подачи составит 13 %. 4. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ШТАНГИ, И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ХОД ПЛУНЖЕРА Динамика работы установки ШСН очень сложна. Однако в большинстве случаев упрощенная теория ее работы дает вполне приемлемые результаты. При ходе вверх статические нагрузки в точке подвеса штанг складываются из веса штанг Ршт и веса столба жидкости Рж. В н. м. т. в результате изменения направления движения, когда возникает максимальное ускорение, к ним добавляется сила инерции Pi, направленная вниз; кроме того, действует сила трения Ртр, также направленная вниз. Таким образом, максимальная нагрузка, возникающая в точке подвеса штанг при начале хода вверх, будет равна Р max = Рш + Р ж + Рi + Р тр . (10.30) При ходе вниз нагнетательный клапан открывается и гидростатические давления над и под плунжером выравниваются. Поэтому нагрузка от столба жидкости со штанг снимается и передается на трубы, так как имеющийся в цилиндре всасывающий клапан при ходе вниз закрыт. Силы инерции, возникающие в в. м. т., направлены вверх. Силы трения также направлены вверх, т. е. в сторону, противоположную направлению движения. Поэтому нагрузка в начале хода вниз будет минимальной Р min = Р ш − Р i − Р тр . (10.31) Силы Pi+Ртр составляют малую долю от Рш+Рж. Обычно они не превышают 5—10%. Поэтому их влияние на ход плунжера невелико. Влияние статических нагрузок Сила Рж действует попеременно то на штанги (ход вверх), то на трубы (ход вниз). В результате этого при ходе вверх штанги дополнительно растягиваются на величину λш, которая может быть определена по закону Гука ш = Рж  L . Е  fш (10.32) Одновременно с этим, в результате снятия с труб силы Рж, последние укорачиваются на величину т = Рж  L . Е  fт (10.ЗЗ) В результате, перемещение плунжера относительно цилиндра насоса, т. е. начало процесса всасывания жидкости, начнется только после того, как точка подвеса скомпенсирует своим перемещением вверх удлинение штанг λш и сжатие труб λт. Поэтому полезный ход плунжера составит Sпл = S − ( ш +  т ) (10.34) Обычно обозначают  = ( ш +  т ) (10.35) Подставляя в (10.35) значения λш и λт согласно (10.32) и (10.33). получим 114 = Рж  L  1 1   + . Е  fш f т  (10.36) где Рж—вес столба жидкости, действующий на плунжер; L - длина штанг, или глубина подвески ШСН; Е—модуль Юнга; fm—площадь сечения штанг; fт—площадь сечения металла труб. Верхние штанги испытывают наибольшую нагрузку, так как на них действует вес всей колонны штанг. Нижние штанги нагрузку от собственного веса не испытывают. Поэтому, исходя из принципа равнопрочности колонны штанг, а также для уменьшения нагрузки на головку балансира колонну штанг делают ступенчатой, состоящей из участков штанг с уменьшающимся книзу диаметром. Кроме одноступенчатых колонн применяются двух- и трехступенчатые. Каждая ступень дополнительно удлиняется под действием одной и той же силы Рж. Поэтому суммарное удлинение ступенчатой колонны штанг будет равно сумме удлинений отдельных ступеней с учетом их длины li и площади сечения fi. Тогда для трехступенчатой колонны получим ш = Рж Е  l l  l   1 + 2 + 3 .  f ш1 f ш 2 f ш 3  или с учетом деформации труб = Рж Е L l  l   + 2 + 3 .  fт f ш 2 f ш 3  Учитывая конструкцию сочленения штанг с плунжером с помощью клапанной клетки, при которой на нижний торец штанги действует гидростатическое давление, необходимо Ршт принимать с учетом выталкивающей силы Архимеда, равной произведению площади сечения штанги на гидростатическое давление столба жидкости над плунжером. При современных однотрубных системах сбора нефти и газа давление на устье Pу насосных скважин может достигать больших значений, поэтому при вычислении гидростатического давления, действующего на штанги, необходимо учитывать и это обстоятельство.