Графоаналітичний розрахунок газліфтної експлуатації свердловин

 

Розрахунок газліфтної експлуатації свердловин включає розрахунок режиму усталеної (нормальної) роботи та пускового режиму. Методика розрахунків базується на викори­станні кривих розподілу тиску вздовж підйомних труб.

Для розрахунків необхідно знати умови припливу у свердловину (дебіт, пластовий і вибійний тиски, коефіцієнт продуктивності, обводненість, газовий фактор), тиски гирловий (на викиді) і робочий (закачування газу), властивості нафти і газу як функції тиску, в т.ч. тиск насичення, характеристику свердловини (глибину, внутрішній діаметр експлуа­таційної колони), температурні умови (пластову температуру, геотермічний градієнт чи ге-отерму).

Розрахунки усталеної роботи передбачають оптимізацію вибору діаметра і довжини L підйомних труб (глибини вводу газу у труби) та питомої витрати закачуваного газу на основі мінімізації витрат енгергії газу.

Виходячи із реальних можливостей або технологічних міркувань, задаються діаметром підйомних труб (НКТ) і питомою витратою газу Залежно від дебіту свердловин Q рекомендуються такі внутрішні діаметри

 

Q, м3/ добу 20-50 50-70 70-250 250-350 >350

d,MM 40,3 50,3 62,0 76,0 88,6

 

Також задаються способом введення газу у НКТ (через башмак або через робочий газліфтний клапан). При вводі газу через башмак довжина НКТ дорівнює глибині вводу га­зу. Якщо є необхідність спуску НКТ до вибою (наприклад, для виносу піску із вибою), то газ вводять через газліфтний клапан. Нижче газліфтного клапана треба мати хвостовик до­статньої довжини або встановити пакер, щоб газ не надходив ні в пласт, ні через башмак в НКТ, оскільки на клапані виникає деякий перепад тиску.

Рис. 11.3. Криві розподілу тиску вздовж стовбу­ра газліфтної свердловини: 1-. ; 2- ; 3- 4-  

Граничну допустиму глибину спуску труб визначають із механічного розрахунку при умові дії власної ваги за формулою (10.8), а також при необхідності враховують зусилля, що виникають при посадці та витягненні пакера.

Далі шукають глибину вводу газу L і робочий тиск Для цього будують кри­ву розподілу тиску в обсадній ко­лоні у НКТ (якщо труби спущені до ви­бою) за будь-якою методикою, почина­ючи від вибійного тиску кроками за принципом "знизу вверх", а також кри­ву розподілу тиску в НКТ, починаючи від гирлового тиску кроками за прин­ципом "зверху вниз". При побудові пер­шої кривої враховують пластовий газ, а другої — пластовий і закачуваний газ. Обидві криві p(z) суміщають на одному графіку (рис.11.3). Точка їх перетину дає глибину вводу газу і тиск біля баш­мака (у точці вводу газу) Робочий тиск, розраховують за формулою Ада­мова або за барометричною формулою (9.3) (без врахування тиску на тертя газу). Для оптимізації значень. задаються іншими значеннями і аналогічно визначають відповідні їм L, (рис. 11.3). Такі ж розрахунки і побудови при необхідності виконують для інших заданих діаметрів НКТ Тоді вибирають найбільш придатні або оптимальні умови (режими) роботи.

Оптимальним режимом можна вважати режим, який характеризується мінімумом пи­томої енергії газу . що подається у свердловину і припадає на одиницю витрати рідини (для зручності доцільно побудувати графіки залежності від для різних значень d). Енергію визначають за формулами для політропічного процесу

(11.16)

чи ізотермічного процесу

(11.17)

або, вважаючи газ реальним, для ізотермічного процесу

(11.18)

де — питома енергія закачуваного газу, Дж/м3; — показник політропи ( 1,2); — питома об'ємна витрата закачуваного газу, м3/м3; — тиск відповідно атмосферний, біля башмака і на викиді, Па; — середня температура у свердловині, К; — стандартна температура, К; — коефіцієнт надстисливості газу, який визначається при температурі і середньому тиску = /2.

Інколи обмежуються режимом, для якого, має мінімальне значення.

Використання номограм розподілу тиску. При багатократному повторенні (для багать­ох свердловин) розрахунки можна скоротити використанням номограм розподілу тиску (рис.11.4). їх розраховують врахуванням властивостей рідин і газу даного родовища, серед­ньої температури потоку, різних дебітів, обводненосгі, різних діаметрів труб. Для побудови номограм можна скористатись таблицями ВНДПІморнафтагаз, які розраховані для різних діаметрів труб, дебітів, обводненості і в'язкості нафти (густина нафти прийнята 850 кг/м3, відносна густина газу 0,65) [3] або використати номограми із спеціальних каталогів "Кам­ко", "Отіс" таін.

Крайня права крива номограми ( =0) на рис. 11.4 відповідає профілю тиску потоку негазованої рідини, а крайня ліва — профілю тиску з мінімальним градієн-том тиску. При збільшенні вище вказаного значення для заданої глибини градієнт тиску зростає і профіль тиску зміщується вправо. Тому розрахунок кривої розподілу тиску необхідно обме­жувати профілем з мінімальним градієнтом.

Порядок розрахунку з використанням номограм такий: задаються рядом значень діаметрів НКТ; на кальці у масштабі номограм наносять осі тиску і глибини, позначають глибину свердловин Н, тиски і ; кальку накладають на номограму (для даного дебіту, обводненості та діаметра труб — НКТ чи обсадної колони) так, щоб осі глибин збіглись, і переміщають по осі гли­бин таким

Рис. 11.4. Приклад номограми розподілу тиску вздовж стовбура свердловини при різних питомих витратах газу Внутрішній діаметр труб 73 мм; дебіт нафти 1272 м3/доб при відсутності води; густи­на нафти 850 кг/м3 ; відносна густина газу 0,65: 1-0:2-10; 3-20; 4-30; 5-40; 6-50; 7-60; 8-70; 9-80; 10-90; 11-100; 12-125; 13-150; 14-200; 15-300; 16-500

чином, щоб точка ( .; Н) суміс-тилась з кривою = ця кри-ва переноситься на кальку (якщо такої кривої на но­мограмі немає, то вона інтерполюється); одер-жують пер­шу криву знову кальку ана­логічно накладають на номограму (для даного дебіту, обводненості та діаметра НКТ) і переміщують вздовж осі глибин так, щоб точка ( О) послідовно суміщалась з кривими ці криві пере­носять на кальку; одержують ряд інших кривих точки перетину кривих дають сукупність зна­чень = які визначають можливі режими робо­ти газліфтної свердловини; ана­логічно повторюють визначення

 

 

для інших діаметрів НКТ, вибирають умови роботи свердловин, наприклад, такі, що відповідають найменшому значенню

Якщо газліфтних свердловин багато, то складають таблицю залежності діаметра НКТ від дебіту свердловини.

Розрахунки пускового режиму включають визначення глибини розміщення пускових клапанів, їх типорозмірів і параметрів тарування.

Для цього треба мати номограму (див.рис.11.4) розподілу тиску для умов даної свердловини; кальку з нанесеними осями тиску і глибини у тому ж масштабі, що і на но­мограмі p(z).

Попередні визначення і побудови. На кальці наносять глибину свердлови­ни Н, тиски робочий тиск газу у кільцевому просторі на гирлі свердловини і температуру на гирлі провівши вісь температур (рис. 11.5).

Із точки ( ; Н) проводять пряму 1 розподілу гідростатичного тиску у непрацюючій свердловині, нахил якої визначається густиною рідини. Перетин прямої 1 з віссю глибин вказує відстань від гирла до статичного рівня

Із точки ( ; Н) проводять криву 2 розподілу тиску від вибою вверх по колоні НКТ або по обсадній колоні (якщо труби спущені практично тільки до глибини розміщення робочого

 

 

Рис.11.5. Графічний розрахунок глибини розміщення газліфтних клапанів

 

 

клапану), для чого, суміщаючи кальку з номограмою, накладають точку на криву з Також із точки проводять криву 3 гідродинамічного тиску потоку негазованої рідини (крива з параметром =0). Нахил її відрізняється від нахилу прямої 1 на величину градієнту тиску на тертя.

Із точки ( ; 0) проводять криву 4 мінімального градієнту тиску ( = max),, для чого накладають точку ( Н) на криву з (ліва охоплююча крива) при суміщенні осей глибин на .кальці та номограмі.

Точка перетину ліній 2 і 4 дає мінімальну глибину розміщення робочого клапану

Із точки ( ; 0) .проводять криву 5 зміни температури по стовбуру свердловини (див. розділ 9.4).

Із точки ( 0) проводять криву 6 (можна обмежитися прямою) зміни тиску газу у кільцевому (затрубному) просторі за формулою Адамова чи барометричною формулою (9.3).

При обчисленнях витрати рідини і газу приймають рівними тим же величинам за нор­мальної експлуатації.

Від принципу дії пускових клапанів дещо залежить процес пуску свердловин. Тут обме­жуємося процесом пуску з використанням найбільш поширених пускових сильфонних кла­панів типу Г, які керуються тиском газу у кільцевому просторі (див. рис.11.2,а або б), їх особливість полягає у тому, що після початку подачі газу у кільцевий простір усі клапани у свердловині відкриваються. На лінії газоподачі (на гирлі свердловини чи у газорозподільчій будці) встановлюють регулюючий штуцер. У міру вводу газу через наступний клапан для того, щоб попередні (вищерозміщені) клапани залишались закритими, тиск газу у кільцевому просторі сгупінчасто знижують. Тиск відкриття наступного клапана менший тиску відкриття кожного попереднього (вищерозміщеного).

Розрахунок першого верхнього пускового клапана. Глибина розміщення першого клапана залежить від величини відстані від гирла до статичного рівня, м, = де Н — глибина свердловини, м; - пластовий тиск, Па; -густина рідини у свердловині, кг/м3; - прискорення вільного падіння, м/с2 .

Із умови балансу тисків знаходять перевищення рівня рідини у підйомних трубах над статистичним рівнем при ії протискуванні з затрубного простору, м,

 

(11.19)

 

де — тиск газу в затрубному просторі на глибині розміщення першого клапана (оскільки глибина невідома, то рівняння розв'язують методом послідовних наближень або приймають наближено рівним ), Па; — початковий перепад тиску на клапані, який забезпечує можливість руху газу через клапан із затрубного простору в НКТ (визначається глибиною розміщення клапана і приймається орієнтовно рівним 0,3 МПа), Па.

Якщо (статичний рівень високий), то при протискуванні рідини із затрубного простору в підйомну колону переливання (витікання) рідини на гирлі почнеться раніше, ніж рівень рідини в затрубному просторі досягає місця розміщення клапана, а тоді глибина розміщення першого клапана, м,

 

(11.20)

 

Якщо то

Величину можна встановити також графічно. Для цього визначають відстань від гир­ла до рівня рідини в НКТ після подачі газу в кільцевий простір, м,

Якщо , 0 (має місце переливання рідини), то величина визначається як глибина, що відповідає положенню точки перетину прямої 7, проведеної із точки ( , 0) пара­лельно прямій 1, з кривою,що відступає від кривої б на величину 0,3 МПа (рис. 11.5).

Якщо > 0 (переливання рідини відсутнє), то рівень рідини у НКТ знаходиться ни­жче гирла і побудову прямої 7 починають тоді не із точки ( 0), а із точки

При пуску свердловини вибійний тиск спочатку перевищує тиск а потім мен­ший, тобто мають місце поглинання рідини пластом і приплив із пласта, що вносить зміни у розміщення клапанів.Якщо пуск здійснюється подачею газу від компресорної станції, то до­пустимо приймати відсутність поглинання при розрахунку і (при великій витраті газу протискування рівня короткотривале і за цей час пласт поглинає дуже малий об'єм рідини). Поглинання зумовлює збільшення величини Зазначимо, що приплив врахо­вується із запасом, оскільки витрата газу через кожний клапан визначається за дебітом при нормальній роботі.

Побудувавши горизонталь на рівні , у точках перетину ії з лініями 4 і 6 визначають тиск газу у кільцевому просторі на рівні першого клапана та мінімальний тиск суміші у колоні НКТ на цьому ж рівні (рис. 11.5).

За ближчою знизу від точки тиску кривою, що відходить від кривої мінімального градієнта, встановлюють питому витрату газу Тоді мінімальна витрата газу через пер­ший пусковий клапан (для досягнення мінімального градієнта тиску у колоні НКТ вище цього клапана), м3/с,

Температуру газу в затрубному просторі на рівні першого клапана визначають у точці перетину горизонталі з кривою 5.

 

  Рис.11.6. Номограма для визначення діаметра отвору сідла клапана (порядок визначення по­казаний пунктиром)  

Діаметр отвору сідла клапана або визначають розрахунком з викори­станням формули (9.36) політропічного витікання ідеального газу через шту­цер, або знаходять за номограмою. За тиск на вході приймають а на виході —

 

Номограма побудована для газу, що має відносну густину за повітрям = 0,65, при температурі Т = 288,8 К (рис. 11.6). Для інших умов при розра­хунку діаметра витрату газу домно-жують на поправочний коефіцієнт [4] де у даному випадку

 

За діаметром отвору сідла виби­рають типорозмір клапана, приймаючи клапан з ближчим більшим отвором сідла (див. табл. 11.2).

 

Тиск газу у сильфоні (тиск закриття) на глибині його розміщення визначають за фор­мулою, Па,

(11.21)

де — конструктивний коефіцієнт клапана (безрозмірний); — площа отвору сідла клапана і ефективна площа сильфона, м2 (див. табл. 11.1).

Відношення площ визначає ступінь неурівноваженості клапана. Дані наведені нижче:

MM
5,0 0,0625/0,0319
6,5 0,1056/0,0538
8,0 0,1600/0,0816
9,5 -/0,1151
12,5 -/0,1837

 

Примітка.В чисельнику наведені дані R для умовного зовнішнього диаметру клапана 20 і 25 мм, в знаменнику — 38 мм. Звідси знаходимо площу або за табл. 11.2. Відзначимо, що для урівноважених клапанів тиски відкриття і закриття рівні. Тиск зарядки сильфона при нормальній температу рі, Па,

де / 293 – температурний коефіцієнт (безрозмірний).

Номінальний тиск тарування (у лабораторії на стенді, коли = 0)

Розрахунок другого пускового клапана. Глибину розміщення другого клапана визначають ординатою точки перетину кривої 8, проведеної із точки паралельно кривій 3, з кривою, що віддалена від кривої б на відстані вздовж абсциси = Тут =0,1 МПа — прийняте апріорно значення тиску газу в затрубному просторі на гирлі, яке запобігає відкриттю першого клапана в момент надход­ження газу через другий клапан і приблизно дорівнює так званому трубному ефекту першо­го клапана ( ).

У момент входу газу через другий клапан у НКТ встановлюється профіль тиску, який відповідає пунктирній кривій 9. Для ії побудови, наклавши кальку на номограму і забезпе­чивши паралельність осей, переміщенням кальки домагаються того, щоб точка ( ; 0) ле­жала на кривій 4 номограми, а одна із ліній з деяким проходила через точку За точкою перетину кривої 9 з горизонталлю знаходимо тиск який встановлюється в трубах на рівні першого клапана в момент входу газу через другий клапан. Тоді трубний ефект першого клапана розраховують за формулою

(11.22)

Звідси видно, що для визначення необхідно знати і навпаки. Тому внаслідок такої невизначеності задаються перепадом тиску на другому клапані явно більшим від Тим самим запобігають відкриттю першого клапана в НКТ через другий клапан.

Звичайно трубний ефект пускових газліфтних клапанів деколи перевищує 0,1 МПа. При вході газу через перший клапан рідина виноситься із НКТ і градієнт тиску суміші у трубах зменшується від максимальної величини (пряма 7) до мінімальної (крива 4). Пере­пад тиску на клапані збільшується від до Відповідно зростає витрата газу до максимального значення і зменшується тиск газу в затрубному просторі до тиску закриття першого клапана. Клапан закривається. Зменшення тиску газу у затрубному про­сторі досягається тим, що газ подають через регулюючий штуцер, який розміщений на гирлі або на газорозподільному пункті.

Після закриття першого клапана тиск газу в кільцевому просторі збільшується, рівень рідини там знижується. Тиск відкриття другого клапана задається меншим тиску відкриття

першого клапана, і другий клапан відкривається. Газ починає надходити через другий кла­пан і встановлюється градієнт тиску, відповідний кривій 9. У цей час на рівні першого кла­пана тиск підвищується від до що може призвести до відкриття першого клапа­на. Для того щоб перший клапан був закритим при подачі газу через другий, тиск закачува­ного газу знижують на величину трубного ефекту першого клапана.

Аналогічно розрахунку першого клапана визначають решту параметрів: , причому за тиск на вході у клапан (тиск відкриття) приймають значення

Розрахунки наступних пускових клапанів виконують так само. За тиск на вході у п-й клапан приймають значення Розрахунок виконують доти, поки глибина розміщення п-го пускового клапана не перевищить глибини розміщення робочого клапана Розрахунок припиняють на (п - 1)-му пусковому клапані.

Мінімальна глибина розміщення робочого клапана визначається ординатою точки перетину кривих 2 і 4, а максимальна глибина розміщення робочого клапана — ординатою точки перетину кривої 4 з кривою, проведеною паралельно кривій 6 на відстані вздовж абсциси

Якщо глибина не розрахована із умов оптимального режиму, то при наявності вели­кого тиску закачування газу з метою зменшення питомої витрати глибину розміщення робо­чого клапана можна прийняти

Робочий тиск закачування газу приймають меншим від тиску закриття пускових кла­панів, перерахованого для гирла свердловини.

Розрахунок виконано для випадку, коли газ подається із робочої газової лінії. Якщо ро­бочий тиск менший від прийнятого то максимальна глибина розміщення робочого кла­пана визначається точкою перетину лінії цього тиску у свердловині з кривою 2. Для пуску свердловини при робочому тиску необхідно встановити більшу кількість пускових клапанів, але відпадає необхідність у спорудженні пускових газопроводів чи застосуванні пускових компресорів.

Врахування і призводить до збільшення числа пускових клапанів (приблизно на 10 %), що забезпечує надійність системи пуску.