Фонтанный способ эксплуатации. Лекции ассистента каф. Брэнгм
Скачать 0.57 Mb.
|
при давлении на забое больше давления насыщения (Рс>Рнас)Рассмотрим два случая фонтанирования. I. Рс<Рнас (рис. 1, а). Свободный газ имеется на самом забое. К башмаку фонтанных труб будет двигаться газожидкостная смесь. При работе такой скважины основная масса пузырьков газа будет увлекаться потоком жидкости и попадать в фонтанные трубы. Однако часть пузырьков, двигающихся непосредственно у стенки обсадной колонны, будет проскальзывать мимо башмака НКТ и попадать в межтрубное пространство. В межтрубном пространстве выше башмака движения жидкости не происходит. Поэтому пузырьки газа в нем будут всплывать, достигать уровня жидкости и пополнять газовую подушку в межтрубном пространстве. Таким образом, при фонтанировании, когда Рc<Рнас, создаются условия для непрерывного накопления газа в межтрубном пространстве. Интенсивность этого процесса зависит от многих факторов. От скорости восходящего потока ГЖС, т. е. от дебита скважины. Чем больше дебит, тем меньше газа попадает в межтрубное пространство. От величины зазора между обсадной колонной и фонтанными трубами. От количества и величины газовых пузырьков, что в свою очередь зависит от разницы между давлением насыщения и давлением у башмака. От вязкости жидкости. Накопление газа в затрубном пространстве приводит к увеличению давления Рзи соответствующему понижению уровня жидкости hна такую величину, чтобы давление на забое Рс согласно уравнению оставалось бы постоянным. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока уровень жидкости в межтрубном пространстве не опустится до башмака фонтанных труб. После этого процесс стабилизируется. Непрерывно возрастающее давление на устье межтрубного пространства после достижения максимума стабилизируется. В этом случае, возможно, достаточно точно определить давление у башмака фонтанных труб Рб, а также и давление на забое Рс по давлению на устье в межтрубном пространстве Рзне прибегая к трудоемкому процессу спуска манометра в скважину. Давление Рз замеряется па устье манометром. Тогда давление у башмака будет равно плотность газа. Здесь — плотность газа при стандартных условиях Ро и То; Тср — средняя температура в затрубном пространстве; z— коэффициент сжимаемости газа для условийРзи Тср. Таким образом, в фонтанирующей скважине при условии Рс<Рнасуровень жидкости в межтрубном пространстве обязательно должен устанавливаться у башмака НКТ после выхода работы скважины на установившийся режим. Однако это справедливо, если нет утечки газа из обсадной колонны из-за ее недостаточной герметичности или неплотностей в арматуре и колонной головки. При наличии утечек уровень жидкости может стабилизироваться в межтрубном пространстве на некоторой высоте, обусловливая такое давление на устье, при котором утечки газа сравниваются с его поступлением от башмака фонтанных труб. II- Pс>Pнас(РИС.1,6). Свободный газ в этом случае не накапливается в затрубиом пространстве, так как нет условий для его проскальзывания у башмака фонтанных труб. В самих трубах газ начнет выделяться на некоторой высоте от башмака, где давление станет равным давлению насыщения. Поскольку при работе скважины обновление жидкости в затрубном пространстве не происходит, то не возникают и условия для пополнения газа. Из объема нефти, находящейся в затрубном пространстве, частично выделится растворенный газ, после чего вся система придет в равновесие. Уровень жидкости в этом случае будет находиться на некоторой глубине hв соответствии с выражением (VIII.20). Различным положениям уровня будет соответствовать различное давление Рз. В этом случае вследствие неопределенности величины hстановится невозможным определение забойного давления Рспо величине Рз. 3. УСЛОВИЕ ФОНТАНИРОВАНИЯ Фонтанирование возможно лишь в том случае, если энергия, приносимая на забой жидкостью, равна или больше энергии, необходимой для подъема этой жидкости на поверхность при условии, что фонтанный подъемник работает на оптимальном режиме, т. е. на режиме наибольшего к. п. д. За счет давления на забое скважины жидкость может быть поднята на высоту, соответствующую этому давлению. Полезная работа, которая совершается при подъеме I м3 жидкости, равна произведению веса жидкости на высоту подъема: Вместе с нефтью на забой может поступать свободный газ, кроме того, из той же нефти при снижении давления происходит выделение газа. Общее количество газа, приходящееся на 1 м3 товарной нефти и приведенное к стандартным условиям, называется полным газовым фактором Го. Газ, расширяясь, также совершает работу. Однако доля свободного газа на разных глубинах будет разная. Работу расширения совершает только свободный газ. Поэтому при подсчете работы расширения газа необходимо учитывать не полный газовый фактор Го, а меньшее количество газа(за вычетом растворенного),которое назовем эффективным газовым фактором Гэф1. 4.ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДЪЕМА ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНАХ Процесс эксплуатации нефтяных скважин заключается в подъеме нефти с забоя на дневную поверхность. Способ эксплуатации скважин, при котором подъем нефти или смеси нефти с газом от забоя на поверхность осуществляется только за счет природной энергия, называется фонтанным. Если пластовой энергии для подъема жидкости с забоя скважины недостаточно, то тогда следует вводить в каком-либо виде энергию с поверхности. В общем случае способ эксплуатации скважин при вводе энергии извне называется механизированным. Передача энергии в скважину достигается различными способами: 1) сжатым газом или воздухом; 2) при помощи насосов различных типов. На забое скважины жидкость и газ (пластовый или поданный с поверхности) обладают потенциальной энергией. Количество этой энергии определяется энергией жидкости Wжи энергией газа Wг. Потенциальная энергия 1 т (1000 кг) жидкости (в Дж), необходимая для совершения работы по подъему этой жидкости на высоту hот забоя скважины, составит (1) Бели выразить высоту подъема жидкости (в м) через забойное давление, то получим (2) где Р3a6 и Ро— забойное и атмосферное давления, Па; — плотность жидкости, кг/м3; g— ускорение свободного падения, м/с2. Тогда (3) Энергия свободного газа Wгпри изотермическом процессе его расширения определяется соотношением (4) где Go — объем газа, поступающего к забою скважины в свободном виде с 1 т жидкости, м3; Р0— атмосферное давление, равное 9,81 • 104 Па. При Рзаб в каждой тонне нефти содержится какое-то количество растворенного газа, который будет выделяться из раствора по мере понижения давления к устью скважины. Этот газ также обладает некоторым запасом энергии, которую обозначим Ао. Таким образом, потенциальная энергия (в Дж), которой обладают жидкость и газ на забое скважины, будет равна (5) Эта энергия при эксплуатации не вся используется для подъема жидкости, так как на устье имеется некоторое противодавление Ру, Выражение для энергии газожидкостной смеси W1, расходуемой на подъем 1 т жидкости при изменении давления от Рзаб до Ру, по аналогии с предыдущим имеет вид: (6) где А1—энергия газа, выделившегося из нефти при изменении давления от Рзабдо Ру, Дж. Часто при эксплуатации фонтанных скважин давление на забое бывает выше давления насыщения. При этом G0=0; следовательно, подъем жидкости происходит только за счет энергии жидкости и энергии выделяющегося из раствора газа, т. е. (7) 5.ДВИЖЕНИЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБАХ В равенстве (6) первое слагаемое представляет собой энергию гидростатического напора, а сумма двух других слагаемых — энергию расширяющегося газа. Если давление на устье скважины больше давления насыщения нефти газом (Ру>Рнас) и Рзаб>Hpg, где Н — глубина скважины; — плотность жидкости; g—-ускорение свободного падения, то скважина будет фонтанировать только под действием гидростатического напора. Практически фонтанирование нефтяных скважин только под действием гидростатического напора встречается редко. Большинство фонтанных скважин эксплуатируется за счет гидростатического напора жидкости и энергии газа одновременно. При эксплуатации скважин могут быть случаи, когда Ру< <Рнас<Рзаб. При этом в нижней части колонны труб перемещается одна фаза (жидкость), а на глубине, где давление равно Рнас, из нефти начинает выделяться газ и в верхней части колонны движется двухфазный поток (жидкость и газ). В том случае, если неравенство Рзаб Рнас, во всей длине колонны труб в скважине движется двухфазный поток. рис. 1. Структура газожидкостной смеси при движении ее в вертикальных трубах. Состояние смеси жидкости и газа при движении по колонне подъемных труб изменяется в зависимости от соотношения объемных расходов обеих фаз (жидкой и газообразной), от средней скорости движения смеси и от диаметра подъемных труб. В соответствии с этим различают три режима движения газожидкостной смеси (рис. 1). Пузырьковый режим (рис. 1, а), при котором газообразная фаза распределена в жидкости в виде небольших (по сравнениюс диаметром трубы) пузырьков. Сравнительно небольшая концентрация пузырьков в смеси приводит к тому, что последние могут свободно перемещаться в жидкой фазе. Снарядный (пробковый) режим (рис. 1,6), при котором газообразная фаза представлена в виде крупных пузырьков, поперечные размеры которых соизмеримы с диаметром труб. По форме пузырьки напоминают снаряды с головкой параболического очертания. Газовые пузырьки чередуются с жидкостными перемычками. Дисперсионно-кольцевой режим (рис. 1, в), при котором газообразная фаза образует ядро потока, а жидкая фаза движется по поверхности трубы. В ядре потока содержатся капли жидкости. При первых двух режимах движения по мере подъема смеси часть жидкости стекает вниз. На практике все три режима могут быть установлены в одной и той же колонне труб: в нижней части—пузырьковый, в средней— снарядный ив верхней —дисперсионно-кольцевой. При снарядном режиме течения наблюдаются значительные пульсации потока, поэтому целесообразно параметры газожидкостного подъемника выбирать такими, чтобы движение смеси соответствовало пузырьковому режиму вблизи границы перехода к снарядному. Многие исследователи считают, что в большинстве случаев эксплуатация газожидкостных подъемников происходит в условиях снарядного режима. В таком случае можно применять законы движения смеси по этому режиму как более изученному. 6.Оборудование фонтанных скважин Геологические условия нефтяных и газовых месторождений, из которых добываются нефть и газ, различны. Они отличаются глубиной залегания продуктивного пласта, характеристикой и устойчивостью проходимых горных пород, пластовыми давлениями и температурой, газовым фактором, плотностью нефти, давлением насыщения и другими характеристиками. В зависимости от этих геологических характеристик и особенностей продуктивного пласта применяются различные конструкции скважин. В этих конструкциях обязательными элементами являются короткое направление (5—15 м), кондуктор (100—500 м) и обсадная— эксплуатационная колонна (до продуктивного горизонта). Однако такая простая одноколонная конструкция употребляется при глубинах порядка до 2000 м с устойчивыми породами, не вызывающими осложнений при бурении и освоении скважины. При сложных геологических условиях, трудностях спуска одной колонны до проектной глубины, осложнениях при бурении, необходимости перекрытия промежуточных горизонтов с большим пластовым давлением, а также по ряду других причин необходимо применять более сложные и дорогостоящие многоколонные конструкции скважин. Например, на скважинах, пробуренных на меловые отложения в Чечено-Ингушетии, залегающие на глубине 5300—6000 м, вынуждены применять многоколонные конструкции, состоящие кроме направления и кондуктора из четырех-семи колонн, в том числе с так называемыми хвостовиками, т. е. обсадными колоннами, закрепляющими только вскрытую часть пород ниже башмака последней обсадной колонны. Условия эксплуатации месторождений нефти и газа, а также охрана недр и техника безопасности требуют герметизации и разобщения межтрубных пространств, спуска в скважину НКТ, направления продукции в замерные устройства, регулирования работы скважины, ее кратковременного закрытия для ремонтных работ. Это осуществляется с помощью установки на устье фонтанной скважины оборудования, состоящего из колонной головки, фонтанной арматуры и манифольдов. Колонная головка. Она предназначена для обвязки устья скважины с целью герметизации межтрубных пространств, а также для подвески обсадных колонн и установки фонтанной арматуры. Существуют одно-, двух-, трех-, четырех и пятиколонные головки; требования, предъявляемые к конструкциям колонных головок, следующие: надежная герметизация межтрубных пространств; возможность контроля за давлениями во всех межтрубных пространствах; быстрое и надежное закрепление подвески обсадных колонн; возможность крепления к одной колонной головке различных обсадных колонн, т. е. универсальность; быстрый и удобный монтаж; минимально возможная высота. Колонная головка в период эксплуатации скважины остается на устье и, как правило, не ремонтируется. Поэтому к се конструкции и качеству изготовления предъявляются высокие требования. Выпускаются колонные головки на 14,0; 21,0; 35,0; 50,0 и 70,0 МПа рабочего давления. В некоторых случаях (на газовых скважинах) применяются колонные головки, рассчитанные па давление до 150 МПа. Для опрес- Рис. 1. Конструкция простейшей колонной головки для одной обсадной колонны совки колонной головки и контроля давления в межтрубном пространстве предусмотрен боковой отвод с краном высокого давления 9 и манометром 8. Фонтанная арматура. Фонтанная арматура предназначена: для подвески одной или двух колонн фонтанных труб; для герметизации и контроля пространства между фонтанными трубами и обсадной колонной; для проведения технологических операций при освоении, эксплуатации и ремонте скважины; для направления продукции скважины в выкидную линию на замерную установку; для регулирования режима работы скважины и осуществления глубинных исследований. Фонтанная арматура подвергается действию высоких температур и давлений. Однако по своим эксплуатационным характеристикам (дебит, давление, температура, газовый фактор и др.) фонтанные скважины бывают различными. Поэтому возникает необходимость иметь фонтанные арматуры, рассчитанные на различные условия работы. Фонтанные арматуры различаются по конструктивным и прочностным признакам: по рабочему давлению — от 7 до 105 МПа; по размерам проходного сечения ствола — от 50 до 100 мм; по конструкции фонтанной ёлки — крестовые и тройниковые; по числу спускаемых в скважину рядов труб — однорядные и двухрядные; по типу запорных устройств — с задвижками или с кранами. Для охвата всех возможных условий в фонтанных скважинах по давлению приняты следующие стандарты: арматуры на 7, 14, 21, 35, 70 и 105 МПа рабочего давления, причем арматура на 7, 14, 21 и 35 МПа испытывается на двойное рабочее давление, а арматура на 70 и 105 МПа — на полуторакратное давление. Собственно фонтанная арматура состоит из двух элементов: трубной головки и фонтанной елки. Трубная головка предназначена для подвески фонтанных труб. Обычно она представляет собой крестовину с двумя боковыми отводами с установленной на ней переходной катушкой, в которую вворачивается верхний резьбовой конец фонтанных труб. При применении двух рядов труб устанавливаются две крестовины с переходными катушками. На нижней катушке подвешивается первый ряд труб (большого диаметра), а на верхней катушке — второй ряд труб (меньшего диаметра). На верхнем фланце катушки укрепляется собственно фонтанная ёлка. Трубная головка подвергается давлению затрубного газа, которое может быть больше, чем давление в фонтанной ёлке. Поэтому трубная головка рассчитывается и испытывается на давление примерно в 1,5 раза большее, чем фонтанная ёлка. Это объясняется тем, что в межтрубном пространстве, которое герметизирует трубная головка, может скопиться чистый газ, и поэтому давление может достигнуть пластового. Фонтанные ёлки по конструкции делятся на крестовые и тройниковые. Характерным узлом крестовой арматуры является крестовина 6 (рис. 2) с двумя боковыми отводами, каждый из которых может быть рабочим, а второй запасным. Для тройниковой фонтанной ёлки (рис. 3) характерным узлом являются тройники 1, к которым присоединяются выкидные линии — верхняя и нижняя. Причем рабочим выкидом всегда должна быть верхняя линия, а нижняя — запасной. Это продиктовано безопасностью работы и возможностью предотвращения открытого фонтанирования. Тройниковые арматуры, как правило, применяются в скважинах, дающих вместе с нефтью абразивный материал—песок, ил. При разъедании песком верхнего тройника скважина может быть переведена на работу через нижний отвод. При этом промежуточная (между отводами) задвижка или кран закрывается; и верхний тройник, и отвод могут быть отремонтированы. При применении в этих условиях крестовой арматуры разъедание крестовины приводит к необходимости перекрытия скважины центральной задвижкой для замены крестовины. Однако крестовые арматуры более компактны, высота их меньше, обслуживание, которое заключается в снятии показаний манометров, смене штуцеров и осуществляется с мостков без лестниц. Тройниковые арматуры имеют большую высоту и требуют для обслуживания специальных вспомогательных сооружений. Фонтанные арматуры шифруются следующим образом: Рис. 2. Фонтанная крестовая арматура (4АФК-50-700) высокого давления (70 МПа) для однорядного подъемника: / — вентиль, 2 — задчижка. 3 — крестовина, 4 — катушка для подвески НК.Т, 5 — штуцер, 6 — крестовины ёлки, 7 — буфер, 8 — патрубок для подвески НКХ 9 — катушка АФТ-65Кр-140, что означает: арматура фонтанная, тройниковая с проходным сечением 65 мм, крановая на 14 МПа рабочего давления. АФК-50-210 — арматура фонтанная крестовая диаметром 50 мм на рабочее давление 21 МПа. Масса фонтанной арматуры достигает 3 т, высота 4 м, ширина до 3,3 м. Штуцеры. Они являются элементом фонтанной елки и предназначены для регулирования режима работы фонтанной скважины и ее дебита. Штуцеры устанавливаются на обеих выкидных линиях арматуры и подразделяются на нерегулируемые и регулируемые. Более просты и надежны нерегулируемые штуцеры. Они незаменимы в случаях, когда из скважины поступает песок или другой абразивный материал. Существует много конструкций нерегулируемых штуцеров, которые часто выполняются в виде коротких конических втулок из легированной стали Рис. 3. Фонтанная тройниковая арматура кранового типа для подвески двух рядов НКТ (2АФТ-60Х40КрЛ-125): / — тройники, 2— патрубок для подвески второго ряда НКТ; 3 — патрубок для подвески первого ряда НКТ или из металлокерамического материала с центральным каналом заданного диаметра. По мере износа штуцера установленный режим работы скважины нарушается и штуцер необходимо менять. Для этого работу скважины переводят временно на запасной отвод, на котором установлен штуцер заданного диаметра, и одновременно меняют изношенный штуцер в основном рабочем отводе. В связи с этим предложено много конструкций так называемых быстросменных штуцеров (рис. 4 |