автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Анализ универсальной методики расчетов промысловых газожидкостных подъемников и возможностей ее использования на месторождениях КНР

■9 ,

' 1 ' ' - /Л

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И

ГАЗА ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА

На правах рукописи УДК 622.276.56:532.5

Тан Чуньмэй

АНАЛИЗ УНИВЕРСАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТОВ ПРОМЫСЛОВЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОДЪЕМНИКОВ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КНР

Специальность 05.15.06 - "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель - д. т. н. профессор Сахаров В.А.

Москва - 1999г.

Оглавление

Введение..................................................................... 4

I Исследования восходящих газожидкостных потоков и методики их расчетов....................................................... 8

1.1 Гидродинамика восходящих газожидкостных потоков........... 8

1.2 Физические модели газожидкостных потоков...................... 11

1.3 Методики расчета ГЖС.................................................. 12

1.4 Анализ универсальной методики расчета промысловых подъемников и постановка задача диссертации........................... 24

1.5 Выводы...................................................................... 34

II Анализ влияния различных факторов на точность расчетов по универсальной методике..................................... 35

2.1 Последовательность расчета........................................... 35

2.2 Оценка погрешностей при использовании аналитической зависимостью для определения коэффициента общих потерь давления......................................................................... 38

2.3 Влияние вязкости жидкости на относительную скорость фаз и результаты расчетов по универсальной методике.................. 45

2.4 Влияние состава газа на точность расчетов по универсальной методике..................................................................... 51

2.5 Влияние на точность расчетов кинематики потока и свойств фаз. Корреляция экспериментальной зависимости коэффициента общих потерь от параметра скольжения........................ 64

2.6 Выводы....................................................................... 77

III Возможность использования универсальной методики для расчетов промысловых подъемников на месторождениях Дагана (КНР).............................................................. 78

3.1 Подготовка исходных данных.......................................... 79

3.1.1 Газонасыщенность и давление насыщения....................................................80

3.1.2 Зависимость вязкости дегазированной нефти от температуры при атмосферном давлении............................................................................................85

3.2 Адаптация методики к условиям месторождений КНР (Даган).. 88

3.2.1 Краткое описание общей характеристики месторождений Да-гана......................................................................................................................................................88

3.2.2 Адаптация исходных данных......................................................................................89

3.2.3 Порядок расчета газожидкостных подъёмников для месторождений Дагана...............................................................................................95

3.3 Выводы............................................................................................................................................101

Заключение....................................................................................................................................102

Литература..................................................................................103

Приложение..................................................................................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время нефть как один из основных ресурсов энергии и топлива всё более привлекает внимание политиков и специалистов различных отраслей промышленности. Особенно нефть важна для нашей страны, развивающейся Китайской Народной Республики с её огромным населением. После реформы в КНР быстро развивается экономика - это называется китайским чудом. А быстро развивающаяся экономика требует соответственно развития промышленности, особенно требует развития нефтяной промышленности. Нефть как кровь промышленности, потребность нефти быстро возрастает, а нехватка её стала препятствовать развитию страны. На сегодняшний день в нашей стране годовая добыча нефти составляет 110-130 млн.тонн. Это далеко не сопоставимо с потребностями развивающейся экономики Китая.

Помимо развития совместной добычи нефти за рубежом, в том числе в странах средней Азии, включая и бывшие республики СССР, большое внимание уделяется и повышению эффективности добычи нефти на своей территории (применение прогрессивных технологических процессов, ресурсосбережение и снижение энергоемкости производства).

Одним из важных технологических процессов в нефтяной промышленности, на осуществление которого требуются значительные затраты материальных ресурсов, является подъем пластовых флюидов на поверхность. Совершенствование технологии извлечения флюидов неразрывно связано с задачей надежности расчета скважинных газожидкостных подъемников, на основании которого определяются режимы работы скважин с минимумом потерь энергии и необходимое для этого оборудование. Эта задача весьма актуальна, так как в существующих методиках расчета используются эмпи-

рические зависимости, полученные путем обработки результатов промысловых или лабораторных исследований лифтирования жидкостей по трубам. Достаточная точность эмпирических зависимостей может быть гарантирована лишь для условий, адекватных условиям проведения эксперимента.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал, однако невозможность проведения эксперимента, охватывающего все многообразие наблюдаемых в скважинах физико-химических свойств нефти, воды и газа, термодинамических условий, расходных и геометрических характеристик потока, обусловливает ограниченный характер использования имеющихся зависимостей. Диапазон свойств газожидкостных потоков постоянно расширяется, т.к., открываются месторождения, содержащие нефти, существенно отличающиеся по свойствам от нефтей ранее разбуриваемых месторождений. Отсюда вытекает актуальность разработки методов обобщения экспериментального материала.

При проведении лабораторных исследований используется критериальный метод обработки данных, позволяющий из общего перепада давления на рабочем участке установки с помощью соответствующих приборов выделить его составляющие, вызванные различными по своей природе механизмами. Это намного облегчает обобщение лабораторных данных по сравнению с промысловыми, в которых не имеется информации о составляющих общего перепада давления. Поэтому большинство наиболее разработанных в теоретическом плане методов расчета промысловых газожидкостных подъемников базируется на лабораторных данных.

Исследованиями последнего времени установлено, что такие параметры реальных газоводонефтяных смесей, как пенистость нефти, непрерывное зарождение газовой фазы в виде мельчайших пузырьков при давлении ниже давления насыщения, повышенные давление и температура, процесс эмульсиоб-разования в колонне труб, оказывают существенное влияние на гидродинамические характеристики газожидкостных потоков.

Моделирование реальных газоводонефтяных смесей в лабораторных условиях - чрезвычайно сложная задача, поэтому для нефтяной промышленности особую актуальность приобретают методы обобщения промысловых данных, т.е. методы обобщения промысловых данных в условиях, когда нет информации о составляющих общего перепада давления. Отсутствие аналитических зависимости для описания движения газожидкостных смесей в широком диапазоне изменения параметров потока требует разработки расчетных методов, обладающих адаптационной способностью к условиям конкретного месторождения, в том числе и месторождений Дагана КНР.

В отличии от российской нефти наша нефть содержит большое количество легких компонентов (например метана), эта особенность осложняет определение давления насыщения.

Одним из методов расчета промысловых подъёмников, получившим в последнее время широкое распространение является "универсальная" методика, созданная на кафедре разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина В.А.Сахаровым, А.В.Воловодовым и М.А.Моховым. Методика дает приемлемые результаты при расчетах движения газожидкостных смесей в трубах и кольцевых зазорах, при лифтиро-вании ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

Целью диссертационной работы является анализ универсальной методики и возможностей ее использования для расчетов промысловых газожидкостных подъёмников на месторождениях КНР.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследований являются:

1. Анализ влияния на точность расчетов допущений, сделанных в методике при получении аналитических зависимостей, определяющих потери энергии при движении по трубам газожидкостной смеси.

2. Изучение влияния изменения физических свойств жидкости в процессе движения газожидкостных смесей на точность расчетов по универсальной методике.

3. Обоснование возможности использования универсальной методики для расчетов промысловых газожидкостных подъёмников в условиях месторождений КНР.

Работа докладывалась на семинарах и заседаниях кафедры разработки и эксплуатации нефтяных месторождений РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, на конференции молодых учёных, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности, "Новые технологии в газовой промышленности" - 1995г. и на 2-ой научной технической конференции, посвященной 850-летию Москвы - 1997г.

ГЛАВА ПЕРВАЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОСХОДЯЩИХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ И МЕТОДИКИ ИХ РАСЧЁТОВ.

1.1 Гидродинамика восходящих газожидкостных потоков

При добыче продукции нефтяных месторождений в промысловых газожидкостных подъёмниках происходит совместное движение нефти, воды и газа. На подъём этой продукции от забоя скважины до её устья требуются значительные затраты энергии и материальных средств/12/. Чтобы скважин-ное оборудование работало в оптимальном режиме, нужна надежная методика расчёта скважинных газожидкостных подъёмников, базирующаяся на использовании законов движения газожидкостных смесей.

Многие работы были посвящены изучению гидродинамики газожидкостных потоков в технологических процессах добычи нефти. За более чем полувековой период изучения этой проблемы были заложены фундаментальные основы теории и практики лифтирования жидкостей по трубам, открыты и объяснены многие явления. Были выведены уравнения движения и энергии с тепломассообменом и без тепломассообмена, выявлены структуры течения, разработан ряд физико-математических моделей, установлен характер влияния многих факторов на движение газожидкостных смесей (ГЖС). На основе достигнутых результатов разработаны методы инженерного расчёта газожидкостных подъёмников. В этой области работали и работают многие выдающие учёные и специалисты мира, такие как А.П. Крылов, Д. Верслюис, В.Г. Багдасаров, Г.И.Белодворцев, Г.Н. Сорокер, А.М.Пирвердян, К.В. Виноградов, Ф. Поэтман, И.П. Карпентер, В.А. Архангельский, Г.С. Лу-тошкин, В.А. Мамаев, Г.Э. Одишария, Р.И. Нигматулин, Ю.П. Коротаев, А.

Хагедорн, К.Браун, P.C. Андриасов, И.М. Муравьев, И.Т. Мищенко, В.И. Щуров, В.А. Сахаров, В.Г. Грон, М.А. Мохов, A.B. Водоводов и др. В последнее время получил развитие метод подобия, позволяющий моделировать и изучать потоки в широком диапазоне изменения их параметров.

Наряду с достижениями в гидродинамике ГЖС имеется и много нерешенных проблем.

Газожидкостные потоки подчиняются всем основным законам гидродинамики. Однако происходящие в них процессы более сложны и многообразны, чем в однофазных потоках. На характер течения ГЖС оказывает влияние большое количество факторов: расход жидкости и газа, их относительное содержание, дисперсность дискретной фазы, соотношение вязкостей и разность плотностей фаз, поверхностное натяжение и адсорбционные явления на границе раздела между жидкостью и газом, тепло- и массообмен, геометрия и ориентация канала в пространстве/23/. Совокупность этих факторов определяет структуру потока, под которой понимается дисперсность и распределение фаз по объёму трубы. Различают несколько структур потока: пузырьковая, пробковая, эмульсионная, кольцевая и дисперсная. В нефтяных скважинах наблюдаются преимущественно пузырьковая и переходная или эмульсионная структуры/37/, характеризующиеся дискретностью газовой фазы. Механизм движения потока при различных структурах разный. Для каждой структуры есть свои расчётные зависимости, полученные разными авторами, в основном на основе обобщения экспериментальных данных. Опыт показывает, что пользоваться этими зависимостями при гидродинамических расчётах скважинных газожидкостных подъёмников весьма затруднительно из-за неадекватности условий.

Важное значение для описания движения ГЖС имеет такая характеристика, как газосодержание системы. Вследствие всплытия газа в жидкости фактическое газосодержание отлично от расходного. Его определение составляет наиболее существенную и трудную часть расчёта движения ГЖС.

Газосодержание влияет не только на структуру потока, но и на его плотность, величину гидравлических сопротивлений, пульсационные характеристики, диссипацию энергии в волновых процессах /14, 25, 27, 28/.

В добыче нефти весьма важна точность определения плотности газожидкостного потока, ибо большая часть энергии затрачивается именно на преодоление веса столба смеси в скважине. К тому же, при определении других видов затрат энергии, таких как на преодоление гидравлических сопротивлений, на ускорение потока, используется величина плотности.

Что касается гидравлических сопротивлений, то в них входят потери энергии на трение жидкости о стенку трубы, газа о жидкость, на трение внутри фаз, энергия на поперечное движение смеси и волновые процессы. В настоящее время не удается выделить перечисленные виды энергетических потерь, поэтому в уравнениях они учитываются одним коэффициентом сопротивлений /26, 31, 44/.

Сложность изучения движения ГЖС ещё заключается в том, что многие влияющие на параметры потока факторы были до конца не раскрыты, к ним относятся фазовые переходы, дисперсность дискретной фазы, наличие в нефти поверхностно-активных веществ, вязкость, неньютоновские свойства смеси и др.

Перечисленные проблемы позволяют получить представление о сложности гидро- и термодинамики газожидкостных потоков, но не дают возможности разработать надежный метод расчёта скважинных газожидкостных подъёмников в широких пределах изменения условий их работы. Для того, чтобы создать надёжные расчётные методы необходимо использовать физико-математические модели, адекватные природе газожидкостного потока.

1.2. Физические модели газожидкостных потоков.

Существует несколько физических моделей с различной степенью адекватности отражающих сущность движения газожидкостных потоков. Они разделяются на два типа.

К первому типу относится модель гомогенного течения, в которой смесь рассматривается в виде однородной среды с усредненными свойствами. Плотность смеси определяется без учета относительной скорости фаз. Структура потока, явления на границе раздела фаз не рассматриваются, считается, что система находится при термодинамическом равновесии. Модель отличается простотой и её полностью можно описать законами и уравнениями гидравлики однофазной жидкости. Наиболее адекватно модель гомогенного течения отражает высокодисперсные течения с равномерным распределением дискретной фазы в потоке. Модель неприменима при ярко выражён-ной неравномерности распределения фаз, например при кольцевой структуре.

Ко второму типу относятся модели раздельного течения, характерной особенностью которых является учёт важнейшего параметра реального потока - скольжение фаз. Величина относительной скорости зависит от типа структуры и изменяется в широких пределах. Простейшая модель данного типа учитывает различие в скорости жидкости и газа, остальные параметры осредняются по потоку. Следующая по сложности модель учитывает влияние на скольжение неравномерности распределения фаз в плоскости трубы. Наиболее сложной является модель, в которой все характеристики фаз рассматриваются отдельно для жидкости и газа. В моделях раздельного течения могут учитываться или не учитываться взаимодействие и тепломассообмен между фазами и другие явления.

В настоящее время широкое распространение получила модель потока

дрейфа /7, 13, 20/, относящаяся к моделям раздельного течения. В ней рассматривается движение фаз относительно сечения, движущегося со скоростью смеси. Модель потока дрейфа имеет две модификации: одномерную и двухмерную.

Почти все современные методы расчёта промысловых газожидкостных подъёмников базируются на трёх физических моделях: гомогенного течения, одномерной модели раздельного течения и двухмерной модели раздельного течения /59,60/.

Методы Ф.Поэтмана и П.Карпентера /62/ , П.Баксенделла и Д.Томаса /63/ основаны на модели гомогенного течения, а методы А.П.Крылова и Г.С.Лутошкина /4/ , А.Хагедорна и К.Брауна /65/ , Г.Данса и Н.Роса /6/ , ВНИИгаза/25, 27/ , П.Д.Ляпкова /37/ - на одномерн