книги / Сборник задач по технологии и технике нефтедобычи

Максимальную допустимую глубину спуска подъемной колонны определяют из условия обеспечения необходимого запаса ее проч­ ности при растягивающих нагрузках, возникающих от собствен­ ного веса колонны и усилий при посадке и извлечении пакера. Ори­ ентировочно предельную глубину спуска определяют по следующей формуле:

вскважину до забоя.

2.Определяют профили давления в подъемной колонне для заданного дебита фжст и различных удельных расходах нагнетае­ мого газа R * * . При этом учитывают пластовый газовый фактор Г. Данные профили либо рассчитывают по одной из методик (см. гл. 5), приемлемой для рассматриваемых условий эксплуатации скважины, либо выбирают по специальным каталогам (например, каталоги фирм «Камко», «Отис» и др.). Для удобства использования в после­ дующем полученных профилей давления в качестве их параметра принимают общий удельный расход газа

На рис. 8.2 приведена типовая диаграмма профилей давления в подъемной колонне. Крайняя правая кривая диаграммы (а = 0) соответствует профилю давления однофазного потока жидкости. Крайняя левая — профилю давления с минимальным градиентом. При увеличении удельного расхода газа свыше указанного для этого профиля в силу изменения соотношения потерь давления на трение и скольжение градиент давления начинает возрастать и профиль давления смещается вправо. Учитывая, что в этом случае энергию нагнетаемого газа используют неэффективно, расчет (вы­ бор) профилей давления ограничивают профилем с минимальным градиентом.

3. Определяют забойное давление, при котором обеспечивается приток требуемого количества жидкости к скважине

Рис. 8.2. Пример типовой диаграммы профилей давления в подъемной ко­ лонне скважины (к задаче 8.1) для Qw ст = 40 м3/сут; DT = 0,0635 м; 0В= 0; Г = 20 м3/м3. Общий удельный расход газа (а) и удельный расход нагнетае­ мого газа (Rг) в м3/м3 для профилей давления имеют следующие значения:

ной установки следующим образом.

На кальке в масштабе диаграммы (см. рис. 8.2) проводят коор­ динатные оси р и Я;

На оси давления р наносят точки, соответствующие заданному давлению на устье скважины ру и рабочему давлению нагнетаемого газа ргу, а на координатном поле — точку (Я = Lc; р = рзаб), соответствующую забойному давлению.

Из точки ргу проводят профиль давления нагнетаемого газа в затрубном пространстве, который можно построить, определив давление на произвольной глубине Я по барометрической формуле

где рг — относительная плотность газа по воздуху (1.11); Я — глубина, м; Тср — средняя абсолютная температура газа в затруб­ ном пространстве,

сжимаемости газа при средних значениях давления и температуры,

162

Рис. 8.3. Определение возможных режимов работы скважины, оборудован ной газлифтной установкой непрерывного действия (к задаче 8-1)

определяемых методом последовательных приближений*. Ориенти­ ровочно 2ср можно определить, приняв рср— ргу.

Строят профили давлений на участке колонны подъемных труб, расположенном выше возможных точек ввода газа различного удельного расхода R r, и профиль давления на участке колонны, расположенном ниже ввода газа, для чего кальку накладывают на диаграмму (см. рис. 8.2) так, чтобы оси глубин совпали, и пере­ мещают вниз вдоль оси Н. При этом точка, соответствующая ру, последовательно будет ложиться на кривые различных удельных расходов газа а. Из этой точки проводят на кальке эти кривые (рис. 8.3). Затем кальку перемещают таким же образом вверх дс совмещения точки, соответствующей рзаб, с кривой, соответствую­ щей удельному расходу пластового газа (а = а пл). Из этой точки проводят на кальке эту кривую (рис. 8.3)**.

Точки пересечения полученных профилей давления в подъем­ ной колонне и их положение по отношению к профилю давления в затрубном пространстве (рис. 8.3) определяют возможные режимы работы газлифтной установки, обеспечивающие требуемый отбор жидкости из скважины при заданном давлении на устье и распола­

значение рГ (Н) и так далее, пока zcp не совпадает с предыдущим.

** Данные профили могут быть рассчитаны по одному из методов, при­ веденных в гл. 5.

жимов (удельный расход нагнетаемого газа R r, глубина ввода газа Нвг, давление в подъемной колонне на уровне ввода газа рт= рвг) сводят в таблицу и используют для выбора оптимального режима работы установки.

Определяют для каждого из возможных режимов энергию, по­ требляемую на подъем единицы объема жидкости; при этом процесс

где R r — удельный расход нагнетаемого газа, м3/м3; р0 — нормаль­ ное давление, р0 = 0,1 МПа; рт, ру — соответственно абсолютные давления в колонне подъемных труб в точке ввода газа и на устье скважины, МПа; п — показатель политропы, п « 1,2.

5.Выбирают оптимальный режим работы установки, который

будет характеризоваться минимальной потребляемой энергией W и соответствующим удельным расходом нагнетаемого газа Яг, глу­ биной ввода газа Нвг и давлением на уровне ввода газа рт. Глубина ввода газа будет определять глубину установки рабочего газлифт­ ного клапана L[lK, которая в большинстве случаев будет макси­ мально возможной для заданных условий эксплуатации скважины. Если задачу решают с одновременным выбором оптимального диа­ метра колонны подъемных труб, то подобные расчеты в аналогич­ ной последовательности проводят для всех рассматриваемых диа­ метров. Оптимальным диаметром будет тот, при котором энергети­ ческие затраты минимальны.

РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ПУСКА ГАЗЛИФТНОЙ СКВАЖИНЫ

Пуск скважины заключается в снижении статического забой­ ного давления с последующим выводом ее на проектный режим ра­ боты путем ввода в колонну подъемных труб нагнетаемого газа через последовательно расположенные на ней газлифтные пуско­ вые клапаны.

Расчет системы пуска предусматривает определение: глубины установки пусковых клапанов, их технологических параметров (расход газа, диаметр отверстия) и типоразмеров, параметров тари­ ровки, обеспечивающих их нормальную работу в условиях сква­ жины.

Газлифтные клапаны — это своего рода регуляторы, посредст­ вом которых в скважине автоматически устанавливается или пре­ кращается сообщение между колонной подъемных труб и затрубным пространством, заполненным нагнетаемым газом. В настоящее время получили распространение сильфонные клапаны для газ­ лифтных установок непрерывного и периодического действия и уп­ равляемые давлением газа в затрубном пространстве. Конструк-

164

Как только начинается нагнетание сжатого газа в затрубное про­ странство, все клапаны, установленные на колонне подъемных труб, откроются. Поскольку в любой точке затрубного простран­ ства давление выше, чем в подъемной колонне, уровень жидкости в нем снижается и достигает первого клапана. Из условия баланса открывающих и закрывающих усилий, действующих в клапане, непосредственно перед тем как его шток 4 начинает перемещаться от седла 5 (см. рис. 8.4, а) следует, что давление газа ргот, соот­ ветствующее давлению открытия, на глубине установки клапана будет

где рс — давление в сильфоне клапана; рт — давление в колонне подъемных труб на уровне установки клапана в момент его откры­ тия.

Так как клапан открыт, условием поступления газа из затруб­ ного пространства в подъемную колонну будет наличие началь­ ного перепада давления на клапане, который определяется глуби­ ной установки клапана и ориентировочно принимается равным

По мере поступления газа через клапан давление в подъемной колонне на уровне его установки будет снижаться от максималь­ ного определяемого в зависимости от условий статическим или ди­ намическим градиентом жидкости (рис. 8.5, кривые / и 2), до ми­ нимального в подъемных трубах /7Tmin (кривая 4) при работе сква­ жины на проектном режиме. При этом перепад давления на клапане будет увеличиваться, что приведет к увеличению расхода газа че­ рез него и понижению уровня жидкости в затрубном пространстве до следующего клапана, расположенного на глубине, обеспечиваю­ щей начальный перепад давления Аркл на нем. Давления в затруб­ ном пространстве и соответственно перед штуцером, установлен­ ном на нагнетательной линии (см. рис. 8.1), уменьшаются и ста­ новятся равными давлению закрытия первого клапана, в силу чего клапан закрывается. Так как при открытом клапане давле­ ние нагнетаемого газа будет действовать на всю эффективную пло­ щадь сильфона, то непосредственно перед тем, как шток клапана начнет перемещаться вниз и клапан закроется (см. рис. 8.4, б), будет выполняться следующее условие закрытия:

где рг — давление в затрубном пространстве на уровне установки клапана в момент его закрытия.

Нагнетаемый газ продолжает поступать в затрубное простран­ ство и давление в нем растет, что вызовет поступление газа в подъем­ ную колонну через второй клапан. При этом из-за притока в подъем­ ную колонну жидкости как из затрубного пространства, так и из пласта (если забойное давление стало меньше пластового) давление в ней на уровне первого клапана возрастает от р1т\в1 до рТтахх-

166

Рис. 8.5. Расстановка газлифтных клапанов при непрерывном газлифте (к за­ даче 8.2)

Профиль давления в колонне будет соответствовать кривой (рис. 8.5, кривая 9). В дальнейшем давление на уровне первого клапана снизится, но в начальный момент оно может вызвать его открытие. Чтобы этого не произошло, необходимо снизить давление газа в затрубном пространстве на устье на величину

Аналогично рассчитывают снижение давления* нагнетаемого газа при включении в работу последующих клапанов, расположен­ ных ниже второго, за исключением последнего, рабочего клапана, при поступлении газа через который скважина выйдет на проект­

167

Рис. 8.6. Стенд для тарировки

газлифтных клапанов

его установки L„; рг (L„)— давление газа в затрубном пространстве на глубине установки п-го клапана (рис. 8.5, кривая 5)*.

Давление в сильфоне каждого из клапанов рсп, обеспечивающее его откры­ тие и закрытие, опреде­ ляют следующим выраже­ нием:

"ЬРт min(Ln) ^кп^/^сл, (8-13)

где Prmin (Ln) — минимальное давление в колонне подъемных труб на глубине установки л-го клапана; Ккп, Ксп — соответственно коэффициенты Кк и К с л-го клапана.

Надежность работы клапанов в условиях скважины зависит от правильности их зарядки и последующей тарировки в поверх­ ностных условиях на специальном стенде (рис. 8.6).

На глубине установки клапана в скважине давление в его силь­ фоне рс из-за влияния температуры будет больше давления рСС1 в условиях зарядки. Без учета коэффициента сжимаемости азота, которым заполняется сильфон, давление в нем определяется сле­ дующим соотношением:

где Т — температура на глубине установки клапана; Т„ — = 293 К — стандартная температура, при которой заряжают кла­ пан.

мосферном давлении, действующем на клапан, определяется вы­ ражением

* Для первого клапана рго (1 г) = р г (LJ, так как £ ДР1=0,

Протарированные с учетом скважинных условий клапаны по­ зволяют осуществлять управляемый посредством давления нагне­ таемого газа пуск скважины и работу газлифтной установки на проектном режиме.

Последовательность расчета системы пуска

I. Предварительные определения и построения.

На координатное поле р—Я (см. рис. 8.5) последовательно наносят:

из точки, соответствующей рп„:

профиль гидростатического давления жидкости (кривая /), гра­ диент которой определяется плотностью рж; пересечение кривой 1 с осью глубин определяет положение статического уровня в сква­ жине;

из точки, соответствующей рзаб:

профиль гидродинамического давления жидкости в подъемной колонне (кривая 2)' градиент которой определяется по (5.21) или

профиль давления в подъемной колонне выше точки ввода газа и соответствующий оптимальным условиям эксплуатации скважины (кривая 4)\ точка пересечения кривых 3 и 4 определяет максималь­ ную глубину установки рабочего клапана LpK;

из точки, соответствующей ргу:

профиль статического давления газа в затрубном пространстве (кривая 5), рассчитывается по (8.5);

из точки, соответствующей Ту:

профиль температуры в подъемной колонне скважины (кри­ вая 6)*, предварительно определив по (5.9) температуру на устье скважины Ту и проведя ось температур.

II. Расчет глубин установки и характеристик пусковых клапа­ нов.

К л а п а н 1. 1. Глубина установки клапана L y зависит от

Он может быть высоким или низким, что оценивают по превы­ шению уровня жидкости в подъемной колонне АН„ над статиче­ ским при ее продавке из затрубного пространства

его через газлифтные клапаны. В последующих расчетах ориентировочно принимают, что профили температур в подъемной колонне и затрубном про­

странстве равнозначны.

169

где FT; FKn — соответственно площадь сечения подъемной колонны и кольцевого сечения затрубного пространства; DT; D3K— со­ ответственно внутренний номинальный диаметр подъемной и экс­ плуатационной колонны.

Если ДЯСТ> Я СТ— статический уровень высокий; при продавке жидкости из затрубного пространства в подъемную колонну перелив на устье начнется раньше, чем уровень в затрубном про­ странстве достигнет места установки клапана. С учетом перепада давления на клапане Дркл по (8.9) положение его определяют сле­ дующим выражением

на глубине установки первого клапана*. Ориентировочно можно

ПРИНЯТЬ P rl « Р т у -

Если ДЯстСЯст — статический уровень низкий; при продавке жидкости ее уровень в подъемной колонне не достигает устья скважины при поступлении газа через клапан. Положение клапана в этом случае определяется выражением**:

графически (см. рис. 8.5). Например, для AHLT> H „ * * * . Li опреде­ ляют как глубину, соответствующую положению точки пересече­

на глубине установки клапана Ь г определяют координатой р точки пересечения горизонтали, проведенной на расстоянии Я = L u

спрофилем 4.

3.Давление газа в затрубном пространстве на глубине —рг1 определяют координатой р точки пересечения горизонтали Я =

спрофилем 5.

4. Температуру газа в затрубном пространстве на глубине L j—7 \ определяют координатой Т точки пересечения горизонтали

Я= с профилем температуры 6.

*Так как глубина установки клапана неизвестна, уравнение (8.18) решается методом последовательных приближений.

**При выводе формул (8.19) и (8.20) поглощение жидкости пластом не .учитывали.

170