Фонтанная эксплуатация нефтяных скважин. Основы подъема газожидкостной смеси.

Процесс эксплуатации скважин- подъем заданного количества жидкости с забоя скажины на поверхность. При этом основной задачей является проведение этого процесса непрерывным способом и с наибольшей эффективностью.

Рассмотрим в общих чертах энергетическую сторону процесса эксплуатации скважин.

Значение полезной работы, отнесенное к единице веса поднимаемой жидкости, зависит только от глубины скважины; для данной скважины при всех условиях подъема оно остается неизменным.

Затраченная на подъем этого количества жидкости энергия, в общем случае складывается из энергии, поступающей с жидкостью на забой скважины из пласта, и энергии, вводимой в скважину с поверхности любым способом, за вычетом энергии, уносимой ее за пределы устья скважины. В свою очередь, энергия, поступающая на забой скважины из пласта, складывается из энергии, которую несет с собой жидкость, и энергии, которую содержит поступивший вместе с жидкостью газ (при забойном давлении ниже давления насыщения).

Пренебрегая эффектом растворимости газа в нефти и считая процесс расширения газа в скважине изотермическим, приведем выражение для пластовой энергии, поступившей вместе с 1т жидкости на забой скважины:

где Р_заб- забойное давление, кг/см²; Р₀- атмосферное давление, кг/см²;ρ- плотность жидкости, кг/см³;G₀- газовый фактор, приведенный к атмосферному давлению, м³/т.

В указанном случае энергия затрачивается только на подъем жидкости до устья.

Для подачи этой жидкости от устья до сборного пункта нефти необходимо еще некоторое количество энергии. Тогда общее необходимое количество энергии

где Р₂-давление на устье скважины, кг/см².

Такой способ эксплуатации скважины носит название фонтанного способа.

При забойном давлении выше давления насыщения газ, поступивший с нефтью из пласта, полностью в ней растворен. Выделение из нефти свободного газа начнется в точке ствола скважины, в которой давление станет равным давлению насыщения нефти газом. Это давление обычно находится на некоторой высоте от забоя скважины, но в частном случае может быть и на устье скважины. При этом подъем нефти будет происходить только за счет гидростатического напора пласта, и предыдущее выражение преобразуется таким образом

В общем случае условием подъема жидкости будет неравенство

Р_заб>

где H- глубина скважины, м

При установившемся движении, когда пласт подает столько же жидкости, сколько ее поступит из скважины на поверхность, забойное давление уравновешивается давлением столба жидкости в скважине, противодавлением, создаваемым на устье скважины и давлением Р_тр., необходимым для преодоления трения жидкости о стенки труб при ее движении от забоя до устья скважины:

Давление, затрачиваемое на преодоление трения в зависимости от условий подъема жидкости:

где λ – коэффициент трения, численно зависящий от режима движения жидкости в скважине;

v – скорость движения жикдости в скважине, м/с;

d – диаметр трубы при движении жидкости, м;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Скорость движения жидкости :

где Q- дебит жидкости, т/сут.

В преобразованном виде уравнение имеет вид

При закрытой скважине, очевидно

Таким образом можно определить давление в пласте.

При различных режимах отбора жидкости из пласта, определяя соответствующие значения забойных давлений, можно исследовать характер притока жидкости по уравнению.

Q=К·(Р_пл-Р_заб)ⁿ ,

где К- коэффициент продуктивности; n- показатель степени.

Теперь рассмотрим подъем жидкости под действием движущей силы расширяющего газа. Газ, введенный в жидкость, обладает подъемной силой, равной весу вытесненной им жидкости ( без учета веса самого газа). Точками приложения подъемной силы газа являются поверхности жидкости, соприкасающиеся с газом. Подъемная сила газа действует на жидкость путем непосредственного давления на нее и посредством трения газа о жидкость.

Для подъема смеси жидкости и газа по вертикальной трубе необходим некоторый перепад давлений между нижним Р₁ и верхним Р₂ концами подъемной колонны. Значение этого перепада равно сумме:

1. давление веса столба смеси Р_см;

2. давления, затрачиваемого на преодоление трения смеси о трубы, Р_тр;

3. давления, затрачиваемого на ускорение жидкости (скорость жидкости в трубах за счет расширенного газа постепенно увеличивается) Р_у.ж.;

4. давления, затрачиваемого на ускорение движения газа, Р_у.г:

Р₁-Р₂=Р_см + Р_тр + Р_у.ж + Р_у,г

Давление, затрачиваемое на ускорение жидкости, Р_у.ж по сравнению с давлениями веса столба смеси и трением ее о трубы очень мало. Еще меньшее значение будет иметь Р_у.г. Таким образом можно принять:

Р₁-Р₂=Р_см + Р_тр

При движении смеси давление в колонне труб меняется, что ведет к изменению объемного расхода газа. Таким образом даже при установившемся движении вдоль подъемника условия движения смеси непрерывно изменяются

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 выделившегося из раствора газа, т.е

где А₁-энергия газа, выделившегося из нефти при изменении давления от p_заб до давления на устье p₂