Методы освоения нефтяных и газовых скважин

Число Рейнольдса:

Rе_кз = w ∙ (D_вн - d_нар) ∙ ρ_ж / µ_ж                                                                     (19)

Коэффициент гидравлического сопротивления  рассчитывается по

одной из формул (8), (9) или (11).

2. Вязкопластичные  жидкости.

Критическая скорость:

w_кр = η ∙ Re_крн / [ρ_жн ∙ (D_вн - d_нар)]                                                               (20)

где Re_крн - критическое число Рейнольдса вязкопластичной жидкости, характеризующее смену режима ее течения:

Rе_крн = 2100 + 7,З ∙ Не^0,58                                                                           (21)

где Не - параметр Хедстрема:

He = Re_кз ∙ Sen_кз                                                                                          (22)

Параметр  Сен-Венана-Ильюшина для кольцевого зазора записывается в виде:

Sen_кз = τ₀ ∙ (D_вн - d_нар) / (η ∙ w)                                                                   (23)

а параметр Рейнольдса:

Re_кз = w ∙ (D_вн - d_нар) ∙ ρ_жн / η                                                                      (24)

Подставляя (23) и (24) в (22), получаем:

Не = τ₀ ∙ρ_жн ∙ (D_вн – d_нар)² / η²                                                                      (25)

Режим движения жидкости в кольцевом зазоре ламинарный (структурный), если Re_кз < R_крн (w < w_кр) и потери на трение рассчитывают по формуле:

∆Р_кз = 4 ∙ τ₀ ∙ H / [β_кз ∙ (D_вн - d_нар)]                                                              (26)

где β_кз - коэффициент для кольцевого зазора, зависящий от параметра

Sen (см. рис. 1).

Параметр  Сен-Венана-Ильюшина определяют по формуле (23).

Режим движения в кольцевом зазоре турбулентный, если Re_кз > R_крн     (w > w_кр) и потери на трение рассчитывают по формуле:

∆P_кз = 0,012 ∙ ρ_жн ∙ Н ∙ w² / (D_вн - d_нар)                                                        (27)

В данном расчете  не учитывается влияние коэффициента местных сопротивлений за счет муфтовых соединений. При учете муфт потери на трение увеличиваются на 1 - 5%.

 

Задача. Рассчитать основные параметры процесса освоения

скважины для следующих условий: глубина скважины L_c = 2500 м, глубина спуска колонны НКТ Н = 2500 м, пластовое давление р_пл = 35 МПа. Скважина обсажена 168-мм обсадной колонной с внутренним диаметром   D_вн = 0,1503 м и полностью заполнена глинистым раствором плотностью ρ_гл=1150 кг/м³. Наружный диаметр НКТ d_нар = 0,089 м, внутренний диаметр d_вн = 0,076 м. Необходимо рассчитать давление закачки р_з, объем жидкости закачки V₃ и продолжительность закачки Т₃ при прямой (жидкость подается в колонну НКТ) и обратной (жидкость подается в кольцевой зазор между трубами) закачках. Жидкость закачки - вода (плотность ρ₃ = 1000 кг/м³, вязкость µ₃ = 0,001 Па-с). Закачка ведется агрегатом 4АН-700 (УН1-630х700А).

 

Решение 1. Прямая закачка.

Так как закачка  ведется агрегатом 4АН-700, выбирают, например, третью скорость при диаметре плунжера 100 мм (подача Q = 0,012 м3/с, давление Р = 37,4 МПа).

Рассчитывают  высоту от забоя х, на которую должна подняться жидкость закачки в кольцевом зазоре для случая, когда Р_б = Р. Забойное давление в этом случае:

 

∆Р_заб = Р_пл = ρ_гл · g ∙ (Н - х) + ρ_з · g ∙ х + ∆P_кзгл + ∆Р_кзз                             (28)

где ρ_гл, ρ₃ - соответственно плотности жидкости глушения и закачки кг/м³; ∆Р_кзгл - потери давления на трение при движении жидкости глушения в кольцевом зазоре на расстоянии (Н - х), Па; ∆Р_кзз - потери давления на трение при движении жидкости закачки в кольцевом зазоре на расстоянии х, Па.

Обозначим градиенты  потерь давления на трение при движении жидкостей глушения и закачки в кольцевом зазоре соответственно А_кзгл и А_кзз:

А_кзгл =     (29)

А_кзз = λ ∙ w² ∙ ρ_з / [(D_вн - d_нар)²]                                                                    (30)

Скорость  движения жидкости в трубах:

w = 4 ∙ Q / (π ∙ )                                                                                     (31)

а в кольцевом  зазоре:

w = 4 ∙ Q / [ π ∙ (                                                                (32)

где Q - расход жидкости, м³/с.

С учетом формул (29) и (30) из (28) определяем:

х=                                                                              (33)

При Р_заб = Р_пл давление закачки:

Р_з = (ρ_гл - ρ_з) ∙ g ∙ (H-x) + ΔР_тз + ΔР_кзгл + ΔР_кзз                                                                   (34)

где ΔР_тз - потери давления на трение при движении жидкости закачки в трубах на расстоянии Н, Па.

Объем закачиваемой в скважину жидкости:

V₃ = π ∙ [ + () ∙ x] / 4                                                     (35)

Максимальный  объем жидкости закачки:

V_{з max} = π ∙ H ∙ () / 4                                                       (36)

Продолжительность закачки:

 

T₃ = V₃ / Q                                                                                                   (37)

Максимальное  время закачки для замещения всей жидкости глушения в скважине:

T_{з max} = V_{з max} / Q                                                                                         (38)

При выборе оборудования необходимо знать максимальное давление закачки:

Р_{з max} = g ∙ H ∙ (ρ_гл - ρ_з) + ΔР_тгл + ΔР_кзгл + ΔР_тз                                            (39)

где ΔР_тгл, ΔР_тз - соответственно потери давления на трение при движении в трубах жидкости глушения и жидкости закачки на расстоянии Н, Па; ΔР_кзгл - потери давления на трение при движении жидкости глушения в кольцевом зазоре на расстоянии Н, Па;

ΔР_кзгл=А_кзгл ∙ Н                                                                                            (40)

Рассчитываем  по (12) и (13) η и τ₀:

η= 0,033 ∙ 10^-3 ∙ 1150 - 0,022 = 1,595 ∙ 10^-2,

τ_о =8,5 ∙ 10^-3 ∙ 1150 - 7 = 2,775 Па.

По (32) вычисляем скорость движения жидкости в кольцевом зазоре:

w=4 ∙ 0,012 / [3,14 (0,15032 - 0,0892)] = 1,042 м/с.

Рассчитываем  по (19) число Рейнольдса для воды:

Re_кзв = 1,042 ∙ (0,1503 - 0,089) ∙ 1000 / 0,001 = 63874,6.

Так как Re_кзв = 63874,6 > 2320, то режим турбулентный и коэффициент гидравлического сопротивления определяем по (9):

λ= 0,3164 / = 0,0199.

Градиент  потерь давления на трение при движении воды находим по (30):

А_кзз = 0,0199 ∙ (1,042)² ∙ 1000 / [2 ∙ (0,1503 - 0,089)] = 176,24 Па/м.

Рассчитываем  по (25) параметр Хедстрема:

Не = 2,775 ∙ 1150 ∙ (0,1503 - 0,089)² / (1,595 ∙ 10^-2)² = 47136,7

а затем по формуле (21) - критическое число Рейнольдса:

Re_кргл = 2100 + 7,3 ∙ (47136,7)^0,58 = 5848,6.

Определим по (20) критическую скорость:

 

w_кp = 1,595 ∙ 10^-2 ∙ 5848,6 / [1150 ∙ (0,1503 - 0,089)] = 1,323 м/с,

а также по (24) - число Рейнольдса:

Re_кзгл = 1,042 ∙ (0,1503 - 0,089) ∙ 1150 / (1,595 ∙ 10^-2) = 4605,4.

Так как Re_кзгл = 4605,4 < Re_кргл = 5848,6 (w = 1,042 < w_кр= 1,323), то режим движения ламинарный и градиент потерь давления на трение необходимо рассчитывать по (29), предварительно определяя по рис.1 коэффициент β_кз. Для этого вычисляем по (23) параметр Сен-Венана-Ильюшина:

Sen_кз = 2,775 ∙ (0,1503 - 0,089) / (1,595 ∙ 10^-2 ∙ 1,042) = 10,235.

Таким образом, β_кз ≈ 0,4 (рис. 1, кривая 2). По формуле (29) рассчитываем:

А_кзгл = 4 ∙ 2,775 / [0,4 ∙ (0,1503 - 0,089)] = 452,69 Па/м.

Определяем  по (33) высоту х от забоя скважины:

х = = 1458,5

В соответствии с (35) объем жидкости закачки:

V₃ = 3,14 ∙ [0,076² ∙ 2500 + (0,1503² - 0,089²) ∙ 1458,5] / 4 = 31,3 м³.

Максимальный  объем жидкости закачки рассчитываем по (36):

V_{з max} = 3,14 ∙ 2500 ∙ (0,1503² + 0,076² - 0,089²) / 4 = 51,36 м³.

Продолжительность закачки в соответствии с (37):

Т₃ = 31,3 / 0,012 = 2608,3 с ≈ 43,5 мин,

а максимальное время закачки:

Т_{з mах} = 51,36 / 0,012 = 4280 с = 71,3 мин.

Вычисляем по (39) максимальное давление закачки. Для этого предварительно определяем скорость движения жидкости в трубе по (31):

w=4 ∙ 0,012 / (3,14 ∙ 0,076²) = 2,646 м/с,

число Рейнольдса для воды по (10):

Re_тв =2,646 ∙ 0,076 - 1000 / 0,001 = 201096:

Так как Re_тв = 201096 > Re_т = 100000, то коэффициент λ вычисляем по (11):

λ= 1 / (1,82 ∙ lg201096 - 1,64)² = 0,0156.

По формуле (7) рассчитываем:

ΔР_тз = 0,81 ∙ 0,0156 ∙ 3200 ∙ 0,012² – 1000 / (0,076)⁵ = 2,296 ∙ 10⁶ Па ≈ 2,3 МПа.

По формуле (14):

w_кp = 25 ∙ = 1,228 м/с.

Так как w = 2,646 > w_кр = 1,228, режим движения турбулентный и ∆P_гл рассчитываем по (17):

∆P_гл = 0,012 ∙ 1150 ∙ 2500 ∙ (2,646)² / 0,076 = 4068135 Па ≈ 4,07 МПа.

По формуле (40) находим:

∆Р_кзгл = 452,69 ∙ 2500 = 1448608 Па ≈ 1,45 МПа.

Выше уже  определена ∆Р_тз = 2,3 МПа и А_кзз = 176,23 Па/м, вычисляем:

∆Р_кзз = А_кззН = 176,24 ∙ 2500 ∙ 10^-6 = 0,56 МПа.

Рассчитываем  по (34) давление закачки:

Р_з = (1150 - 1000) ∙ 9,81 ∙ (2500 - 1458) ∙ 10^-6 + 2,3 + 1,45 + 0,56 =

= 2,56 + 2,3 + 1,45 + 0,56 = 6,87 МПа.

Таким образом, давление закачки равно 6,87 МПа. Рассчитываем максимальное давление закачки по (39):

Р_зmах = 9 81 ∙ 3200 ∙ (1150 - 1000) ∙ 10^-6 + 4,07 + 1,45 + 2,3 = 12,53 МПа.

Следовательно, при работе агрегата на третьей скорости максимальное давление прямой закачки составляет 12,53 МПа, а насосный агрегат развивает давление 37,4 МПа. Имеет смысл повторить расчет с целью оценки возможности работы на четвертой скорости.

2. Обратная  закачка.

Параметры работы агрегата 4АН-700 остаются теми же, что  и при прямой закачке. Рассчитываем расстояние от забоя х, на которое должна подняться жидкость закачки в колонне НКТ для Р_заб = Р_пл

В этом случае забойное давление:

Р_заб = Р_пл = ρ_гл ∙ g ∙ (H - x) + ρ_з ∙ g ∙ x + ∆Р_тгл + ∆Р_тз                                  (41)

где ∆Р_тгл, ∆Р_тз - соответственно потери давления на трение при движении в НКТ жидкости глушения на расстоянии (Н - х) и жидкости закачки на расстоянии х, Па.

Обозначим градиенты  потерь на трение при движении жидкости глушения и закачки в колонне НКТ соответственно через Вт гл и Втз, (Па/м):

В_тгл =                                   (42)

B_тз = λ ∙ w² ∙ ρ_з / (2 ∙ d_вн)                                                                              (43)

С учетом (42) и (43) из выражения (41) получаем:

х =                                                                           (44)

При Р_заб = Р_пл давление закачки:

Р_з = (ρ_гл - ρ_з) ∙ g ∙ (Н – х) + ∆Р_кзз + ∆Р_тз + ∆Р_тгл                                        (45)

где ∆Р_кзз - потери на трение при движении жидкости закачки в кольцевом зазоре на расстоянии Н, Па.

Объем закачки:

V₃ = π ∙ [+ () ∙ Н] / 4                                                      (46)

Максимальное  давление закачки:

Р_{з max} = g ∙ H ∙ (ρ_гл - ρ_з) + ΔР_тгл + ΔР_кзгл + ΔР_тз                                            (47)

Рассчитываем  по (43) В_тз учитывая, что w = 2,646 м/с; λ = 0,0156 (решение при прямой закачке):

В_тз = 0,0156 ∙ (2,646)² ∙ 1000 / (2 - 0,076) = 718,556 Па/м.

Для предыдущего  случая ∆Р_тгл = 4068135 Па. Рассчитываем градиент потерь на трение:

В_тгл = ∆Р_тгл/Н                                                                                              (48)

или

В_тгл = 4068135 / 3200 = 1271,292 Па/м.

По формуле (44) рассчитываем:

 

х = = 2553,52 м.

Объем жидкости закачки по (46):

 V_з = 3,14 ∙ [(0,076)² ∙ 2553,52 + (0,1503² - 0,089²) ∙ 2500] / 4 = 48,43 м³.

Время закачки:

Т_з = 48,43 / 0,012 = 4035,5 с = 67,26 мин.

Для случая прямой закачки по формуле (30) уже определен градиент потерь давления на трение при движении жидкости закачки в кольцевом зазоре А_кзз = 176,24 Па/м. Рассчитываем:

∆Р_кзз = А_кзз ∙ Н= 176,24 ∙ 2500 = 563968 Па ≈ 0,56 МПа.

Также вычислен по формуле (29) градиент потерь на трение

А_кзгл = 452,69 Па/м. Рассчитываем:

∆P_кзгл = 452,69 ∙ 2500 = 1448608 Па ≈ 1,45 МПа.

По выражению (45) давление закачки (при B_тз = 718,556 Па/м;             ∆Р_тгл = 4,07 МПа):

Р_з = (1150 - 1000) ∙ 9,81 ∙ (2500 - 2553,2) ∙ 10^-6 + 0,56 + 718,556 ∙ 2500 ∙ ∙10^-6 + 4,07 = 0,95 + 0,56 + 2,3 + 4,07 = 7,88 МПа.

Таким образом, давление закачки равно 7,88 МПа, т.е. почти на 15% больше значения при прямой закачке.

Рассчитываем  максимальное давление закачки по (47) (при              ∆Р_тгл = 4,07МПа):

Р_зmах = 9,81 ∙ 2500 ∙ (1150 - 1000) ∙ 10^-6 + 4,07 + 1,45 + 0,56 = 10,79 МПа.

Следовательно, максимальное давление закачки равно 10,79 МПа, т.е. на 14% меньше значения при прямой закачке.

 

 

Заключение

 

В данной курсовой работе рассмотрены методы освоения нефтяных и газовых скважин.

Описаны: тартание, поршневание, замена скважинной жидкости на более легкую, компрессорный метод освоения, освоение скважин закачкой газированной смеси, откачка глубинными насосами.

В расчетной  части произведен расчёт метода замены жидкости, найдено необходимое давление закачки, объем жидкости закачки и продолжительность закачки при прямой (жидкость подается в колонну НКТ) и обратной (жидкость подается в кольцевой зазор между трубами) закачках.

В качестве графической части выполнен чертёж схемы прямой и обратной промывки скважин.

 

Список  литературы