Учебно-методическое пособие. По курсу: «эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

по курсу: «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

(Методические указания к практическим занятиям, контрольные задания для студентов направления «Нефтегазовое дело»)

УФА 2012

В методических указаниях излагаются примеры решения инженерных задач по курсу «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».

Составитель Э.М. Альмухаметова, доц., канд. техн. наук

Рецензент Р.Т. Ахметов доц., канд. техн. наук

© Уфимский государственный технический университет, 2012

Предисловие

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов специальности «разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений». Основное назначение учебно-методического пособия – дать материал, который позволит выработать навыки применения теоретических сведений к решению конкретных инженерных задач теоретического характера и тем самым освоить расчет закачки технологических показателей воды и других сред, которые находятся в жидком состоянии во всех элементах технологической цепочки. Изучение курса формирует у студента комплекс знаний по поддержанию пластового давления, путем закачки воды и других технологических стабильных жидкостей в нагнетательную скважину.

Данное пособие содержит краткие сведения из теории, методические указания и примеры решения инженерных задач. При изучении дисциплины соблюдается связь с дисциплинами «Высшая математика», «Физика», и дисциплинами общепрофессиональной и специальной подготовки, непрерывность в использовании ЭВМ в учебном процессе.

1 ЗАКАЧКА ВОДЫ И ДРУГИХ ЖИДКОСТЕЙ В НАГНЕТАТЕЛЬНУЮ СКВАЖИНУ

Справочно-методический материал

В данном учебно-методическом пособии рассматриваются процессы закачки воды и других сред, которые находятся в жидком состоянии во всех элементах технологической цепочки. Эти жидкости можно условно назвать технологически стабильными, хотя правильнее было бы назвать «фазово-стабильными».

МОДЕЛЬ. Расчетная модель процесса закачки технологически стабильной жидкости в нагнетательную скважину включает в себя восемь элементов: 1) призабойная зона пласта; 2) забойный участок скважины; 3) насосно-компрессорные трубы; 4) наземный трубопровод; 5) насосная установка; 6) подпакерное пространство; 7) пакер; 8) надпакерное пространство нагнетательной скважины.

Призабойная зона пласта (ПЗП) оказывает наиболее существенное влияние на распределение давления в системе. ПЗП предопределяет изменение давления нагнетания в зависимости от темпа закачки, вязкости нагнетаемой среды.

Забойный участок скважины – полость между продуктивным горизонтом и нижним сечением насосно-компрессорных труб (НКТ). Обычно длина участка незначительна и участок не оказывает влияния на результаты расчета.

В насосно-компрессорных трубах (НКТ) изменение давления происходит под действием сил тяжести и гидравлического сопротивления, хотя роль последнего фактора, как правило, ниже: на один порядок – при закачке вязких полимерных растворов; на два порядка – при закачке сточных пластовых вод и других подобных сред с невысокой вязкостью.

Наземный трубопровод – участок между насосной станцией или водораспределительным пунктом и устьем нагнетательной скважины – рассчитывается как профильный трубопровод с учетом разности отметок начальной и конечной точек.

Насосная установка включает в себя один или несколько рабочих насосов, обычно центробежного типа, соединенных параллельно или последовательно. Характеристика насосов строится с учетом вязкости нагнетаемой жидкости.

Подпакерное пространство представляет собой кольцевое пространство между наружной поверхностью НКТ и внутренней поверхностью обсадной колонны с нижним сечением, совпадающим с башмаком НКТ. Верхнее сечение определяется глубиной установки разобщающего устройства – пакера. Среда, находящаяся в подпакерном пространстве, состоит, в основном, из закачиваемой технологической жидкости.

Пакер как элемент системы закачки характеризуется разностью давлений со стороны надпакерного и подпакерного пространств.

Надпакерное пространство – кольцевое пространство между НКТ и обсадной колонной, нижнее сечение которого совпадает с пакером, а верхнее – с устьем скважины, как правило, заполняется буферной жидкостью с низкой коррозионной активностью. Свойства этой жидкости, в частности плотность, могут отличаться от свойств закачиваемой жидкости.

Процесс закачки воды и других технологически стабильных жидкостей в нагнетательную скважину описывается двумя системами уравнений: 1) система для потока закачиваемой технологической жидкости (ТЖ); 2) система для разобщающего устройства (пакера).

Первая система включает в себя уравнения движения для ПЗП, НКТ И наземного трубопровода, а также развиваемого насосом давления:

Вторая система включает в себя уравнения для давления в надпакерной (Р_вх) и подпакерной (Р_нз) полости нагнетательной скважины:

Гидродинамическая нагрузка на пакер рассчитывается по формуле:

В этих уравнениях приняты следующие обозначения: Р_зб, Р_пл , Р_зт, Р_вс – давление соответственно забойное, пластовое, затрубное, на всасывающей линии насосной установки; , - плотность технологической и буферной жидкости соответственно; , - вязкость ТЖ и базовой жидкости ППД в пластовых условиях соответственно; , , , - альтитуда соответственно продуктивного горизонта, устья, насосной станции, пакера; М – темп закачки массовый; К – коэффициент приемистости при закачке базовой жидкости ППД; G – степень изменения коэффициента приемистости при переходе с базовой жидкости ППД на заданную ТЖ; , - коэффициент гидравлического сопротивления НКТ и наземного трубопровода соответственно; , - длина НКТ и трубопровода соответственно; D, D_тр – внутренний диаметр НКТ и трубопровода; H – напор насоса; Q – подача насоса.

Напор насоса в зависимости от его подачи:

где , , - параметры характеристики насосной установки.

Коэффициенты гидравлического сопротивления определяются по формулам:

, (1.9)

, (1.10)

где , , - коэффициент шероховатости внутренней полости НКТ и наземного трубопровода соответственно; , - вязкость ТЖ в НКТ и наземном трубопроводе соответственно.

2 Инженерные задачи

Задача 2.1 Определить режимные значения давления нагнетания () и подачи насоса (Q) при закачке сточной пластовой воды в нагнетательную скважину. Закачка ведется от индивидуальной насосной установки по горизонтальному трубопроводу. Характеристики объекта расчета приведены в табл. 2.1, вязкостная характеристика представлена кривой 1 на рис.2.1. Режимные значения и Q определяются из сопоставления требуемого и развиваемого насосом давления при различных значениях подачи (табл. 2.2).

Таблица 2.1 Характеристика объекта расчета процесса закачки сточной пластовой воды в нагнетательную скважину

Наименование параметра и его размерность	Обозначение	Величина
Пластовая температура, 0С
Вязкость базовой жидкости ППД в пластовых условиях, мПа∙с	0	1,5
Коэффициент приемистости, кг/(Па∙с)	К	0,4∙10-6
Степень изменения коэффициента приемистости при закачке сточной пластовой воды	G	1,05
Пластовое давление, МПа
Средняя температура в НКТ, 0С	T
Диаметр НКТ, мм	D
Коэффициент шероховатости НКТ, мкм
Плотность сточной пластовой воды, кг/м3	r
Отметка продуктивного горизонта, м		-1800
Отметка устья скважины, м		+50
Длина НКТ, м	L
Температура в трубопроводе, 0С
Диаметр трубопровода, мм
Коэффициент шероховатости труб, мкм
Отметка насосной установки, м		+30
Длина трубопровода, м
Давление на всасывающей линии насосной установки, МПа		0,5
Коэффициенты Н-Q – характеристики насосной установки: Н0, м Н1, с/м2 Н2, с/м2	Н0 Н1 Н2	27∙103 -12,2∙106
Плотность буферной жидкости, кг/м3	rбф
Отметка пакера, м		-1750
Давление в затрубном пространстве на устье, МПа
Отметка уровня буферной жидкости, м	zбф	-450

Рис. 2.1 Вязкость нагнетаемых жидкостей в зависимости от температуры: 1-сточная пластовая вода; 2 – полимерный раствор с концентрацией 0,05% масс.; 3 – то же при 0,1% масс.; 4 – то же при 0,2% масс.

Таблица 2.2 Расчетные значения подачи насоса

Подача насоса	Расчетные варианты
Массовая секундная подача М, кг/с	0,5	1,5	3,0	6,0
Объемная суточная подача при плотности 1050 кг/м3

РЕШЕНИЕ

Последовательность расчета режимных значений объема закачки и давления нагнетания следующая:

Определяется вязкость закачиваемой сточной пластовой воды (СПВ) при пластовой температуре Т_пл = 30 ⁰С по рис. 2.1 (кривая 1).

Забойное давление при Q_cт = 41 м³/сут (М=0,5 кг/с) по формуле (1.1).

Вязкость закачиваемой СПВ при температуре в НКТ Т = 20 ⁰С из рис. 2.1 (кривая 1).

Коэффициенты гидравлического сопротивления в НКТ при Q_cт = 41 м³/сут (М=0,5 кг/с) по формуле (1.9):

Давление на устье скважины при Q_cт = 41,1 м³/сут (М=0,5 кг/с) по формуле (1.2):

Вязкость закачиваемой СПВ при температуре в горизонтальном трубопроводе Т = 10 ⁰С из рис. 2.1 (кривая 1).

Коэффициенты гидравлического сопротивления в горизонтальном трубопроводе при Q_cт = 41,1 м³/сут (М=0,5 кг/с) по формуле (1.10):

Необходимое давление нагнетания насоса при подаче Q_cт = 41,1 м³/сут (М=0,5 кг/с) по формуле (1.3):

Объемная секундная подача:

Напор насоса при подаче Q_cт = 41,1 м³/сут (Q=0.476 м³/с) по формуле (1.8):

Давление, развиваемое насосом при подаче Q_cт = 41,1 м³/сут (Q=0.476 м³/с) по формуле (1.4):

Расчет значения необходимого (Р_нг) и развиваемого давления нагнетания насоса (Р_нг.р) для других значений подачи, приведенных в табл. 2.2 проводится по аналогии. Результаты расчетов вносятся в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Результаты расчета закачки сточной пластовой воды в скважину при различных значениях подачи

Расчетные показатели	Подача, М, кг/с
0,5	1,5
Объемная суточная подача Qсут, м3/сут
Забойное давление Рзб, МПа
Коэффициент гидравлического сопротивления НКТ λ
Давление на устье Ру, МПа
Коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода λтр
Необходимое давление нагнетания Рнг, МПа
Напор, развиваемый насосной установкой Н,м
Давление, развиваемое насосной установкой Рнг.р., МПа
Давление на пакер сверху Рвх, МПа
Давление на пакер снизу Рнз, МПа
Давление на пакер ∆Рп, МПа

Построение совмещения характеристики системы закачки (зависимость необходимого давления Р_нг от подачи М) и характеристики насосной установки (зависимость развиваемого давления Р_нг.р от подачи М):

Р_нг(М)….. кривая 1; Р_нг.р(М)….. кривая 3;

Рис. 2.2. Характеристики системы закачки (1,2) и насосной установки (3,4): 1,3 – закачка сточной пластовой воды; 2,4 – закачка полимерного раствора с концентрацией 0,05% масс.

Расчет гидродинамической нагрузки на пакер

Гидродинамическая нагрузка на пакер рассчитывается при режимной закачке ( )

Забойное давление при режимной подаче М_реж :

Давление на пакер снизу при режимной подаче М_реж по формуле (1.6):

Давление на пакер сверху по формуле (1.5):

Гидродинамическое давление на пакер при режимной подаче М_реж определяется по формуле (1.7):

Расчет значений гидродинамической нагрузки на пакер для значений подачи, приведенных в табл. 2.2, проводится по аналогии. Результаты расчета вносятся в табл. 2.3.

Задача 2.2 Определить показатели закачки полимерного раствора с концентрацией 0,05% масс в нагнетательную скважину Ромашкинского месторождения.

Закачка ведется индивидуально от центробежной насосной установки. Параметры объекта расчета приведены в табл. 2.4, вязкостная характеристика (изотерма вязкости) закачиваемой в нагнетательную скважину среды представлена линией 2 на рис. 2.1.

Режимное (рабочее) значение объема закачки (пласт – скважина – наземный трубопровод) и уравнения насоса. Расчетные значения подачи насоса даны в табл. 2.2.

Таблица 2.4 Характеристика объекта расчета процесса закачки полимерного раствора с концентрацией 0,05% масс в нагнетательную скважину.

Наименование параметра и его размерность	Обозначение	Величина
Пластовая температура, 0С
Вязкость базовой жидкости ППД в пластовых условиях, мПа∙с	0	1,5
Коэффициент приемистости, кг/(Па∙с)	К	0,4∙10-6
Степень изменения коэффициента приемистости при закачке полимерного раствора	G	0,95
Пластовое давление, МПа
Средняя температура в НКТ, 0С	T
Диаметр НКТ, мм	D
Коэффициент шероховатости НКТ, мкм
Плотность полимерного раствора, кг/м3	r
Отметка продуктивного горизонта, м		-1800
Отметка устья скважины, м		+50
Длина НКТ, м	L
Температура в трубопроводе, 0С
Диаметр трубопровода, мм		0,075
Коэффициент шероховатости труб, мкм
Отметка насосной установки, м		+30
Длина трубопровода, м
Давление на всасывающей линии насосной установки, МПа		0,5
Коэффициенты Н-Q – характеристики насосной установки: Н0, м Н1, с/м2 Н2, с/м2	Н0 Н1 Н2	15∙103 -21∙106
Плотность буферной жидкости, кг/м3	rбф
Отметка пакера, м		-1750
Давление в затрубном пространстве на устье, МПа
Отметка уровня буферной жидкости, м	zбф	-450

РЕШЕНИЕ

Определить темп закачки и давление в точках системы «пласт-скважина-наземный трубопровод»

Вязкость нагнетаемой среды при пластовой температуре определяется по рис. 2.1 (кривая 2).

Забойное давление при М=0,5 кг/с по формуле (1.1):

Вязкость закачиваемой среды НКТ при Т = 20 ⁰С из рис. 2.1 (кривая 2)

Коэффициент гидравлического сопротивления в НКТ при М=0,5 кг/с по формуле (1.9):

Давление на устье скважины при М=0,5 кг/с по формуле (1.2):

Вязкость закачиваемой среды в горизонтальном трубопроводе при Т = 10 ⁰С определяется по рис. 2.1 (кривая 2).

Коэффициенты гидравлического сопротивления в горизонтальном трубопроводе при М=0,5 кг/с по формуле (1.10):

Необходимое давление нагнетания насоса при М=0,5 кг/с по формуле (1.3):

Объемная секундная подача

Напор насоса при подаче Q определяется по формуле (1.8):

Давление, развиваемое насосом при подаче Q определяется по формуле (1.4):

Значения Р_нг и Р_нг.р для значений подачи 1,5; 3; 6 кг/c расчитываются по аналогии. Результаты расчетов вносятся в табл. 2.5.

Совмещение характеристики системы закачки и характеристики насоса:

Р_нг(М)….. кривая 2 на рис.2.2; Р_нг.р(М)….. кривая 4 на рис.2.2.

Таблица 2.5 Результаты расчета закачки полимерного раствора с концентрацией 0,05% масс в нагнетательную скважину при различных значениях подачи

Расчетные показатели	Подача, М, кг/с
0,5	1,5
Объемная суточная подача Qсут, м3/сут
Забойное давление Рзб, МПа
Коэффициент гидравлического сопротивления НКТ λ
Давление на устье Ру, МПа
Коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода λтр
Необходимое давление нагнетания Рнг, МПа
Напор, развиваемый насосной установкой Н,м
Давление, развиваемое насосной установкой Рнг.р., МПа

Режимные значения секундной массовой подачи насосной установки и давления нагнетания определяются по точке пересечения кривых 2 и 4 на рис. 2.2

Р_реж; М_реж.

Режимное значение суточной объемной подачи насоса, т.е. объема закачки в полимерном растворе в нагнетательную скважину:

Распределение давления в системе «насос-наземный трубопровод-скважина-пласт» при режимной подаче полимерного раствора .

Расчет гидродинамической нагрузки на пакер

Гидродинамическая нагрузка на пакер рассчитывается при режимной закачке т.е. .

Забойное давление при режимной подаче М_реж

Давление на пакер снизу при режимной подаче М_реж определяется по формуле (1.6):

Давление на пакер сверху по формуле (1.5):

Гидродинамическое давление на пакер при режимной подаче М_реж определяется по формуле (1.7):

Расчет значений гидродинамической нагрузки на пакер для значений подачи, приведенных в табл. 2.2, проводится по аналогии. Результаты расчета вносятся в табл. 2.3.

Забойное давление при режимной подаче М_реж

Давление на пакер снизу при режимной подаче М_реж определяется по формуле (1.6):

Давление на пакер сверху по формуле (1.5):

Нагрузка на пакер при режимной подаче М_реж определяется по формуле (1.7):

Задача 2.3 Рассчитать и сравнить процесс закачки в нагнетательную скважину поршневым насосом (или другим насосом объемного типа с постоянной подачей, независящей от противодавления системы):

- сточной пластовой воды (СПВ);

- полимерного раствора средней вязкости (ПРс);

- полимерного раствора высокой вязкости (ПРв).

Насос для всех трех типов жидкости обеспечивает одинаковую подачу 2,1 кг/с (173 м³/сут). Общие для всех вариантов данные представлены в табл. 2.6, вариантные данные – в табл. 2.7, изотермы вязкости – на рис 2.1 (линии 1,2,3).

Таблица 2.6 Общие для всех вариантов данные для расчета процесса, закачки жидкостей в нагнетательную скважину

Наименование параметра и размерность	Обозначение	Величины
Пластовое давление, ат
Пластовая температура, 0С
Вязкость базовой жидкости при и , мПас		1,5
Коэффициент приемистости, /(Па∙с)	К	3,3
Средняя температура в НКТ, 0С	Т
Средняя температура в трубопроводе, 0С
Диаметр в НКТ, мм	D
Диаметр горизонтального трубопровода, мм
Коэффициент шероховатости полости НКТ и трубопровода, мкм
Отметка кровли пласта, м		-1800
Отметка пакера, м		-1750
Отметка уровня буферной жидкости в затрубном пространстве, м		-450
Отметка устья, м		+50
Отметка насоса, м		+30
Длина НКТ, м	L
Длина горизонтального трубопровода, м
Давление в затрубном пространстве, ат

Таблица 2.7 Вариантные данные для расчета закачки жидкостей в нагнетательную скважину поршневым насосом

Наименование параметра, обозначение и его размерность	Закачиваемая жидкость
Сточная пластовая вода малой вязкости (СПВ)	полимерный раствор средней вязкости (ПРс)	полимерный раствор высокой вязкости (ПРв)
Массовая секундная подача жидкости М, кг/с	2,1	2,1	2,1
Объемная суточная подача жидкости, Q, м3/сут
Вязкость в пластовых условиях µпл, МПа·с	2,2	3,3	5,3
Вязкость в условиях нагнетательных труб (НКТ) µ, МПа·с	2,8	4,5	8,1
Вязкость в наземном трубопроводе µтр, МПа·с	3,8	6,5	12,1
Степень изменения коэффициента приемистости G	1,05	0,95	0,90
Плотность ρ, кг/м3

РЕШЕНИЕ

Расчет давления нагнетания насоса

Пошаговый расчет представлен для СПВ, для ПРс и ПРв – по аналогии.

Забойное давление:

Коэффициент гидравлического сопротивления в НКТ:

Давление на устье скважины:

Коэффициент гидравлического сопротивления в наземном трубопроводе:

Давление нагнетания, развиваемое поршневым насосом:

Расчет нагрузки на пакер

Пошаговый расчет представлен для СПВ, а для ПРс и ПРв – по аналогии.

Давление на пакер снизу:

Давление на пакет сверху:

Нагрузка на пакер:

Результаты расчета представлены в таблицу 2.10

Таблица 2.8 Показатели закачки технологически стабильных жидкостей поршневым насосом в нагнетательную скважину

Показатели закачки	Закачиваемая жидкость
Сточная пластовая вода малой вязкости (СПВ)	полимерный раствор средней вязкости (ПРс)	полимерный раствор высокой вязкости (ПРв)
1.Массовая секундная подача насоса М, кг/с	2,1	2,1	2,1
2. Объемная суточная подача (приемистость нагнетательной скважины) Q, м3/сут
3. Пластовое давление Pпл, ат
4. Забойное давление Pзб, ат
5. Устьевое давление Pу, ат
6. Давление на выкиде поршневого насоса (давление нагнетания) Pнг, ат
7.Нагрузка на пакер DPп, ат

Список использованной литературы

1. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти./ И.Т. Мищенко. М.:Нефть и газ,

2003 г. (разделы 4.1, 4.13);

2. Ибрагимов Г.З.Разработка нефтяных месторождений./ Г.З. Ибрагимов. Том

4, книга 2. М.: ВНИИОЭНГ, 1994 г. (главы 2,3);

3. Ибрагимов Г.З. Применение химических реагентов для интенсификации

добычи нефти./ Г.З. Ибрагимов, Фазлутдинов К.С. Хисамутдинов Н.И., М.: Недра, 1991 г. (глава 5);

4. Ибрагимов Г.З. Приборно-расчетный комплекс управления закачкой воды

системы ППД Онбийского месторождения./ Г.З. Ибрагимов, ООО «Техносервис», 2003 г.

Содержание

Предисловие…………………………………………………………………1

Закачка воды и других жидкостей в нагнетательную скважину………..2

Инженерные задачи…………………………………………………………5

Список использованной литературы……………………………………..20