Теоретические основы подъема газожидкостной смеси

Процесс эксплуатации скважин - подъем заданного количе­ства жидкости с забоя скважины 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, отнесенной 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 1 т жидкости на забой скважины:

где рзаб - забойное давление, кг/см2; p0 - атмосферное давле­ние, кг/см2; р - плотность жидкости, кг/м3; 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 p2 - давление на устье скважины, кг/см2.

Такой способ эксплуатации скважины носит название фон­танного способа.

При забойном давлении выше давления насыщения газ, по­ступивший вместе 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

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 ртр, 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

(1)

где X - коэффициент трения, численно зависящий от режима движения жидкости в скважине; v - скорость движения жид­кости 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 (1) 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

где K - 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 p1 и верхним p2 концами подъемной колонны. Значение этого пере­пада равно сумме:

1) давления веса столба смеси p^;

2) давления, затрачиваемого на преодоление трения смеси о трубы, pтр;

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

4) давления, затрачиваемого на ускорение движения газа,

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

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