ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
ОАО “Газпром” добывает на месторождениях, находящихся в стадии падающей добычи, до 70% газа. С падением пластового давления активно проявляются негативные факторы: внедрение пластовых вод в залежи, образование песчаных пробок в стволах скважин, резкая дифференциация скважин по дебитам, процессы гидратообразования,газо-абразивный износ элементов оборудования и пр. По прогнозам специалистов, до 2020 г. значительную часть в общей добыче Надым-Пур-Тазовского региона Западной Сибири будет составлять газ месторождений, вступающих и находящихся в стадии падающей добычи. В сложившейся ситуации решение задачи повышения коэффициента газоотдачи возможно за счет применения экспериментально-обоснованных технических решений. Поэтому, разработка методов экспериментального исследования процессов движения многофазных потоков, аналогичных по гидродинамическим характеристикам потокам, движущимся в скважинах на поздней стадии разработки месторождений газа, с возможностью исследования как вертикальных, так и наклонных потоков самых различных видов и конфигураций, обеспечением изучения движения твердой фазы в газожидкостном потоке, является актуальной задачей.
Цель работы
Разработка методов и технических средств проведения экспериментальных гидродинамических исследований процессов течения многофазных потоков в вертикальных и наклонных скважинах для обоснования технологических режимов, характерных для поздней стадии разработки газовых месторождений.
Основные задачи исследований:
1.Выполнить анализ основных технико-технологических проблем, возникающих на поздней стадии разработки газовых месторождений и определить ключевые направления прикладных научных исследований, нацеленных на их преодоление.
2.Провести анализ мирового опыта создания экспериментальных установок по исследованию гидродинамики газожидкостных потоков с различным соотношением газовой и жидкостной фаз, наличием твердых примесей и сложной структурой течения.
3.Обосновать принципы создания и выбора компоновки функциональных систем экспериментального стенда, позволяющего исследовать максимальное количество вариантов многофазных течений, с функциями контроля концентрации фаз и измерения малых гидравлических сопротивлений, предназначенного для проведения широкого спектра гидродинамических исследований, направленных на повышение эффективности технологий добычи газа в условиях низкого пластового давления, интенсивного обводнения и пескопроявления в вертикальных, горизонтальных и наклонно-направленных скважинах.
4. Разработать методы экспериментального исследования процессов течения многофазных потоков в наклонных скважинах и в кольцевом пространстве скважин.
Научная новизна работы:
Разработаны методы экспериментального исследования процессов движения многофазных потоков в газовых и газоконденсатных скважинах наклонного, вертикального и горизонтального направления с применением труб промыслового сортамента.
Обоснованные автором принципы построения и выбора компоновки функциональных систем позволили создать многофункциональный экспериментальный стенд, обеспечивающий проведение широкого спектра гидродинамических исследований, направленных на повышение эффективности технологий добычи газа в условиях низкого пластового давления, интенсивного обводнения и пескопроявления в вертикальных, горизонтальных и наклонно-направленных скважинах. Впервые на одной установке, при давлении до 4 мПа и объемном расходе до 150000 м3/сут, обеспечивается проведение исследований по широкому спектру проблем, возникающих на поздней стадии разработки. Кроме прикладных задач - определения гидравлических сопротивлений в лифтовых колоннах при различных структурах течения, граничных условий самозадавливания газовых и газоконденсатных скважин, отработки элементов технологий добычи в условиях водо- и пескопроявления, совершенствования колтюбинговых технологий, стенд позволяет проводить фундаментальные исследования процессов течения многофазных потоков, содержащих жидкость, газ и твердые частицы.
С применением разработанной методики и оборудования проведены исследования процессов течения газожидкостного потока в кольцевом (межтрубном) пространстве на модели вертикальной скважины, состоящей из полноразмерных,по диаметру, насосно-компрессорных труб внутреннего диаметра 153 мм и центральной трубы наружного диаметра 52 мм. Результаты экспериментов, показавшие отклонение от сложившегося представления о зависимости минимальной точки потерь давления в характеристике лифта от его диаметра, свидетельствуют о том, что современные представления о процессах течения в межтрубном пространстве нуждаются в уточнении.
По методике, представленной в диссертационной работе, проведены исследования процессов течения газожидкостных потоков в модели наклонно-направленной скважины, состоящей из насосно-компрессорных труб. Анализ результатов исследований показал существенное влияние угла наклона скважины на величину минимального дебита, необходимого для устойчивой работы скважины. В связи с отсутствием, в настоящее время, эффективной методики расчета влияния угла наклона газовых скважин на устойчивость их работы, разработанная методика проведения стендовых гидродинамических исследований течения наклонно-направленных потоков может быть применена при обосновании технологических решений, направленных на повышение коэффициента извлечения газа.
Защищаемые положения:
1.Усовершенствованный метод экспериментального исследования процессов течения многофазных потоков с различным соотношением газовой и жидкостной фаз, наличием твердых примесей, направленный на повышение эффективности технологий добычи газа в условиях поздней стадии разработки месторождений.
2. Метод проведения экспериментальных исследований течения газожидкостных потоков в наклонно-направленных скважинах, позволяющий изучать условия течения газожидкостных потоков в моделях скважин, состоящих из насосно-компрессорных труб, с углами наклона от 0 до 90 градусов.
3. Результаты исследований процессов течения газожидкостных потоков, впервые проведенные на модели наклонно-направленной скважины внутреннего диаметра 153 мм, показавшие существенное влияние угла наклона на величину минимального дебита газа, необходимого для устойчивой работы скважины.
Практическая значимость результатов работы
Практическая значимость работы заключается в обеспечении возможности использования результатов исследований, проводимых на стенде, при выполнении расчетов технологических режимов работы вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных газовых скважин в широком диапазоне параметров при технологическом проектировании и управлении разработкой месторождений, находящихся в поздней стадии разработки, подземных хранилищ газа, а также при разработке компьютерных программ
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлялись автором на международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в том числе:
- Совещание по вопросам совершенствования технологий эксплуатации скважин с водопроявлениями в г.Надым, 09-11 ноября 2010 г.
- II Международная научно-практическая конференция “Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения” г.Москва, 2010г.
- Выездное совещание по вопросу эффективной добычи, подготовки и использования низконапорного газа на поздней стадии разработки месторождений в г.Надым с 16 по 18 ноября 2011 г.
- Заседание комиссии газовой промышленности по разработке месторождений и использованию недр в г. Москва, ОАО “Газпром”, 06-09 июня 2012 г.
Публикации
Основное содержание работы изложено в 12 опубликованных работах, в т.ч. 3 в ведущих рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК, определенных Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения,5 глав, выводов, списка литературы из 95 наименований и приложения. Общий объем работы - 155 печатных страниц. В тексте работы содержится 65рисунков и 11 таблиц.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.т.н. С.Н. Бузинову, а также д.т.н. Ю.Н.Васильеву, д.т.н. Д.В. Люгаю, к.т.н. О.В.Николаеву, д.г.-м.н. Н.Н. Соловьеву, к.т.н. В.М. Пищухину, к.т.н. Е.К. Бюнау, М.А.Ермолину, С.А. Шулепину, А.Н. Михайлову, А.А. Полякову за ценные советы и оказанную помощь при проведении исследований и подготовке работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность темы диссертации, цель работы и постановка задачи.
В первой главе диссертационной работы проведен анализ основных научных и технологических проблем, возникающих при эксплуатации сеноманских залежей Северо-Западной Сибири, вступивших в позднюю стадию разработки. Основные проблемы эксплуатации газовых скважин на поздней стадии разработки, приводящие к снижению добычи газа и росту себестоимости, связаны со снижением пластового давления и, как следствие, увеличением водопроявления, пескопроявления, ростом потерь давления в лифтовых колоннах, увеличением физического износа оборудования. Анализ перечисленных проблем показал большую сложность задачи повышения эффективности добычи низконапорного газа. Решение перечисленных проблем было и остается важнейшей задачей для ученых.
Среди отечественных ученых наибольший вклад в исследования проблем разработки газовых месторождений внесли А.А.Арманд, Б.Г.Багдасаров, И.Г.Белов, С.Н. Бузинов, Ю.Н.Васильев, А.П.Власенко, А.И.Гриценко, Н.А.Гужов, П.В.Гереш,Н.В.Долгушин, О.В.Клапчук, Б.К.Козлов, Ю.П.Коротаев, А.П.Крылов, С.С.Кутателадзе, Г.Г.Кучеров, Г.С.Лутошкин, В.А.Мамаев, В.Н.Маслов, Е.Г.Нанивский, В.Ф.Медведев, И.Т.Мищенко, М.А.Мохов, В.М.Муравьев, Р.И.Нигматуллин, Г.Э. Одишария, В.А.Сахаров, С.Г.Телетов, Р.М.Тер-Саркисов, С.И.Костерин, В.А. Николаев, М.Тимерин, А.А.Точигин, Ф.И.Франкль, В.И.Шулятиков и др. Среди зарубежных ученых – R.Aziz, B.J.Azzopardi, J.P.Brill, H.E.Gray, H.Duns Jr., J.F.Lea, H.Mukherjee, J.Orkiszevski, N.Petalas, H.K.Ros, R.G.Turner, G.Wallis, A/R/Hagedorn, N.Hall-Tailor,J.Hewitt и др.
На основе исследований создано множество оригинальных разработок. Однако, нестабильность течения газожидкостных потоков, особенно в наклонных трубах, и потоков, текущих в кольцевых каналах, все еще требует совершенствования технологий, что, в свою очередь, вызывает необходимость расширения и совершенствования экспериментальных исследований. Поддержание дебитов газа на месторождениях, вступивших в позднюю стадию разработки, является важнейшим из вопросов, волнующих газодобывающие организации. Решение данной задачи может быть получено за счет интенсификации притока газа к скважинам путем применения новых технологий в добыче газа и ремонте скважин. Для проведения исследований процессов, происходящих в пласте и скважинах, разработаны и применяются различные методики, отличающиеся теоретической основой, технологией и техникой исполнения. Однако, можно констатировать, что исследование процессов течения газожидкостных смесей в лифтовых трубах до настоящего момента является весьма актуальной задачей. Приоритетными для исследователей являются следующие направления работ:
- разработка технологических решений, обеспечивающих стабильный дебит газа в условиях интенсивного обводнения;
- расширение диапазона давлений при моделировании гидродинамических процессов, протекающих в лифтовых трубах на поздней стадии разработки;
- разработка методов прогнозирования ресурса газодобывающего оборудования, функционирующего в условиях газо-абразивного износа;
- исследование процессов разрушения призабойной зоны.
Во второй главе диссертационной работы представлено обоснование выбора методов и оборудования для экспериментального обеспечения разработки технологий эксплуатации газовых скважин на поздней стадии разработки месторождений. В качестве основных функциональных характеристик стенда для гидродинамических исследований приняты условия обеспечения исследований течения вертикальных, горизонтальных и наклонно-направленных газожидкостных потоков в трубах промыслового сортамента, диаметром до 168 мм. Актуально также экспериментальное исследование газо-абразивного износа материалов, используемых для изготовления элементов газодобывающего оборудования, контактирующих с потоком твердых частиц.
Особенно значительное влияние на выбор конструкции экспериментального оборудования оказывают такие параметры, как рабочее давление и температура смеси, расход смеси, фазовый состав потока и др. Сложность и многообразие процессов течения газожидкостных потоков привело к необходимости разработки и изготовления специального многофункционального экспериментального стенда, имеющего в своем составе ряд функциональных подсистем: измерения перепада давления; обеспечения больших расходов воздуха; замкнутой циркуляции потоков; дозированной подачи ингредиентов и др. Принимая во внимание это обстоятельство, автор применил при создании стенда модульный принцип. Модули можно легко соединять, образуя сложные системы различных типов и типоразмеров, разъединять и заменять при ремонте и модернизации с целью получения систем с изменяемыми характеристиками.
Предложенный автором модульный подход позволил из сравнительно ограниченного числа унифицированных элементов, путем различных их сочетаний, создавать исследовательские системы для решения широкого спектра задач, отличающиеся компоновкой измерительных каналов, рабочими параметрами и функциональным назначением. В процессе проведения исследования газожидкостного потока контролируются следующие параметры потока: расход жидкой и газообразной фазы; давление рабочей среды ; температуру рабочей среды; перепад давления в трубопроводе; процесс сепарации жидкой фазы. В таблице 1 приведены параметры многофункционального стенда для исследования процессов течения многофазных потоков
Таблица 1. Параметры многофункционального стенда для исследования процессов течения многофазных потоков
| №п.п. | Параметры установки | Значения параметров |
| 1 | Рабочая среда | Воздух, вода, поверхностно-активные вещества, песок |
| 2 | Рабочее давление,МПа | 0,1-4,0 |
| 3 | Температура рабочей среды | +5 - +50 |
| 4 | Измерительные колонны стационарные | Диаметр 73-168 мм |
| 5 | Измерительные колонны отклоняемые | Диаметр 10 - 200 мм |
| 6 | Угол отклонения колонн |
|
| 7 | Температура окружающей среды | (-20 - + 40) 0С |
Одной из важнейших задач гидродинамики, связанных с изучением законов движения газожидкостных потоков, является определение потерь энергии (напора) движущейся газожидкостной смесью, изучение законов падения давлений и определение гидравлических сопротивлений в трубопроводах при протекании по ним жидкостей или при их обтекании,в случае коаксиальных конструкций. Созданный в ООО “Газпром ВНИИГАЗ” многофункциональный стенд для исследования процессов течения многофазных потоков обеспечивает решение широкого спектра задач с применением рабочих колонн, собранных из насосно-компрессорных труб (НКТ), имеется возможность моделирования процессов течения многофазных потоков в вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважинах. В таблице 2 представлены функциональные возможности различных систем стенда.
Таблица 2. Функциональные возможности систем стенда для исследования процессов течения многофазных потоков
| № п.п. | Наименование системы стенда | Функциональные возможности системы | |
| 1 | 2 | 3 | |
| 1 | Система для исследования условий течения газожидкостных смесей по |
| |
| вертикальным колоннам |
| ||
| 2 | Система для исследования условий течений газожидкостных смесей по наклонно-направленным и субгоризонтальным |
| |
| 3 | Система для исследования влияния поверхностно-активных веществ(ПАВ) на работу газожидкостного подъемника |
| |
| 4 | Система для исследования механизма выноса твердых частиц из ствола скважины |
| |
| 5 | Система для исследования движения газожидкостных потоков в кольцевом канале и отработки колтюбинговых технологий |
| |
| 6 | Система для измерения скорости распространения упругих колебаний в движущемся (стесненном трубой) газоводяном потоке |
| |
| 7 | Система визуализации многофазных потоков | Исследование
| |
При создании системы измерения перепада давления было принято решение применить модульный принцип создания многофункциональных систем с обеспечением дискретности измерений до 1мм водяного столба. Модульный принцип построения установки позволил реализовать на стенде универсальную систему измерения давления для всех видов труб, при любом их пространственном положении: горизонтальном, наклонно-направленном и вертикальном.
Применение на стенде отклоняемых колонн, устанавливаемых на специальной мачте, позволило создать мобильную систему измерения перепада давления с применением специальной сателлитной трубы. Принципиальная схема системы измерения перепада давления представлена на рис.1. Система построена на сравнении перепада давления между электронными дифференциальными манометрами, подключенными к рабочей колонне с шагом 2000 мм. Изначально устанавливается одинаковое давление в рабочей и сателлитной трубе. После этого осуществляется прокачка потока с заданными гидродинамическими параметрами через рабочую колонну, при этом сателлитная труба заперта. Перепады давления по высоте колонны определяются путем сравнения показаний дифференциальных манометров в соответствующих уровнях с точностью до десятых долей сантиметра водяного столба. Универсальная система обеспечивает проведение измерений перепада давления для широкого спектра труб диаметром до 168 мм и длиной до 38000 мм. При этом следует отметить возможность проведения измерений при любом пространственном положении рабочих колонн - горизонтальном, наклонно-направленном или вертикальном. Точность измерения перепада давления измеряется в десятых долях сантиметра водяного столба. Возможность быстрой переустановки и переналадки системы по высоте колонны, путем модульной коммутации дифференциальных манометров, с подключением рабочей колонны произвольной длины от 10000 мм до 38000 мм с шагом 2000 мм, позволяет сократить количество измерительных каналов и снизить, соответственно, затраты на приобретение дорогостоящего оборудования и метрологическую поверку контрольно-измерительных приборов.
В течение десятилетий нефтегазодобывающая промышленность работает над проблемой создания системы, которая могла бы измерять дебиты всех скважинных флюидов, не разделяя их на фазы, без применения движущихся элементов и в автоматическом режиме. Получены конкретные научно-практические решения, позволившие создать образцы многофазных расходомеров, обладающих всеми перечисленными функциями. Несмотря на множество существующих технологий измерения расходных характеристик многофазных потоков можно, на сегодняшний день, констатировать, что проблема эта далека от своего решения и актуальность ее очень высока.
а) б)
Рис.1. Схемы систем стенда: a- рабочая колонна установки для измерения скорости распространения упругих колебаний в движущемся (стесненном трубой) потоке,1- колонна Ф114мм мм,2-шиберная задвижка,3-датчик давления,4-поворотная заслонка; б- система измерения перепада давления.
В диссертационной работе приведены результаты анализа методов измерения параметров многофазных потоков на основе измерения скорости звука в газожидкостных потоках. Распространение звука в двухфазных жидкостях имеет ряд особенностей.
Скорость звука в газожидкостной смеси без фазовых переходов определяется как скорость распространения малых возмущений слабых волн сжатия. Снижение погрешности измерений устройств для измерения концентрации фаз в многофазных потоках, функционирующих на принципе измерения скорости распространения волн сжатия, является актуальной задачей. Значительный вклад в решение этой задачи может быть внесен на основе применения результатов исследований гидромеханики процессов течения многофазных потоков в трубах при различных режимах течения. Созданная в ООО “Газпром ВНИИГАЗ” установка для экспериментальных исследований скорости распространения упругих колебаний в движущемся потоке обеспечивает проведение совмещенных в пределах одной установки научных исследований как по гидродинамике многофазных потоков, так и по особенностям распространения упругих колебаний в различных средах. Предлагаемая методика существенно расширяет тематику научных исследований. В п.6 табл.2 представлен перечень функциональных возможностей установки.
Исследователей процессов течения газожидкостных потоков всегда интересовала видимость этих процессов. Изучение гидродинамики газожидкостных потоков с применением специальных оптических систем необходимо как для понимания сути явлений, так и для практического применения. Потоки жидкости и газа в газопромысловом оборудовании характеризуются нестационарностью, что вызывает большие трудности при их изучении традиционными научными методами. Для решения этой задачи в диссертационной работе представлена система визуализации. Система визуализации состоит из следующих конструктивных элементов:
- труба из стекла повышенной прочности, внутреннего диаметра 100 мм, длиной 23000 мм;
- система скоростной фото- видеосъемки со светодиодной подсветкой;
- cистема дозированного ввода и улавливания твердых частиц(песка) ;
- cистема подвода и дозированной подачи поверхностно-активных веществ.
Высокая прочность стекла, из которого изготовлены трубы, обеспечивает проведение исследований при давлении рабочей среды до 1 МПа.
На рис. 2 представлены элементы прозрачной колонны системы визуализации. В п. 7 табл.2. представлены функциональные возможности системы визуализации.
Отличительной особенностью стенда является возможность проведения прикладных и фундаментальных исследований процессов течения многофазных потоков как в вертикальных, так и в наклонно -направленных скважинах, включая горизонтальные. Помимо научных задач, стенд может быть широко использован в качестве демонстрационного оборудования при обучении студентов и специалистов, занимающихся вопросами эксплуатации газовых скважин. Изучение структуры потоков позволяет глубже понять природу и механизм протекающих процессов, выявить и оценить влияние различных гидродинамических и конструктивных особенностей на формирование необходимой структуры потока жидкости.
Рис.2. Элементы прозрачной колонны системы визуализации
Задача исследования процессов течения газожидкостных потоков на экспериментальном стенде, с близкими по объемному расходу к промысловым расходами сжатого газа, требует создания специальных нестандартных технических устройств. Обеспечение, в лабораторных условиях, потоков газа с объемным расходом до 6000 н.м.куб / ч, при давлении в системе до 3МПа – чрезвычайно сложная инженерная задача. В диссертационной работе выполнен анализ зарубежной и отечественной практики в области создания систем с высоким объемным расходом. При создании методов исследования течения многофазных потоков применена технология раздельного создания давления в системе и продувки потока при помощи специальных проточных центробежных нагнетателей. Разработка нагнетателей выполнена по заказу ООО “Газпром ВНИИГАЗ” Московским авиационным институтом в 2004 г.
Принципиальная схема рабочего контура стенда приведена на рисунке 3. В составе стенда предусмотрена установка четырех воздушных нагнетателей. Совместная работа нагнетателей обеспечивает требуемый объемный расход при давлении до 3 МПа. Для получения двухфазной воздушно-водяной смеси используются технологический воздух и трубопроводная вода. Производительность нагнетателей регулируется частотным преобразователем. Производительность одного нагнетателя до 1600 н.м3/ч. В стенде предусмотрена совместная работа четырех нагнетателей. Система управления обеспечивает синхронную работу нагнетателей с требуемой производительностью. При переходе к проведению научных исследований с применением углеводородных потоков модульность конструкции позволяет создать дополнительный автономный рабочий контур со специальным нагнетателем во взрывозащищенном исполнении.
Рис. 3. Принципиальная схема рабочего контура стенда (1-рабочая колонна, 2-барботер, 3- манометр,4-дифманометр, 5- насос, 6- сепаратор, 7- уровнемер, 8- линия слива, 9-емкость для воды, 10-линия впуска воздуха,11-воздушный нагнетатель, 12- расходомер воздуха)
На поздней стадии разработки месторождений широкое применение находят технологии удаления воды с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Исследованию проблемы использования пенообразующих ПАВ для удаления жидкости из газовых скважин посвящены работы А.В.Амияна, Н.П. Васильевой, Ю.К. Игнатенко, Г.С.Лутошкина,С.Н. Бузинова, Б.Г.Ахметова, Б.О.Казакова, В.И. Нифантова, С.В.Мазанова, С.Кэмпбелла, С.Рамашандрана, К.Бартрипа и ряда других исследователей. Вместе с тем, ряд вопросов теории и практики использования ПАВ в целях принудительного удаления жидкости из газовых скважин разработан в недостаточной степени и требует дополнительных исследований, в том числе и экспериментальных. В составе многофункциональный стенда для исследования процессов течения многофазных потоков предусмотрена система для исследования движения газожидкостных потоков при наличии ПАВ. Принципиальная схема системы представлена на рис. 4. Функциональные возможности системы приведены в п. 3 таблицы 2.
Обеспечение стабильной безаварийной работы газодобывающих скважин в условиях пескопроявления является очень актуальной задачей на поздней стадии разработки месторождений. Вынос песка из пласта в призабойную зону скважины, дальнейшее продвижение его по стволу на устье и далее в систему сбора и подготовки газа к транспорту, приводит к целому ряду негативных последствий:
накопление песка в скважине с образованием песчаных пробок; газо-абразивный износ контактирующих с газовым потоком поверхностей скважинного оборудования; отложение песка в оборудовании системы сбора и подготовки газа.
Рис.4.Принципиальная схема системы для отработки технологий эксплуатации газовых скважин с применением поверхностно-активных веществ(ПАВ)
В диссертационной работе представлена методика изучения механизма движения твердых частиц в стволе скважины, построенная на базе многофункционального стенда в виде специальной системы. Проведение исследований основано на дозированной подаче абразива в газовый поток, имеющий параметры, близкие к промысловым. Принципиальная схема системы представлена на рис.5. Функциональ- ные возможности установки описаны в п. 4 табл.2.
Рис. 5. Схема установки для изучения механизма движения твердых частиц в стволе скважины(1-рабочая колонна, 2-барботер, 3- дифманометр,4-измерительная колонна труб, 5- насос, 6- сепаратор, 7- уровнемер, 8- линия слива, 9-емкость для воды, 10-линия впуска воздуха,11-воздушный нагнетатель, 12- расходомер воздуха,13-дозатор твердых частиц, 14- сепаратор твердых частиц)
В третьей главе диссертационной работы рассмотрены технологические особенности работы горизонтальных и наклонно-направленных скважин, существенно изменивших теорию и практику добычи углеводородов, проанализированы преимущества и недостатки вскрытия наклонно-направленными скважинами, представлено описание разработанного по технической концепции автора универсального экспериментального стенда – специальной отклоняемой стрелы для проведения широкого спектра научных исследований по проблемам совершенствования технологий эксплуатации наклонных скважин. Системы стенда обеспечивают проведение исследований течения наклонно-направленных газожидкостных потоков в моделях скважин, составленных из полноразмерных насосно-компрессорных труб.
Из-за многообразия режимов течения наклонных потоков возникают большие сложности при теоретическом прогнозировании гидродинамики таких течений. Газожидкостное течение в наклонных трубопроводах изучено значительно менее детально, чем в вертикальных. В связи с этим, актуальность проведения экспериментальных гидродинамических исследований наклонных газожидкостных потоков очень высока. Сложность задач требует проведения широкого спектра научных исследований по различным направлениям. Изучение газожидкостных потоков с различной конфигурацией актуально тем, что его параметры в значительной степени зависят от угла наклона и направления движения (вверх или вниз),а также от геометрических особенностей и параметров течения на предыдущих участках. В ООО “Газпром ВНИИГАЗ”, в соответствии с техническом предложением и под руководством автора, создана установка для исследования процессов течения газожидкостных потоков в наклонных скважинах. На риc.6 представлена схема установки. В процессе проведения экспериментальных исследований в рабочей колонне 1 создается восходящий поток воздушно-водяной смеси, имеющий заданные гидродинамические параметры: рабочее давление Р= 0-3 МПа; расход воздуха (Qвоз.=0-270 м.куб/ч при рабочих условиях), создаваемый воздушными нагнетателями 11, расход воды(Qвод.=0-0,27 м.куб/ч), создаваемый насосом 5. Определяемыми параметрами являются разность давления в верхней и нижней частях колонны и температура рабочей смеси. Воздушный нагнетатель обеспечивает необходимый расход воздуха принудительной циркуляцией по замкнутому контуру. Отличительной особенностью стенда является возможность оперативной переналадки стенда на другой типоразмер измерительной колонны. При этом взамен ранее установленной измерительной колонны на испытательную стрелу устанавливается другая колонна необходимого диаметра (от 73 до 168 мм). Функциональные возможности стенда, реализованные при создании отклоняемой стрелы, представлены в п. 2 табл. 2. На рисунке 7 представлены конструктивные элементы установки.
Рис.6. Схема установки для исследования процессов течения газожидкостных потоков в наклонных скважинах (1-рабочая колонна, 2-барботер, 3- дифманометр,4-измерительная колонна труб, 5- насос, 6- сепаратор, 7- уровнемер, 8- линия слива, 9-емкость для воды, 10-линия впуска воздуха,11-воздушный нагнетатель, 12- расходомер воздуха)
а) б)
Рис.7.Система для исследования наклонно-направленных потоков
а- испытательная стрела, б- варианты отклонения испытательной стрелы
В четвертой главе описан, предложенный автором, метод исследования течения газожидкостных потоков в кольцевом ( межтрубном) пространстве газовой скважины. Движение газожидкостного потока в кольцевом канале – сложный гидродинамический процесс, аналитическое описание которого возможно только на основе упрощенных моделей его представления, уточненных по результатам промысловых и лабораторных исследований. До настоящего времени проведено множество систематических экспериментальных исследований процессов течения газожидкостных потоков в межтрубном пространстве. Однако, полученные данные не переносятся на процессы, протекающие в кольцевых каналах реальных скважин. Совершенствование методов расчета потоков в кольцевых каналах сдерживается недостаточно широкими экспериментальными исследованиями. Исследованиям движения потоков в кольцевых каналах посвящены работы Т.Буссинеска, М.П.Воларовича, А.М.Гуткина, А.Фредриксона, Р.Берда,К.Гродде, В.Н.Щелкачева, В.Уайтекера, С.М.Тарга, Н.А.Гукасова, А.Х.Мирдзаджанзаде, М.П.Гулизаде, М.О.Ашрафьяна, Е.Г.Леонова и др.
Рис.8. Виды поперечного сечения кольцевого канала в зависимости от положения внутренней трубы : 1- концентричное; 2-эксцентричное;3- эксцентричное с касанием стенок;
На рис. 8 приведены виды поперечного сечения кольцевого канала в зависимости от положения внутренней трубы. Степень влияния эксцентриситета колонны в скважине и его воздействие на изменение гидравлических сопротивлений остаются малоизученными представляет большой научный и практический интерес, так как процессы, происходящие в кольцевых каналах скважин, имеет место в целом ряде технологий добычи газа и капитального ремонта скважин, используемых на газовых промыслах. Проведение геолого-технических мероприятий и работ по капитальному ремонту скважин требует значительных затрат. Одним из перспективных направлений развития технологий в области проведения капитального ремонта скважин является применение на месторождениях Крайнего Севера колтюбинговой техники и технологии. Колтюбинговые технологии широко применяют достаточно крупные компании, имеющие мощную производственно-техническую базу, квалифицированных специалистов. Вместе с тем, эффективность работ зависит не только от применяемой техники и квалификации персонала, но и от применяемой технологии и технологических решений, т.е. от научного и технологического обеспечения. Высокая востребованность колтюбинговых технологий на рынке диктует необходимость ускорения отработки и внедрения экономически оптимальных технологических решений. Решение этой проблемы можно осуществить путем отработки применяемых инженерных и решений на специальном стенде. Оборудование стенда обеспечивает создание и движение,с заданными гидродинамическими параметрами, двухфазных потоков, состоящих из сжатого воздуха и воды.При необходимости возможно получение трехфазных потоков с наличием твердой фазы (песка) или поверхностно-активных веществ. При этом возможно получение как разнонаправленных так и сонаправленных потоков. Схемы движения потоков в колтюбинговой системе приведены на рис.9. Комплекс оборудования, входящий в состав системы, позволяет проводить экспериментальные исследования процессов течения в кольцевом межтрубном пространстве газовых скважин и отрабатывать элементы колтюбинговых технологий. Функциональные возможности системы для исследования процессов движения газожидкостных потоков в кольцевом пространстве и для отработки колтюбинговых технологий представлены в п. 5 табл.2.
Рис.9.Схемы движения потоков в колтюбинговой системе “Стенда для отработки технологии эксплуатации газовых скважин на поздней стадии разработки месторождений “ ( а- труба диаметром от 89 до 168 мм, б – гибкая труба с наружным диаметром 52 мм)
В пятой главе диссертационной работы представлены результаты экспериментальных исследований течения наклонно-направленных потоков и потоков, текущих в кольцевых каналах вертикальных скважин, проведенных на основе методических подходов, изложенных в главах 3 и 4. Важнейшими параметрами установившегося двухфазного потока являются значения перепада давления и расхода фаз. Оборудование стенда обеспечивает проведение измерений не только самой величины перепада давления, но и позволяет фиксировать изменение перепада во времени, что имеет большое значение для исследования таких процессов, как задавливание скважин водой, продувка и запуск после ремонта или периода простаивания. На рис. 10 представлена характеристика лифта с кольцевым сечением (сплошная кривая синего цвета). Внутренний диаметр внешней трубы составляет 153 мм; внешний диаметр внутренней трубы составляет 52.
Известно, что в координатах «перепад давления(ось ординат) – расход газа (ось абсцисс) при рабочих условиях» положение минимальной точки потерь давления на характеристике лифта зависит от его диаметра: с уменьшением диаметра трубы минимум смещается влево, по оси абсцисс. Этот факт иллюстрируется графиками на рис. 10 для труб диаметром 100 мм и 153 мм. При этом, как видно на том же рисунке, для кольцевого потока эта зависимость нарушается. Действительно, эквивалентный диаметр кольцевого потока, каким бы способом он ни рассчитывался, должен быть меньше, чем диаметр внешней трубы в кольцевом сечении, и на рис. 10 кривая для кольцевого потока должна была бы сместиться влево относительно кривой для лифта круглого сечения с диаметром внешней трубы. Однако эксперимент показывает другой результат – зависимость перепада давления от расхода газа сместилась вправо. В то же время, если потери давления представить в зависимости от скорости потока, эти зависимости примут вид, представленный на рис. 11. Величина скорости u, или средней скорости потока, вычисляется по формуле 
, где G- расход газа, м3/с; S- площадь поперечного сечения потока, м2
где для круглой трубы 
,
а для кольцевого потока 
.
Здесь D – внутренний диаметр внешней трубы, d – внешний диаметр внутренней трубы. Если значение эквивалентного диаметра кольцевой трубы рассчитать исходя из соотношений площади поперечного сечения потока S и смоченного периметра L, можно получить: 
, где Dэф – эквивалентный диаметр.
p, мм вод. ст.
G м3/ч
Рис.10. Сравнение характеристики лифта кольцевого сечения (внешн. 153 мм – внутр. 52 мм) с характеристиками лифтов 153 мм и 100 мм при давлении 0,65 МПа и расходе воды 65 л/час.
p, мм вод. ст.
U, м/с
Рис.11. Сравнение характеристики лифта кольцевого сечения (внешн. 153 мм – внутр. 52 мм) с характеристиками лифтов 153 мм и 100 мм при давлении 0,65 МПа и расходе воды 65 л/час, в координатах «перепад давления – скорость потока».
Таким образом, для кольцевого потока рассчитанный эквивалентный диаметр составляет 100 мм, что соответствует диаметру одного из лифтов круглого сечения, характеристики которых представлены на рис. 10 и 11. Однако, как видно из рисунков, их характеристики не совпадают, что свидетельствует о необходимости разработки новых соотношений для таких процессов и поиска параметров, адекватно их описывающих. Если использовать автомодельные параметры, предложенные в ООО «Газпром ВНИИГАЗ», то эти же зависимости примут вид, изображенный на рис. 12. На рис. 13 представлены характеристики лифта диаметром 100 мм при давлении 0,6 МПа и расходе воды 68 л/час для случаев вертикальной и наклонной (27о от вертикали) труб. Обращает на себя внимание существенное влияние наклона на величину минимального дебита газа, необходимого для устойчивой работы скважины. Это влияние невозможно рассчитать, поскольку таких методик в настоящее время просто не существует.
i 
Fr*
Рис. 12. Сравнение характеристики лифта кольцевого сечения (внешн. 153 мм – внутр. 52 мм) с характеристиками лифтов 153 мм и 100 мм при давлении 0,65 МПа и расходе воды 65 л/час, в координатах «i – Fr*»., i- безразмерные потери давления, Fr* -модифицированный параметр Фруда
(ж – плотность жидкости, Н – длина трубы),
Fr* - модифицированный параметр Фруда:
(
- плотность газа при рабочих условиях; D-в качестве диаметра кольцевого потока принят эффективный диаметр).
i
Fr*
Рис.13. Влияние наклона трубы (вертикаль и 27о от вертикали) на характеристику лифта, i- безразмерные потери давления, Fr* -модифицированный параметр Фруда
Анализ результатов экспериментов по изучению процессов течения газожидкостных потоков в наклонных трубах и в кольцевом (межтрубном) пространстве свидетельствуют о недостаточной исследованности этих процессов и подтверждает широкие возможности стенда в области проведения гидродинамических исследований течения многофазных потоков
Основные выводы
- Создание эффективных технологий добычи газа в условиях поздней стадии разработки месторождений возможно на основе проведения широкого комплекса гидродинамических исследований процессов течения многофазных потоков вертикального и наклонного направления.
- Созданы методика и оборудование для проведения экспериментальных исследований процессов течения газожидкостных потоков в наклонных скважинах, с возможностью использования полного спектра полноразмерных насосно-компрессорных труб, с универсальной системой визуализации и видео-регистрации процессов течения, позволяющие изучать условия течения газожидкостных потоков в скважинах, состоящих из насосно-компрессорных труб диаметром до 168 мм с отклонением от вертикали от 0 до 90 градусов.
- Создана методика и оборудование для проведения экспериментальных исследований процессов течения газожидкостных потоков в кольцевом (межтрубном ) пространстве, обеспечивающие возможность совершенствования технологий добычи газа и выполнения сервисных операций, реализуемых при работе по межтрубному пространству и с применением колтюбинга.
- Результаты экспериментов по исследованию процессов течения газожидкостных потоков в кольцевом (межтрубном) канале, показывающие отклонение от сложившегося представления о зависимости минимальной точки потерь давления в характеристике лифта от его диаметра, свидетельствуют о том, что современные представления о процессах течения в межтрубном пространстве нуждаются в уточнении. В силу широкой распространенности потоков кольцевого сечения при разработке и эксплуатации газовых месторождений эти исследования имеют большую актуальность.
- Полученные результаты исследований процессов течения газожидкостных потоков в наклонных трубах свидетельствуют о существенном влиянии угла наклона скважины на величину минимального дебита, необходимого для устойчивой работы скважины. В связи с отсутствием, в настоящее время, эффективной методики расчета влияния угла наклона газовых скважин на устойчивость их работы, разработанная методика проведения стендовых гидродинамических исследований течения наклонно-направленных потоков может быть применена при обосновании технологических решений, направленных на повышение коэффициента извлечения газа.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1.Бородин С.А., Бузинов С.Н, Пищухин В.М, Шулепин С.А. Стенд по отработке технологии эксплуатации скважин на поздней стадии разработки месторождений // Георесурсы,2010, №4(36), C.70-72
2.Бузинов С.Н, Бородин С.А., Пищухин В.М, Харитонов А.Н. и др. Экспериментальные исследования движения двухфазных систем в газовых скважинах //Георесурсы, 2010, №4(36),C.63-66
3.Бузинов С.Н., Бородин С.А. Васильев Ю.Н. Использование полимерных труб при эксплуатации обводившихся скважин // Сборник научных статей аспирантов и соискателей ООО “Газпром ВНИИГАЗ”,М.,2011, C.6-9
4.Бородин С.А., Бузинов С.Н, Николаев О.В., Шулепин С.А. Разработка многоцелевой установки для отработки технологии эксплуатации скважин на поздней стадии разработки// Сборник научных статей аспирантов и соискателей ООО “ГазпромВНИИГАЗ”, М., 2011,C.10-24
5. Бузинов С.Н, В.И.Нифантов, Бородин С.А, Пищухин В.М, Шулепин С.А. Стенд по отработке технологии эксплуатации газовых скважин на поздней стадии разработки месторождений// Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Эфиры целлюлозы и крахмала. Опыт и особенности применения
на предприятиях нефтегазового комплекса», Суздаль, Издательство ВГУ,2009, C.218
6.Бородин С.А., Пищухин В.М., Шулепин С.А., Николаев О.В. Результаты экспериментальных исследований, проведенных на стенде по отработке технологии эксплуатации газовых скважин на поздней стадии разработки месторождений//Стендовый доклад на 2-й Международной научно-практической конференции «Мировые ресурсы и запасы газа и перспективные технологии их освоения»,М.,2010 г
7.Бородин С.А., Бузинов С.Н., Люгай Д.В. Патент на полезную модель №102674 «Фильтр скважинный самоочищающийся» приоритет от 31 августа 2010 г
8.Бородин С.А.,Бузинов С.Н., Люгай Д.В.Патент на полезную модель «Скважинный фильтр» №96608 приоритет от 29 марта 2010 г
9.Бородин С.А.,Бузинов С.Н., Люгай Д.В.Патент на полезную модель «Фильтр скважинный» №104237 приоритет от 08 декабря 2010 г
10. Бородин С.А., Бузинов С.Н., Самсонов Р.О., Люгай Д.В. Способ автоматического регулирования режима работы газовой скважины. Патент на изобретение №2455469 приоритет изобретения 07 июня 2010 г.
11. Бородин С.А.,Бузинов С.Н.,Пищухин В.М.,Шулепин С.А. Модернизация стенда по отработке технологии эксплуатации скважин на поздней стадии разработки месторождений// Материалы ХIV Международной научно-практической конференции “Эфиры целлюлозы и крахмала,другие химические реагенты и материалы в эффективных технологических жидкостях для строительства, эксплуатации и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин” Суздаль, Издательство ВГУ, 2010 г, С.341-349
12. Бузинов С.Н.,Гереш Г.М, Бородин С.А., Михайлов А.Н.,Николаев О.В., Шулепин С.А. Расчет потерь давления в газовых скважинах на поздней стадии разработки месторождений// Газовая промышленность М., 2011,№12/667, С.18-21.
Подписано к печати “ 20“ ноября 2012 г.
Заказ №
Тираж 120 экз.
1 уч.-изд. л.ф-т 60х84/16
Отпечатано в ООО “Газпром ВНИИГАЗ”
по адресу: 142717,Московская область, Ленинский район,
п. Развилка, ООО “Газпром ВНИИГАЗ”
