книги / Многофазный поток в скважинах
..pdfТемперэтура. сС
Рис. 6.29. Фазовая кривая гидратов на диаграмме давление-температура
называемые клатраты) — это кристаллические соединения, образчтопшеся в результате внедрения молекул газа в пустоты кристаллических структур, составленных нз молекул воды. Молекулы, внедряющиеся в клатратные полости (полости в виде клетки) кри сталлической решетки, называют «гостями», а молекулы, в кристаллическую решетку которых идет внедрение, — «хозяевами». Обычно в качестве пиратов выступают со единения воды и метана, этана, пропана, бутана, изобугана. азота, углекислого газа и сероводорода [61].
Газовые гидраты — твердые кристаллические вещества, по виду напоминающие спрессованный снег. В отличие от снега или льда, гидраты могут образовываться при температурах как выше, так и ниже 0° С и при повышенном давлении, зависящем от фазовых характеристик и состава флюида. Поскольку гидраты находятся в твердом со стоянии, они могут создавать помехи при эксплуатации скважин или трубопроводов, частично или полностью перекрывая поток флюидов. Особенно часто гидратообразование происходит из-за охлаждения флюида в зоне преград (штуцеров или предохра нительных клапанов) даже во время нормального хода эксплуатации (эффект ДжоуляТомпсона).
В гидратах высока концентрация углеводородов. В одном кубическом метре гидра та может содержаться до 180 кубометров газа. В нефтяных и газовых скважинах с высо ким давлением гидраты часто образуются на ранней стадии эксплуатации. Несмотря на то что идеальными условиями для образования гидратов обладают районы многолетней мерзлоты, характеризующиеся низкими температурами, гидраты встречаются по всему миру, особенно в морской среде и зонах разработки с повышенным давлением. Итак, зонами риска на гидратообразование являются:
1.Трубопроводы и выкидные линии газовых скважин с высоким давлением, где газ содержит влагу, свободную воду, или воду, добываемую во время чистки скважины после гидравлического разрыва пласта.
2. Морские трубопроводы, водоотталкивающие колонны (обеспечивающие гер метичность между устьем скважины на морском дне и полом буровой установки на морском основании) и нефтяные/газовые скважины с высоким давлением.
3.Арктические скважины, особенно вблизи зоны вечной мерзлоты.
4.Зоны погружных предохранительных клапанов или других штуцерных устройств
врезультате эффекта охлаждения Джоуля-Томпсона.
5.Момент холодного запуска добывающей скважины после ее закрытия для про ведения испытаний, ремонта или установки оборудования.
Фазовые характеристики и кинетические закономерности гидратообразования изу чены достаточно хорошо. Полный их обзор предоставил Слоан [61]. Образование твер дых газовых гидратов в нефтяных и газовых скважинах или транспортных трубопро водах [63] приводит к закупорке труб. При проектировании газопроводов или трубо проводов для многофазного потока в газогидратных системах необходимо учитывать фазовые характеристики газогидратов и по возможности не допускать возникновения условий, приводящих к образованию гидратов и гидратных пробок. В случае когда невозможно спроектировать систему, свободную от проблемы образования гидратов, всегда необходимо учитывать формирование возможной гидратной закупорки в трубах при поиске неисправностей или эксплуатационных проблем, особенно при остановках или холодных запусках.
Ингибирование/ диссоциация. Распространенным методом устранения гидратов является искусственное создание термодинамической нестабильности гидратной фазы, известной под названием термодинамического ингибирования. Оно осуществляется следующим образом:
•Поддержанием температуры потока выше температуры образования гидратов при неизменном давлении.
•Снижением давления в системе ниже уровня стабильности гидратов при неизмен ной температуре.
•Изменением состава или удалением одного из компонентов гидрата, например углеводорода или воды.
•Закачкой ингибитора (метанола или гликоля) для уменьшения стабильности гид рата при неизменных давлении и температуре.
Введение ингибиторов способствует тому, что условия стабильности гидратов начинают соответствовать более высокому давлению и низкой температуре [65,66]. Сейчас разрабатываются новые ингибиторы, называемые кинетическими, они обес печивают существование системы в зоне термодинамической стабильности гидратов, предотвращая скопление небольших ядер гидратов. Довольно часто в качестве метода удаления гидратов при холодном запуске скважины используют закачивание горячей нефти в гидратную систему. Однако более распространенным методом является закачка химических ингибиторов и (если необходимо) теплоизоляция трубопроводов. Давалат и Баркер [60] подробно описали процесс проектирования системы добычи, учитыва ющий решение проблемы образования газогитратов в глубинных газовых скважинах. Приведем пример фазовой диаграммы газогидрата в Сравнении с типичной фазовой диаграммой газа для месторождения в Северном море. В таблице 6.21 содержатся дан ные о газовом составе.
На основе уравнения состояния Пенга-Робинсон^ (см. приложение С) была по строена фазовая диаграмма для данного газа в сырьевом потоке, содержащем сухой газ (453,6 кг мол/час) и воду (0,907 кг мол/час). Из фазовой диаграммы, представ ленной выше на рис. 6.29, следует, что линия равновесия гидратов (линия А) в центре фазовой диаграммы смеси газа и жидкости соответствует условию термодинамической стабильности температуры и давления. Слева от данной кривой находится диаграм ма идеально стабильного гидрата. Если значения давления и температуры в момент запуска газовой скважины лежат по левую сторону от кривой, значит, гидраты могут закупорить трубу. Закачка ингибиторов сдвигает данную кривую влево, таким образом, для образования гидрата потребуется более высокое даЭление и/или более низкая тем пература. Для такого же потока газа и воды закачка 80Ч-метанола (1,67 кг моль/час) сдвинет линию равновесия гидрата влево (линия В). С Добавлением метанола фазовая кривая гидрата сдвигается незначительно. Степень контроля фазовых характеристик
Таблица 6.21. Пример газового состава системы
Компонент |
Молярная доля |
Метан |
0,6741 |
Этан |
0,0842 |
Пропан |
0,0460 |
Изобутан |
0,0063 |
н-бутан |
0,0171 |
Изопентан |
0,0051 |
н-пентан |
0,0077 |
Гексан |
0,0093 |
Гептан |
0,0677 |
Азот |
0,0024 |
С 0 2 |
0,0801 |
гидрата зависит от состава углеводорода, типа и количества ингибитора. Таким обра зом, знание фазовых характеристик гидрата необходимо в случае термодинамического ингибирования.
Литература
[1]Versluys, J: «Mathematical Development of the Theory of Flowing Oil Wells», Trans., AIME (1930) 86, 192.
[2]Gilbert, W. E.: «Flowing and Gas-Lift Well Performance», Drill. & Prod. Prac. (1954) 126.
[3]Nind, T. E. W.: «Principles of Oil Well Production», McCraw-Hill Book Co. Inc., New York City (1964).
[4]Proano, E.A., Mach, J. M., and Brown, К. E.: «Systems Analysis as Applied to Producing Wells», paper 3.1 presented at the 1979 Congreso Panamericano de Ingenieria del Petroleo, Mexico City, 19-23 March.
[5]Crouch, E. C. and Pack, K. J.: «Systems Analysis Use for the Design and Evaluation of High-Rate Gas Wells», paper SPE 9424 presented at the 1980 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, 21-24 September.
[6]Mach, J.M ., Proano, E.A., and Brown, K.E.: «Application of Production System Analysis to Determine Completion Sensitivity on Gas Well Production», paper presented at the 1981 ASME Energy Sources Technical Conference and Exhibition, Houston,
18-22 January.
[7]Mach, J. M.: «Apply NODAL™ Analysis to Production Systems», Well Servicing (January/February 1981) 38.
[8]Brown, К. E. et al: «Production Optimization of Oil and Gas Wells by NODAL™ Systems Analysis», Technology of Artificial lift Methods, PennWell Publishing Co., Tulsa. Oklahoma (1984) Chap. 4.
[9]Golan, M. and Whitson, C.H.: «Well Performance», Prentice-Hall Book Co. Inc., Englewood Cliffs, New Jersey (1991).
[10]Darcy, Н.: «Les fontaines publiques de la ville de Dijon» (1856).
[11]Muskat, M.: «The Flow of Homogeneous Fluids Through Porous Media», McGraw-Hill Book Co. Inc., New York City (1937); reprinted by SPE, Richardson, Texas (1982); copyrighted by Inti. Human Resources Development Corp., Boston (1982).
[12]Earlougher, R. C.Jr.: «Advances in Well Test Analysis», Monograph Series, SPE, Richardson, Texas (1977) 5.
[13]Matthews, C. S. and Russell, D. C.: «Pressure Buildup and Flow Tests in Wells», Monograph Series, SPE, Richardson, Texas (1967) 1.
[14]Dietz, D.N.: «Determination of Average Reservoir Pressure From Build-Up Surveys», JPT(August 1965) 955; Trans., AIME, 234.
[15]Ahmed, T. H.: «Hydrocarbon Phase Behavior», Gulf Publishing Co., Houston (1989).
[16]Vogel, J. V: «Inflow Performance Relationships for Solution-Gas Drive Wells», JPT (January 1968) 83; Trans., AIME, 243.
[17] Fetkovich, M. J.: «The Isochronal Testing of Oil Well», paper SPE |
4529 presented at |
the 1973 SPE Annual Meeting, Las Vegas, Nevada, 30 September-3 |
October. |
[18]Joshi, S.D.: «Augmentation of Well Productively with Slant and Horizontal Wells», JPT (June 1988) 729; Trans., AIME, 285.
[19]Agarwal, R. G., Al-Hussainy, R., and Ramey, H.J. Jr.: «An Investigation of Wellbore Storage and Skin Effect in Unsteady Liquid Flow: I. Analytical Treatment», SPEJ (September 1970) 279; Trans., AIME, 249.
[20] Odeh, A. S.: «Pseudosteady-State Flow Capacity of Oil Wells With Limited Entry and an Altered Zone Around the Wellbore», SPEJ (August 1977) 271; Trans., AIME, 270.
[21]Cinco-L., H., Samaniego-V, F., and Domingues-A., N.: «Transient Pressure Behavior for a Well With a Finite-Conductiviiy Vertical Fracture», SPEJ (August 1978) 253.
[22]Meng, H.Z. and Brown, К. E.: «Coupling of Production Forecasting Fracture Geometry Requirements, and Treatment Scheduling in the Optimum Hydraulic Fracture Design», paper SPE 16435 presented at the 1987 SPE Low Permeability Reservoirs Symposium, Denver Colorado, 18-20 May.
[23]Al-Hussainy, R. and Ramey, H.J. Jr.: «Application of Real Gas Row Theory to Well Testing and Deliverability Forecasting» JPT (May 1966) 637; Trans., AIME, 237.
[24]Carroll, J. A. Ill and Home, R. N.: «Multivariate Optimization of Production Systems», JPT (July 1992) 782; Trans., AIME, 293.
[25]«PERFORM Well Performance Analysis Program», Dwight’s Energydata Inc., Dallas (1995).
[26]Ansari, A.M . et al.: «А Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flow in Wellbores», SPEPF (May 1994) 143; Trans., AIME, 297.
[27]Hagedom, A.R. and Brown, К. E.: «Experimenial Study of Pressure Gradients Occurring During Continuous Two-Phase Flow in SmalLDiameter Vertical Conduits», JPT (April 1965) 475; Trans., AIME, 234.
[28]Orkiszewski, J.: «Predicting Two-Phase Pressure Drops in Vertical Pipes», JPT (June 1967) 829; Trans., AIME, 240.
[29]Beggs, H. D. and Brill, J. P.: «А Study of Two-Phase Flow ЩInclined Pipes», JPT (May 1973) 607; Trans., AIME, 255.
[30]Mukherjee, Н. and Brill, J. P.: «Pressure Drop Correlations for Inclined Two-Phase Flow», J. Energy Res. Tech. (December 1985) 107, 549.
[31]Aziz, K., Govier, G. W., and Fogarasi, M.: «Pressure Drop in Wells Producing Oil and Gas», J. Cdn. Pet. Tech. (July-September 1972) 11,38.
[32]Ashford, F. E. and Pierce, P. E.: «Determining Multiphase Pressure Drops and Flow Capacities in Down-Hole Safety Valves», JPT (September 1975) 1145.
[33]Mach, J. M. et at.: «А New Concept in Continuous-Flow Gas-Lift Design», SPEJ (December 1983) 885; Trans., AIME, 275.
[34]Lea, J. F.: «Avoid Premature Liquid Loading in Tight Gas Wells Using Prefrac and Postfrac Test Data», Oil&Gas J. (20 September 1982) 123.
[35]Gregory, G. A.: «Comments on the Prediction of Minimum Unloading Velocities for Wet Gas Wells», Technical Note No. 14, Neotechnology Consultants Ltd., Calgary (December 1989) .
[36]Turner, R. G., Hubbard, M. G., and Dukler, A. E.: «Analysis and Prediction of Minimum Flow Rate for the Continuous Removal of Liquids From Gas Wells», JPT (November 1969) 1475; Trans., AIME, 246.
[37]Dukler, A. E.: «Fluid Mechanics and Heat Transfer in Vertical Falling Film Systems», Chem. Eng. Prog. (1960) 56.
[38]Foust, A. S. et al.: «Principles of Unit Operations, second edition», John Wiley & Sons, New York City (1980).
[39]Coleman, S. B. et at.: «А New Look at Predicting Gas-Well Loadup», JPT (March 1991) 329; Trans., AIME, 291.
[40]Coleman, S. B. et al.: «Understanding Gas-Well Load-Up Behavior», JPT (March 1991) 334; Trans., AIME, 291.
[41]Oudeman, P.: «Improved Prediction of Wet-Gas-Well Performance», SPEPE (August 1990) 212; Trans., AIME, 289.
[42]Upchurch, E. R.: «Expanding the Range for Predicting Critical Flow Rates of Gas Wells Producing From Normally Pressured Waterdrive Reservoirs», SPEPE(August 1989) 321; Trans., AIME, 287.
[43]RP14E, «Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping System», third edition, API, Washington.
[44]Salama, M. M. and Venkatesh, E. S.: «Evaluation of API RP14E, Erosional Velocity Limitations for Offshore Wells», paper SPE 12531 presented at the 1983 Offshore Technology Conference, Houston, 2-5 May.
[45]Shirazi S. A. et al.: «Generalization of the API RP14E Guideline for Erosive Services», JPT (August 1995) 693.
[46]Thompson, T. L. and Aude, T. C.: «Slurry Pipeline Design and Operation Pitfalls to Avoid», Trans., ASME (1976).
[47]Benchaita, M. T., Griffith, P., and Rabinowicz, E.: «Erosion of a Metallic Plate by Solid Particles Entrained in a Liquid», Eng. Ind. (1983) 105, No. 3 215; Trans., ASME.
[48]Rabinowicz, E.: «The Wear Equation for Erosion of Metals by Abrasive Particles», Proc., Fifth Inti. Conference on Erosion by Liquid and Solid Impact, Cambridge, U. K. (1979).
£4 — средняя ошибка в уравнении (4.260)
£5 — абсолютная средняя ошибка в уравнении (4.262)
E Q — стандартное отклонение в уравнении (4.263)
/— коэффициент трения Муди или Дарси-Вейсбаха
f |
— |
объемная доля без эффекта проскальзывания, L 3/L 3 |
/ ' |
— |
коэффициент трения Фаннинга |
f |
— |
летучесть, m /L t2 |
F |
— |
геометрический параметр трения для затрубного пространства |
£— количество молей смеси, моль
£— коэффициент сопротивления
FE |
— коэффициент захвата капелек жидкости, L 3/L 3 |
|
Fp |
— коэффициент проникновения, L /m |
|
Frp |
— относительный коэффициент эффективности в уравнении (4.264) |
|
£ s |
— |
коэффициент угловатости песчинок |
д |
— |
ускорение свободного падения, L /t 2 |
дс |
— гравитационный переводной коэффициент |
|
до |
— градиент геотермальной температуры, T /L |
|
h |
— |
конвективный коэффициент пленки, m / t 3T |
h |
— |
удельная энтальпия, L 2j t 2 |
h |
— |
мощность продуктивного пласта, L |
h |
— |
скорость проникновения эрозии, L /t |
h i |
— толщина жидкой пленки, L |
|
Н |
— энтальпия, m b 2/ t 2 |
|
H i |
— объемная доля (объемное содержание) газа/жидкостИ с учетом эффекта |
|
|
|
проскальзывания, £ 3/ £ 3 |
H L F |
— объемное содержание жидкости, захваченной пленкой, L 3/L 3 |
|
H R |
— отношение значений объемных содержаний жидкости в уравне |
|
|
|
нии (4.140) |
г |
— |
темп нагнетания, L 3/t |
lani |
— |
анизотропия проницаемости |
J— механический эквивалент теплоты
к— теплопроводность, m L /t3T
к— отношение удельных теплоемкостей, Ср/ Cv
к— эффективная проницаемость, L 2
К |
— отношение диаметров труб, образующих затрубное Пространство, L /L |
К |
— коэффициент сопротивления компонента трубопровода в уравне |
|
нии (5.33) |
К |
— константа равновесия, моль/моль |
K w |
— характеристический фактор Уотсона |
К ' |
— показатель устойчивости степенной зависимости в уравнении (2.29) |
L |
— длина трубы, L |
L |
— молярная доля жидкости, моль/моль |
L |
— количество молей жидкости, моль |
L |
— длина горизонтальной скважины, L |
L R |
— параметр в уравнении (4.59) |
L v |
— скрытая теплота парообразования, L 2/ t 2 |
т— масса, т
т— параметр в уравнении (4.96)
т( р ) — функция псевдодавления для реального газа
М— молекулярный вес, т
М— объемная теплоемкость, т /Ы 2Т
п— количество молей
п— параметр в уравнениях (5.9) и (5.10)
п— степенной показатель в уравнении (5.12) п с — число компонентов
п' — степенной коэффициент в уравнении (2.29)
п' — поправочный коэффициент в уравнении (4.177) N — безразмерный параметр в уравнениях (5.7) и (5.8)
Nd |
— показатель диаметра трубы в уравнении (4.5) |
|
N Q |
— безразмерные показатели диаметра в уравнениях (4.13) и (5.27) |
|
N E |
— безразмерный параметр в уравнении (4.97) |
|
TVpr |
— |
число Фруда в уравнении (4.109) |
N gv |
— показатель скорости газа в уравнении (4.4) |
|
N QT |
— число Грасхофа в уравнении (2.93) |
|
N i |
— показатель вязкости жидкости в уравнении (4.6) |
|
N LC |
— скорректированный показатель вязкости жидкости на рис. 4.2 и 4.3 |
|
N LV |
— показатель скорости жидкости в уравнении (4.3) |
|
iVpsju |
— |
число Нуссельта в примере (2.4) |
Npi |
— безразмерный показатель давления в уравнении (5.26) |
|
7Vpr |
— |
число Прандтля в уравнении (2.94) |
N qL |
— безразмерный показатель расхода жидкости в уравнении (5.28) |
|
TVfte |
— |
число Рейнольдса |
N v |
— безразмерный показатель скорости в уравнении (4.12) |
|
iV\Ve |
— |
число Вебера в уравнении (4.47) |
N x |
— |
координата карты режимов потока в уравнении (4.85) и на рис. 4.14, L jt |
N y |
— |
координата карты режимов потока в уравнении (4.85) и на рис. 4.14, L jt |
Np |
— |
показатель вязкости жидкости в уравнении (4.48) |
N v |
— безразмерное число в уравнении (4.98) |
|
N p — соотношение плотностей в уравнении (5.25) |
||
р |
— |
давление, m /L t2 |
PD |
— относительное падение давления в стволе скважины |
|
Р |
— |
периметр, L |
Pch |
- |
парахор |
q |
— |
объемный расход, L 3/t |
q |
— |
интенсивность теплового потока, m b 3ft |
<7max |
— |
максимально возможный дебит скважины, L 3/t |
Ян.у. |
— |
объемный расход при нормальных условиях, L s/t |
Q |
— тепловой поток, m 3 jt |
|
г |
— |
радиус, L |
гд |
— |
радиус зоны дренирования, L |
r w |
— радиус скважины, L |
|
R |
— эксцентричность затрубного пространства в уравнении (2.63), L /L |
|
R |
— |
газовая постоянная, m b 2j t 2T |
R |
— газовый фактор, L3/L 3 |
|
R |
— отношение объемов газа и жидкости в пластовых условиях, L 3/L 3 |
|
Rp |
— отношение добываемого газа к жидкости, L 3/L 3 |
|
s — скин-эффект |
||
s |
— параметр в уравнениях (4.122), (4.123) и (4.125) |
|
S |
— показатель скорости проскальзывания |