Баланс энергии в скважине. Условия фонтанирования

Основным процессом в добыче нефти является процесс подъема на поверхность газожидкостной смеси от забоя скважины. Исходя из этого, можно сформулировать основ­ную задачу эксплуатации скважин - осуществление процесса подъема продукции скважин с наибольшей эффективностью и бесперебойно.

Подъем нефти в стволе скважины может происходить либо за счет природной энергии нефтяной залежи W_n, либо за счет энергии искусственно вводимой в скважину с поверхности W_u, либо за счет пластовой и искусственно вводимой в скважину с поверхности энергий W_n + W_u.

Так как процесс движения продукции скважин от забоя до поверхности связан с определенными потерями, то сам процесс подъема возможен лишь при определенном соотношении энер­гии, которой обладает продукция скважины, и потерь энергии при ее движении. Основными видами потерь при движении газожидкостной смеси в скважине являются:

1. Потери энергии на преодоление веса гидростатического столба жидкости или смеси, W_гс (без учета скольжения газа).

2. Потери энергии, связанные с движением ее по подъемным трубам и через устьевое оборудование, W _лс.

3. Потери энергии за счет поддержания противодавления на устье скважины, необходимого для продвижения продукции скважины по наземным трубопроводам, W_у. Эта составляющая энергетического баланса не принимает никакого участия в процессе подъема, а представляет энергию, уносимую потоком жидкости за пределы устья скважины.

Отсюда баланс энергии в работающей скважине можно записать в виде:

(1)

Потери энергии, связанные с движением смеси по подъемным трубам и через устьевое оборудование W_лс,

- потери на трение, связанные с движением смеси по трубе W_mр , и потери на трение, связанные с относительным скольже­нием газа в жидкости W_ck;

- потери на местные сопротивления (движение смеси через муфтовые соединения труб и через устьевую арматуру) W_mc

- инерционные потери, связанные с ускоренным движением смеси W_ин.

С учетом этого выражение (1) может быть переписано следующим образом:

(2)

Анализ исследований, проведенных в нефтяных скважинах, показывает, что составляющие W_мс W_uн настолько малы в общем балансе энергии, что ими можно без большой погрешно­сти пренебречь. Тогда окончательно баланс энергии в скважине можно записать:

(3)

Под фонтанной эксплуатацией понимается такой способ подъема продукции скважины от забоя на поверхность, при котором располагаемая энергия на забое W_3a6 больше или равна энергии, расходуемой на преодоление различных сопро­тивлений W_с на всей длине скважины в процессе подъема, т.е. W_3a6≥ W_с.

Основными источниками естественного фонтанирования являются потенциальная энергия жидкости W_ж и газа W_г ,выделяющегося из нефти при давлении, меньшем давления насыщения. Таким образом, естественное фонтанирование осуществляется только за счет природной энергии W_n, которой обладает продукция скважины на забое W_заб:

(4)

В зависимости от соотношения забойного Р_з и устьевого Р_у давлений с давлением насыщения нефти газом Р_нас можно выделить три вида фонтанирования и соответствующие им три типа фонтанных скважин.

1-й тип - артезианское фонтанирование: Р_з>Р_нас , Р_у>Р_нас , то есть фонтанирование происходит за счет гидростатического напора (рис. 1,а). В скважине происходит перелив жидкости, по трубам движется негазированная жидкость. В затрубном пространстве между НКТ 1 и обсадной колонной 2 находится жидкость. Газ выделяется из нефти за пределами скважины в выкидной линии. Такое фонтанирование встречается крайне редко и характерно для пластов с аномально высоким пласто­вым давлением.

Рис. 1. Типы фонтанных скважин

а - артезианская; б - газлифтная с началом выделения газа в скважине; в - газлифтная с началом выделения газа в пласте; 1 - подъемные трубы;2 - эксплуатационная колонна.

2-й тип - газлифтное фонтанирование с началом выделе­ния газа в стволе скважины: Р_з >Р_нас>Р_у (рис. 1, б). В пласте движется негазированная жидкость, а в скважине, начиная с интервала, где давление становится равным давлению насыще­ния, движется газожидкостная смесь. По мере приближения к устью давление снижается, увеличивается количество свобод­ного газа, происходит его расширение, растет газосодержание потока, то есть фонтанирование осуществляется по принципу работы газожидкостного подъемника. При давлении у башмака НКТ Р>Р_нас в затрубном пространстве на устье находится газ и затрубное давление Р_затр обычно небольшое (0,1-0,5 МПа). Такой вид фонтанирования присущ большинству фонтанных скважин.

3-й тип - газлифтное фонтанирование с началом вы­деления газа в пласте: Р_нас>Р₃ (рис. 1, в), в пласте движется газированная жидкость, на забой к башмаку НКТ поступает газожидкостная смесь. После начала притока основная часть газа увлекается потоком жидкости и поступает в НКТ. Часть газа отделяется и поступает в затрубное пространство, где он накапливается, при этом уровень жидкости снижается и до­стигает башмака НКТ. Со временем наступает стабилизация и уровень устанавливается у башмака НКТ. Затрубное давление газа, как правило, высокое, почти достигает значений Р₁ и Р₃. Чем меньше расход и вязкость жидкости, больше расход газа у башмака, зазор между НКТ и эксплуатационной колонной, тем больше газа сепарируется в затрубное пространство.