В работе представлен анализ различных моделей при проектировании и оптимизации газлифтных скважин.
Приводится пример обработки регулировочной кривой при наличии нескольких режимных точек. В дополнение к общепринятым моделям оптимизации рассмотрена модель лифтирования по величине коэффициента полезного действия. В результате анализа во всех моделях выделена оптимальная область работы газлифтного подъемника, что способствует на практике энергосбережению затрат на добычу углеводородного сырья.
При проектировании и оптимизации работы газлифтных скважин используют различные модели:
‑ гидравлическая характеристика газлифтного подъемника;
‑ кривая распределения давления по длине газлифтного подъёмника;
- регулировочная кривая режима работы газлифтной скважины;
- коэффициент полезного действия газлифтного подъемника.
1. Гидравлическая характеристика газлифтного подъемника
Гидравлическая характеристика строится в координатах перепад давления ∆Р от расхода газа Qг при постоянном расходе жидкости Qж = const (рисунок 1).
РИС. 1. Гидравлическая характеристика газлифтного подъемника
На гидравлической характеристике газлифтного подъемника выделяются 2 точки: т. А - режим минимального перепада давления; т. В - режим минимального удельного перепада давления. Удельный перепад давления - это отношение перепада давления в газлифтном подъемнике к расходу газа. Значения параметров работы газлифтного подъемника в т. А и т. В могут быть определены исследованием на минимум уравнения движения газожидкостной смеси в колонне НКТ требуемого диаметра.
Подобный вид графических зависимостей объясняется различным характером изменения составляющих общего перепада давления. Так, градиент силы тяжести с увеличением расхода газа уменьшается, а градиент сил трения - увеличивается [1].
Оптимальная область работы газлифтного подъемника по затратам энергии располагается между расходами газа в точке А и в точке В [2].
За пределами этой области работа газлифтной скважины не рациональна, либо по величине общего перепада давления, либо по величине удельного перепада давления.
- Кривая распределения давления по длине газлифтного подъемника
Кривые распределения давления по длине газлифтного подъемника Н применительно к газлифтным скважинам строятся при постоянном расходе жидкости Qж при заданных значениях давления Рраб в точке ввода газа через рабочий клапан Нкл и давления на устье скважины Pуст (Рисунок 2) в колонне НКТ требуемого диаметра.
Обычно кривые распределения давления используют для расстановки пусковых клапанов по длине газлифтного подъемника [3]. При этом не рассматривается оптимальная область работы газлифтного подъемника.
РИС. 2. Кривые распределения давления в газлифтном подъемнике
Форма кривой распределения давления зависит от диапазона изменения расхода газа.
Кривая распределения давления 1 соответствует изменению расхода газа на гидравлической характеристике (рисунок 1) слева от точки А. В точке ввода рабочего газа в газлифтный подъемник давление газа наибольшее, его скорость наименьшая, а перепад давления наибольший, поэтому градиент давления на забое максимальный. На устье скважины давление газа наименьшее, скорость - наибольшая, перепад давления - минимальный, поэтому градиент давления на устье скважины также минимальный.
Кривая распределения давления 2 соответствует изменению расхода газа на гидравлической характеристике (рисунок 1) справа от точки А. В точке ввода рабочего газа в газлифтный подъемник давление газа наибольшее, его скорость наименьшая, а перепад давления - минимальный, поэтому градиент давления на забое минимальный. На устье скважины давление газа наименьшее, скорость - наибольшая, перепад давления - максимальный, поэтому градиент давления на устье скважины также максимальный.
Кривая распределения давления 3 соответствует изменению расхода газа на гидравлической характеристике (рисунок 1), как слева, так и справа от точки А. В точке ввода рабочего газа в газлифтный подъемник давление газа наибольшее, его скорость наименьшая, а перепад давления больше минимального перепада давления (в точке А), поэтому градиент давления на забое будет соответствовать градиенту давления по линии 1. На устье скважины давление газа наименьшее, скорость - наибольшая, перепад давления больше минимального перепада давления (в точке А), поэтому градиент давления будет соответствовать градиенту давления по линии 2.
Кривая распределения давления 4, соответствует гомогенному потоку газожидкостной смеси в газлифтном подъемнике.
Как следует из вышеприведенного, оптимальная кривая распределения давления соответствует линии 3, наиболее близко расположенной к линии гомогенного потока.
Снятие кривой распределения давления по длине газлифтного подъемника глубинным манометром позволяет оценить фактический режим работы газлифтной скважины.
- Регулировочные кривые режима работы газлифтной скважины
Регулировочные кривые обычно строятся по результатам исследования газлифтных скважин в координатах «расход жидкости Qж ‑ расход газа Qг» при постоянном перепаде давления в газлифтном подъемнике ∆Р (рисунок 3). Этот метод был предложен впервые институтом АзНИИ ДН. Эти регулировочные кривые могут быть также построены с использованием уравнения движения газожидкостной смеси в газлифтном подъемнике.
РИС. 3. Регулировочная кривая газлифтного подъемника по АзНИИ ДН
На регулировочной кривой выделяется три точки: точка D ‑ начало подачи жидкости; точка A ‑ максимальная подача жидкости; точка K ‑ конец подачи жидкости. Область между точками D и K является рабочей областью газлифтного подъемника.
На этом же рисунке приведена кривая изменения удельного расхода газа R=Qг/Qж. Пределы изменения этой кривой по расходу газа, от точки D, которая является асимптотой, где R→∞, до точки K, которая также является асимптотой и R→∞. Кривая удельного расхода газа также имеет минимум в точке Е.
Оптимальной областью является область между точками C и A, как по удельному расходу газа, так и по подаче жидкости.
Регулировочная кривая в координатах Qж=f(Qг) увязывается с гидравлической характеристикой газлифтного подъемника (рисунок 4) при различных расходах жидкости. Нулевой расход жидкости соответствует барботажу газа в колонне НКТ [1, 2].
Рис. 4. Гидравлическая характеристика газожидкостного подъемника в координатах «перепад давленияΔP ‑ расход газа Qг» при постоянном расходе жидкости Qж=const
Если на гидравлической характеристике (рисунок 4) проведем линию постоянного перепада давления, то получим три характерные точки D, A, K, как и на регулировочной кривой. Точки D и K пересекают линии нулевой подачи жидкости, точка A касается кривой максимального расхода жидкости в режиме минимального перепада давления. Линия N соответствует минимальному удельному расходу газа Rmin, линия M ‑ минимальному перепаду давления ΔPmin и линия L ‑ минимальному удельному перепаду давления ΔPуд min.
Область между линией N и M соответствует оптимальной работе скважины в интервале от минимального удельного расхода газа до минимального перепада давления.
Область между линией M и L соответствует оптимальной работе скважины от минимального перепада давления до минимального удельного расхода энергии.
4. Коэффициент полезного действия газлифтного подъемника
Общепринято эффективность любого процесса лифтирования оценивать по величине коэффициента полезного действия [3].
Как известно, коэффициент полезного действия (КПД) любого процесса является отношением полезной работы к затраченной.
В общем случае расчет коэффициента полезного действия для газожидкостного потока выполняется по формуле (1):
где
- коэффициент полезного действия газожидкостной смеси;
‑ плотность газожидкостной смеси;
‑ истинная плотность газожидкостной смеси;
Vсм ‑ скорость газожидкостной смеси;
‑ коэффициент гидравлического сопротивления смеси;
D ‑ внутренний диаметр скважины;
H ‑ глубина спуска колонны под динамический уровень;
g ‑ ускорение свободного падения.
Для гомогенного потока (жидкость, газ, газожидкостная смесь) коэффициент полезного действия рассчитывается по формулам:
для жидкости (Qг=0) расчет выполняется по формуле (2):
где
‑ коэффициент полезного действия при движении однофазной жидкости;
‑ коэффициент гидравлического сопротивления при движении жидкости;
Vж ‑ скорость жидкости;
‑ плотность жидкости.
Для газа (Qж=0) расчет выполняется по формуле (4):
где
‑ коэффициент полезного действия при движении газа;
‑ коэффициент гидравлического сопротивления при движении газа;
‑ плотность газа;
Vг ‑ скорость газа.
То есть для гомогенного потока расчет выполняется по формуле (5).
где ‑ коэффициент полезного действия гомогенного потока.
На рисунке 5 приведена зависимость коэффициента полезного действия газлифтного подъемника от скорости газожидкостной смеси при постоянном газосодержании β=Vг/Vсм, приведенном к среднему давлению в газлифтном подъемнике принятого диаметра.
β1>β2>β3>β4>β5>β6>β7>β8>β0
РИС. 5. Зависимость коэффициента полезного действия от скорости смеси при β
Линии КПД имеют максимум, соответствующий минимуму перепада давления на гидравлической характеристике (рисунок 1).
Таким образом, при проектировании газлифтного подъемника необходимо использовать все модели, изложенные в статье. При этом следует принимать то или иное условие оптимизации.
Литература
- Васильев В.А. Экспериментальные исследования плотности и гидравлических сопротивлений газожидкостного потока применителъно к условиям нефтепромысловой практики. Дисс. канд. техн. наук. Спец. 05.15.06. Грозный, 1972.
- Гужов А.И. Совместный сбор и транспорт нефти и газа. - М.: Недра,1973. - 469 с.
- Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов. М.: М71 ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. 816 с.
Автор: В. А.Васильев, А. О. Шестерень, А. С. Кутовой, С. Н. Овчаров,
