Показатели качества воды, закачиваемой в пласт, нормируется ОСТ 39-225-88 и должны отвечать параметрам загрязненности в зависимости от типа коллекторов. Содержание механических примесей и нефтепродуктов в воде должно составлять от 3 мг/л и более в зависимости от пористости.
Наиболее распространённой альтернативой на сегодня является применение резервуаров отстойников на базе РВС. Достоинством решения является простота и независимость от исходного содержания нефти и механических примесей, т.к. зачастую имеет место неопределенность по физико-химическим свойствам перекачиваемой среды на этапе освоения. Недостатком является трудоемкость и опасность ручной очистки РВС от нефтешлама, риск улавливания нефти при отборе воды с РВС и, как следствие, превышение содержания нефти требований ОСТ. При этом отстойники зачастую расположены в удаленности от центральных пунктов сбора, а процесс, как правило, управляется оператором вручную, что создает дополнительную сложность в эксплуатации.
При этом на сегодняшний день существует широкий спектр технологий очистки воды, позволяющий решить задачу как эффективности очистки, так и снижения капитальных затрат и стоимости владения. Нормы технологического проектирования месторождений ВНТП 3-85 устанавливают набор доступных технологий.
Согласно ВНТП 3-85 циклонные технологии являются наиболее эффективными по совокупности характеристик по степени и скорости очистки как от механических примесей, так и от остаточной нефти. Инженеры Компании «ОЗНА» поставили задачу разработки циклонного решения, превосходящего основные мировые аналоги.
Целью работы является разработка математической модели рабочих процессов в системах очистки воды от мех. примесей и сепарации водонефтяных эмульсий. Данная модель позволила оптимизировать рабочие процессы гидроциклонного устройства подготовки воды в системе поддержания пластового давления для повышения эффективности разделения водонефтяной эмульсии при одновременном сокращении капитальных затрат на устройство.
В качестве научной новизны выступает верифицированная математическая модель технологии водоподготовки для систем поддержания пластового давления. Данная модель позволяет с высокой точностью прогнозировать эффективность устройств и оптимизировать рабочие процессы технологии водоподготовки.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи:
- разработка математической модели гидроциклонной сепарации водонефтяных эмульсий и водо-песчаных суспензий,
- разработка и оптимизации конструкции устройств водоподготовки на основе метода планирования расчетного эксперимента,
- проведение опытно промышленных испытаний,
- верификация полученных математических моделей.
Оптимизация конструкции устройств осуществлялась за счет использования поля центробежных сил, в котором происходит разделение многофазных смесей.
Итоговый процесс подготовки воды представляет собой три этапа:
- отделение взвешенных частиц из водо-нефтяной эмульсии в поле центробежных сил,
- коагуляция глобул в водо-нефтяной эмульсии,
- разделение водо-нефтяной эмульсии в поле центробежных сил.
Исходными данными модели являются размеры глобул нефти в воде, концентрация, реологические свойства, расход, температура, давление. Выходными данными модели является концентрация на выходе и гидравлическое сопротивление. Объектом критериальной оптимизации является геометрия выходных отверстий и проточной части циклона, а также оптимальные режимы эксплуатации технологии.
Базовыми законами для описания процессов течения жидкости, лежащими в основе модели являются законы сохранения импульса и массы.
Для повышения точности моделирования и симуляции процесса разделения эмульсии на стандартных сетках, способных рассчитываться на современных компьютерах и учёта и усреднения турбулентных пульсаций применяется Модель турбулентности RSM Reynolds Stress Model. С её помощью рассчитывается кинетическая энергия турбулентных пульсаций и диссипация кинетической энергии турбулентных пульсаций.
Для расчёта течения дискретной фазы (нефть в воде) в подходе Эйлера в единой общей базовой сетке применяется базовый закон переноса импульса между фазами. С её помощью рассчитывается импульс течения нефтяной фазы.
Для расчёта коэффициента сопротивления глобул нефти применяется модель Морси-Александра для переноса импульса между фазами. С её помощью рассчитывается сила сопротивления перемещения глобул при течении жидкости. Коэффициент переноса импульса рассчитывается по формуле ниже.
При этом коэффициенты а определяются исходя из числа Рейнольдса по формуле ниже.
Проведение численного эксперимента
Для численной оптимизации конструкции первоначально формируется произвольная 3D модель прототипа и её проточная часть на базе лучших практиках из мировой литературы в программе SolidWorks.
Происходит создание пространственной полиэдральной сетки уровня мегамодели в Ansys Meshing, представленной на рисунке.
Рисунок - Пространственная полиэдральная сетка в Ansys Meshing
Мегамодели включают от 2 до 6 миллионов ячеек, в данном случае в модели 1 050 000 ячеек.
Далее происходит анализ литературы и выбор математических моделей и изучение практики апробации моделей исходя из международных монографи1 и литературы Ansys.
Следующим этапом проводится настройка, адаптация и верификация математических моделей, а также тестирование комбинаций этих моделей на базе международных монографий и инструмента Сx.
Результаты численного эксперимента
На основе математической модели была проведена серия расчетных экспериментов по оптимизации рабочих процессов в гидроциклонных устройствах технологии водоподготовки. Оптимизация происходила в несколько стадий по спектру различных параметров с использованием метода планирования расчетного эксперимента.
Далее проводится итерационное моделирование и улучшение конструкции проводится с помощью анализа в постпроцессоре. Цикл моделирования, изменения геометрии и нализа включает до 50 итераций. Каждая модель в одном режиме считается около 30 часов. На этом этапе применяются инструменты Workbench, Post-CFD, Cx, AnsysFluent, SolidWorks.
Результаты экспериментов приведены ниже на рисунках.
Рисунок – Линия тока воды с отображением скоростей в циклоне
Из рисунка видно, что линейная скорость течения не превышает 10 м/с и центробежное ускорение не превышает 2500 м/сек2
Рисунок – Распределение концентрации нефти
Из рисунка видно отображение формирования внутренней структуры потока и сепарации нефтяной фазы
Рисунок – Распределение вектора скорости воды в сечении циклона
Из рисунка видно, что турбулентность максимальна в левой части на входе в циклон и в правой части ближе к выходу циклона снижается, что обеспечивает требуемой качество подготовки.
Рисунок – Распределение турбулентности в поперечном сечении циклона
Максимальная турбулентность в центре и на периферии, при этом основной процесс сепарации происходит в зоне пониженной турбулентности, что определяет высокое качество сепарации.
Рисунок – распределение давления в поперечном сечении
Из рисунка видно, что максимальный перепад на циклоне не превысит 4,8 атм.
Рисунок – Распределение давления по оси циклона
Из рисунка видно, что перепад давления на циклоне по результатам оптимизации составляет не более 3 атм .
Рисунок – Распределение линейной скорости течения воды по оси циклона
Из рисунка видно, что в головной части циклона скорость течения в среднем составляет 2 м/с и локально снижается до 0,2 м\с, что увеличивает время нахождения эмульсии в зоне сепарации и обеспечивает качество сепарации.
После достижения целевых характеристик по эффективности сепарации проводится имплементация расчётной модели проточной части в финальную 3D модель продукта для прорисовки КД в пакете SolidWorks.
Помимо уникальной геометрии проточной части результирующей особенностью циклонного нефтеотделителя «ОЗНА-Гольфстрим» является специальное запатентованное расположение и конфигурация входных отверстий циклона, что позволяет стабилизировать структуру внутреннего вихря и качественно сепарировать нефть.
Результаты натурного эксперимента и сравнение с математической моделью
Технология водоподготовки Компании «ОЗНА» успешно испытана на шести объектах в компаниях «Башнефть-Добыча», «Верхнечонкснефтегаз», «Татойлгаз» в условиях опытно-промышленных испытаний, подтвердив свою эффективность.
Для исследования и верификации модели разработана мобильная исследовательская установка «УМИ» единичной производительности, включающая несколько технологий очистки, позволяет в полевых условиях оценить и подобрать оптимальное решение под индивидуальные условия и физико-химические особенности подготавливаемой воды. Это гарантирует Заказчику качество закачиваемой в пласт воды уже на этапе разработки проектов обустройства и реконструкции систем ППД.
В компании «Верхнечонскнефтегаз» встроенный в текущую линию подготовки нефти в экстремальных условиях содержания нефти в воде до 4000 мг/л «ОЗНА-Гольфстрим» снизил содержание нефти до 75 мг/л.
Первой компанией, оценившей эффективность циклонной сепарации нефти от воды «ОЗНА-Гольфстрим», стала «Башнефть-Добыча». В ходе промышленных испытаний проведена верификация математической модели гидроциклона и доказана эффективность сепарации остаточной нефти в пластовой воде до 30 мг/л, что увеличило межремонтный период шурфовых насосов в 2 раза. Использование технологии стало темой обсуждения на отраслевых конференциях и вошло в инженерный отчет, доступный всему профессиональному сообществу «Роснефти».
Заключение
В результате выполнения работы была разработана математическая модель технологии водоподготовки для систем поддержания пластового давления
На основе математической модели была проведена серия расчетных экспериментов по оптимизации рабочих процессов в гидроциклонных устройствах технологии водоподготовки. Оптимизация происходила в несколько стадий по спектру различных параметров с использованием метода планирования расчетного эксперимента. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, в качестве основного уравнений течения использовалось уравнение Навье-Стокса, дополненные уравнениями расчета напряжений Рейнольдса, уравнениями передачи импульса между фазами и уравнением Луо дробления и коагуляции капель. При решении дифференциальных уравнений использовались методы конечно-разностной аппроксимации высокого порядка точности.
Используя результаты оптимизации, были изготовлены устройства водоподготовки, проведены заводские и опытно промышленные испытания.
Результатом испытаний послужила верификация математической модели, были внесены правки в уравнения расчета параметров турбулентности и уравнения передачи импульса между фазами.
Рисунок – Распределение концентрации нефти по оси циклона
Из рисунка видно, что на выходе воды циклона концентрация нефти в воде не превышает 0,5%, а
Автор: Е. Данильчук
