Разработка математической модели для оптимизации гидроциклонной технологии водоподготовки в системах поддержания пластового давления. - Транспортировка и хранение - Neftegaz.RU
8 мин
...

Разработка математической модели для оптимизации гидроциклонной технологии водоподготовки в системах поддержания пластового давления.

Москва, 24 июн - ИА Neftegaz.RU. Подготовка воды является важным процессом технологии заводнения пластов. Согласно ВНТП 3-85 применяемые сегодня резервуары отстойники способны обеспечить остаточное содержание примесей и нефти в воде в 40…70 мг/л. Однако если концентрация составляет 50 мг/литр, то всего за один год приёмистость каждой нагнетательной скважины снижается в два раза, а энергозатраты на ППД увеличиваются в среднем на 100 тысяч кВт-ч в год. Возрастают операционные затраты и стоимость владения системой ППД за счёт роста количества операций кислотной обработки призабойной зоны скважины и стоимости потреблённой электроэнергии насосными агрегатами КНС.

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.
Математическая модель центробежной сепарации

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.
Математическая модель сепарации представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных, отвечающих за течение жидкости, которые замыкаются уравнениями расчета турбулентных параметров.

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.

1.png

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.

2.png

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.

3.png

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.

4.png

При этом коэффициенты а определяются исходя из числа Рейнольдса по формуле ниже.

5.png

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.

1.png

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.

2.png

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

3.png

Рисунок – Распределение концентрации нефти

Из рисунка видно отображение формирования внутренней структуры потока и сепарации нефтяной фазы

4.png

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.

5.png

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.

6.png

Рисунок – распределение давления в поперечном сечении

Из рисунка видно, что максимальный перепад на циклоне не превысит 4,8 атм.

7.png

Рисунок – Распределение давления по оси циклона

Из рисунка видно, что перепад давления на циклоне по результатам оптимизации составляет не более 3 атм .

8.png

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.

9.png

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