Газлифтные скважины. Модели проектирования и оптимизация работы

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 Q_г при постоянном расходе жидкости Q_ж = 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.

2. Кривая распределения давления по длине газлифтного подъемника

Кривые распределения давления по длине газлифтного подъемника Н применительно к газлифтным скважинам строятся при постоянном расходе жидкости Q_ж при заданных значениях давления Р_раб в точке ввода газа через рабочий клапан Н_кл и давления на устье скважины P_уст (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.

3. Регулировочные кривые режима работы газлифтной скважины

Регулировочные кривые обычно строятся по результатам исследования газлифтных скважин в координатах «расход жидкости Q_{ж -} расход газа Q_г» 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=Q_г/Q_ж. 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 Q_ж=f(Q_г) 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 Q_г» при постоянном расходе жидкости Q_ж=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 R_min, линия M  минимальному перепаду давления ΔP_min и линия L  минимальному удельному перепаду давления ΔP_{уд 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):

(1)

где - коэффициент полезного действия газожидкостной смеси;

- плотность газожидкостной смеси;

- истинная плотность газожидкостной смеси;

V_{см -} 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 (Q_г=0) расчет выполняется по формуле (2):

(2)

или

(3)

где - коэффициент полезного действия при движении однофазной жидкости;

- коэффициент гидравлического сопротивления при движении жидкости;

V_{ж -} скорость жидкости;

- плотность жидкости.

Для газа (Q_ж=0) расчет выполняется по формуле (4):

(4)

где - коэффициент полезного действия при движении газа;

- коэффициент гидравлического сопротивления при движении газа;

- плотность газа;

V_{г -} скорость газа.

То есть для гомогенного потока расчет выполняется по формуле (5).

(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=V_г/V_см, приведенном к среднему давлению в газлифтном подъемнике принятого диаметра.

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:

1. 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.

2. Гужов А.И. Совместный сбор и транспорт нефти и газа. – М.: Недра,1973. – 469 с.

3. 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.