Струйные технологии для разработки многопластовых газовых месторождений

Одной из актуальных проблем современной газодобывающей промышленности является увеличение дебита скважин и коэффициента извлечения месторождений ([1-5] и др.). По мере добычи газа снижается пластовое давление, что приводит к уменьшению дебита и отсутствию возможности извлечения значительного объема газа. Кроме того, некоторые пласты обладают низкими технологическими характеристиками. Например, именно по причине плохих пластовых свойств на Южно-Русском месторождении существует проблема разработки Туронского пласта, который обладает худшими фильтрационно-емкостными свойствами по сравнению с Сеноманским пластом. Поэтому эксплуатация Туронского пласта при помощи вертикальных скважин является нерентабельной. Однако запасы газа Туронского пласта значительны – около 300 млрд м³. В настоящее время рассматривается вариант разработки залежи горизонтальными скважинами, однако это требует значительных финансовых затрат. В этой связи необходимы новые технологические методы и оборудование, которые позволят оптимизировать разработку многопластовых газовых месторождений под заданные технико-экономические требования.

Существует целый ряд работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных развитию техники и технологий для газодобывающей отрасли промышленности, например [6-11]. Однако задача оптимального управления разработкой многопластовых газовых месторождений исследована в настоящее время недостаточно.

I.Схема технологического процесса

С учетом вышеизложенного авторами статьи предлагается выполнять совместную разработку многопластовых газовых месторождений с различным пластовым давлением инжекционным способом (используя струйные аппараты), что обеспечит извлечение и последующее транспортирование газа с более низким пластовым давлением (инжектируемого газа) при помощи энергии газа с высоким пластовым давлением (рабочего газа). Предлагаемый способ основан на создании области пониженного давления в устье скважины инжектируемого газа за счет увеличения скорости рабочего газа. Пониженное давление в устье обеспечивает поступление инжектируемого газа в смесительную камеру струйного аппарата, где выполняется выравнивание скоростей газов. Далее газовая смесь через диффузор поступает в трубопровод.



РИС. 1. Технологическая схема для оптимального управления разработкой многопластовых газовых месторождений

На рис. 1 представлена технологическая схема для оптимального управления разработкой многопластовых газовых месторождений с различным пластовым давлением. Рабочий газ под действием собственного пластового давления поступает из устья скважины 1 в рабочее сопло струйного аппарата 2. На выходе из сопла 2 рабочий газ расширяется и его скорость увеличивается. При этом создается зона пониженного давления в приемной камере 3, соединенной с устьем скважины инжектируемого газа 4. Это приводит к увеличению скорости инжектируемого газа и увеличению его притока в приемную камеру. Из приемной камеры 3 инжектируемый газ поступает в камеру смешения 5, где происходит его смешивание с рабочим газом и выравнивание скоростей двух потоков. Далее смешанный поток поступает в диффузор 6, соединенный с элементами трубопровода. В диффузоре происходит уменьшение скорости и увеличение давления смешанного потока.
В качестве примера в схеме на рис. 1, а также в технологических схемах оптимизации, представленных ниже в табл. 1-3, отражена совместная разработка только двух пластов. Однако на практике количество пластов, подвергающихся совместной разработке, может быть значительно больше. При этом предложенные технологические схемы оптимизации должны регулироваться под характеристики каждого пласта.

II.Базовые схемы оптимизации

Струйные аппараты имеют относительно простую и надежную конструкцию по сравнению, например, с поршневыми и винтовыми энергетическими установками, что делает актуальным вопрос изучения перспективности
построения на их основе новых технологических процессов для газодобывающей отрасли. В настоящее время не существует теоретических методов выбора оптимальных геометрических характеристик основных элементов струйных аппаратов, таких как рабочее сопло, камера смешения и др. Точный расчет указанных устройств должен учитывать множество переменных физических факторов, что на практике осуществить весьма затруднительно. Однако существуют приближенные методы расчета струйных аппаратов, например [11-14], которые позволяют выбрать базовый вариант конструкции. При наличии специализированных средств регулирования основных параметров струйных аппаратов, базовый вариант конструкции может быть значительно приближен к оптимальному. Итерационный процесс оптимизации базовой конструкции можно выполнять на предприятии-изготовителе и/или на объекте (скважине), что позволяет обеспечить гибкость разработки многопластовых газовых месторождений. В этой связи авторами статьи создано несколько базовых схем для оптимального управления разработкой многопластовых месторождений на основе геометрических, топологических и физических характеристик струйных аппаратов. Каждая схема может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с другими базовыми решениями, предложенными в табл. 1-3.



ТАБЛИЦА 1. Базовые схемы геометрической оптимизации струйных аппаратов

В первой строке табл. 1 представлена базовая схема оптимизации струйного аппарата с переменным расстоянием между соплами. Рабочий и инжектируемый газы поступают в струйный аппарат через вентили, управляемые блоками 1, 3. Полученная в струйном аппарате смесь газов поступает на выход (в трубопровод) через вентиль, управляемый блоком 2. В рассматриваемой схеме оптимальные энергетические характеристики струйного аппарата достигаются при помощи изменения расстояния между рабочим и инжекционным соплами. В правом столбце представлены математические модели для предварительного расчета геометрических характеристик струйного аппарата. Изменение расстояния между рабочим и инжекционным соплами приводит к изменению физических характеристик газа в приемной камере и, как следствие, к изменению коэффициента инжекции. Задачей оптимизации является максимальное использование энергии рабочего газа для извлечения инжектируемого газа. Поиск оптимальной геометрии может быть выполнен при помощи специализированных конструктивных решений, позволяющих приблизиться к экстремуму целевой функции (расход, давление, потери энергии и др.) в пределах заданных степеней подвижности элементов струйного аппарата.
Базовая схема оптимизации, представленная во второй строке табл. 1, отражает конструктивное решение струйного аппарата с изменяемой геометрией рабочего сопла, инжекционного сопла и камеры смешения. Назначение блоков 1-3 аналогично предыдущей схеме. Блоки 4, 5 осуществляют управление исполнительными механизмами, которые выполняют перемещение подвижных частей сопел и камеры. Основным оптимизируемым параметром является отношение величины выходного сечения камеры смешения к критическому сечению рабочего сопла, которое оказывает существенное влияние на эффективность работы струйного аппарата. Малая величина этого отношения обеспечивает высокую степень сжатия, но снижает коэффициент инжекции, что приводит к уменьшению извлечения инжектируемого газа. С теоретической точки зрения, при увеличении указанного отношения коэффициент инжекции должен возрастать, а расход рабочего газа уменьшаться. Однако экспериментальные исследования [11, 13] показали, что увеличение отношения величины выходного сечения камеры смешения к критическому сечению рабочего сопла (т.е. увеличение расстояния между границами рабочей струи и стенками камеры смешения) может привести к образованию обратных потоков газа в пространстве между рабочей струей и камерой смешения, что может оказать отрицательное воздействие на инжекцию газа. Таким образом, управление геометрическими характеристиками сопел и камеры смешения позволяет обеспечить требуемое соотношение между дебитами скважин многопластовых газовых месторождений при оптимальных энергетических характеристиках струйного аппарата.



ТАБЛИЦА 2. Базовые схемы топологической (конструкционной) оптимизации струйных аппаратов

В табл. 2 представлены базовые схемы оптимизации, в которых используется управление несколькими рабочими/инжекционными соплами. При помощи вентилей 1, 3 может осуществляться как синхронное, так и асинхронное управление расходом нескольких сопел, что позволяет обеспечить более гибкое управление и выполнить оптимизацию рабочих режимов при различных условиях эксплуатации. Следует отметить, что в некоторых работах, например [10-13], авторами предложены варианты конструкций струйных аппаратов с несколькими рабочими соплами. Однако возможность гибкого управления соплами отсутствует. Работы, предлагающие схемы с несколькими инжекционными соплами, авторам не известны.



РИС. 2. Схема свободной струи (а), камеры смешения струйных аппаратов с одним (б) и несколькими (в) соплами

Схемы, представленные в табл. 2, обеспечивают возможность управления градиентами скорости и давления в приемной камере и камере смешения, что позволяет свести к минимуму образование потоков с отрицательным вектором скорости за счет уменьшения расстояния между условными границами суммарного потока и стенками камеры смешения. Уменьшение количества обратных потоков, как правило, приводит к увеличению коэффициента инжекции.
На рис. 2а показана схема свободной струи. Полюс струи соответствует выходу рабочего сопла и входу в камеру смешения. Стрелками обозначены векторы скорости потока на различном удалении от полюса (т.е. в различных сечениях камеры смешения при движении потока от входа к выходу). На рис. 2б и 2в показаны схемы распределения потоков в камерах смешения струйных аппаратов с одним (б) и несколькими (в) соплами. Из рисунка видно, что кольцевидное пространство (заштриховано) между границами струй и стенками камеры смешения в аппарате с несколькими соплами меньше, чем в аппарате с одним соплом. Однако аппарат с одним соплом имеет большее по длине ядро постоянной скорости свободной струи. Оптимизация объема кольцевидного пространства может быть достигнута, например, при помощи комбинации рассматриваемой схемы и схемы с изменяемой геометрией рабочего сопла (см. табл. 1). Таким образом, схемы топологической оптимизации, представленные в табл. 2, обеспечивают возможность поиска, регулировки и автоматической стабилизации оптимального соотношения между суммарными сечениями рабочих и инжекционных сопел.



ТАБЛИЦА 3. Базовые схемы физической оптимизации струйных аппаратов

В табл. 3 представлены схемы физической оптимизации струйных аппаратов, обеспечивающие возможность управления коэффициентом инжекции при помощи регулирования температуры и давления рабочего и инжектируемого газов.

Из табл. 3 видно, что изменение температур рабочего и инжектируемого газов выполняется как при помощи нагрева, так и при помощи охлаждения. Для стабилизации заданных значений температуры потоков, участки трубопровода, соединяющие терморегуляторы с соответствующими входами струйного аппарата, выполнены с термоизоляцией. При постоянных геометрических размерах струйного аппарата и давлениях рабочего и инжектируемого газов коэффициент инжекции пропорционален корню квадратному из отношения абсолютных температур рабочего и инжектируемого газов. Повышение температуры рабочего потока приводит к увеличению коэффициента инжекции, а повышение температуры инжектируемого потока – к уменьшению этого коэффициента. Кроме того, управление коэффициентом инжекции может быть выполнено при помощи оптимизации давлений обоих потоков. Например, при увеличении степени расширения рабочего газа коэффициент инжекции возрастает.

III.Заключение

Таким образом, в статье предложена технологическая схема для оптимального управления процессом совместной разработки многопластовых газовых месторождений. Показано, что оптимальное управление разработкой многопластовых газовых месторождений целесообразно выполнять на основе разработанных базовых схем геометрической, топологической и физической оптимизации технологических режимов струйных аппаратов. При этом может быть выполнена как селективная (односхемная), так и комплексная (мультисхемная) оптимизация под заданные технико-экономические требования к технологическому процессу. Одним из основных преимуществ разработанных схем является возможность оптимального управления дебитом и коэффициентом извлечения многопластовых газовых месторождений с низкими технологическими характеристиками пластов.

Литература

1. О. М. Ермилов, В. В. Ремизов, А. И. Ширковский, Л. С. Чугунов, «Физика пласта, добыча и подземное хранение газа». М.: Наука, 1996, 541 с.

2. З. С. Алиев, В. В. Бондаренко, «Руководство по проектированию разработки газовых и газонефтяных месторождений». Печора: Печорское Время, 2013, 894 с.

3. Z. Yuan, D. Morrell, P. Sonnemann, C. Leach, «Mitigating Gas in Riser Rapid Unloading for Deepwater Dual Gradient Well Control». Offshore Technology Conference 2016 (OTC 2016). Houston, Texas, USA, 2-5 May, 2016, p. 4026- 4038.

4. А. И. Гриценко, З. С. Алиев, О. М. Ермилов, В. В. Ремизов, Г. А. Зотов, «Руководство по исследованию скважин». М.: Наука, 1995, 523 с.

5. S. Coleman, H. Clay, D. McCurdy, H. Norris, «A New Look at Predicting Gas-Well Load Up». Journal of Petroleum Technology, Vol. 43, March, 1991, p. 5.

6. A. Lage, C. Jacinto, F. Martins, G. Vanni, O. Santos, J. Moreiras, «Blowout Contingency and Risk-Reduction Measures for High-Rate Subsea Gas Wells in Mexilhao». IADC/SPE Drilling Conference, 21-23 February, Miami, Florida, USA, 2006, p. 13.

7. E. Upchurch, S. Falkner, A. House, B. Prevention, R. Well «Planning for the Wheatstone Big-Bore Gas Well Project». SPE Annual Technical Conference and Exhibition. 28-30 September, Houston, Texas, USA, 2015, p. 15.

8. R. Liu, R. Hasan, S. Mannan, «Flow Rate and Total Discharge Estimations in Gas-Well Blowouts». Journal of Natural Gas Science and Engineering. Vol. 26, September 2015, p. 438–445.

9. B. Mirza, F. Al-Kharqawi, «Key Engineering Highlights of Facilities and Equipment for Oil and Gas Production». SPE Annual Technical Conference and Exhibition (ATCE 2015). Houston, Texas, USA, 28-30 September, 2015, p. 320-334.

10. И. И. Ивановский, И. С. Куликова, И. А. Мерициди «Оборудование для сбора и подготовки газа на промыслах». М.: Российский государственный университет нефти и газа имени им. Губкина, 2014, 421 с.

11. Е. Я. Соколов, Н. М. Зингер, «Струйные аппараты». М.: Энергоатомиздат, 1989, 352 с.

12. J. Witte, «Mixing Shocks in Two-Phase Flow». The Journal of Fluid Mechanics, Vol. 36, Part 4, 1969, p. 639-655.

13. Ю. Н. Васильев, Е. П. Гладков, «Экспериментальное исследование вакуумного водовоздушного эжектора с многоствольным соплом». Лопаточные машины и струйные аппараты, М.: Машиностроение, 1971, вып. 5, с. 262-306.

14. Е. К. Спиридонов, «Конструкции жидкостногазовых струйных насосов. Состояние и перспективы». Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение, Челябинск: ЮУрГУ, № 1 (41), 2005, с. 94-104.