Технологический расчет закачки полимерных растворов

Расчетная модель включает восемь основных элементов (рисунок 2.5), распределение давления и температуры в которых приведено на рисунок 2.6.

Продуктивный пласт (элемент 1) оказывает наиболее существенное влияние на распределение давления в системе закачки и, в меньшей степени, — на изменение температуры (рисунок 2.17), характеризуется пластовым давлением рпл, радиусом контура нагнетания rпл, забойным давлением рзаб, радиусом скважины rзаб, коэффициентом приемистости пласта (призабойной зоны) — К.

Температурный режим обусловливается термогидродинамической характеристикой пластовой системы (пласт, пластовые флюиды), теплопритоком от закачиваемой технологической жидкости и процессом теплопередачи в окружающие породы.

Забойный участок (элемент 2) — это канал между продуктивным горизонтом и нижним сечением насосно-компрессорных труб НКТ.

Определяющие параметры:

диаметр участка Do6c, который равен внутреннему диаметру обсадной колонны;

Температурный режим обуславливается процессом теплопередачи через обсадную колонну в окружающие породы. При конкретном проектировании элемент 2 может исключаться из рассмотрения.

Насосно-компрессорные трубы (элемент 6) оказывает влияние на изменение давления и температуры потока. Определяющие параметры: внутренний диаметр НКТ D; длина НКТ L; давление в верхнем сечении руст; давление в нижнем сечении рнкт.

Температурный режим обуславливается процессом теплопередачи через НКТ, кольцевое пространство (элементы 3 и 5) и через обсадную колонну в окружающие породы. При этом теплопередача и, в конечном счете, распределение температуры в значительной степени зависти от геотермического градиента.

Наземный участок (элемент 7) представляет собой наземный или подземный трубопровод (при индивидуальной прискважинной схеме закачки через КНС). Но в любом случае это рельефный трубопровод, который при прискважинной схеме можно рассчитывать как строго горизонтальный, а при схеме закачки через КНС следует учитывать профиль трассы и конечные отметки. Определяющие параметры: внутренний диаметр трубопровода Dтp; длина трубопровода Lтp; давление в начале трубопровода рнаг; давление в конце трубопровода руст; разность геодезических отметок устья скважины и силовой группы z=zскв-zaгр. Температурный режим трубопровода обуславливается процессом теплопередачи через трубопровод в окружающую среду (атмосферу либо окружающий грунт).

Силовая группа (элемент 8) — это один или несколько рабочих насосов, соединенных параллельно, последовательно или комбинированным образом, характеризуется основной зависимостью (характеристикой) напора З от подачи М. Рабочая точка на этой основной зависимости определяется расчетом требуемого давления рнаг которое является интегральным показателем для цепи элементов 1−2-6−7 (рисунок 2.5). Заметим, что основная характеристика силовой группы может быть выражена в виде зависимости между развиваемым давлением и подачей.

В случае использования центробежных насосов основная характеристика может быть представлена в виде: H=H0+H1Q+H2Q2 ,.

где Н0 H1, H2 — эмпирические коэффициенты; З-напор, Q-объемная подача. При использовании в качестве силовых агрегатов насосов поршневого (винтового) типа, берется значение выходного давления рвых.

Рассмотрим элементы с «покоящейся» жидкостью.

Подпакерное пространство (элемент 3) представляет собой кольцевое пространство между наружной поверхностью НКТ и внутренней поверхностью обсадной колонны. Нижнее сечение этого пространства совпадает снижним сечением НКТ, а верхнее сечение определяется глубиной установки разобщающего устройства (пакера).

Определяющие характеристики:

длина подпакерного пространства Lпп; внутренний диаметр кольцевого пространства, т. е. наружный диаметр НКТ Dнap; внутренний диаметр обсадной колонны Dобс. внт; давление в нижнем сечении рнкт; давление в верхнем сечении участка, т. е. давление, «подпирающее» пакер снизу рниз.

Жидкость, находящаяся в элементе 3, практически не вовлекается в процесс закачки, хотя и существует определенный массообмен с элементом 2. При конкретном проектировании элемент 3 может исключаться из системы закачки, т. е. Lпп может быть равной нулю.

Разобщающее устройство (элемент 4) характеризуется двумя основными параметрами: давлением со стороны элемента 3 (рниз) и давлением со стороны элемента 5 (рверх).

Разность этих давлений, равно как их абсолютное значение и ограничение по температуре, служат основными исходными данными для выбора (либо проектирования) пакерующего устройства.

Надпакерное пространство (элемент 5) представляет собой кольцевое пространство между НКТ и обсадной колонной, нижнее сечение которого совпадает с пакером, а верхнее — с устьем скважины.

Определяющие характеристики: длина надпакерного пространства Lнп; внутренний диаметр Dнap; внешний диаметр Dвн. обс; давление в нижнем сечении рверх; давление в верхнем сечении рзатр.

В надпакерном пространстве может находиться жидкость иная, чем нагнетаемая в пласт (вода системы ППД, задавочная жидкость, специально предназначенная для заполнения надпакерного пространства).

Поэтому в качестве еще одного определяющего параметра элемента 5 вводится плотность жидкости в надпакерном пространстве? нп.

Рисунок 3.5. Распределение давления в различных элементах системы закачки:

при закачке воды (растворов химреагентов) — элементы 1,2,6,7,8.

при закачке полимерного раствора-элементы 1,2,6,7,8.

в элементах с покоящейся жидкостью — элементы 3,4,5.

В общем случае процесс закачки, как видно из рисунок 2.7, является неизотермическим, но влияние этого фактора начинает существенным образом сказываться лишь при протяженных системах, когда определяющие линейные размеры — длина НКТ — L и длина трубопровода Lтp — будет превышать некоторые граничные значения, соответственно Lдоп и Lтр.доп. Эти граничные значения устанавливаются в зависимости от конкретных условий проектирования. Величина Lдоп зависит, в частности, от геотермического градиента, и чем выше указанный градиент, тем меньше.

I-режим максимальной среднемесячной температуры грунта на глубине заложения трубопровода — элемент 7;

IIрежим минимальной среднемесячной температуры — элементы 1−8;

IIIв элементах с покоящейся жидкостью.

Рисунок 3.6. Распределение температуры в различных системах закачки полимерного раствора:

Lдоп, и тем в больших случаях приходится учитывать неизотермичность процесса закачки. При строгой постановке учет неизотермичности и сжимаемости проводится на базе решения исходных дифференциальных уравнений движения и баланса энергии при известных уравнениях состояния перекачиваемой среды ?(р, Т) и м (p, Ф).

Величина Lтp доп зависит главным образом от способа прокладки трубопровода и от расчетной температуры окружающей среды. При надземной прокладке и низких значениях расчетной температуры эта величина будет минимальной. При подземной укладке и высоких значениях расчетной температуры она максимальна. Для условий Среднего Поволжья указанные параметры изменяются следующим образом:

500 < Lдоп <1200 м; 50 < Lтр. доп< 300 м.

Влияние неизотермичности в общем случае сказывается на плотности перекачиваемой среды и ее вязкости. Как показали предварительные расчеты, влиянием температуры на плотность среды можно пренебречь, а неизотермичность процесса при расчете протяженных систем можно учитывать, используя значения вязкости при средних температурах в каждом элементе системы.

Численный эксперимент показал, что сжимаемостью технологической жидкости можно пренебречь. При строгой постановке задачи учет неизотермичности и сжимаемости проводится на базе решения фундаментальных уравнений движения, энергии, неразрывности и состояния.

Основные задачи расчета.

Применительно к закачке полимерных растворов формируются три конкретные задачи.

Задача 1. Определение рабочих значений давления нагнетания рнаг и подачи М силового агрегата (силовой группы) в зависимости от вязкости нагнетаемой жидкости м при известных значениях рпл, К, Dобс, Lзаб, D, L, Dтp, LTp, Дz, для заданной характеристики силовой группы: H=H0+HiQ+H2Q2.

При этом обеспечивается прогноз темпа закачки М при заданном оборудовании и известных свойствах жидкости.

Может быть обеспечено и решение обратной задачи: подбор необходимого оборудования для обеспечения проектного темпа закачки жидкости с заданными свойствами (м, с).

Задача 2. Определение требуемого давления нагнетания рнаг в зависимости от подачи М и вязкости м.

Задача 3. Определение функции нагрузки на пакер р = рниз-рверх в зависимости от темпа закачки М, вязкости жидкости м и глубины установки пакера Lнп при заданных значениях рпл, К, Do6c, рзаб, D, L, DTp, Дz.

В этих задачах не ставится целью минимизация такого обобщающего показателя, как, например, приведенные затраты. Но решение этих задач делает эту цель легко достижимой.