Экспериментальная установка для имитации газожидкостной смеси и динамических процессов в стволе газовой скважины
EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR IMITATION OF GAS-LIQUID MIXTURE AND DYNAMIC PROCESSES IN THE STOCK OF THE GAS WELL

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для проведения научно-прикладных исследований в области разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений, проведения экспериментов, связанных с имитацией динамических процессов, происходящих в газовой (газоконденсатной) скважине, работающей с пескопроявлениями и/или жидкостями, в т.ч. находящимися во взаимодействии с поверхностно-активными вспенивающимися веществами (ПАВ) и другими неагрессивными химическими веществами.
Многие крупные газовые и газоконденсатные месторождения России истощаются и постепенно переходят на завершающую стадию разработки. Появляется все больше «обводняющихся» и «самозадавливающихся» [жидкостью] газовых скважин. Накопление жидкости (конденсата, пластовой воды, конденсационной воды [из газа]) внутри газовых и газоконденсатных скважин приводит к их постепенному глушению (или «задавливанию») столбом жидкости, т.е. давление на забое уравновешивается гидростатическим давлением столба жидкости и приток газа прекращается.
Накопление жидкости происходит из-за недостаточной скорости потока газожидкостной смеси в эксплуатационной колонне и лифтовых трубах, необходимой для самоочистки скважин. При высоких дебитах газа и большом газо-жидкостном соотношении скорость потока может быть достаточной (свыше 3-5 м/с). Дальнейшая эксплуатация таких скважин возможна с применением ряда способов, связанных либо с переоснащением скважин, либо с подачей ПАВ на забой.
Известен стенд для моделирования работы газовой скважины, включающий камеру с моделью пласта, выполненную в виде гидродинамически связанных водо- и воздухонасыщенных пористых сред, две вертикальные концентрически расположенные мерные прозрачные трубы, водную и воздушную питающие системы с водоводом и воздуховодом, приемную систему и контрольно-измерительные приборы /SU 1699197 А1, МПК Е21В 43/18 (1995.01), опубл. 10.05.1999). С целью получения достоверных и качественных результатов экспериментальных исследований стенд дополнительно снабжен системой замкнутых трубопроводов с мерными прозрачными трубками, подпиточной прозрачной камерой с дном и крышкой, а в модели пласта выполнены вертикальные отверстия, к которым подходят трубопроводы из системы замкнутых трубопроводов, причем мерные прозрачные трубки расположены на уровне модели пласта, а внутренняя полость камеры соединена с питающей системой через подпиточную прозрачную камеру, соединенную через дно посредством вертикального отвода трубы с водоводом, а через крышку - с воздуховодом.
Известна установка для моделирования натурных условий работы скважин газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений, состоящая из одной или нескольких колонн труб различного диаметра, узла подачи и регулирования расхода жидкости, компрессора, устройств ввода в колонну и отвода из колонны смеси газа и жидкости, имеющего выходы для жидкости и газа сепаратора, прибора измерения расхода газа, установленного между компрессором и устройством ввода в колонну смеси газа и жидкости, прибора измерения расхода жидкости, установленного между узлом подачи и регулирования расхода жидкости и устройством ввода в колонну смеси газа и жидкости, приборов измерения давления в колонне труб, средств отвода жидкости и газа из установки, узла подачи и регулирования расхода жидкости, накопительной емкости и насоса /RU 48581 U1, МПК Е21В 47/00 (2000.01), опубл. 27.10.2005/.
Известно устройство для проведения исследований газожидкостного потока, содержащее испытуемую колонну, выполненную из прозрачного материала и устанавливаемую в вертикальном положении, у основания которой установлен смеситель газа и жидкости, в устройстве предусмотрен кран впуска и выпуска газа, подключенный трубопроводом к выходу газа сепаратора с одной стороны и к входу центробежного газового нагнетателя с другой, на выходе жидкостного потока сепаратора установлен жидкостный насос, подключенный к расходомеру жидкости, центробежный газовый нагнетатель связан через расходомер газа со смесителем газа и жидкости, на испытуемой колонне установлены блок датчиков перепада давления и блок датчиков давления и температуры /RU 2571473 С1, МПК Е21В 47/10 (2012.01), опубл. 20.12.2015/. Показания с блока датчиков перепада давления и блока датчиков давления и температуры, а также с расходомера газа поступают через блок аналого-цифрового преобразования в блок обработки данных и визуализации результатов наблюдения. Известное устройство обеспечивает расширение функциональных возможностей и позволяет определить водосодержание вертикальной испытуемой колонны в режиме реального времени.
Известные устройства обеспечивают проведение экспериментальных исследований процессов, происходящих в скважине при разработке и эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений.
К недостаткам известных стендов можно отнести ограниченное применение.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение ассортимента установок (стендов, устройств) для моделирования (имитации) условий работы скважин путем разработки устройства для создания/настройки многопараметрической модели процессов, происходящих в газовой скважине, изучения процессов происходящих в газовой, газоконденсатной скважинах, работающих с водой (и/или УВ-жидкостью, и/или песком) и реагентами - ПАВ, уточнения экспериментальных корреляций в области движения многофазных смесей в стволе скважины (вертикальной или наклонной), полученных другими исследователями.
Технический результат заключается в реализации указанного назначения, а также расширении функциональных возможностей экспериментальной установки и повышении эксплуатационной безопасности и надежности.
Указанный результат достигается за счет того, что экспериментальная установка для имитации движения газожидкостной смеси и динамических процессов в стволе газовой скважин характеризуется тем, что содержит основную и внутреннюю колонны прозрачных труб, систему подачи и регулирования расхода газа, термостатируемую систему подачи и регулирования расхода воды и имитатора нефти, систему подачи и регулирования расхода реагента, выходы для жидкости и газа сепаратора, средства отвода жидкости и газа из установки, гидравлическую систему для многократного использования воды и углеводородной жидкости (имитатора нефти) по замкнутому кругу, контрольно-измерительные приборы, устройства видео и фото регистрации, при этом внешняя колонна труб закреплены на мачтах, а для обеспечения возможности подачи реагента в затрубное пространство содержит капиллярную трубку, установленную с возможностью изменения положение по всей длине основной колонны.
0
заб
2
2
Возможно выполнение установки с вертикальным или наклонным расположением колонны труб. Кроме того, установка может содержать воронку для обеспечения возможности завихрения потока. Выход сепаратора может быть исполнен либо по замкнутому кругу через ресивер, либо с выходом воздуха в атмосферу через ДИКТ. Для обеспечения процесса имитации притока газа из пласта скважины установка может содержать контроллер для автоматического регулирования расхода воздуха, изменяемого по закону Р-Р=aQ. Для обеспечения различных режимов истечения пузырей воздуха в установке в нижней части основной колонны труб может быть расположен диспергатор. Устройства фото и видео наблюдения высокого разрешения с подсветкой могут быть установлены в нескольких точках по ходу движения потока для обеспечения регистрации и последующего анализа структуры потока и пены. В качестве контрольно-измерительных приборов применены высокоточные датчики давления/температуры и (или) перепада давления. Контрольно-измерительные приборы могут быть установлены в нескольких точках по ходу движения потока, при этом в каждой точке установлено по два датчика, для обеспечения снятия точных показаний, их дублирования и диагностики неисправности датчиков. Установка может содержать в нескольких точках по ходу движения потока средства контроля плотности, распределенные по диаметру труб, для обеспечения контроля плотности потока по сечению труб.
Конструктивное выполнение установки обеспечивает имитацию ствола скважины при помощи колонны прозрачных труб (основная колонна), внутри которой размещены прозрачные лифтовые трубы меньшего диаметра для проведения исследований режимов течения газовой и газоконденсатной смеси с высоким газожидкостным соотношением, процессов самоочистки газовой/газоконденсатной скважины от поступающей жидкости и песка, процессов накопления жидкости и песка различных фракций в стволе газовой /газоконденсатной скважины (в различных условиях), процессов очистки газовой/газоконденсатной скважины от поступающей жидкости и песка с применением различных реагентов (ПАВ) и других не агрессивных реагентов(в различных условиях). Положение внутренней колонны (лифтовой трубы) в основной колонне регулируется путем установки либо концентрично либо с минимальным зазором от внутренней стенки основной колонны с одной стороны. Конструктивное соединение основной колонны и колонны обратного потока к мачте посредством фланцевого соединения обеспечивает возможность обеспечения изменения и регулирования угла наклона колонн. Обеспечение подачи воздуха снизу в основную колонну труб воздуха имитирует приток газа из пласта. Установка включает необходимые средства наблюдения, предохранительное оборудование и диагностические алгоритмы для автономного проведения длительных экспериментов.
Преимущество заявляемой установки - возможность увеличения длины основной колонны труб. Увеличение длины основной колонны и лифтовой колонны обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет введения нового блока подачи и регулирования расхода реагента (ПАВ), что дает возможность более полного изучения структуры газожидкостного потока, процессов пенообразования при различных скоростях потока и позволяет наблюдать изменение структуры газожидкостного потока/пены, в том числе процессы распада пены и стекания жидкости в лифтовой колонне, что не всегда возможно наблюдать при малых высотах колонн, вследствие того, что режим потока не успевает установиться. Закрепление основной колонны и колонны обратного потока к мачте, например при помощи хомутов, обеспечивает безопасность и надежность эксплуатации установки.
Термостатирование ввода жидкости позволяет в автоматическом режиме контролировать и нагревать воду и имитатора нефти до необходимого значения, за счет чего возможно достижение температуры, приближенной к скважинным флюидам в условиях реальных газовых, газоконденсатных скважин.
0
заб
0
заб
Отличием установки от аналогов является имитация продуктивности газовой скважины, т.е. автоматическое регулирование расхода воздуха пропорционально «виртуальному» перепаду давления между предустановленным (зафиксированным, сохраненным в памяти вычислительной системы) давлением в установке, когда процессы в ней находятся в состоянии покоя, и меняющимся давлением в нижней точке основной колонны прозрачных труб. Предустановленное (зафиксированное, сохраненное в памяти вычислительной системы) давление в установке, когда процессы в ней находятся в состоянии покоя, имитирует постоянное давление в пласте (Р). Изменяемое давление в нижней точке основной колонны прозрачных труб (Р) имитирует давление на забое скважины, разница между Р и Р имитирует депрессию на пласт.Незначительное снижение давления в установке и, соответственно, снижение давления в нижней части основной колонны, вызывает в ней движение воздуха. Снижение давления достигается выпуском некоторого объема воздуха из установки.
0
заб
2
2
Расход воздуха, подаваемого в установку, изменяется по закону: Р-Р=aQ, где коэффициент а характеризует интенсивность притока воздуха (аналог коэффициента продуктивности скважины). Диапазон возможных значений а устанавливается эмпирическим путем при тестировании установки. Газодинамическая характеристика оборудования для нагнетания воздуха максимально обеспечивает выполнение этого закона вне зависимости от давления на всасе.
На фиг. 1 схематично показана установка.
На фиг. 2 показано вертикальное расположение колонн труб, фиг. 3 показано наклонное положение колонн труб.
На фиг. 4 схематично показана работа установки в незамкнутом режиме (по воздуху) с подключением к внешнему компрессору высокой производительности;
На фиг. 5 - работа установки в режиме «проталкивания» жидкости (в замкнутом режиме по воздуху).
Конструкция установки обеспечивает максимально компактное расположение ее элементов (в т.ч. ресивера и нагнетателей - не показаны на фиг. 1) на единой раме, при этом все элементы доступны для замены, обслуживания, проведения наблюдений. Основная рама установки имеет форму параллелепипеда, рама может быть разборной.
Установка содержит основную колонную труб 11, внутреннюю колонну труб 13, имитирующую лифтовую колонну, и колонну труб обратного потока 15. Колонны труб 11, и 15 закреплены на несущей сборно-разборной конструкции - мачте 1. Основание мачты 1 размещено примерно посередине прямоугольного основания рамы. Устойчивость мачты 1 может обеспечиваться как растяжками (металлическая проволока), так и жесткими креплениями (к стене здания и т.п.).
Наклон мачты 1 обеспечивается разборкой и поворотом фланцев 22 (фиг. 2, 3). Угол наклона мачты 1 может регулироваться. При больших углах и длинной мачте 1 возможны дополнительные упоры. Возможные углы наклона определяются количеством отверстий в фланцах 22.
Основная колонна труб 11 в верхней части соединена с колонной обратного потока 15. Колонна 13, имитирующая лифтовую колонну, может быть снабжена внизу воронкой 12 лифтовых труб. Для обеспечения ввода ПАВ в основную колонну 11 предусмотрена капиллярная трубка 14. Колонна труб 15 обратного потока соединена с сепаратором 17, который оборудован линией подачи воды для гашения пены 18. Сепаратор 17 оборудован фильтром-патроном 27. Выход сепаратора 17 исполнен либо по замкнутому кругу через ресивер (вариант Б фиг. 1), либо с выходом воздуха в атмосферу через ДИКТ (вариант А, фиг. 1).
Нижняя часть основной колонны труб 11 соединена с накопительной емкостью 19 через переводник 20 под различный наклон установки, а также с радиальным вводом 7 для обеспечения подачи воздуха через блок форсунок влажного газа 8, соединительный блок 10 ввода воды. Основная колонна труб 11 может быть снабжена диспергатором 9 с регулированием. Накопительная емкость 19 выполнена прозрачной, на нее нанесены объемные деления. Для подогрева воды, температуры подаваемого воздуха применено устройство 28, например теплообменник.
Установка содержит емкости: емкость с минерализованной водой 2, емкость с имитатором нефти 3 (например, Exxol), емкость с раствором ПАВ 4, емкость с мелким песком (пылью) 5. Емкость для подачи песка 5 выполнена прозрачной, на нее нанесены объемные деления.
Установка содержит средство 23 - емкость для разделения жидкости на воду и имитатор нефти. Емкость - разделитель -23, линии вывода воды, имитатора нефти, выводные линии из сепаратора 17 образуют гидравлическую систему для многократного использования воды и углеводородной жидкости (имитатора нефти) по замкнутому кругу.
Установка содержит электроуправляемые гидравлические приводы открытия и закрытия основной (ключевой) запорно-регулирующей арматуры: кран ввода воздуха 6, кран 21 подачи жидкости в испытуемую колонну, кран для сброса воздуха 24, краны 25 блока форсунок 8, кран подачи воды 26. Все регулирующее оборудование выполнено с возможностью обеспечения работы как в ручном, так и в управляемом с компьютера автоматическом режимах.
Указанные емкости 2, 3, 4, 5, линии вода в основную колонну 11 с соответствующей запорно-регулирующей арматурой, насосами, компрессором образуют систему подачи и регулирования расхода газа, термостатируемую систему подачи и регулирования расхода воды и имитатора нефти, систему подачи и регулирования расхода реагента.
Установка оборудована переводником 20, регулировочными фланцами 22 с отверстиями для обеспечения установки угла наклона.
В нескольких точках по ходу движения потока газо-водяной смеси предусмотрена установка средств контрольно-измерительных 34, например, вкручиваемых высокоточных датчиков давления/температуры и (или) перепада давления. На фиг. 1 показано пять точек контроля (может быть больше или меньше), в каждой из которых установлено по два датчика (каждого типа) с целью дублирования показаний и диагностики неисправности датчиков. Интегрированные в поток средства контроля плотности (влажности) распределены по диаметру труб, поскольку плотность потока будет неравномерно распределяться по сечению труб. Т.е. в каждой из четырех точек расширенного контроля должно располагаться по несколько точек измерения плотности.
Для осуществления видеоконтроля (с подсветкой) с целью наблюдения за наполняемостью емкостей 5, 19, сепаратора 17 для наблюдения за режимом потока предусмотрены смотровые вставки 16, для видеонаблюдения за установкой в целом (фиг. 1) предусмотрены видеокамеры 31 (VR).
В нескольких точках по ходу движения потока предусмотрена установка фотокамер 29 для осуществления фотоконтроля высокого разрешения (с подсветкой) с поинтервальной записью цифровых фотографий для последующего анализа структуры потока и пены. Для наблюдения за потоком, входящим в воронку 12 лифтовых труб 13, предусмотрена регулируемая по высоте точка наблюдения.
Все фото- и видеокамеры 29, 31 подключены к единому ресиверу с достаточной глубиной хранения информации. Видеоизображение со всех камер транслируется на отдельный видеомонитор.
Все оборудование КИП и А подключается к отдельному контроллеру, который в свою очередь, передает информацию и управляется при помощи компьютера или ноутбука.
Программное обеспечение управляющего компьютера осуществляет прием, обработку, хранение, индикацию измерительной, сигнальной и управляющей информации.
Установка может размещаться как в помещении (предпочтительно ангарного типа), так и на улице (в летнее время при температуре воздуха от +15°С). Возможность размещения на улице позволит наращивать высоту мачты с колоннами труб.
Работа установки осуществляется следующим образом.
Перед проведением эксперимента: Установка чистая, давление - атмосферное.
Технологические трубопроводы на необходимых участках заполнены жидкостями для исключения воздушных пробок.
Датчик уровня 32 в сепараторе 17 необходимо привести в начальное состояние для чего заполняют его водой из емкости 2 через линию 18 до срабатывания датчика уровня и сброса воды в пустой разделитель 23.
В экспериментах с незначительной подачей жидкости возможен вариант с использованием измерительной колонки без заполнения сепаратора жидкостью.
Приводят в начальное состояние датчики уровня в разделителе 23, для чего сначала заполняют его заменителем нефти из емкости 3 с переливом в последнюю секцию до срабатывания второго датчика уровня («конденсат-воздух»). Затем постепенно заполняют водой первую секцию до срабатывания первого датчика уровня («вода-конденсат»). При наполнении водой будет происходить перелив заменителя нефти в последнюю секцию, где его излишки автоматически перекачиваются обратно в емкость 3.
При проведении экспериментов только с водой, последняя секция разделителя 23 не используется, датчик уровня в первой секции либо перенастраивают на среду «вода-воздух» (вместо «вода-конденсат»), либо предусмотрена возможность установки датчика на среду «вода-воздух».
Далее в установке создают необходимое давление путем накачки в нее воздуха через ресивер со встроенным компрессором. При заполнении, все краны, обеспечивающие вход воздуха, а также кран 21, должны быть открыты. Все остальные краны должны быть закрыты. После закачки воздуха краны 6 и 21 закрываются.
Режим «проталкивания» столба жидкости потоком воздуха.
Внутреннее пространство основной колонны труб 11 через ввод 10 заполняют жидкостью (фиг. 1 ,4). Жидкости (вода, заменитель (имитатор) нефти) в необходимых количествах через открытый кран 26 перекачивают дозирующими насосами 33 из емкостей 2 и 3. Требуемое количество воды и имитатора нефти определяют с помощью расходомеров 30.
Процесс наполнения отслеживают по уровню жидкости в прозрачной колонне 11.
0
Путем стравливания воздуха через кран 24 запускается процесс циркуляции воздуха. Расход воздуха контролируется следующим алгоритмом: движение воздуха должно прекращаться, если давление в нижней точке основной колонны установится равным предустановленному значению Р. Движение воздуха может прекратиться вследствие:
процесса «самозадавливания» основного ствола труб накапливающейся водой с постепенным ростом давления в нижней точке;
повышения давления путем закачки в установку дополнительного воздуха - имитируется повышение давления в наземной системе сбора газа;
0
принудительной остановки циркуляции воздуха, имитирующей закрытие скважины на устье. Принудительная остановка циркуляции должна вызывать восстановление давления в установке до Р путем подкачки воздуха.
заб
В качестве Р принимается давление в нижней части «радиального ввода» 7.
Подачу воздуха в радиальный ввод 7 контролируют блоком регуляторов. При небольшом расходе задействуется линия низкой производительности.
Для создания различных режимов истечения пузырей воздуха (мелкие/крупные) в нижней части основной колонны прозрачных труб расположен диспергатор 9. Режим истечения пузырей будет влиять на процесс вспенивания жидкости при подаче ПАВ.
После появления больших пузырей воздуха (переход к «снарядному» режиму) задействуют линию более высокой производительности по воздуху. Каждая линия может быть подключена к своему нагнетателю. Количество линий ввода воздуха и число нагнетателей рассчитывают предварительно. Возможен и один нагнетатель.
Включение линии максимальной производительности по воздуху возможно только при достаточной очистке пространства радиального ввода - коллектора 7 от жидкости, что контролируется через смотровую вставку 16.
Выносимая потоком воздуха жидкость отделяется в центробежном сепараторе 17. Датчик уровня 32 управляет открытием клапана внизу сепаратора 17.
Жидкость из сепаратора 17 поступает в первую секцию разделителя 23, который находится при атмосферном давлении. Вторая секция емкости - разделителя 23 свободно сообщается с первой секцией и отделена от нее сеткой для гашения волн. Во второй секции жидкость окончательно расслаивается: более легкий заменитель нефти переливается в последнюю секцию.
Откачку воды из второй секции емкости - разделителя 23 в емкость 2 контролируют датчиком уровня «вода-конденсат», из последней секции в емкость 3 - датчиком уровня «конденсат-воздух». Для откачки задействуют насосы, расход фиксируют расходомерами.
Режим свободного потока воздуха с капельной жидкостью, накопление жидкости
Режим свободного потока воздуха может быть создан либо сразу, при запуске циркуляции воздуха без наполнения пространства труб 11 жидкостью, либо после очистки этого пространства от жидкости (фиг. 1, 5).
Открывают кран 21 для задействования нижней накопительной емкости 19 (перед началом экспериментов она пустая, под давлением).
Диспергатор 9 находится в полностью открытом состоянии, либо его извлекают, чтобы не создавать дополнительных сопротивлений потоку.
Добавление жидкости (в малых количествах) в поток воздуха осуществляют через блок форсунок 8. Для увеличения подачи жидкости постепенно задействуют все форсунки кранами 25, а при необходимости задействуют кран 26.
При низкой скорости потока воздуха или при большом водогазовом соотношении часть жидкости не будет выноситься потоком воздуха, а начнет скапливаться в емкости 19. Полностью набирать емкость 19 нет необходимости, достаточно зафиксировать скорость накопления в ней жидкости, после чего закрыть кран 21.
При этом, жидкость начнет накапливаться выше крана 21, т.е. в нижней части радиального ввода 7, а затем начнет перетекать к блоку регуляторов потока воздуха 6. Таким образом, нижний регулятор самой высокой производительности к этому моменту должен быть перекрыт.Процесс движения водогазовой смеси в районе блока регуляторов 6 визуально контролируют через смотровую вставку 16.
заб
Далее двухфазный поток будет работать в «снарядном» режиме. При этом начнется повышение давления Р в нижней части радиального ввода 7, где установлен(ы) датчик(и) давления (перепада давления). Расход воздуха начнет снижаться вплоть до полной возможной остановки циркуляции, что будет соответствовать состоянию «самоглушения».
Таким образом, весь процесс может быть повторен.
Работа с механическими примесями (песком) в потоке
Дозирование песка происходит из вертикальной прозрачной емкости 5. Давление из установки передается в емкость 5. Скорость подачи песка контролируют и фиксируют визуально (фиг. 1).
Так как в качестве мехпримесей не используются растворимые в воде, изменяющие свои свойства твердые вещества, слишком мелкие фракции, которые могут оставлять слой «пыли» внутри труб, то установка может быть полностью очищена от мехпримесей водой.
Крупные фракции частиц могут не выноситься потоком воздуха, а накапливаться в емкости 19. Измерение накопившегося объема песка и жидкости в емкости 19 производится после эксперимента, а также визуально в процессе эксперимента. Емкость 19 можно отсоединить от установки, в т.ч. в ходе эксперимента при закрытии крана 21, сброса жидкости и давления в разделитель 23.
При проведении экспериментов с наклоном колонны емкость 19 расположена вертикальном положении, для чего предусмотрен набор переводников 20 различных конфигураций.
Остальная часть мехпримесей (песка) накапливается в сепараторе 17. Контролировать их объем можно расчетным путем как разницу между расходом из емкости 5 и объемом в емкости 19. В нижней части сепаратора 17 перед автоматическим краном предусмотрен съемный фильтр. Фильтр задерживает песок при сбросе жидкости из сепаратора при срабатывании датчика уровня. Очистка сепаратора от мехпримесей производится после эксперимента(ов) со снятым фильтром.
В верхней части сепаратора 17 предусмотрен фильтр 27 для задержки капельной жидкости, песка и пены.
Работа с ПАВ и с другими неагрессивными жидкими реагентами.
Подача раствора ПАВ осуществляют через капиллярную трубку 14, которая введена в затрубное пространство между колоннами прозрачных труб 11 и 13. Глубина спуска капиллярной трубки может регулироваться, положение низа трубки 14 может изменяться по всей длине колонны 11 (фиг. 1).
Раствор ПАВ в необходимых количествах перекачивают дозирующим насосом из емкости 4. Требуемое количество раствора определяют с помощью расходомера.
Раствор ПАВ может подаваться на любом режиме работы установки.
Процесс будет сопровождаться вспениванием находящейся в стволе жидкости. Для контроля интенсивности образования и разрушения пены в нескольких точках предусмотрен видео- и фотоконтроль. В этих же точках предусмотрены средства косвенного контроля плотности (влажности) потока.
Для полного гашения (физического разрушения) пены в сепараторе 17 с целью предотвращения ее попадания в циркулируемый воздух и на вход в нагнетатель (в варианте замкнутой системы по воздуху) можно использовать интенсивное орошение (через форсунки) внутренней полости сепаратора водой, подаваемой сверху по линии 18. Расход воды контролируют отдельным расходомером и дозирующим насосом. В верхней части сепаратора 17 может быть предусмотрено смотровое окно для контроля пенообразования.
При возможном наступлении критических режимов вспенивания, для временного сдерживания пены (капельной жидкости, песка) возможно предусмотреть фильтр-патрон 27. При его критическом засорении должна происходить аварийная остановка циркуляции.
Для проведения исследований подбираются необходимые вещества и/или их заменители. Компоненты, которые будут заменены природный газ (атмосферный воздух различной влажности и температуры), пластовая и конденсационная вода(очищенная водопроводная вода, приведенная к соответствующей минерализации), газовый конденсат или легкая нефть (Exxol).
0
заб
2
2
Эксперименты могут проводиться как в вертикальном положении установки, так и в наклонном положении, угол наклона относительно вертикали варьируется от 0-85° за счет регулировочных фланцев 22, установленных в раме и конфигурируемой мачте 1 с опорами и растяжками, а также переводника 20 под различный наклон установки. Управление расходом компонентов осуществляют вручную на блоке управления установки, при этом расход воздуха по закону Р-Р=aQ контролируется системой автоматизации в автоматическом режиме. При проведении всех типов экспериментов производится автоматический замер давления и температуры по всему пути движения потока, также производится фото- и видеосъемка (фиг. 1.)
0
заб
заб
0
2
2
Для проведения первого типа экспериментов (таблица 1) по изучению режима течения газа с водой с накоплением столба жидкости и последующим глушением скважины, в начале происходит беспрерывная подача воздуха через вход 6 воздуха с регулятором расхода, далее начинается подача воды определенной минерализации из емкости 2, которая далее по трубопроводу проходит через расходомер и подается в блок форсунок 8 влажного газа через кран 25 и/или в соединительный блок 10 через кран ввода жидкости 26. Благодаря тому, что поток проходит через диспергатор 9, расположенный в нижней части основной колонны труб 11, обеспечиваются различные режимы истечения пузырей воздуха в установке. Для достижения изучаемого режима течения происходит постепенное повышение расхода жидкости и ее накопление, за счет этого происходит автоматическое снижение расхода газа имитирующее глушение скважины за счет противодействия накопленного столба жидкости. Изменение расхода воздуха происходит по закону Р-Р=aQ, который имитирует приток газа из пласта, при выравнивании давлений Р и Р происходит процесс автоглушения ("самозадавливания"). При данном типе экспериментов изучается скорость накопления столба жидкости при различных расходах воды и воздуха, фиксируется время накопления жидкости в основной колонне труб 11, замеряется объем накопившейся жидкости по завершению эксперимента. Для остановки установки происходит прекращение подачи воздуха, стравливание воздуха через кран для сброса воздуха 24, расположенный на сепараторе 17, удаление жидкости из сепаратора. Изучение данного режима происходит за счет изменения расхода жидкости и воды с помощью системы подачи и регулирования расхода воздуха и воды.
0
заб
2
2
Для проведения второго типа экспериментов (таблица 1) по изучению течения газа с удалением столба жидкости раствором ПАВ (вспенивание) происходит наполнение определенным объемом воды основной колонны прозрачных труб 11 из емкости 2 через соединительный блок 10 при открытом кране ввода жидкости 26, после происходит подача воздуха через вход 6 с регуляторами расхода, далее через систему подачи и регулирования расхода начинается подача ПАВ (при необходимости расход раствора увеличивается) из емкости 4 по капиллярной трубке 14 ПАВ поступает на заданный интервал при помощи регулирования высоты спуска-подъема капиллярной трубки 14 в верхней точке колонны основных труб. После подачи ПАВ происходит вспенивание столба жидкости и ее удаление из основной колонны 11 по колонне лифтовых труб 13 и трубам обратного потока 15 в сепаратор 17 с гашением пены по пути движения пены происходит фотофиксация и замер давления и температуры потока. По мере очищения скважины от столба жидкости происходит автоматическое увеличение расхода воздуха по закону Р-Р=aQ, имитирующее очистку скважины за счет уменьшения противодавления столба жидкости. При данном типе экспериментов визуально определяется скорость удаления столба жидкости, то есть время, за которое удаляется жидкость при различном расходе раствора ПАВ, фиксируется структура пены при помощи фото-видео съемки по всему пути потока, определяется выносящая способность ПАВ при различной температуре как жидкости, так и раствора ПАВ. Также не исключается дальнейшее изучение свойств пены (качество, скорость распада и др.). После очистки скважины от жидкости происходит остановка установки, прекращается подача воздуха, пена в сепараторе 17 гасится и жидкость попадает в разделитель 23, после чего обратно в емкость для воды 2.
0
заб
2
2
Для проведения третьего типа экспериментов (таблица 1) по изучению режима течения газа с конденсатом с постепенным накоплением столба конденсата в скважине и ее последующее автоглушение в начале происходит подача воздуха через вход 6 с регуляторами расхода далее из емкости 3 с имитатором легкой нефти происходит дозированная, при помощи расходомера 30, подача имитатора нефти и/или через блок форсунок 8 влажного газа при открытых кранах 25 блока форсунок и/или через соединительный блок 10 при открытом кране 26 ввода жидкости. Поток, проходит через диспергатор 9, расположенный в нижней части основной колонны труб 11. Постепенно в основной колонне прозрачных труб 11 начинает скапливаться имитатор нефти / конденсата и расход воздуха автоматически начинает снижаться, имитируя глушение скважины, столбом Exxol. Расход воздуха регулируется по закону Р-Р=aQ, автоглушение скважины конденсатом фиксируется при создании столбом конденсата противодавления на поток воздуха. При данном типе экспериментов изучается скорость накопления столба конденсата при различных расходах Exxol и воздуха, фиксируется время накопления конденсата в основной колонне труб 11, замеряется объем накопившегося конденсата по завершению эксперимента. После автоглушения скважины установка отключается, воздух стравливается при открытии крана 24 для сброса воздуха и накопившейся конденсат из сепаратора 17 и основной колонны прозрачных труб через накопительную емкость 19 поступает в разделитель 23, а после в емкость 3.
0
заб
2
2
Для проведения четвертого типа экспериментов (таблица 1) по изучению режимы течения газа с водой и конденсатом с постепенным накопление столба с последующим автоглушением в начале происходит подача воздуха через вход 6 с регуляторами расхода, далее в поток добавляют определенное количество (при необходимости расход увеличивается) Exxol из емкости 3 и воду определенной минерализации из емкости 2 при помощи блока форсунок 8 при открытых кранах 25 блока форсунок и/или через соединительный блок 10 при открытом кране 26 соединительного блока. Поток, проходит через диспергатор 9, расположенный в нижней части основной колонны труб 11. Постепенно в основной колонне прозрачных труб начинает скапливаться столб жидкости, состоящий из Exxol и воды. Расход воздуха регулируется по закону Р-Р=aQ, по мере накопления столба в колонне основных прозрачных труб 11 происходит автоматическое снижение расхода газа, имитирующее глушение скважины, за счет противодавления столба жидкости. Остановка подачи воздуха означает автозадавливание скважины. Установку останавливают, прекращают подачу воздуха, воздух стравливают при открытии крана 24 для сброса воздуха, накопившейся конденсат и вода из сепаратора 17 и основной колонны прозрачных труб 11 через накопительную емкость 19 поступает в разделитель 23, а после разделения в емкость для 3 и емкость 2 соответственно. При данном типе экспериментов изучается скорость накопления столба жидкости (вода + конденсат) при различных расходах воды и воздуха, фиксируется время накопления жидкости в основной колонне труб 11, замеряется объем накопившейся жидкости по завершению эксперимента, так же замеряется плотность потока.
Для проведения пятого типа экспериментов (таблица 1) по изучению режима течения газа с пылью (изучение вихрей) и песком (накопление пробки) в начале начинают подачу воздуха через вход 6 с регуляторами расхода, после из прозрачной емкости 5 с мелким песком (пылью), находящейся под давлением, с функцией дозации и визуального контроля уровня при помощи видеокамеры 31 начинают подачу песка(пыли) ко входу воздуха, после движения воздуха с песком(пылью) по основной колонне прозрачных труб 11 поток попадает в колонну прозрачных лифтовых труб 13, на конце которой установлена воронка лифтовых труб 12 различной геометрии, на которой поток завихряется и далее по трубам обратного потока 15 попадает в сепаратор 17. При увеличении дозации песка(пыли) происходит накопление в основной колонне прозрачных труб 11, в итоге на "забое" скважины образуется песчаная пробка. При данном типе экспериментов визуально определяется накопление столба песчаной пробки и ее движение по лифтовой 13 и основной 11 колоннам, замеряется изменение скорости движения потока в зависимости от различных конфигураций воронок 12 лифтовых труб.
0
заб
2
2
Для проведения шестого типа экспериментов (таблица 1) по изучению режима течения газа с водой, конденсатом и песком с постепенным накоплением в начале происходит подача воздуха через вход 6 с регуляторами расхода, далее в поток добавляют определенное количество (при необходимости расход увеличивается) Exxol из емкости 3, воду определенной минерализации из емкости 2 при помощи блока форсунок 8 при открытых кранах 25 блока форсунок и/или через соединительный блок 10 при открытом кране 26 соединительного блока, песок(пыль) из прозрачной емкости с мелким песком (пылью) 5, находящаяся под давлением, с функцией дозации и визуального контроля уровня при помощи видеокамеры 31 начинается подача песка(пыли) ко входу воздуха. Постепенно в основной колонне прозрачных труб начинает скапливаться столб жидкости и песка(пыли), состоящий из Exxol, воды и песка(пыли). Расход воздуха регулируется по закону Р-Р=aQ, по мере накопления столба в колонне основных прозрачных труб 11 происходит автоматическое снижение расхода газа, имитирующее глушение скважины, за счет противодавления столба жидкости и песка(пыли). При данном типе экспериментов изучается скорость накопления столба жидкости(вода + конденсат) и песка при различных расходах воды, Exxol, песка и воздуха, фиксируется время накопления столба жидкости и песчаной пробки в основной колонне труб 11, замеряется объем накопившейся жидкости и песчаной пробки по завершению эксперимента, так же замеряется плотность потока. Остановка подачи воздуха означает автозадавливание скважины, далее установка останавливается, прекращается подача воздуха, воздух стравливается при открытии крана для сброса воздуха 24 и накопившейся конденсат и вода из сепаратора 17 и основной колонны прозрачных труб через нижнею накопительную емкость 19 поступает в разделитель 23, а после в емкость для Exxol 3 и емкость для воды 2, песок из установки и сепаратора удаляется отдельно.
0
заб
2
2
Для проведения седьмого типа экспериментов (таблица 1) по изучению удаления столба конденсата (вспенивание) происходит наполнение определенным объемом Exxol основной колонны прозрачных труб 11 из емкости 3 через соединительный блок 10 при открытом кране 26 ввода жидкости, после происходит подача воздуха через вход 6 с регуляторами расхода, далее через систему подачи и регулирования расхода начинается подача ПАВ (при необходимости расход раствора увеличивается) из емкости 4 по капиллярной трубке 14 ПАВ поступает на заданный интервал при помощи регулирования высоты спуска-подъема капиллярной трубки 14 в верхней точке колонны основных труб 11. После подачи ПАВ происходит вспенивание столба Exxol и его удаление из основной колонны 11 по колонне лифтовых труб 13 и трубам обратного потока 15 в сепаратор 17 с гашением пены по пути движения пены происходит фотофиксация и замер давления и температуры потока. По мере очищения скважины от столба Exxol происходит автоматическое увеличение расхода воздуха по закону Р-Р=aQ, имитирующее очистку скважины за счет уменьшения противодавления столба Exxol. При данном типе экспериментов замеряется скорость удаление столба жидкости (Exxol + вода) и песка, то есть за какое время удаляется жидкости (Exxol + вода) и песок при различном расходе (различной концентрации) раствора ПАВ, фиксируется структура пены при помощи фотовидео съемки по всему пути потока, определяется выносящая способность ПАВ при различной температуре как жидкости, так и раствора ПАВ. После очистки скважины от жидкости происходит остановка установки, прекращается подача воздуха пена в сепараторе 17 гасится и Exxol попадает в разделитель 23 после чего обратно в емкость 3 для Exxol.
0
заб
2
2
Для проведения восьмого типа экспериментов (таблица 1) по изучению удаления столба воды и конденсата (вспенивание) происходит наполнение определенным объемом Exxol и воды определенной минерализации основной колонны прозрачных труб 11 из емкости 3 и емкости 2 через соединительный блок 10 при открытом кране ввода жидкости 26, после происходит подача воздуха через вход 6 с регуляторами расхода, далее через систему подачи и регулирования расхода начинается подача ПАВ (при необходимости расход раствора увеличивается) из емкости 4 по капиллярной трубке 14 ПАВ поступает на заданный интервал при помощи регулирования высоты спуска-подъема капиллярной трубки 14 в верхней точке колонны основных труб 11. После подачи ПАВ происходит вспенивание столба Exxol и воды и ее удаление из основной колонны 11 по колонне лифтовых труб 13 и трубам обратного потока 15 в сепаратор 17 с гашением пены. По пути движения пены происходит фотофиксация и замер давления и температуры потока. По мере очищения скважины от столба Exxol и воды происходит автоматическое увеличение расхода воздуха по закону Р-Р=aQ, имитирующее очистку скважины за счет уменьшения противодавления столба. При данном типе экспериментов визуально определяется скорость удаление столба Exxol и воды, то есть за какое время удаляется Exxol и вода при различном расходе раствора ПАВ, фиксируется структура пены при помощи фото-видео съемки по всему пути потока, определяется выносящая способность ПАВ при различной температуре как жидкости, так и раствора ПАВ. После очистки скважины от водоконденсатной жидкости происходит остановка установки, прекращается подача воздуха, пена в сепараторе 17 гасится и жидкость попадает в разделитель 23 после чего обратно в емкость для Exxol 3 и емкость для минерализованной водой 2.
о
заб
2
2
Для проведения девятого типа экспериментов (таблица 1) по изучению удаления песчаной пробки раствором ПАВ происходит наполнение определенным объемом воды определенной минерализации основной колонны прозрачных труб 11 из емкости 2 через соединительный блок 10 при открытом кране 26 ввода жидкости и наполнение колонны основных прозрачных труб 11 с верху определенным объемом песка (пыли), после происходит подача воздуха через вход 6 с регуляторами расхода, далее через систему подачи и регулирования расхода начинается подача ПАВ (при необходимости расход раствора увеличивается) из емкости 4 по капиллярной трубке 14 ПАВ поступает на заданный интервал при помощи регулирования высоты спуска-подъема капиллярной трубки 14 в верхней точке колонны основных труб 11. После подачи ПАВ происходит вспенивание столба воды и песка (пыли) и ее удаление из основной колонны 11 по колонне лифтовых труб 13 и трубам обратного потока 15 в сепаратор с гашением пены 17. По мере очищения скважины от столба воды и песка (пыли) происходит автоматическое увеличение расхода воздуха по закону Р-Р=aQ, имитирующее очистку скважины за счет уменьшения противодавления столба. При данном типе экспериментов визуально определяется скорость удаление водопесчаной пробки, то есть за какое время удаляется пробка при различном расходе раствора ПАВ, фиксируется структура пены при помощи фото-видео съемки по всему пути потока, определяется выносящая способность ПАВ при различной температуре как жидкости, так и раствора ПАВ. После очистки скважины от столба воды и песка (пыли) происходит остановка установки, прекращается подача воздуха, пена в сепараторе 17 гасится и жидкость попадает в разделитель 23 после чего обратно в емкость для минерализованной водой 2, песок(пыль)из установки и сепаратора удаляется отдельно.
Возможно проведение экспериментов по замкнутому кругу при использовании установки с подключенным ресивером, позволяющий использовать реальный природный газ из месторождений, в этом случае результаты экспериментов будут максимально приближены к условиям реальных месторождений.
Таким образом, заявляемая экспериментальная установка для имитации газожидкостной смеси и динамических процессов в стволе газовой скважины обеспечивает расширение ассортимента средств (стендов, устройств), предназначенных для моделирования и исследования процессов в скважине.
Условные обозначения к таблице 1:
+↑ - постепенное повышение расхода по мере необходимости;
+↓а - автоматическое снижение расхода газа, имитирующее глушение скважины, за счет противодавления столба жидкости;
+↑а - автоматическое повышение расхода газа, имитирующее очистку скважины за счет снижения противодавления столба жидкости;
+f - начальный объем заполнения ствола зафиксирован;
+ - постоянный расход газа.