СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОБКОВОГО РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ В НЕПРЯМОЛИНЕЙНОЙ СКВАЖИНЕ ИЛИ ТРУБОПРОВОДЕ
METHOD FOR PREVENTING FORMATION OF PLUG OF GAS-LIQUID MIXTURE FLOW IN NON-STRAIGHT WELL OR PIPELINE

Изобретение относится к способам предотвращения формирования пробок жидкости, перекрывающих сечение трубы, при транспорте газожидкостной смеси в скважинах и трубопроводах в процессе добычи углеводородов в нефтегазовой индустрии.
В случаях, когда скважина или трубопровод не являются прямолинейными и помимо горизонтальных секций содержат восходящие, нисходящие и вертикальные участки, то возможно формирование так называемого пробкового режима течения. В этом режиме в трубе транспортируются перемежающиеся однофазные порции газа и жидкости (пробки). Высокочастотный пробковый режим течения опасен для поверхностного оборудования. Также он приводит к осцилляциям давления на забое скважины, что в свою очередь может привести к нежелательным геомеханическим эффектам, таким как повреждение околоскважинной части пласта и ухудшение его проводимости, экстенсивная миграция твердой фазы в скважину, а также вынос проппанта, особенно в случае стимуляции путем многостадийного гидроразрыва пласта. В горизонтальной части трубы обычно формируется расслоенный режим течения, при котором газ движется поверх слоя более тяжелой жидкости (нефти или нефти с примесью воды). Когда трубопровод отклоняется от горизонтального уровня, в коленах может происходит периодическое перекрытие просвета трубы жидкостью, скопившейся в нижних областях трубопровода. В случае, когда горизонтальная секция переходит в вертикальную, также происходит формирование жидкой пробки. Когда смесь входит в вертикальную секцию, происходит быстрая сегрегация, при которой жидкость блокирует вход в вертикальную секцию, препятствуя свободному прохождению поступающего газа. В результате формирования жидкой пробки, перекрывающей трубопровод, за ней происходит скопление газа, в котором с течением времени поднимается давление. С течением времени давления скопившегося газа становится достаточно, чтобы протолкнуть порцию скопившейся жидкости, таким образом формируется нестационарный режим течения с периодическими выплесками больших порций жидкой фазы.
Из уровня техники известны разные способы борьбы с пробкообразованием в потоке газожидкостной смеси. Так, в патенте US 6041803 А описаны устройство и способ предотвращения формирования пробкового режима в восходящем участке, в котором исходное стратифицированное течение трансформируется в нестратифицированный режим (кольцевой или пузырьковый). Приспособление включает в себя суживающееся сопло и расширяющийся диффузор.
В заявке US 20090301729 А1 описано устройство для контроля пробкового течения в многофазном потоке, представляющее собой трубу со специальную конструкцией из секций длиной от 1 до 30 футов, наклоненных под углом 5-90 градусов к горизонту.
Патент US 6716268 В2 относится к контролю формирования пробок в райзере путем регулирования давления газа в основании райзера. Для этого используется сепарационная емкость, включающая клапан для регулирования скорости газа в трубопроводе. Если наблюдаемое давление превышает некоторую эмпирически определенную величину, клапан открывается и изменяет скорость газа, что предотвращает возникновение пробок.
В статье Brasjen, В.J., et al., Experimental investigation of terrain slugging formation, evolution and potential for mitigation, 16th International Conference on Multiphase Production Technology, BHR Group, 2013, описан набор приспособлений, предназначенных для установки в окологоризонтальные наклонные трубы для диссипации жидкостных пробок. В экспериментах авторы наблюдали уменьшение колебания давления до 16%.
Известные способы и устройства в основном предназначены для использования только на входах в райзеры и не позволяют обеспепечить надежное предотвращение формирования пробкового режима, поскольку не учитывают ни предполагаемый расход газожидкостной смеси, ни геометрию трубопровода.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в обеспечении надежного предотвращения формирования пробок при течении газожидкостной смеси в непрямолинейных скважинах и трубопроводах за счет учета ожидаемого расхода газожидкостной смеси и геометрии скважины или трубопровода при выборе места установки устройства для предотвращения пробок.
В соответствии с предлагаемым способом предотвращения формирования пробкового режима течения газожидкостной смеси в непрямолинейной скважине или трубопроводе выявляют по меньшей мере одно место наиболее вероятного формирования жидких пробок в скважине или трубопроводе методом математического моделирования на основе ожидаемых значений расхода газожидкостной смеси и известной геометрии скважины или трубопровода и устанавливают в выявленное по меньшей мере одно место формирования жидких пробок устройство, преобразующее стратифицированое течение газожидкостной смеси в дисперсное течение.
В качестве устройств, преобразующих стратифицированое течение газожидкостной смеси в дисперсное течение, могут быть использованы разные типы устройств, например устройства вихревого типа, устройства в виде пучка скрученных трубок, устройства миксерного типа, устройства типа вращающейся щетки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема течения газожидкостной смеси с образованием жидкой пробки в скважине с наклонными и вертикальной секциями; на фиг. 2 показана схема течения газожидкостной смеси в той же скважине с установленными в ней устройствами, обеспечивающими преобразование стратифицированного течения в дисперсное пузырьковое течение; на фиг. 3 приведен пример устройства для преобразования пробкового режима в дисперсный, выполненного в виде пучка трубок, на фиг. 4 - пример устройства для преобразования пробкового режима в дисперсный, выполненного в виде вращающейся щетки; на фиг. 5 приведен пример геометрии трубопровода, на фиг. 6 представлен угол наклона трубопровода, показанного на фиг. 5, в зависимости от координаты трубы, на фиг. 7 показано распределение объемной доли нефти вдоль трубопровода в момент возникновения жидких пробок, полученное в результате математического моделирования.
Способ, предложенный в данном изобретении, нацелен на предотвращение формирования пробкового режима течения в наклонных и вертикальных секциях скважины или трубопровода, в тех местах, где такой режим наиболее вероятен по результатам математического моделирования газожидкостного течения в скважине или трубопроводе. При этом в математическом моделировании используется геометрия скважины или трубопровода, полученная, например, из журнала бурения в случае скважины, или непосредственно измеренная в случае, когда это возможно. Для ожидаемых значений расхода на основе численного моделирования определяют режимы течения газожидкостной смеси в скважине или трубопроводе, содержащем помимо горизонтальной секции наклонные и вертикальные части, и выявляют по меньшей мере одно место наиболее вероятного формирования жидких пробок. В выявленные места наиболее вероятного формирования жидких пробок устанавливают устройства, преобразующие стратифицированое течение газожидкостной смеси в дисперсное пузырьковое течение, что значительно увеличивает время сегрегации и существенно снижает период между жидкими пробками и таким образом ослабляет негативные последствия пробкового режима.
Геометрическая конфигурация скважины типа той, что представлена на фиг. 1, приводит к формированию пробкового режима течения в вертикальной и наклонных секциях вследствие гравитационной сегрегации газожидкостного течения. Газожидкостная смесь в скважину 1 поступает со стороны 2 и выходит со стороны 3. При этом жидкая фаза 4 может двигаться слоем под газовой фазой 5 и образовывать пробки в зонах 6а и 6б вследствие влияния силы тяжести и отклонений трубопровода от горизонтального положения. В нижних точках наклонных секций скапливается тяжелая жидкость и перекрывает просвет трубы (6а), затем газожидкостный поток из окологоризонтальной секции попадает в вертикальную часть, где вследствие действия силы тяжести происходит быстрая сегрегация и тяжелая жидкость блокирует просвет трубы, препятствуя тем самым свободному прохождению газа. В результате этого давление в заблокированном объеме газа поднимается, и жидкая пробка выталкивается вверх. Такие выплески производят высокочастотные осцилляции давления, что в свою очередь может привести к нежелательным геомеханическому повреждению прискважинной пластовой зоны, снижению проводимости трещины и падению продуктивности добычи углеводородов из пласта.
Риск геомеханического повреждения прискважинной зоны напрямую зависит от скорости изменения давления, т.е. от производной давления по времени (чем выше ее значение, тем выше риск повреждения). Таким образом, уменьшение частоты осцилляций давления помогают снизить риск повреждения пласта.
Для предотвращения высокочастотных колебания давления предлагается увеличить насколько это возможно время сегрегации в областях, где наиболее вероятно образование пробок. Для этого предлагается трансформировать стратифицированное течение в дисперсное течение при помощи специальных устройств. Стратифицированный поток, проходя через такие устройства, будет преобразован в пузырьковое или газокапельное течение (в зависимости от объемных долей фаз). Для дисперсного потока время сегрегации существенно выше, что позволит либо полностью предотвратить образование жидких пробок, либо значительно снизить частоту их формирования. На фиг. 2 показана схема течения газожидкостной смеси в скважине с наклонными и вертикальной секциями, в котором стратифицированное течение 8 при помощи специального устройства 7а преобразовано в дисперсное пузырьковое течение 9, которое в свою очередь может сегрегировать в стратифицированное, а затем вновь преобразовано в дисперсное течение 10 при помощи устройства 7б.
Для трансформации стратифицированного потока в дисперсных могут быть использованы устройства различных типов, например, вихревого типа (http://www.chengfluid.com/), в виде пучка скрученного пучка трубок (фиг. 3), различные варианты миксеров (http://www.stamixco-usa.com/plug-flow-reactors), в виде вращающейся щетки (фиг. 4) и др.
Устройство, схематично изображенное на фиг. 3, представляет собой пучок скрученных трубок (не менее 2). Будучи установленным в стратифицированный газожидкостный поток, это устройство перенаправляет газовую фазу из верхней части течения в нижнюю, а жидкую фазу - наоборот, что приводит к перемешиванию фаз и формированию дисперсной смеси. Длина такого устройства должна превосходить диаметр трубопровода. Устройство может быть выполнено из различных материалов, например пластика или металла.
Устройство на фиг. 4 представляет собой вращающуюся щетку для смешивания расслоившихся газовой и жидкой фаз. Для эффективного перемешивания длина такого устройства должна превосходить диаметр трубопровода. Устройство может быть выполнено из различных материалов, например, пластика или металла. Точное положение устройства определяется на основе математического численного моделирования газожидкостного течения в трубопроводе заданной конфигурации.
Способ может быть осуществлен следующим образом.
На основе известной геометрии трубопровода, полученной непосредственными замерами или на основе данных журнала бурения и типичных расходов фаз, определяют возможность формирования пробкового режима течения, а также точное место формирования пробки, для чего используют математическое численное моделирование. Моделирование может быть основано на решении нестационарных уравнений многожидкостной модели или модели дрейфа, полученных из законов сохранения массы и импульса механики сплошной среды. Детали этих методов и особенности численного решения определяющих уравнений представлены, например, в работе (Theuveny В.С.et al. Integrated approach to simulation of near-wellbore and wellbore cleanup // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2013).
На фиг. 5-7 представлен пример численного моделирования течения нефти и газа в трубопроводе. На фиг. 5 приведен общий вид геометрии трубопровода, на фиг. 6 представлен угол наклона трубопровода в зависимости от координаты трубы, задающий профиль на фиг. 5а. Численное моделирование проводилось для постоянных расходов нефти и газа, заданных на входе в трубопровод и представленных в Таблице 1. Выходное отверстие трубопровода считается открытым в область с постоянным атмосферным давлением (см. Таб. 1)
1
2
На фиг. 7 приведено распределение объемной доли нефти вдоль трубопровода в момент возникновения жидких пробок, полученное в результате математического моделирования. Точками S и S на фиг. 7 обозначены места, где возникнут пробки и перед которыми необходимо установить устройство для преобразования стратифицированного течения в дисперсное. Вычисленные точные координаты этих точек приведены в Таблице 1.