Экспериментальное изучение содержания жидкой фазы в лифтовых трубах в условиях эксплуатации скважин на поздней стадии разработки газовых месторождений

УДК 532.5.013

О.В. Николаев, С.А. Бородин, В.М. Пищухин, И.В. Стоноженко, С.А. Шулепин

Экспериментальное изучение содержания жидкой фазы в лифтовых трубах в условиях эксплуатации скважин на поздней стадии разработки газовых месторождений

На поздней стадии разработки месторождений содержание воды в продукции скважин приводит к целому ряду технологических проблем, осложняющих добычу газа. Однако при описании многофазных гидродинамических процессов в лифтовых трубах и наземных коммуникациях при низких значениях водогазового фактора традиционными методами физической гидродинамики возникают существенные погрешности, что диктует необходимость постановки специальных экспериментальных исследований. В настоящей работе приводится разработанная в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» методика измерения объемного содержания жидкости в вертикальных потоках на экспериментальном оборудовании нового поколения, а также результаты измерений в трубах диаметром 100 и 150 мм при малых значениях расходного водосодержания, соответствующих условиям поздней стадии разработки сеноманских залежей.

В работах [1-6] описаны методики и результаты экспериментальных исследований вертикальных газожидкостных потоков применительно к проблеме эксплуатации обводненных скважин. При этом для обозначения относительного содержания жидкости в трубе использовались различные термины (водонасыщенность, истинное объемное водосодержание, объемное содержание жидкой фазы и др.).

На практике применяются пять основных методов определения объемного содержания жидкости в трубе:

1) отсечение потока внизу и вверху трубы с измерением количества жидкости в отсеченном пространстве;

2) измерение количества поступившей в трубу и вышедшей из трубы жидкости;

3) измерение динамического напора газожидкостного потока на выходе из трубы;

4) измерение электрического сопротивления газожидкостного потока;

5) измерение отражения и поглощения волн различной физической природы (электромагнитных или акустических) - волновые методы.

Известны также и другие способы определения объемной водонасыщенности потоков, но для изучения гидродинамики в фактических условиях реальных газовых скважин они не получили широкого распространения.

Последние четыре способа дают приемлемые по точности результаты измерений при больших значениях объемного содержания жидкости.

Метод отсечения потока дает приемлемые результаты в двух случаях, когда сравнительно низкая скорость механического срабатывания отсечного устройства не приводит к существенным относительным погрешностям измерения количества отсекаемой жидкости:

• при малом объемном содержании жидкости в трубе и работе газожидкостного подъемника на правой ветви характеристики, где реализуется дисперсно-кольцевой режим, при котором после остановки потока скорость стекания пленки жидкости по стенке невелика;

• большом объемном содержании жидкости в трубе, когда неучтенное количество жидкости, вытекающей из отсекаемого участка трубы через отсечное устройство за период времени его срабатывания, невелико по сравнению с общим объемом отсеченной жидкости.

Ключевые слова:

вертикальный

газожидкостной

поток,

водосодержание, самозадавливание газовой скважины жидкостью, поздняя стадия разработки газового месторождения.

Keywords:

vertical

gas-liquid flow, water content, liquid loading in gas well, later stage gas field development.

Метод отсечения широко использовался в отечественных исследованиях [7-9]. Отметим, что при исследованиях потоков с малым расходным водосодержанием на левой ветви характеристики газожидкостного подъемника значения объемного водосодержания могут быть значительно выше расходного и попадать в диапазон, в котором результаты измерений обладают существенными погрешностями (до 100 %). Вследствие этого возникает необходимость многократного повторения опытов на одном режиме с дальнейшей статистической обработкой их результатов.

В процессе модернизации экспериментального стенда для изучения трубной многофазной гидродинамики [10] в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» разработана принципиально новая система измерения содержания жидкости в вертикальном газожидкостном потоке. В настоящее время эта система используется для изучения двухфазной гидродинамики в лифтовых трубах от 73 до 168 мм при давлениях до 3,0 МПа и водогазовом факторе в диапазоне 10-6-10-2.

На рис. 1 изображена схема обвязки стенда измерительным оборудованием. Основным отличием от предыдущей версии, описанной в работе [10], является дополнительная система сбора, передачи и обработки сигналов первичных преобразователей.

ДР

RS-232

ЭВМ АЦП

12 11

Р, T

В процессе эксперимента физические параметры изучаемого процесса контролируются цифровыми каналами передачи информации. В состав каналов входят:

• датчики с токовым выходом 4-20 мА;

• аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с выходом RS-232;

• ЭВМ с установленным драйвером обмена.

Сигналы с датчиков передаются на аналогово-цифровой преобразователь, связанный с ЭВМ по протоколу RS-232.

Драйвер обмена производит сбор, отображение и хранение полученных значений технологических параметров всей системы датчиков в файле формата Microsoft Excel.

На рис. 2 представлены результаты измерений, получаемые во время проведения эксперимента на экране монитора в режиме on-line. Эксперимент в рассматриваемом примере проводился на вертикальной колонне длиной (L) 30 м с внутренним диаметром (D) 100 мм при рабочем давлении (Р) 1,04 МПа, расходе жидкости (qx) 11,4 л/ч и газа (G) 146 м3/ч. В качестве компонентов газожидкостной смеси использовались вода и воздух. Измерения потерь давления на нижнем участке трубы длиной 1,3 м осуществлялись с целью определения влияния на характеристики газожидкостного потока растущего вышележащего столба смеси.

10

qж

7

G

Рис. 1. Измерительная схема экспериментального стенда: 1 - испытуемая колонна; 2 - смеситель газа и жидкости; 3 - кран впуска и выпуска газа; 4 - сепаратор; 5 - центробежный газовый нагнетатель; 6 - жидкостный насос; 7 - расходомер жидкости; 8 - расходомер газа; 9 - блок датчиков перепада давления; 10 - блок датчиков давления и температуры; 11 - блок аналого-цифрового преобразования первичных сигналов; 12 - блок обработки данных и визуализации результатов

наблюдения на базе ЭВМ

3

5

4

1

9

2

6

8

100

90 -

80 -

70 -

ЛР (30 м) АР (1,3 м) О V

300

250

- 200

150 3

О"

100

50

10

40 60

I, мин

100

5

0

Рис. 2. Измерение параметров газожидкостного потока в режиме реального времени: АР (30 м) - потери давления на концах колонны, см вод.ст.; АР (1,3 м) - потери давления на нижнем участке колонны высотой 1,3 м, см вод.ст.; О - расход газа через колонну при рабочем давлении, м3/ч; V - объем жидкости в сепараторе, л

Изложим последовательность эксперимента. Вначале в контур стенда нагнетается газ до рабочего давления Р. Далее в момент времени t = 0 включается газовый нагнетатель. Регулированием частоты вращения ротора нагнетателя с помощью частотного преобразователя устанавливается требуемая величина О. После включения жидкостного насоса в момент времени t1 в испытуемую трубу начинает поступать вода, и одновременно за счет возникновения столба газожидкостной смеси инициируется рост АР (30 м) и АР (1,3 м). В исходном состоянии в уровнемере сепаратора присутствует некоторое количество воды (в рассматриваемом эксперименте V = 1,2 л).

Существенными особенностями поведения газожидкостного потока в эксперименте являются (см. рис. 2):

• монотонный во времени рост потерь давления в трубе вплоть до ее заполнения, характеризуемый практически постоянным углом наклона графика к оси абсцисс;

• постоянный уровень потерь давления в нижнем участке трубы после достижения столбом смеси уровня 1,3 м, что свидетельствует о равномерном (почти поршнеобразном) поднятии столба двухфазной смеси и постоянной величине насыщенности жидкостью практически по всей высоте трубы (за исключением небольшого верхнего участка, заполняемого в соот-

ветствии с рис. 3 после момента времени t > на котором локальная насыщенность и локальные потери давления несколько меньше, чем во всей остальной трубе).

На рис. 3 отмечены различные фазы рассматриваемого эксперимента. На начальном этапе (после установления расхода газа на уровне О = 146 м3/ч) потери давления на трение для однофазного газа по всей длине трубы (30 м) равны 8,6 см вод.ст. В момент времени t1 = 10,5 мин в испытуемой трубе стала появляться жидкость, что инициировало возникновение и рост столба газожидкостной смеси, сопровождаемый монотонным ростом потерь давления:

—АР = О^а,

Л

где С - масштабирующий множитель с размер" АР'

ностью

t

В момент времени ^ = 55 мин столб смеси достиг уровня Н1, выше которого плотность смеси будет несколько меньше, чем в нижнем участке (рис. 4). Однако для расчетов пренебрежем этим концевым эффектом и за окончание периода заполнения трубы примем момент времени t3 = 64 мин, получаемый интерполяцией (см. рис. 3).

0

100 1-др-

о -I-Л-1-1-1-1-1-,—|—3—1-1-1-

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

I, мин

Рис. 3. Определение времени заполнения колонны газожидкостной смесью

ДРз ---

/ др2 л*

а

1 л ДР1

У\<1 ?2

На рис. 2 наглядно отражено, что после заполнения трубы газожидкостной смесью до верха жидкость стала сливаться в сепаратор (кривая голубого цвета, соответствующая величине V), и через некоторое время скорость заполнения сепаратора сравнялась с расходом водного насоса, что свидетельствует о достижении установившегося режима во всех участках стенда.

На рис. 4 представлено распределение газожидкостной смеси по плотности, которое следует из анализа результатов эксперимента по рис. 3.

В течение времени (^ - tl) столб смеси поднимается до высоты Н1, в течение (^ - - по верхнему участку трубы 2 до верха трубы высотой Ь = Н + Н2. После установления режима плотность смеси на участке 1 практически постоянна (или меняется весьма слабо), а на участке 2 уменьшается с высотой. Принимая равенство

<3 - <2

I 2 - I,

И

И,

Объем участка 1 трубы Vтрl = 194 л, поэтому объемное водосодержание (ср) в исследуемом газожидкостном потоке на этом участке равно

V , 2

ф = = 4,4-ю-2.

Из приведенных результатов экспериментов можно рассчитать среднюю истинную скорость жидкости V. Обозначим V - скорость жидкости, приведенную к сечению трубы. В рассмотренном эксперименте она равна

V = = 4 10-4 м/с. пВ2

из экспериментальных данных получим, что Н1/Ь = 0,84.

Количество жидкости в трубе на участке 1 после ее заполнения можно рассчитать исходя из балансового соотношения

^ = ЧЖ

60

Н

Н

Рис. 4. Распределение газожидкостной смеси по плотности в установившемся вертикальном газожидкостном потоке

Тогда, считая, что занимаемая в сечении трубы площадь жидкой фазы пропорциональна ф, получим

^ _ _ 0,0004 _ о, 009 м/с, или 9 мм/с.

ф 0,044

Эта величина является истинной скоростью движения жидкости в трубе в процессе рассматриваемого эксперимента, и именно с такой скоростью происходит заполнение трубы газожидкостной смесью, что отражается углом наклона а графика АР (30 м) на рис. 3. Отметим, что V, определяемая выражением (5), не зависит от расхода газа, в то время как рассчитываемая по уравнению (6), зависит от него.

По описанной методике была проведена серия экспериментов на трубах диаметром 62 и 100 мм. Поскольку целью настоящих исследований является изучение гидродинамики двухфазных потоков применительно к условиям эксплуатации сеноманских скважин на поздней стадии, величины водогазового фактора в проведенных экспериментах меньше, чем в опубликованных ранее экспериментальных работах, вследствие чего соотношения между расходным в и объемным ф водосодержания-ми существенно отличаются от известных ранее. На рис. 5 изображены исследованные диапазоны параметров ф и в на новом оборудовании (выделенная зона) и в более ранних ра-

ботах [2, 7, 8]. В связи с тем, что в последних исследованиях величины в экстремально малы, ось абсцисс представлена в логарифмических координатах.

На рис. 6 и 7 представлены экспериментальные зависимости ф = ф(в), полученные на трубах диаметром 62 и 100 мм. В рассматриваемых диапазонах параметров значения ф и в могут отличаться на три порядка, что, как уже отмечено, является существенным отличием исследуемых потоков от изученных ранее.

Аппроксимация экспериментальных точек на рис. 6 и 7 экспонентой

Ф = A ßB

и последующий анализ влияния величин Б и дж приводит к выражениям для эмпирических коэффициентов А и В:

A =

exp

1,37+0,0076D

B = 1,47 + 0,8  102 D -- (1,6 + 0,61 D)  102 \щж

Формулы (7)-(9) отражают зависимости истинного водосодержания от диаметра трубы, расхода жидкости, расходного водосодержания и применимы для давлений 0,5-2,0 МПа и водогазового фактора в диапазоне 1-100 см3/м3.

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 & 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

По данным исследований:

• Арманд A.A., 1955 г. ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2005-2013 гг.:

• Гриценко А.И., 1983 г.  D = 100 мм, дж = 7 л/ч

• Одишария Г.Э., 1998 г. О D = 100 мм, qx = 110 л/ч

Л D = 100 мм, qx = 900 л/ч

• D = 62 мм, qx = 135 л/ч

D = 62 мм, qm = 240 л/ч

♦ D = 62 мм, qж = 350 л/ч

f

• • ¿У

• • • • • Jß

/

t

-5

-4

-3

-2

-1

Igß

Рис. 5. Диапазоны изученных водонасыщенностей

18Р

Рис. 6. Зависимости объемного от расходного водосодержания в трубе диаметром 62 мм

для разных расходов жидкости

1вР

Рис. 7. Зависимости объемного от расходного водосодержания в трубе диаметром 100 мм

для разных расходов жидкости

После проведения соответствующих экспериментов на лифтовых трубах других диаметров эти соотношения, вероятно, будут уточнены.

На рис. 8 проведено сравнение измеренных значений объемного водосодержания в вертикальных трубах с расчетами по известной формуле р = р(Р) [9, 11], составленной по данным экспериментов в диапазоне р > 0,01:

ф=1 -0,81

1 -ехр

-2,2

(у + и )2

gD

где и - скорость газа, приведенная к сечению трубы; g - ускорение свободного падения.

Наглядно отражено, что в рассматриваемом диапазоне параметров экспериментальные значения водосодержания существенно отличаются от расчетных, и с уменьшением количества жидкости различия возрастают до двух порядков и более.

Таким образом, новая методика измерения характеристик восходящих газожидкостных потоков, разработанная в ООО «Газпром ВНИИГАЗ», позволяет проводить актуальные для практики разработки газовых месторождений на поздней стадии исследования двухфазной гидродинамики в слабо изученных диапазонах физических параметров.

Рис. 8. Сравнение расчетных (10) и измеренных значений объемного водосодержания

в вертикальных трубах

Данная методика позволила получить уточненные эмпирические соотношения между объемным и расходным содержаниями жидкости в газожидкостном потоке в диапазоне расходных водосодержаний р < 0,01.

Анализ экспериментальных результатов показал, что локальные потери давления, истинное водосодержание и скорость жидкой фазы в вертикальном газожидкостном потоке являются однозначными функциями диаметра трубы, расхода жидкости, расхода газа и давления. Этот вывод, на первый взгляд кажущийся тривиальным,

на самом деле очень важен для составления расчетной модели вертикального газожидкостного потока. Во-первых, он означает, что по замеренным на устье скважины давлению, дебиту газа и дебиту воды можно рассчитывать давление и истинное водосодержание в любой точке работающей скважины от забоя до устья. Во-вторых, он дает возможность разработки новых математических моделей для расчета как стационарных, так и нестационарных режимов работы обводненных газовых скважин (включая задавлива-ние, продувку и др.).

Список литературы

1. Муравьев И.М. Эксплоатация [эксплуатация] нефтяных месторождений / И.М. Муравьев, А.П. Крылов. - М.: ГНТИНЛ, 1949. - 451 с.

2. Арманд А.А. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе / А.А. Арманд // Гидродинамика

и теплообмен при кипении в котлах высокого давления. - М.: Изд. АН СССР, 1955. -С. 21-34.

3. Стырикович М. А. Потери напора от ускорения / М.А. Стырикович // Советское котлотурбостроение. - 1946. - № 4.

4. Klapp J. Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics / J. Klapp // Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012. - 517 p.

5. Алхутов М.С. Определение плотности двухфазной смеси в стационарных

и переходных режимах / М.С. Алхутов, Э.А. Болтенко, В.Р. Цой // Теплоэнергетика. -2002. - № 5.

6. Телетов С.Г. Об обработке в безразмерных величинах опытных данных по паро-

и газожидкостным смесям и о методике эксперимента / С.Г. Телетов // Гидродинамика и теплообмен при кипении в котлах высокого давления. - М.: Изд. АН СССР, 1955. -С. 46-64.

7. Плосков А.А. Экспериментальное моделирование режимов эксплуатации скважин на завершающей стадии разработки сеноманских залежей: дис. ... канд. техн. наук / А.А. Плосков. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013.

8. Коротаев Ю.П. Влияние жидкости на движение газа по вертикальным трубам: в 3-х т. - Т. 1. / Ю.П. Коротаев. - М.: Недра, 1996. - С. 35-54.

9. Гриценко А.И. Экспериментальное исследование истинного водосодержания

в вертикальных трубах при движении по ним газоводяных смесей при малых расходах газа / А.И. Гриценко, Г.Н. Вязенкин, С.Н. Бузинов и др. // Проблемы подземного хранения газа в СССР. - М.: ВНИИГАЗ, 1983. - С. 86-96.

10. Одишария Г. Э. Прикладная гидродинамика газожидкостных смесей / Г.Э. Одишария, А.А. Точигин. - М.: ВНИИГАЗ, 1998. - 398 с.

11. Николаев О.В. Экспериментальное изучение подобия вертикальных газожидкостных потоков в условиях эксплуатации обводненных газовых скважин / О.В. Николаев,

С. А. Бородин, С.А. Шулепин // Вести газовой науки: Проблемы эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений. - 2013. - № 4 (15). - С. 76-83.

12. Клапчук О.В. Гидродинамические о сновы и разработка высокоэффективных систем добычи и сбора углеводородного конденсата: дис. ... док. техн. наук / О.В. Клапчук. -

М.: Москва, ВНИИГАЗ, 1981. - 463 с.

References

1. Muravyev I.M. Oil field operation /

I.M. Muravyev, A.P. Krylov. - Moscow: GNTINL, 1949. - 451 p.

2. Armand A.A. Study of the mechanism of double-phase mixture flow in the vertical pipe / A.A. Armand // Hydrodynamics and heat exchange during boiling in high-pressure boilers. - Moscow: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1955. - P. 21-34.

3. Styrikovich M.A. Pressure loss from acceleration / M.A. Styrikovich // Soviet boiler turbine building. - 1946. - № 4.

4. Klapp J. Experimental and theoretical advances in fluid dynamics / J. Klapp // Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2012. - 517 p.

5. Alkhutov M.S. Determination of the double-phase mixture density in stationary and transient modes / M.S. Alkhutov, E.A. Boltenko, V.R. Tsoy // Thermal Engineering. - 2002. - № 5.

6. Teletov S.G. On processing of pilot data on steam and gas-liquid mixtures in dimensionless numbers and on the experiment methodology / S.G. Teletov // Hydrodynamics and heat exchange during boiling in high-pressure boilers. - Moscow: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1955. - P. 46-64.

7. Ploskov A.A. Experimental simulation of well operation modes at the final stage of Cenoman deposit development: thesis... of the candidate of engineering / A.A. Ploskov. - Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 2013.

8. Korotayev Yu.P. Fluid impact on gas motion in vertical pipes: selected papers in 3 volumes. -Vol. 1 / Yu.P. Korotayev. - Moscow: Nedra, 1996. - P. 35-54.

9. Gritsenko A.I. Experimental study of true water content in vertical pipes during movement of gas and water mixtures with low gas rate in them / A.I. Gritsenko, G.N. Vyazenkin, S.N. Buzinovet

et al. // Problems of underground gas storage in the USSR. - Moscow: VNIIGAZ, 1983. - P. 86-96.

10. Odishariya G.E. Applied hydrodynamics

of gas and liquid mixtures / G.E. Odishariya, A.A. Tochigin. - Moscow: VNIIGAZ, 1998. -398 p.

11. Nikolayev O.V. Experimental study of similarity of vertical gas and liquid flows in the conditions of flooded gas well operation / O.V. Nikolayev, S.A. Borodin, S.A. Shulepin // Vesty gazovoy nayki: Problems of operation of gas, gas condensate and oil/gas/condensate fields. - 2013. -№ 4 (15). - P. 76-83.

12. Klapchuk O.V. Hydrodynamic bases and development of highly efficient systems of hydrocarbon condensate production and collection: thesis ... of the doctor of engineering / O.V. Klapchuk. - Moscow: VNIIGAZ, 1981. -463 p.