Способ определения параметров закачки сверхкритической воды
METHOD FOR DETERMINING THE PARAMETERS OF SUPERCRITICAL WATER INJECTION

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в способах интенсификации добычи. Изобретение может быть использовано при разработке нефтяных и газовых месторождений, а также в области геотермальной энергетики.
Сверхкритический флюид, сверхкритическая жидкость - состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритической жидкостью. Для воды сверхкритическое состояние наступает выше температуры 373°С и давления 22,1 МПа.
Применение сверхкритической воды (СКВ) для повышения нефтеотдачи связано с тем, что гидротермальное воздействие при температуре 325-375°С активизирует процессы преобразования керогена с генерацией синтетической нефти. За счет высокой температуры происходит преобразование керогена на 40-85%, термодесорбция тяжелых углеводородных (УВ) компонентов, значительное улучшение фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС), что способствует более активному току нефти.
Известны различные способы и устройства для закачки СКВ в скважину для повышения нефтеотдачи, но при этом закачка СКВ осуществляется при условиях, которые обеспечивают сохранение сверхкритических свойств воды при достижении целевого объекта - нефтяного пласта. В случае несохранения условий сверхкритики (снижение температуры или давления ниже критических значений) воздействие будет осуществляться горячей водой либо водяным паром. Поэтому расчет параметров, при которых вода будет находиться на забое в сверхкритическом состоянии является важной задачей при проектировании воздействия СКВ, выборе компоновки нагнетательной скважины и внутрискважинного оборудования.
Начиная с середины 20-ого века многими исследователями проведена обширная работа по изучению законов изменения свойств пара в нагнетательной скважине. Для определения качества пара были исследованы эффекты тепловых потерь и изменения давления. Эти данные стали находить свое применение для анализа теплопотерь при воздействии тепловыми методами увеличения нефтеотдачи (МУН).
Известен способ создания очага возгорания в пласте (патент RU2583797, опубл. 10.05.2016, МПК: Е21В 43/243), в котором используются известные уравнения для определения теплопотери агента закачки для оценки его эффективности.
Общими признаками известного и заявляемого способа является оценка температуры жидкости с учетом расхода жидкости и тепловых данных скважины.
Однако, в известном способе при оценке теплопотерь агента не проводят, в частности, разбиения геометрических данных скважины на элементы, а из геометрических данных скважины учитывают только ее глубину, что будет приводить к снижению точности определения теплопотерь и изменениям свойств теплоносителя (агента) при движении по скважине. В известном способе при оценке теплопотерь также не учитывают влияние геотермического градиента, что также снижает точность определения изменения термодинамических параметров теплоносителя (агента) при движении по скважине. В случае использования СКВ в качестве агента - к риску фазового перехода и потере свойств СКВ. Это, в свою очередь, будет приводить к снижению эффективности способа увеличения нефтеотдачи.
Известен также способ закачки реагента в скважину (патент US 8312924, опубл. 20.11.2021, МПК: Е21В 43/243), который включает регулирование температуры потока жидкости и контроль температуры нагнетаемой жидкости для отслеживания ее реакционной активности.
Общими признаками известного способа и заявляемого способа определения параметров закачки сверхкритического флюида является анализ температуры нагнетаемой в скважину жидкости для обеспечения ее реакционной активности.
Общими признаками известного способа и заявляемого способа повышения нефтеотдачи является закачка агента при температуре, при которой сохраняется реакционная активность агента.
Однако, в известном способе требуются устройства для отслеживания изменения температуры агента, например, датчики контроля температуры, оптоволоконные датчики, а регулирование температуры агента осуществляется посредством отвода тепла, например, через теплообменник, при этом использование устройства для отслеживания изменения температуры агента не учитывает точки фазовых переходов теплоносителя при движении по скважине к забою и не учитывает геотермический градиент, что не обеспечивает точность определения характеристик теплоносителя и, соответственно, не повышает эффективность нефтеотдачи.
Ближайшим аналогом (прототипом) является подход к определению свойств потока сверхкритической воды в скважине, влиянию теплообмена на температуру СКВ и анализ основных параметров на поток СКВ (Jiaxi Gao, Yuedong Yao, Dawen Wang, Hang Tong. A Comprehensive Model for Simulating Supercritical-Water Flow in a Vertical Heavy-Oil Well. SPE 205496. 2021).
Общими признаками способа, раскрытого в статье, и заявляемого способа являются учет влияния теплообмена и характеристик скважины на характеристики потока СКВ, которая закачивается в скважину, а также разбиение модели скважины на несколько участков, для которых рассчитываются характеристики потока СКВ.
Однако, в известном способе по умолчанию принимается, что поток реагента представляет собой СКВ и не учитывается возможность фазового перехода СКВ-водяной пар-вода. Поэтому использование и эффективность известного способа ограничено только при условии закачки СКВ при высоких значениях температуры и давления, при которых характеристики СКВ будут сохраняться длительное время и влияние внешних факторов на характеристики потока СКВ будет минимальным. При этом закачка СКВ при высоких температуре и давлении будет приводить к использованию более сложного оборудования (компрессоров более сложной конструкции) и повышению энергозатрат. В известном способе также не учитывается, например, геотермический градиент и конвективный перенос тепла в трубах, используется интерполяционный метод для расчета термодинамических свойств сверхкритической воды на основе представленных табличных значений с фиксированным шагом по температуре и давлению, что снижает точность определения изменения термодинамических параметров воды при движении вдоль нагнетательной скважины.
Техническим результатом способа определения параметров закачки СКВ является повышение точности определения термодинамических параметров воды и ее фазовых состояний при движении вдоль нагнетательной скважины и, соответственно, параметров закачки СКВ с учетом фазовых переходов, что позволяет определить при каких условиях необходимо осуществлять закачку СКВ для сохранения ее активности на забое и повысить эффективность способа повышения нефтеотдачи, а также снижение энергозатрат по сравнению с известными способами при сохранении свойств СКВ за счет возможности регулирования изоляции используемого материала труб либо типа компрессора (парогенератора), что позволяет в зависимости от условий закачки СКВ применять компрессоры с учетом, например, информации об используемой изоляции труб в скважине и тепловых свойств материалов скважины, и, кроме того, при необходимости, снижать температуру и давление закачки по сравнению с известными способами при сохранении свойств СКВ.
Технический результат достигается при использовании способа определения параметров для закачки сверхкритической воды, который включает получение данных о строении скважины и тепловых свойств материалов скважины для закачки сверхкритической воды (СКВ), получение начальных условий, которые включают температуру и давление пара, которые достигаются на выходе из парогенератора, сухость пара для влажного пара, массовый расход теплоносителя, время закачки, температуру породы на поверхности, геотермический градиент, коэффициент теплопроводности и температуропроводности, построение модели скважины по полученным данным и начальным условиям и ее разбиение на конечное число элементов, при этом устье скважины соответствует точке модели со значением 0, а максимальное значение точки модели соответствует забою скважины, определение термодинамических параметров теплоносителя, фазового состояния теплоносителя и потери тепла в начале каждого элемента модели скважины последовательно от устья к забою скважины и фиксация их постоянными по всей длине каждого элемента модели, при этом элементы модели скважины выбирают длиной от 0,1 м до 1 м, определение значений температуры, давления, сухости пара для влажного пара последовательно для каждого элемента модели по полученным термодинамическим параметрам теплоносителя и по данным потерь тепла, при этом для точки модели со значением 0 используют полученные начальные условия, для последующих элементов используют условия, по меньшей мере, значения температуры, давления и сухости пара для влажного пара, определенные для предыдущего элемента модели, повторение предыдущих двух стадий для определенных значений температуры и давления, которые достигаются на выходе из парогенератора до получения значений температуры, давления и сухости пара на забое скважины, при которых фазовое состояние теплоносителя на забое скважины соответствует сверхкритическому состоянию воды.
Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что данный способ позволяет:
- учитывать все характеристики скважины и окружающего материала;
- учитывать возможность фазовых переходов вода-водяной пар-СКВ и, соответственно, при определении параметров закачки учитывать все характеристики того или иного фазового состояния.
Т.е. заявляемый способ позволяет определить характеристики течения воды в нагнетательной скважине для всех режимов течения с учетом возможных фазовых переходов вдоль скважины, с учетом теплоты фазовых переходов, изменения давления в результате переходов, а также с учетом характеристик конкретного фазового состояния. Это позволяет ввести корректные характеристики в процессе определения параметров закачки, в частности, использовать при расчете данные о сухости пара для фазового состояния «влажный пар».
Способ позволяет учитывать изменение углов наклона нескольких участков скважины, моделируя сложную геометрию с наклонно-направленными и горизонтальными участками и их влияние на характеристики потока СКВ.
Для построения модели скважины могут включать данные о геометрических размерах скважины с учетом тепловых свойств материалов, из которых изготовлены элементы скважины. Модель скважины может быть представлена совокупностью данных, характеризующих скважину, с учетом ее геометрических характеристик и с учетом тепловых свойств материалов, из которых выполнены трубы скважины, и свойств окружающей скважину горной породы. Либо может быть построена более сложная модель скважины с учетом, по меньшей мере, указанных параметров. Такая модель скважины может быть представлена в виде графического отображения.
Точность способа обеспечивается также за счет разбиения модели скважины на небольшие элементы, для каждого из которых проводится определение термодинамических свойств потока воды и соответствующего фазового состояния. Это позволяет определить фазовое состояние воды при движении по скважине для каждого элемента с учетом его геометрических характеристик (т.к. геометрия скважины будет меняться, в частности, диаметр, толщины и др.) и свойств окружающих материалов.
Заявляемый способ может применяться для широких диапазонов давлений (до 100 МПа) и температур (до 800°С), которые могут использоваться для закачки СКВ.
Данные о строении скважины для закачки СКВ могут включать тип используемых труб, геометрические размеры используемых труб и цилиндрических обсадных колонн. При этом геометрические размеры труб и цилиндрических колонн могут включать значения длины, диаметра и углов наклона труб. Угол наклона труб может быть определен как угол наклона скважины к вертикальной оси, направленной вверх.
Используемые трубы могут представлять собой, в частности, насосно-компрессорные трубы (НКТ) либо, например, теплоизолированные лифтовые трубы.
Термодинамические параметры теплоносителя могут включать по меньшей мере значения удельной энтальпии, динамической вязкости, плотности. Тепловые свойства материалов скважины могут включать значения теплопроводности используемых материалов, коэффициента теплового излучения металла и изоляции.
Длина элементов модели скважины может составлять от 0,1 м до 1 м. Уменьшение длины элемента не будет приводить к повышению точности определения параметров для закачки сверхкритической воды и получаемые результаты не будут меняться, увеличение длины элемента будет приводить к снижению точности заявляемого способа. В одном из вариантов реализации изобретения элементы могут быть выбраны равной длины, например, 0,1 м.
Потеря тепла может определяться путем определения коэффициентов конвективного переноса тепла, переноса тепла в затрубном пространстве и естественной конвекции. С использованием этих данных может быть определен суммарный коэффициент переноса тепла. В результате может быть определен поток тепла от теплоносителя в окружающую горную среду с учетом суммарного коэффициента переноса тепла и количества фаз теплоносителя для каждого элемента.
Давление для каждого элемента модели может быть определено путем оценки изменения давления за счет вязкого трения.
Принцип этих расчетов известен для специалистов и может быть модифицирован либо может быть выбран другой способ определения потери тепла. Давление для каждого элемента модели предпочтительно определять путем оценки изменения давления за счет вязкого трения.
Предлагаемый вариант реализации заявляемого изобретения позволяет определить потери тепла с высокой точностью.
Техническим результатом способа нефтеотдачи является повышение эффективности нефтеотдачи. Достижение технического результата обеспечивается при использовании способа повышения нефтеотдачи, который включает закачку в скважину сверхкритической воды при параметрах, которые включают значения температуры и давления, значения которых определены по вышеуказанному способу определения параметров для закачки сверхкритической воды.
Повышение эффективности способа повышения нефтеотдачи связано с тем, что закачку проводят при параметрах (давлении и температуре), которые в данных конкретных условиях обеспечивают сохранение свойств СКВ на забое скважины.
Технический результат достигается при использовании в способе определения параметров для закачки СКВ системы для определения параметров закачки сверхкритической воды или машиночитаемого носителя для определения параметров закачки сверхкритической воды.
Система для определения параметров закачки сверхкритической воды, которая содержит по крайней мере один процессор, оперативную память и машиночитаемые инструкции, выполняемые упомянутыми процессорами с использованием оперативной памяти, причем машиночитаемые инструкции содержат шаги способа
- получение данных о строении скважины и тепловых свойств материалов скважины для закачки сверхкритической воды (СКВ);
- получение начальных условий, которые включают температуру и давление пара, которые достигаются на выходе из парогенератора, сухость пара для влажного пара, массовый расход теплоносителя, время закачки, температура породы на поверхности, геотермический градиент, коэффициент теплопроводности и температуропроводности;
- построение модели скважины по полученным данным и начальным условиям и ее разбиение на конечное число элементов одинаковой длины, при этом устье скважины соответствует точке модели со значением 0, а максимальное значение точки модели соответствует забою скважины;
- определение термодинамических параметров теплоносителя, фазового состояния теплоносителя и потери тепла для каждого элемента модели скважины последовательно от устья к забою скважины и фиксация их постоянными по всей длине каждого элемента модели, при этом элементы модели скважины выбирают длиной от 0,1 м до 1 м;
- определение значений температуры, давления, сухости пара для влажного пара последовательно для каждого элемента модели по полученным термодинамическим параметрам теплоносителя и по данным потерь тепла, при этом для точки со значением 0 используют полученные начальные условия, для последующих элементов используют условия, по меньшей мере, значения температуры, давления и сухости пара для влажного пара, определенные для предыдущего элемента модели;
- повторение предыдущих двух стадий для определенных значений температуры и давления, которые достигаются на выходе из парогенератора до получения значений температуры, давления и сухости пара на забое, при которых фазовое состояние теплоносителя на забое скважины соответствует сверхкритическому состоянию воды.
Машиночитаемый носитель содержит инструкции способа, который включает:
- получение данных о строении скважины и тепловых свойств материалов скважины для закачки сверхкритической воды (СКВ);
- получение начальных условий, которые включают температуру и давление пара, которые достигаются на выходе из парогенератора, сухость пара для влажного пара, массовый расход теплоносителя, время закачки, температура породы на поверхности, геотермический градиент, коэффициент теплопроводности и температуропроводности;
- построение модели скважины по полученным данным и начальным условиям и ее разбиение на конечное число элементов одинаковой длины, при этом устье скважины соответствует точке модели со значением 0, а максимальное значение точки модели соответствует забою скважины;
- определение термодинамических параметров теплоносителя, фазового состояния теплоносителя и потери тепла для каждого элемента модели скважины последовательно от устья к забою скважины и фиксация их постоянными по всей длине каждого элемента модели, при этом элементы модели скважины выбирают длиной от 0,1 м до 1 м;
- определение значений температуры, давления, сухости пара для влажного пара последовательно для каждого элемента модели по полученным термодинамическим параметрам теплоносителя и по данным потерь тепла, при этом для точки со значением 0 используют полученные начальные условия, для последующих элементов используют условия, по меньшей мере, значения температуры, давления и сухости пара для влажного пара, определенные для предыдущего элемента модели;
- повторение предыдущих двух стадий для различных значений температуры и давления, которые достигаются на выходе из парогенератора до получения значений температуры, давления и сухости пара на забое, при которых фазовое состояние теплоносителя на забое скважины соответствует сверхкритическому состоянию воды
При этом данные о строении скважины для закачки СКВ могут включать тип используемых труб, геометрические размеры используемых труб, например, НКТ, и цилиндрических обсадных колонн. Геометрические размеры труб и цилиндрических колонн могут включать значения длины, диаметра и углов наклона. Термодинамические параметры теплоносителя могут включать по меньшей мере значения удельной энтальпии, динамической вязкости, плотности. Тепловые свойства материалов скважины могут значения теплопроводности используемых материалов, коэффициента теплового излучения металла и изоляции.
Построение модели скважины может представлять собой построение модели скважины с учетом тепловых свойств материалов, из которых изготовлены элементы скважины. Длина элементов модели скважины может составлять от 0,1 м до 1 м.
Потеря тепла может определяться путем расчета коэффициентов конвективного переноса тепла, переноса тепла в затрубном пространстве и естественной конвекции, дополнительно также может определяться суммарный коэффициент переноса тепла с использованием коэффициентов конвективного переноса тепла, переноса тепла в затрубном пространстве и естественной конвекции.
Поток тепла от теплоносителя в окружающую горную среду может определяться с учетом суммарного коэффициента переноса тепла и количества фаз теплоносителя для каждого элемента. Давление для каждого элемента модели может определяться путем оценки (расчета) изменения давления за счет вязкого трения.
На фигуре 1 представлена фазовая диаграмма воды, где 1 кривая изменения давления от температуры, отражающая границу между фазовыми состояниями I и III, 2 -кривая изменения давления от температуры, отражающая границу между фазовыми состояниями II и III, 3 - кривая изменения давления от температуры, отражающая границу между фазовыми состояниями IIIa и IIIb, 4 - кривая изменения давления насыщенного пара от температуры, I область фазового состояния «вода», II область фазового состояния «перегретый пар», III область фазового состояние «сверхкритическая вода» (сверхкритика), IIIa - область фазового состояния "жидко-подобная" сверхкритика, IIIb -область фазового состояния "пара-подобная" сверхкритика, IV - область фазового состояния «насыщенный пар».
На фигуре 2 представлена конструкция скважины с насосно-компрессорными трубами (НКТ).
На фигуре 3 представлена модель скважины, конструкция которой представлена на фиг. 2 с указанием глубины, слоев и типа материала, из которого они выполнены.
На фигуре 4 представлены характеристики скважины с теплоизолированной лифтовой трубой (ТЛТ) с указанием ее глубины, горизонтального смещения и угла наклона скважины, где 5 кривая, отражающая расположение скважины по глубине и горизонтали, 6 точки, отражающие углы наклона соответствующих элементов скважины.
На фигуре 5 представлена модель скважины, характеристики которой указаны на фиг. 4 с указанием глубины, слоев и типа материала, из которого они выполнены.
Ниже представлены примеры реализации заявленного способа определения параметров закачки СКВ, при которых может быть осуществлен способ повышения нефтеотдачи.
Получают (задаются) геометрические размеры (длина, диаметр, углы наклона) основной насосно-компрессорной трубы или теплоизолированной лифтовой трубы и цилиндрических обсадных колонн нагнетательной скважины, а также значения теплопроводности используемых материалов (металл, изоляция, цемент) и коэффициент теплового излучения металла и изоляции.
Для окружающей горной породы, расположенной вокруг скважины, вводятся значения следующих параметров: температура породы на поверхности, геотермический градиент, коэффициент теплопроводности и температуропроводности.
0
0
0
В качестве начальных условий на устье скважины задается массовый расход теплоносителя, время закачки и термодинамические параметры, такие как температура (T), давление (Р) (для влажного пара, перегретого пара, воды и сверхкритической воды) и сухость пара (х) (для влажного пара).
По данным о строении скважины, включающим геометрические данные, строится модель нагнетательной скважины, которая разбивается на конечное число элементов N одинаковой длины Δz. Верхняя точка модели (области) (устье нагнетательной скважины) соответствует точке z=0.
0
0
На первом этапе в точке z=0 (соответствует устью скважины) для заданных начальных значений (Т, P) (для воды, перегретого пара и сверхкритической воды) рассчитываются основные термодинамические параметры теплоносителя (удельная энтальпия, динамическая вязкость, плотность) (начальные условия).
0
0
Для случая двухфазного потока (влажный пар) с использованием заданных начальных условий Т и Р, которые достигаются на выходе из парогенератора, рассчитываются термодинамические параметры теплоносителя для газовой и жидкой фазы по отдельности и с использованием уравнений (1)-(4) вычисляются свойства двухфазной смеси (влажного пара).
g
l
m
g
l
m
m
g
l
где αg - объемная доля пара в потоке, х - сухость пара, ρ и ρ - плотности газовой и жидкой фаз, μ - динамическая вязкость двухфазной смеси, μ и μ - динамическая вязкость газовой и жидкой фаз, ρ - плотность двухфазной смеси, i - удельная энтальпия двухфазной смеси, i и i - удельная энтальпия газовой и жидкой фаз.
На каждом вычислительном шаге Δz с помощью условий для Т и Р, представленных в Таблице 1, определяется область на фазовой диаграмме (Фигура 1), которая соответствует фазовому состоянию теплоносителя (где I - вода, II - перегретый пар, III - сверхкритическая вода, IV - насыщенный пар).
2
3
4
где, Р(Т) - давление на границе раздела перегретый пар - "жидко-подобная" сверхкритика, Р(Т) - давление на границе раздела "пара-подобная" сверхкритика -"жидко-подобная" сверхкритика, Р(Т) давление на кривой насыщения водяного пара.
r
c
Затем рассчитывают коэффициент конвективного переноса тепла - α - с помощью уравнений 5-7, коэффициент переноса тепла в затрубном пространстве за счет механизма излучения (h) и естественной конвекции (h) с помощью уравнений (8) и (9-14), соответственно. После чего с помощью уравнения (15) определяют результирующий (суммарный) коэффициент переноса тепла (U) между потоком в скважине и границей цемент/горная порода, в виде суммы членов, каждый из которых описывает перенос тепла через соответствующий слой скважины в радиальном направлении:
, где
sp
α - коэффициент конвективного переноса тепла, Nu - число Нуссельта, λ -коэффициент теплопроводности для однофазного потока при постоянном давлении, d - внутренний диаметр трубы,
sp
где ƒ коэффициент трения, Re - число Рейнольдса, Pr - число Прандтля для однофазного потока при постоянном давлении,
p,sp
sp
где C - удельная теплоемкость для однофазного потока при постоянном давлении, μ - динамическая вязкость для однофазного потока при постоянном давлении.
ins
cas
i
ins
cas,i
ins
cas,i
где σ - коэффициент Стефана-Больцмана, T и T, - температура на внешней поверхности изоляции и внутренней поверхности обсадной колонны, и ε и ε -коэффициенты излучения внешней поверхности изоляции и внутренней поверхности обсадной колонны, r - внешний радиус изоляции, r - внутренний радиус обсадной колонны.
е,an
где λ эффективный коэффициент теплопроводности среды в вертикальном затрубном пространстве,
an
где λ - реальный коэффициент теплопроводности среды, Gr - число Грасгофа,
an
an
an
где g - ускорение свободного падения, β - коэффициент объемного расширения, μ, ρ - динамическая вязкость и плотностью среды в затрубном пространстве,
р,an
где с - удельная теплоемкость при постоянном давлении в затрубном пространстве,
где  - средняя температура в затрубном пространстве,
0
tub
tub
ins
cas
cas,o
cas,i
cem
cem
где r - внутренний радиус трубы, λ - коэффициент теплопроводности трубы, r -внешний радиус трубы, λ - коэффициент теплопроводности изоляции, λ -коэффициент теплопроводности обсадной колонны, r - внешний радиус обсадной колонны, r - внутренний радиус обсадной колонны, λ - коэффициент теплопроводности цементной колонны, r - внешний радиус цементной колонны.
j
На каждом вычислительном шаге (длине элемента) Δz, на основе вышеперечисленных уравнений рассчитывают поток тепла q от теплоносителя в окружающую горную породу через цилиндрическую систему обсадных колонн (здесь и далее j является переменной расчетного цикла, которая принимает значения от 1 до N).
ƒ
ƒ
0,ƒ
D
где, T и λ - температура и коэффициент теплопроводности окружающей горной породы, T - начальная температура горной породы на поверхности, γ - геотермический градиент, ƒ(t)- функция времени при нестационарном механизме теплопроводности, θ - угол наклона скважины к вертикальной оси направленной вверх, β - коэффициент температуропроводности, t - время закачки, t - безразмерное время.
С использованием уравнений (19) и (20) для однофазного потока определяют значения изменения давления  за счет вязкого трения для каждого элемента Δz:
где, ƒ коэффициент трения, который для гидравлически гладких труб определяется с помощью существующей корреляционной зависимости (20) от числа Рейнольдса (Re), ρ-плотность потока, υ - скорость потока, d - внутренний диаметр трубы.
Расчет падения давления за счет вязкого трения для двухфазного потока осуществлялся с использованием известных уравнений (Lockhart-Martinelli, 1949) для каждого элемента Δz:
g
l
gs
ls
g
l
g
l
g
l
l
g
где,  - массовый расход, Sρ, Sρ (S) - площадь поперечного сечения трубы, υ и υ -скорость проскальзывания газовой и жидкой фаз, х - сухость пара, μ, μ - динамическая вязкость газовой и жидкой фаз, ρ, ρ - плотность газовой и жидкой фаз. Параметры n, m, C, C, X, С, ϕ, ϕ определяются режимом течения газовой и жидкой фаз в скважине (Таблица 2).
Для расчета температуры и давления однофазного потока на каждом следующем вычислительном шаге (j+1) каждого элемента модели скважины решается система дифференциальных уравнений первого порядка с помощью метода конечных разностей:
j+1
j+1
j
j
j
j
где P и T - давление и температура однофазного потока на каждом следующем вычислительном шаге (j+1) каждого элемента модели скважины, P, T - давление и температура однофазного потока на каждом предыдущем элементе модели скважины, Δz - длина элемента модели скважины, ρ - плотность однофазного потока, q - поток тепла.
Для случая двухфазного потока решается система дифференциальных уравнений где определяется изменение давления, температуры и сухости пара:
m,j
где ρ - плотность двухфазной смеси,частная производная температуры по
g
l
j+1
j
j
давлению на кривой насыщения, i, i - удельная энтальпия газовой и жидкой фаз, x, x - сухость пара, q - поток тепла.
Таким образом, для точки модели со значением 0 используют полученные начальные условия, которые достигаются на выходе из парогенератора, затем на основании вышеперечисленных шагов определяют термодинамические параметры теплоносителя (однофазного или двухфазного потока (смеси)), фазовое состояние теплоносителя (таблица 1, фиг. 1) и потери тепла для каждого элемента модели Δz и фиксируют постоянными по всей длине каждого элемента Δz эти значения, затем определяют значения температуры, давления, сухости пара для каждого элемента модели Δz последовательно от устья скважины z=0 к забою скважины z=N, при этом для каждого последующего элемента Δz используют условия, определенные для предыдущего элемента модели.
1
N
1
N
1
N
Выходными данными являются полученные массивы значений [х, …, x], [T, …, T], [Р, …, P] для каждого элемента модели скважины и массивы значений для термодинамических свойств теплоносителя (удельная энтальпия, динамическая вязкость, плотность), получаемые с учетом определенных значений температуры и давления, которые достигаются на выходе из парогенератора.
На основании полученных значений определяют фазовое состояние воды для каждого элемента модели скважины и, соответственно, на забое скважины, исходя из значений температуры и давления фазовых состояний воды и их соответствие области на фазовой диаграмме. Определение значений температуры и давления, которые достигаются на выходе из парогенератора до получения значений температуры, давления и сухости пара на забое скважины может осуществляться до тех пор, пока фазовое состояние теплоносителя на забое скважины будет соответствовать сверхкритическому состоянию воды.
Далее рассматриваются два примера реализации расчета течения СКВ в скважине: первый пример - расчет параметров для течения СКВ по теплоизолированной трубе НКТ с двумя типами изоляционного материала; второй пример - расчет параметров для течения СКВ в компоновке теплоизолированных лифтовых труб (ТЛТ) с двумя типами изоляционного материала и горизонтальным участком скважины. Пример 1.
Получают данные о строении скважины для закачки СКВ. А именно геометрические размеры (длина, углы наклона, диаметр) используемых труб, в данном случае - основной насосно-компрессорной трубы (НКТ) и цилиндрических обсадных колонн нагнетательной скважины (Таблицы 3-5).
Значения теплопроводности используемых материалов (металл, изоляция, цемент, горная порода) и коэффициент теплового излучения металла и изоляции приведены в Таблицах 6-7.
Получают начальные условия, которые включают температуру и давление пара, которые достигаются на выходе из парогенератора, сухость пара для влажного пара, массовый расход теплоносителя, время закачки, температура породы на поверхности, геотермический градиент, коэффициент теплопроводности и температуропроводности.
0
0
0
В качестве начальных условий на устье скважины, задается массовый расход (4 т/ч) теплоносителя, время закачки (100 дней), температура (Т=353.5, 550, 650°С), давление (Р=17.2, 40 МПа) (для влажного пара, перегретого пара, воды и сверхкритической воды) и сухость пара (х=80%) (для влажного пара).
0,ƒ
ƒ
Для окружающей горной породы, расположенной вокруг скважины, вводятся значения следующих параметров: температура породы на поверхности (T), геотермический градиент (γ), коэффициент теплопроводности (λ) и температуропроводности (β) (Таблица 8).
Для определения параметров закачки СКВ, при которых будет достигаться технический результат, использовались различные исходные значения параметров закачки СКВ, которые приведены в Таблице 17.
Для построения модели была рассмотрена типовая конструкция нагнетательной скважины, с диаметрами основных конструкций и интервалами, которая представлена на фигуре 2. На основе типовой конструкции были проведены расчеты с использованием технических решений по теплоизоляции, основанных на минераловатных материалах, и на технических решениях с использованием (теплоизолированных лифтовых труб) ТЛТ труб.
Проводят построение модели скважины, включая геометрические параметры (представлена на фигуре 3) и ее разбиение на конечное число элементов одинаковой длины, при этом верхняя точка скважины соответствует точке модели со значением 0, а максимальное значение точки модели соответствует забою скважины. В данном случае число элементов N выбрано длины Δz составило N=30250, Δz=0.1 м). Верхняя точка модели (устье нагнетательной скважины) соответствует точке z=0. Модель скважины представляет собой совокупность данных о конструкции скважины с учетом материалов, из которых изготовлены трубы скважины, с выделением теплоизолированных интервалов.
Проводят определение термодинамических свойств теплоносителя и потери тепла в начале каждого элемента модели скважины последовательно от устья к забою скважины при использовании в качестве начальных условий на устье скважины температуры и давления пара, которые достигаются на выходе из парогенератора, сухость пара для влажного пара, с учетом температуры на поверхности, геотермического градиента, массового расхода теплоносителя и времени закачки, и фиксация (установление) их постоянными по всей длине каждого элемента модели Δz.
0
0
На первом этапе в точке z=0 для заданных начальных значений (Т, Р) (для воды, перегретого пара и сверхкритической воды) рассчитывают основные параметры теплоносителя (удельная энтальпия, динамическая вязкость, плотность).
С использованием приведенных выше уравнений были рассчитаны параметры для каждого элемента модели Δz скважины. При этом были проведены расчеты для различных значений изоляции (0.023 Вт/м*°С).
0
0
изоляции
1
1
В результате на первом вычислительном шаге для начальных параметров: расход =10 т/ч, температура Т=650°С, давление Р=40 МПа и λ=0.023 Вт/м ⋅ °С были получены значения Т=649.995765°С, Р=40.000102 Мпа для следующего элемента модели z=0.1 м.
Проводят аналогичный расчет для каждого элемента модели скважины с использованием в качестве начальных данных параметры, полученные для предыдущего элемента модели. Пример расчета параметров для трех точек z=0, 0.1 (устье) и z=3025 (забой) представлен в Таблице 9.
Конечный шаг модели нагнетательной скважины представляет собой забой скважины, на котором СКВ должны сохранять свои свойства для обеспечения технического результата.
Полученные данные о свойствах СКВ на забое представлены в Таблице 17, в том числе для различных значений изоляции.
Пример 2.
Получают данные о строении скважины для закачки сверхкритической воды (СКВ). А именно задаются геометрические размеры (длина участков, длина по профилю, углы наклона, диаметр) теплоизолированной лифтовой трубы (ТЛТ) и цилиндрических обсадных колонн нагнетательной скважины (Таблицы 10-13). Таблица 10. Длины участков скважины с трубой ТЛТ.
А также значения теплопроводности используемых материалов (металл, изоляция, цемент) и коэффициент теплового излучения металла и изоляции (Таблицы 14-15).
Для окружающей горной породы, расположенной вокруг скважины, вводятся значения следующих параметров: температура породы на поверхности, геотермический градиент, коэффициент теплопроводности и температуропроводности (Таблица 16).
0
0
0
В качестве начальных условий, на устье скважины, задается массовый расход теплоносителя, время закачки и термодинамические параметры такие, как температура (T), давление (Р) (для влажного пара, перегретого пара, воды и сверхкритической воды) и сухость пара (х) (для влажного пара). Для определения параметров закачки СКВ, при которых будет достигаться технический результат, использовались различные исходные значения параметров закачки СКВ:
0
0
0
В качестве начальных условий, на устье скважины, задается массовый расход теплоносителя, время закачки и термодинамические параметры такие, как температура (Т=353.5,550,650 С), давление (Р=17.2,40 МПа) (для влажного пара, перегретого пара, воды и сверхкритической воды) и сухость пара (х=80%) (для влажного пара).
По геометрическим данным скважины, профиль которой приведен на Фигуре 4, строится модель нагнетательной скважины (представлена на Фигуре 5), которая разбивается на конечное число элементов N одинаковой длины Δz (в данном случае N=37000, Δz=0.1 м). Верхняя точка области (устье нагнетательной скважины) соответствует точке z=0.
0
0
На первом этапе в точке z=0 для заданных начальных значений (Т, Р) (для воды, перегретого пара и сверхкритической воды) рассчитывают основные термодинамические параметры теплоносителя (удельная энтальпия, динамическая вязкость, плотность).
С использованием приведенных выше уравнений были рассчитаны параметры для каждого элемента модели скважины Δz. При этом были проведены расчеты для различных значений изоляции (0.01 Вт/м*°С и 0.05 Вт/м*°С).
0
0
ins
1
1
В результате на первом вычислительном шаге для начальных параметров =10 т/ч, Т=650°С, Р=40 МПа и λ=0.01 Вт/м ⋅ °С были получены значения Т=649.998242°С, Р=40.000042 МПа, аналогично примеру 1.
Конечный шаг модели нагнетательной скважины представляет собой забой скважины, на котором СКВ должна сохранять свои свойства для обеспечения технического результата.
Полученные данные о свойствах СКВ на забое представлены в Таблице 17.
Как видно из данных, приведенных в Таблице 17, технический результат достижение забоя скважины воды в сверхкритическом состоянии, будет достигнут при использовании НКТ при следующих параметрах: 1) температура 550°С, давление 40 МПа, изоляция 0.023 Вт/м*°С; 2) температура 650°С, давление 40 МПа, изоляция 0.023 Вт/м*°С; 3) температура 650°С, давление 40 МПа, изоляция 0.12 Вт/м*°С. А также при использовании ТЛТ при следующих параметрах: 1) температура 550°С, давление 40 МПа, изоляция 0.01 Вт/м*°С; 2) температура 650°С, давление 40 МПа, изоляция 0.01 Вт/м*°С; 3) температура 650°С, давление 40 МПа, изоляция 0.05 Вт/м*°С.
Способы, представленные в примерах, могут быть осуществлены с использованием системы для определения параметров закачки СКВ или машиночитаемого носителя.
Достижение технического результата для способа повышения нефтеотдачи подтверждается сохранением свойств СКВ при определенных условиях согласно заявленному способу параметрах закачки СКВ.
Полученные данные подтверждают также, что достижение технического результата будет обеспечиваться не только при высоких значениях температуры и давления, что позволяет использовать в определенных условиях более простое оборудование и сокращать энергозатраты.
Точность численного определения параметров закачки повышается по сравнению с описанными выше способами расчета за счет использования для расчета термодинамических свойств воды высокоточных корреляционных зависимостей IAPWS-97 (стандарт для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара).