Балансы энергии и давления в добывающей скважине. Факторы, определяющие выбор способа эксплуатации нефтяной скважины

Артезианские скважины. Такие скважины фонтанируют, когда пластовое давление больше гидростатического давления столба жидкости в скважине, т. Е.

Рпл>ρ_жGh,

где ρ_ж — плотность жидкости. При установившемся режиме экс­плуатации скважины забойное давление

Определяют его по уравнению притока в зависимости от де­бита скважины Q. При линейной фильтрации р_з = Рпл — (QIK), где К — коэффициент продуктивности скважины. Забойное дав­ление компенсирует гидростатическое давление столба жидко­сти, потери на трение при ее движении и давление на устье, необходимое для транспорта продукции, т. Е.

Р_з = ρ_жGh + р_тр, + р_у. (VII.1)

Потери давления на трение при движении жидкости по трубам рассчитывают по уравнению Дарси— Вейсбаха

Ртр = 8Λq²ρ_жН/π²d⁵,

где λ — коэффициент гидравлического сопротивления; d — внут­ений диаметр труб. Так как эти потери пропорциональны длине трубы при турбулентном и ламинарном режимах течения, уравнение (VII. 1)—линейная функция давления относительно глубины скважины H (рис. VII. 1).

Фонтанные нефтяные скважины. Фонтанирование таких скважин может происходить и при пластовом давлении, меньшем, чем гидростатическое давление столба жидкости в скважине. Это обусловлено большим количеством растворен­ного в нефти газа. Со снижением давления во время подъ­ема продукции скважины в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) выделяется растворенный газ и образуется газожидкост­ная смесь плотностью ρ_см (ρ_см<ρ_ж)-

Условие фонтанирования нефтяной скважины:

Рпл>ρ_смGh. (VI 1.2)

Уравнение баланса давления имеет вид

Рз =ρ_смGh.+ P_тр + Р_у, (VII.3)

где ρ_см — средняя плотность смеси вдоль колонны НКТ.

На рис. VII.2 показаны кривые изменения давления с глу­биной в фонтанных скважинах. На участке от забоя до точки, где давление равно давлению насыщения р_н, движется одно­родная жидкость, поэтому давление изменяется по линейному закону. При снижении_давления ниже р_н из раствора начинает выделяться газ и образуется газожидкостная смесь. Чем меньше давление (при приближении к устью скважины), тем больше выделится газа, а уже ранее выделившийся — расширится, т. Е. меньше будут плотность смеси и градиент давления. В этом случае давление вдоль лифта при движении газожидкостной смеси изменяется по нелинейному закону. Если забойное давле­ние меньше давления насыщения, то нелинейность указанной зависимости p = f(H) будет наблюдаться по всей глубине сква­жины. За счет изменения потерь на трение закономерность из­менения давления будет более сложной, чем на рис. VII.2.

Итак, количество свободного газа в смеси вдоль ствола скважины увеличивается по мере приближения к устью, соот­ветственно меняется и плотность смеси. Поэтому в формулах (VII.2) и (VII.3) принята средняя плотность смеси рем, соот­ветствующая среднему объему выделившегося газа, приходя­щегося на единицу массы или объема жидкости.

Механизированные скважины. При разработке ме­сторождения энергия на забое уменьшается вследствие паде­ния пластового давления или обводнения скважины. Тогда для поддержания дебита скважины постоянным необходимо сни­жать забойное давление. Рассмотрим кривые p = f(H) на рис. VII.2 (они смещаются влево). Давление на устье надает, что может стать недостаточным для транспорта продукции сква­жины к сборному пункту.

В процессе обводнения скважины увеличивается плотность жидкости и, что более существенно, уменьшается количество поступающего в скважину газа. Если р₃>р_н, практически весь газ выделяется из нефти, в воде же его содержание пренебре­жимо мало. В результате с ростом обводненности уменьшается количество газа в смеси и увеличивается ее плотность. Градиент давления возрастает, и при одном и том же забойном давлении это приводит к необходимости уменьшения устьевого давления.

Наступает момент, когда равенство (VII.3) не может быть выполнено и тогда необходим подвод дополнительной энергии (энергии сжатого газа или механической энергии насоса).

На рис. VII.3 и VII.4 показаны кривые изменения давления в газлифтной и насосной скважинах. При газлифтном способе эксплуатации для уменьшения плотности газожидкостной смеси на глубине L в продукцию нагнетают дополнительное количе­ство свободного газа. В результате под воздействием забойного р₃ давления обеспечивается подъем более легкой смеси и созда­ются условия, необходимые для транспорта продукции.

При насосном способе эксплуатации на глубину L спускают насос, давление на выкиде которого р_в достаточно для подъема продукции скважины.