Численное исследование восходящего нефтегазового потока в вертикальной скважине с установкой электроцентробежных насосов

• Автор: Бородин, Станислав Леонидович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Тюмень
• Количество страниц: 94 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Многофазный поток в скважине
1.2. Эксплуатация скважин установками погружных электроцентробежных насосов
1.3. Отложения парафинов
1.4. Заключение
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
2.1. Схема скважины
2.2. Математическая модель восходящего течения двухфазной смеси в вертикальном канале
2.3. Теплообмен скважинного потока с окружающей породой
2.4. Изменение параметров потока вследствие эксплуатации скважины установкой электроцентробежных насосов
2.5. Отложения парафинов
2.6. Постановка начальных и граничных условий
2.7. Заключение
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
3.1. Алгоритм расчётов
3.2. Апробация
3.3. Численные эксперименты
3.4. Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Приложение
Приложение
ВВЕДЕНИЕ

При разработке нефтяных месторождений важно осуществить такой выбор технологических и инженерных решений, который позволит повысить эффективность эксплуатации скважин. Определить такие решения можно путём численного исследования. Практика показывает, что чем шире круг моделируемых процессов, тем точнее и надёжнее выполняемые прогнозы. Таким образом, при проведении численного исследования следует в комплексе учитывать широкий круг актуальных обстоятельств, имеющих место при эксплуатации скважин.
На многих нефтяных месторождениях, из-за ухудшения эксплуатационных условий, процесс добычи нефти возможен лишь при его модернизации и одним из наиболее распространённых методов при этом является применение установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН). Ряд нефтяных месторождений находится в районах вечной мерзлоты, где тепловое взаимодействие продукта скважины с окружающей мёрзлой породой сопровождается протаиванием мёрзлого грунта. Так же требует внимания то обстоятельство, что многие нефтяные месторождения характеризуются высоким содержанием в нефти тяжёлых высокомолекулярных углеводородов (нефтяных парафинов) и при движении такой нефти от продуктивного пласта до нефтесборных систем происходит образование в трубах твёрдых отложений.
К настоящему времени отсутствует комплексное, с учётом всех вышеназванных обстоятельств, математическое описание работы скважины, что и определяет цель работы - разработать и обосновать математическую модель восходящего течения нефтегазовой смеси в вертикальной скважине, которая эксплуатируется установкой электроцентробежных насосов и проходит через толщу многолетних мёрзлых пород и провести численное исследование особенностей гидродинамических и тепломассообменных процессов, возникающих при таком течении.
Научная новизна.
1. Построена оригинальная математическая модель работы добывающей скважины, которая в комплексе учитывает структуру потока; фазовые переходы, изменение параметров потока вследствие эксплуатации скважины УЭЦН, теплообмен скважины с окружающими породами с учётом протаивания в зоне многолетнемёрзлых пород.
2. В ходе численного исследования определены способы, которые позволяют сохранять в скважине благоприятную температурную обстановку (температуры в скважине должны быть выше температуры начала кристаллизации парафинов) и тем самым предотвратить или существенно снизить рост парафиновых отложений.
3. Установлено, что радиус протаявшей зоны в многолетних мёрзлых породах немонотонно зависит от коэффициента теплопроводности вещества в межтрубном пространстве скважины.
Практическая и теоретическая ценность. В диссертационную работу вошли результаты исследований, выполненных в соответствии с планами фундаментальных исследований РАН, а также в рамках государственного контракта №02.516.11.0004 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», государственного контракта № 119-ДОН по Тюменской областной целевой научно-технической программе и подержанных грантом РФФИ № 08-01-90300-Вьет_а, грантами Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ (руководитель научной школы - академик РАН Р.И. Нигматулин), грантом Губернатора Тюменской области на реализацию проекта по фундаментальным и прикладным научным исследованиям.
Полученные результаты могут быть использованы для выбора наиболее эффективных способов эксплуатации действующих скважин, оснащённых установками электроцентробежных насосов. В ходе исследования определены

Получим уравнение сохранения массы лёгкой компоненты путём сложения уравнений из (2.2.4) и (2.2.5), содержащих параметры, относящиеся к лёгкой компоненте:
+ = о => %1 = вй. (2.2.6)
(Ь йг с1г йг
т.е. массовый расход лёгкой компоненты остаётся постоянным.
Используя соотношения (2.2.3) и (2.2.6), и, учитывая, что
= /с,(Л)/я, (г = /,я; у = М,Ь), можно выразить массовые расходы фаз в виде:
7У11с„(г //// г 7Т1( г Умк'МЬ) ъ

к -к & к
1{Ь) К8(Ь) %£)
где £,(у) (/' = /, g; у =М,Ь)- массовая концентрация в /'-ой фазеу'-ой компоненты.
Исходя из закона Дальтона о суммарном давлении смеси газов, полное давление газовой фазы равно сумме парциальных давлений компонент:
Р = Р(м) + Р(ь)> (2-2-8)
где Р( /) (у = М, Ь)~ парциальное давлениеу-ой компоненты в газовой фазе.
Положим, что парциальное давление паров жидкости равно значению давления насыщения при текущей температуре и аппроксимируется следующей функцией:
рЩ) =р.ехр(-Тя/Т), (2.2.9)
где Т- температура; у>* и Г* - эмпирические аппроксимационные параметры.
Для зависимости парциального давления легкой компоненты от его массовой концентрации в жидкой фазе примем закон Генри:
Р(ь) = (Г)/(Х)2 (2.2.10)
где (ЗЦ) - постоянная Генри.
Тогда из уравнений (2.2.8), (2.2.9) и (2.2.10) можно получить следующее
выражение для определения массовой концентрации в жидкой фазе лёгкой
компоненты:
кщ.) ={р ~ Р(М))/(*щ (2.2.11)