книги / Многофазный поток в скважинах
..pdfОт редакционного совета
В естественных науках правильная теория состоит просто из фактов и здравых из них вы водов, приведенных в математическую формулу
В.Дж. М. Рамкин {По А. Н. Крылову)
Дорогие читатели!
Очередную книгу серии «Библиотека нефтяного инжиниринга НК «Роснефть» мы решили посвятить очень важной для нефтяной науки теме — гидродинамике мно гофазных потоков.
Большое число экспериментальных и теоретических работ посвящено данной про блеме, однако она все еще далека от окончательного разрешения. Строго теоретические постановки задач в механике многофазных потоков возможны только в простейших слу чаях, поэтому наилучшими являются подходы, в которых упор делается на физически содержательное обобщение экспериментальных данных. Предлагаемая вашему внима нию монография Дж. Брилла и X. Мукерджи написана в рамках именно такого подхода. Она в доступной форме знакомит читателя со всеми основными достижениями при кладной гидродинамики многофазных сред, которая в последние десятилетия получила очень большое развитие, став эффективным инженерным инструментом решения та ких Практически важных задач, как расчет НКТ и подбор оборудования, определение профилей давления и прогноз дебитов горизонтальных скважин.
Основным достоинством монографии является системность и простота. Примене ние конкретных методов, теоретических и полуэмпирических формул иллюстрируется на практических примерах, что превращает книгу в превосходный учебник. Поэто му эта книга будет полезна всем — как студентам, преподавателям и ученым, так и практикующим инженерам.
Желаю Вам больших успехов!
Первый вице-президент |
С. И. Кудряшов |
ОАО «НК «Роснефти» |
|
От редактора русского перевода
Создание математической модели гидродинамического течения таких сложных си стем, к которым относятся углеводородные флюиды, является достаточно трудной за дачей, требующей высокой квалификации выполняющих ее сотрудников. Вопрос за ключается не столько в проблемах самого программирования, сколько в построении «правильной», то есть адекватной модели. Однако, чем сложнее модель, чем больше определяющих параметров в ней учитывается, тем больше замыкающих соотношений необходимо задать. Сделать это, как правило, удается только на основе использования дополнительных полуэмпирических зависимостей. Чтобы правильно и оптимальным образом выполнить некую технологическую задачу, необходимо предварительно про вести моделирующие эту задачу численные эксперименты на основе некоторой адекват ной модели, построение которой возможно лишь после проведения огромного числа физических (а лучше промысловых) экспериментов.
Однако существует и другой способ — при построении модели воспользоваться для ее замыкания полуэмпирическими зависимостями, полученными и обобщенными другими исследователями. В этом смысле было бы чрезвычайно полезно иметь некий обобщающий справочник по промысловым экспериментам.
Заметим, что течения в скважинах, как правило, имеют достаточно сложную структуру, при этом возможно протекание фазовых переходов и химических реакции. Нужно сказать, что глубокое исследование многофазных течений проведено физикамиэкспериментаторами в основном для воздухо-водяных смесей, что позволяло широко использовать оптические методы. Для непрозрачных жидкостей таких широких экспе риментов в рамках фундаментальных исследований не проводилось, и в этом смысле становятся незаменимыми обзоры лабораторных и промысловых экспериментов (в том числе проводимых частными нефтегазовыми компаниями) и их математической обра ботки. Примером такого широчайшего обзора и является данная книга, которая будет полезна не только исследователям в области течений углеводородов в каналах и подъ емниках, но и может быть использована в процессе обучения в вузах: студенты, маги странты и аспиранты найдут в ней огромное число примеров простейших инженерных расчетов.
Стоит отметить, что, хотя в данной книге авторы и касаются, некоторым обра зом, общих принципов построения моделей многофазных потоков, все-таки основное внимание здесь уделено методам инженерных расчетов на основе модернизированных одномерных моделей, исходным для которых является уравнение движения Уоллиса. Кроме того, от имени редакции считаем нужным предостеречь «пользователей» от применения предлагаемых в книге формул без их внимательного изучения в плане применения к определенному технологическому процессу. Также обращаем внимание читателей на «инженерный» (размерный) вид некоторых формул, о чем читателям будут
напоминать редакторские ссылки. |
|
к.ф.-М.н., |
М. Н. Кравченко |
Факультет разработки нефтяных и газовых |
|
месторождений Российского государственного |
|
университета нефти И газа им. И. М. Губкина |
|
Предисловие авторов к русскоязычному изданию
Мы испытываем глубокое удовлетворение в связи с выходом в свет русского пере вода монографии «Многофазный поток в скважинах» Американского общества инже- неров-нефтяников (SPE). В 1999 году оригинальное издание этой книги вошло в список бестселлеров SPE, и мы надеемся, что переводное издание в не меньшей степени будет востребовано русским читателем. К нашему удовольствию и, разумеется, пользе самой книги, в переводном издании уже учтены и исправлены все опечатки из списка Errata, который мы составили для оригинального издания. Стоит также отметить, что, хотя эта монография и была издана по инициативе SPE, представленные здесь результаты исследований и методики расчетов будут весьма интересными и полезными не только для специалистов нефтегазового производства, но и для исследователей и инженеров, работающих в химической и ядерной отраслях промышленности.
Хотелось бы обратить особое внимание читателей на особенности расчета давле ния в многофазном потоке и связанные с этим возможные погрешности вычислитель ных результатов. Определение физических свойств флюида непосредственно связано с расчетами градиента давления, и любая ошибка при установлении физических свойств флюида в рамках моделей нелетучей нефти или композиционных моделей может су щественно повлиять на общую точность алгоритма расчета давления многофазного флюида. Таким образом, вопросу корректности моделей и формул, описывающих фи зические свойства флюида, следует уделять повышенное внимание.
С момента выхода в свет оригинальной монографии было проведено множество новых исследований многофазных течений в трубах, результаты которых дополняют информацию, представленную в данной монографии. В связи с этим обращаем вни мание наших читателей, что в 2006 году выйдет в свет еще одна книга из этой же серии монографий SPE под названием «Механистическое моделирование газожидкост ного двухфазного потока в трубах» (Mechanistic Modeling of Gas/Liquid Two-Phase Flow in Pipes). Особенностью новой книги является описание двухфазного потока в почти горизонтальных трубах, а также переходного двухфазного потока — эти немаловажные темы не раскрываются в рамках настоящей монографии.
Среди современных направлений исследований, проводимых с 1999 года, можно выделить следующие направления, которым уделяется наибольшее внимание на техни ческих конференциях и в научно-технической литературе:
•Унифицированное моделирование многофазного течения. Такой подход позволит моделировать на современном уровне потоки в трубах с любым углом наклона, используя уравнения сохранения как для режима течения, так и прогнозирования потерь давления.
•Поведение потока при раздельном течении, характерное для трубопроводов с жир ным газом.
•Прогнозирование парафиновых отложений в условиях многофазного потока.
•Поведение потока в условиях образования гидратов.
•Разработка и моделирование газожидкостных циклонных компактных сепараторов (ГЖЦКс).
•Разработка и моделирование многофазных насосов и измерительных приборов.
•Исследование переходного многофазного потока, включающее модификации OLGA и разработку моделей нового поколения.
•Механистическое моделирование межфазного переноса тепла в трубопроводе.
•Устранение серьезных закупориваний труб в системах со стояком подводного тру бопровода.
• Прогнозирование закупоривания в трубопроводах с многофазным течением.
• Поведение многофазного потока с тяжелой нефтью и эмульсиями.
По многим из перечисленных тем были предприняты попытки проведения ис следования многофазного потока в рамках межотраслевых проектов (Joint Industry Projects), главным образом, в США, Великобритании, Норвегии и Франции. Для получе ния своевременной информации о развивающихся технологиях мы настоятельно реко мендуем обращаться к публикациям в таких авторитетных журналах как International Journal o f Multiphase Flow, SPE Production & Operations Journal, AIChE Journal and Journal o f Energy Resources Technology. К другим источникам изучения новейших тех нологий многофазного потока можно отнести технические конференции, например, форумы SPE и Конференции Исследовательской группы в области биотехнологии и жизнедеятельности человеческого организма (BHR Group), посвященные исследова нию многофазных течений. Начиная с 1983 года, BHR конференции проводятся два раза в год в Европе, а с 1998 года также в г. Банф, Канада. Как правило, в данных конференциях участвует более ста самых активных в мире исследователей многофаз ного потока, на них проводятся презентации 35-40 докладов и нескольких «постеров», также организаторами предусматриваются прекрасные возможности для углубленного обсуждения различных вопросов.
ретроградной конденсации в газоконденсатном коллекторе может произойти выделение углеводородистых жидкостей, так что газожидкостная смесь попадает в ствол скважи ны. Даже если у подошвы скважины присутствует однофазный поток газа или жидко сти, по мере движения вдоль ствола скважины он может превратиться в многофазный из-за выделения газа из нефти или конденсации газа по мере падения давления и тем пературы при восходящем движении флюидов по скважине.
Как правило, наземные скважины бурят практически вертикально, однако при раз работке морских месторождений или разработках в неблагоприятных условиях (напри мер, в Арктике) бурят наклонные или горизонтальные скважины. При этом наклон сква жин варьируется от вертикального (вблизи поверхности) до горизонтального (в зоне продуктивного пласта). Дебиты газа, нефти и воды значительно разнятся. Для добычи используют трубы диаметром от 25,4 до 228,6 мм. Поток также может протекать по затрубному пространству, образованному обсадной (внешней) и стволовой (внутренней) колоннами. Глубина скважин может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч метров и даже превышать шесть километров1 Давление в скважинах бывает как очень низким (в пределах нескольких атмосфер), так и очень высоким (до 1400 бар). Темпе ратура в одних случаях может превышать 200° С, в других достигать уровня замерзания воды. При этом вязкость флюида может меняться от 1 сП до значений, превышающих 10000 сП.
Из пласта флюид поступает в скважину через сложную систему гравийных филь тров, трещин, перфорационных отверстий обсадных колонн и т. п. в области забоя сква жины. Влияние этой зоны важно учесть при расчете зависимости дебита от забойного давления. Для большинства скважин используются особые устройства, контролирую щие давление, с помощью которых добытые флюиды проходят сквозь ограничитель в стволе скважины. В качестве ограничителя может служить забойный штуцер, сква жинный предохранительный клапан или устьевой штуцер переменного размера с ди станционным управлением. Можно вести механизированную (насосно-компрессорную) добычу с помощью погружных бесштанговых насосов или путем нагнетания в пласт природного газа.
В результате большой изменчивости свойств добываемых флюидов развитие мето дов прогнозирования характеристик потока значительно усложняется. Методы, исполь зуемые для газоконденсатных скважин, не всегда являются применимыми для нефтя ных. Принимаемые предположения, верные для одних скважин, абсолютно не подходят для других.
1.2. Цели монографии
Явление возникновения многофазного потока с одновременным течением двух или трех фаз в трубах характерно не только для нефтяной промышленности при до быче и последующей переработке нефтепродуктов на нефтехимических и нефтепе рерабатывающих заводах, но также может иметь место в технологических процессах
идругих отраслей производства. Многофазные течения могут возникать в таких раз личных устройствах, как парогенераторы, автомобильные двигатели, коллекторы лив невых канализаций, ядерные реакторы и др. Следовательно, полезную информацию по многофазному потоку в трубах можно найти в технической литературе по машиностро ению, гражданскому строительству, технологии нефтедобычи, химической технологии
иядерной энергетике. К сожалению, в каждой технической области используется своя терминология, единицы измерения и номенклатура, а также уделяется особое внима ние совершенно различным параметрам потока. Важной целью данной монографии
'Существуют скважины и более десяти км. — Прим. ред.
является рассмотрение всех технологий, применяемых в разных областях, но имеющих отношение к рассматриваемой проблеме, в едином ключе с использованием термино логии и единиц измерения, принятых Обществом инженеров-нефтяников.
Существует много различных методов прогнозирования характеристик многофаз ного потока в скважинах. Одни из них универсальны, другие — применимы лишь в от дельных случаях. Некоторые методы предполагают использование опытных данных, другие — позволяют моделировать те явления, которые встречаются на практике. При проектировании скважин инженеры должны учитывать все ограничения, налагаемые каждым из существующих методов. Поэтому второй целью данной монографии являет ся описание важнейших методов прогнозирования характеристик потока в скважинах, их возможных ограничений и условий применения.
Наконец, чтобы оптимизировать свои проектные расчеты, инженеры-проектиров щики скважин должны иметь надлежащее представление о существующих методиках вычислений. К ним относится, например, совместный расчет течения в продуктивном пласте и скважине с учетом наземных объектов. Также инженеры должны быть осве домлены о компьютерных алгоритмах, физических свойствах флюидов и процессах массообмена, происходящих в многокомпонентных смесях. Этим понятиям посвящена значительная часть настоящей монографии.
1.3. Структура монографии
Для прогнозирования характеристик многофазного потока в скважинах необхо димо хорошо знать не только те принципы, которые изучаются в рамках учебного плана большинства инженерных дисциплин. Прежде чем овладеть технологией рабо ты с многофазным потоком, надо не только освоить теорию механики однофазной жидкости, принципы термодинамики и теплопередачи, но и получить представление о равновесии между жидкостью и газом, а также о физических свойствах многоком понентных углеводородных систем. Поэтому достаточно широко данная монография будет касаться, в том числе и перечисленных тем.
В главе 1 формулируются цели монографии и описываются условия существования многофазного потока при добыче и транспортировке нефти и газа. Приводятся ссылки на некоторые значимые публикации, которые долгое время формировали представление читателей о работе всей системы, обеспечивающей течение флюидов из продуктивных пластов в наземные резервуары и включающей в себя технологическое оборудование. Наконец, здесь кратко обсуждаются вопросы терминологии, коэффициентов преобразо вания размерностей и применения метрической системы единиц СИ. В приложении А приводится полный список используемых терминов, условных обозначений и перевод ных коэффициентов.
Основные теоретические сведения представлены в главах 2-5. Во второй главе дан обзор важнейших понятий, относящихся к однофазному установившемуся потоку обычной вязкой жидкости, потоку жидкости аномальной вязкости либо течению газа. Также здесь рассматриваются законы сохранения массы и импульса и их использование при прогнозировании градиента давления в обычных трубах круглого сечения и затрубноМ пространстве. В рамках второй главы описывается применение закона сохранения энергии, принципы термодинамики и теплопередачи при прогнозировании температур ного режима флюида, который в нагретом состоянии продвигается из продуктивного пласта вверх по скважине и далее по кондуктору.
Вглаве 3 описываются переменные, определяющие течение многофазного потока
втрубах. Приводятся методы, использующие модель нелетучей нефти и композицион ную модель для прогнозирования процесса массообмена и объемного расхода жидкости
впластовых условиях. Рассматриваются основные способы определения значений па
раметров смеси. Подробно описываются режимы течения в трубах круглого сечения и затрубном пространстве. Обсуждается значимость такого параметра, как объемное содержание жидкости, а также описываются способы его расчета. В этой главе также дан стандартный алгоритм вычисления значений давления и температуры, зависящих от длины траверса. В приложениях В и С приводятся методы прогнозирования фи зических свойств флюидов и процесса массообмена для системы нелетучей нефти
икомпозиционной системы.
Вглаве 4 подробно описываются корреляции и механистические модели, кото
рые наиболее часто используются для прогнозирования режимов течения и градиента давления в скважинах.
На большинстве скважин используется своего рода ограничитель для регулиро вания расхода жидкостей и защиты напорного оборудования. В главе 5 содержится подробное описание критического и докритического потока при течении однофазной или многофазной смеси через штуцера и такие элементы трубопровода, как клапан, колено и тройник.
Изучив теоретический материал, содержащийся в главах 2-5, читатель сможет пе рейти к рассмотрению важнейших случаев практического применения методов расчета многофазного потока в скважинах, описанных в главе 6. Также в этой главе приводятся принципы анализа системы добычи NODAL™ , включая процессы первичной добы чи или добычи с использованием газлифта и насосов, а также описываются способы решения таких задач, как прогнозирование скоростей эрозии в скважинах.
Несмотря на то, что монография в основном посвящена многофазному потоку в вертикальных или наклонных скважинах, содержащийся в ней материал можно использовать для расчета многофазных потоков в субгоризонтальных трубопроводах
инефтепроводах.
1.4.Исторические предпосылки
На сегодняшний день существует множество научных подходов (концепций), из начально предложенных Гилбертом [2], которые используются для анализа произво дительности скважин с применением первичных и механизированных методов добы чи. Гильберт разделил систему добычи на три отдельных блока по категории потока: приток из пласта, вертикальный поток в скважине, зависимый от диаметра штуцера дебит скважины. Специальные графические методы позволяют попарно рассматривать данные категории (приток из пласта и поток в скважине, поток в скважине и поток в трубах) для анализа работы каждой отдельной скважины. Обратим внимание читате лей на то, что практически такая же методика используется и в настоящее время — это анализ системы добычи или, по-другому, анализ NODAL. Только современные методы, описывающие производительность каждого компонента системы добычи, значительно усовершенствованы. Также Гилберт четко описал характеристики неустановившегося потока, который может возникать в скважине, и разработал способы минимизации или устранения данного эффекта. Позже Нинд [3] расширил область применения концепций Гилберта и внес свои уточнения.
С исторической точки зрения особенно интересно рассмотреть развитие методов прогнозирования производительности вертикального потока в скважине. Брилл и Арирачакарян [4] условно выделяют три характерных периода.
1.4.1. Эмпирический период (1950-75)
Большинство исследователей того времени опирались в основном на результаты лабораторных экспериментов, а не на промысловые данные. Как правило, экспери
ментальные данные содержали информацию о дебитах газа и жидкости, физических свойствах каждой фазы, диаметрах труб и углах их наклона, давлении на входе и выходе трубы. В некоторых случаях исследовались режимы потока, при этом замерялось объ емное содержание жидкости с помощью быстро закрывающегося шарового клапана. Флюиды рассматривались как однородные смеси, однако принимался во внимание тот факт, что фазы движутся с разными скоростями, и это позволяло учитывать эффект про скальзывания между фазами путем применения эмпирических корреляций. Инженеры пользовались картами режимов потока, которые часто были построены на основе групп безразмерных величин. Опираясь на законы сохранения импульса и массы, были выве дены уравнения градиента давления для установившегося потока однородных смесей. Составляющая градиента давления по трению рассчитывалась с помощью уравнений для однофазного потока, что привело к широкому использованию чисел Рейнольдса для смесей. Чтобы сделать поправку на присутствие второй фазы, некоторые исследователи использовали в уравнениях эмпирический коэффициент умножения, который позволял увеличить величину силы трения.
В семидесятых годах в нефтяной промышленности пытались использовать неко торые основные физические принципы, которые уже применялись в других отраслях промышленности. Особенно ярко эта тенденция проявилась в области прогнозирования режимов потока и скорости подъема пузырьков газа в столбике жидкости. Отметим две статьи, посвященные многофазному потоку в горизонтальных трубах, которые можно назвать классическими. Их авторами являются Дьюклер и Хаббард [5], Тейтель и Дьюклер [6]. Очевидно, что уже в те времена для расчета характеристик пробкового режима течения и прогнозирования других режимов использовались механистические модели.
Таким образом, в рамках эмпирического периода было разработано множество эмпирических корреляций, которые не обладали достаточной точностью, поскольку не учитывали многие физические механизмы. Даже после того, как эти механизмы были частично включены в корреляции, их исследование затруднялось отсутствием достаточно точного оборудования и систем сбора данных в режиме реального времени.
1.4.2. Годы пробуждений (1970-85)
Использование эмпирических корреляций для прогнозирования градиента давле ния совпало с появлением персональных компьютеров (ПК) в начале восьмидесятых годов. Это привело к значительному усовершенствованию инструментов, применяемых инженерами-нефтяниками. Была разработана четкая методика численного интегриро вания уравнения градиента давления по длине трубы, так что практически каждая крупная нефтегазодобывающая компания стала применять компьютерные программы прогнозирования перепадов давления или расхода жидкости в скважинах и трубопро водах. Появились методы совместного расчета течения в скважине и продуктивном пласте, учитывающие взаимосвязь между забойным давлением и ее общим дебитом. Брауном [7] была разработана концепция анализа системы добычи NODAL™ .
К сожалению, вскоре выяснилось, что существующие методы имеют множество недостатков. Эмпирические карты режимов потока были недостаточно точными. Пере ходы из одного режима потока в другой, как оказалось, зависели не только от дебитов фаз (приведенных скоростей), но и от других параметров, в особенности от угла на клона скважины. Эмпирические корреляции для объемного содержания жидкости для каждого режима потока также оказались неудовлетворительными. Стало очевидно, что рассмотрение флюидов в качестве однородных смесей, — это слишком упрощенная модель. Если не учитывать более фундаментальные физические принципы, точность прогнозирования ие увеличится, сколько бы данных ни собиралось с помощью ла