Повышение эффективности одновременно-раздельной эксплуатации пластов на базе исследований тепловых характеристик продукции скважин

Во введении обоснованы актуальность и важность исследований теплового режима установки ОРД – ЭЦН-СШН на скважинах с большим
интервалом между пластами, сформулированы цель и задачи исследования.
В первой главе на основе изучения опыта эксплуатации и анализа литературных данных выявлены и изложены результаты исследований теплового режима установок ЭЦН и СШН, оценена область применимости
методов расчета теплового режима.
В работе использованы труды ученых, которые внесли значительный
вклад в решение задач в исследуемой области: А.Н. Адонин, Ю.В. Антипин, Ю.А. Балакиров, Ю.В. Зейгман, В.Н. Ивановский, В.М. Люстрицкий, В.П. Максимов, И.Т. Мищенко, А.М. Пирвердян, В.И. Сердюк, К.Р. Уразаков, К.М. Гарифов, М.М. Хасанов, Л.Г. Чичеров, В.И. Щуров и другие.
Начало внедрения установок ОРД в ПАО «НК «Роснефть» приходится на 2008 г. Наиболее широкое распространение получили установки ОРД на основе ЭЦН-СШН, что обусловлено небольшими глубинными дебитами верхнего приобщаемого пласта. На Рисунке 1 приведена динамика внедрения ОРД – ЭЦН-СШН. Следует отметить, что общая тенденция внедрения ОРД – ЭЦН-СШН связана с увеличением интервала залегания эксплуатируемых пластов (Рисунок 2), изменениями температурного режима, в основном за счет скважин, эксплуатирующих более глубокие пласты.
При этом, как показывает практика, подбор нефтепромыслового оборудования и параметров работы ЭЦН СШН осуществляется по оперативным промысловым данным, наличия или вероятности возникновения осложняющих факторов, без учета условий совместной эксплуатации, изменений вязкостно-температурных характеристик нефти.
Тепловой режим установок ЭЦН исследован во многих работах. Как известно, температура жидкости на выходе из установки ЭЦН выше окружающей среды, и связано это как с теплофизическими процессами в двигателе, так и факторами, влияющими на его отвод, как режим течения и теплофизические характеристики скважинной продукции. Согласно
технологической схемы установки ОРД – ЭЦН-СШН температурное поле
распространяется как в направлении СШН, так и в сторону горной породы. 25
20 15 10
13,6
11,5 9,3
50 20,3
40 30 20
2,7
12,5
7,37 13
8,7 11,1
1 15 6 9 12 12 9 10
3 10 8 8 4 2 3 010
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Доп. добыча нефти, тыс. т ОРД – ЭЦН-СШН ОРД – ЭЦН-СШН (ПЭД в кожухе)
Рисунок 1 – Внедрение ОРД – ЭЦН-СШН в ПАО «НК «Роснефть»
1000 34 40
800
400
22
23
30 20 10
99
13 13
11 00
Расстояние между пластами, м Кол-во скв.
Рисунок 2 – Средние интервалы залегания пластов эксплуатируемых ОРД – ЭЦН-СШН
332 350 349
302 178
405 158
236 448
∆h, м
Кол-во скв.
Доп. добыча нефти, тыс. т
Ко-во скв.
При совместной эксплуатации ЭЦН и СШН на тепловой режим работы штангового насоса, рассчитанного на отбор жидкости с верхнего пласта во многом влияет восходящий поток жидкости, поднимаемый установкой ЭЦН.
Эффективность данной системы ОРД зависит от условий работы штангового насоса и реологических свойств добываемой продукции. Учитывая, что штанговый насос омывается потоком жидкости с нижнего пласта, процессы, протекающие в установке ОРД – ЭЦН-СШН, необходимо рассматривать как единую термодинамическую систему, параметры которой влияют на реологические свойства добываемой продукции, последние же в свою очередь зависят от соотношения нефти и воды, их физико-химических свойств и установившегося температурного поля в штанговом насосе. Исходя из вышеизложенного, вопросы повышения эффективности ОРД – ЭЦН-СШН, связанные с тепловым режимом насосного оборудования, изменениями
вязкостно-температурных характеристик остаются нерешенными.
Вторая глава посвящена разработке математической модели теплового режима штангового насоса, влияющей на изменение вязкостно-температурных
характеристик нефти в установке ОРД – ЭЦН-СШН.
Многообразие различных методик расчетов теплового режима установок
говорит о неоднозначности решения этой задачи и одновременно сложности, когда речь идет о совместной работе двух насосных установок.
Предлагаемая математическая модель теплового режима СШН установки ОРД – ЭЦН-СШН основана на исследовании процессов, протекающих непосредственно в самом насосе, а также влиянии на них внешнего теплового поля от восходящего потока жидкости поднимаемой установкой ЭЦН.
Термодинамический процесс в штанговом насосе (без учета влияния теплового режима ЭЦН) происходит следующим образом. Тепло поглощается откачиваемой жидкостью и горной породой, окружающей насос. При этом выделение тепла остается постоянным, но отвод его увеличивается по мере повышения температуры. Температура в насосе Θn изменяется во времени. На Рисунке 3 приведена схема работы штангового насоса. Допустим, что плунжер находится в крайнем нижнем положении (Рисунок 3, а), начальная температура Tн равна температуре окружающей среды. После запуска насоса в работу плунжер совершает движение вверх (Рисунок 3, б).

а) б) в) г) д)
Рисунок 3 – Термодинамический процесс в установке ОРД – ЭЦН-СШН
При этом часть жидкости, находящейся над ним, перетекает через зазор в плунжерной паре, повышая свою температуру от Tн до T1. Одновременно из скважины под плунжер поступает газожидкостная смесь с температурой Тн. После смешения двух потоков температура жидкости под плунжером становится (1):
q2Tí q1T1 T ( q1 )T, 1 q q í q q
где ΔТ – повышение температуры жидкости, перетекающей под плунжер, oС; q1 – утечки жидкости в зазоре плунжерной пары, м3/с; q2 – объем жидкости,
откачиваемой насосом, м3/с.
При ходе плунжера вниз (Рисунок 3, в) газ сжимается до величины
давления на выкиде насоса Р2. При этом температура в насосе повышается до величины (2):
(2)
(1)
12 12
q
1 Тн  1 TT,
q1 q2 
где ΔТ’ – повышение температуры в результате сжатия газа, oС.
Затем цикл повторяется (Рисунки 3, г, д). Через «n» циклов температура в
насосе достигнет (3):
 T T
При истечении некоторого времени с момента начала работы штанговго насоса наступает тепловое равновесие, т.е. выделение и отвод тепла становится одинаковым. Температура в штанговом насосе при этом достигает максимальной величины (4):
(4)
nqnq
1 )n1
 (3)
ní
( 1 )n T (
n1 q1 q2 n1 q1 q2
q2ГнР0Р 1 2 Pq  1  
1 max 3 J J(k1)
,
Р k-1  2k
cжжq2 LkL
где ΔР – перепад давления на концах плунжера, кГ/м2; J – механический эквивалент теплоты, кГм/ккал; Гн – газосодержание на приеме насоса, м3/м3; Р0 – атмосферное давление, кГ/м2; k – показатель адиабаты; Р1 и Р2 – давление соответственно под и над плунжером, кГ/м2; сж – удельная теплоемкость жидкости, ккал/кг·град; ρж – плотность жидкости, кг/м3; L – длина насоса, м; kL – линейный коэффициент теплопередачи от насоса в горную породу (ккал/м2·час· oС).
На стадии проектирования штанговой насосной эксплуатации, когда еще не известен режим откачки, утечки q1 в зазоре плунжерной пары нового насоса рассчитывается по формуле А.М. Пирвердяна.
На Рисунке 4 представлена схема теплопередачи в штанговом насосе. Отвод тепла от насоса в горную породу можно представить как теплопередачу от нагретого тела цилиндрической формы через многослойную стенку.
При работе только СШН в составе установки ОРД – ЭЦН-СШН (Рисунок 4, а) линейный коэффициент теплопередачи kL от насоса в горную породу можно рассчитать по формуле:
kL 1 ,
1 1lnr21lnr31lnr41lnr51lnr61lnrп 2r 2 r 2 r 2 r 2 r 2 r 2 r
(5)
где α1 – коэффициент теплопередачи жидкости стенке цилиндра насоса, ккал/м2·час· oС; λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6, λп – коэффициент теплопередачи стенки цилиндра СШН, жидкостной прослойки в коллекторе смесителя, стенки коллектора смесителя (НКТ), жидкостной прослойки в затрубном пространстве, стенки колонны, горной породы соответственно, ккал/м·час·oС; r1, r2, r3, r4, r5, r6 – радиусы границы сред, м; rп – радиус, характеризующий глубину проникновения тепла в горную породу.
Для определения коэффициента теплоотдачи α1 в работе было предложено воспользоваться корреляцией Дитту-Боелтера, моделирующей теплоотдачу в трубах при вынужденной конвекции или же для упрощения расчетов среднее значение общего коэффициента теплообмена при комбинациях рабочая среда (вода) – поверхность теплопередачи (сталь) – рабочая среда (вода).
При совместной работе ЭЦН и СШН в установке ОРД – ЭЦН-СШН на температурный режим работы штангового насоса оказывает влияние температура флюида, поднимаемого ЭЦН. Согласно конструкции установки ОРД – ЭЦН-СШН температурное поле распространяется как в направлении СШН, так и в сторону горной породы (Рисунок 4, б).
Предположим, что температура поднимаемого флюида ЭЦН и штанговым насосом постоянна, т.е. рассматриваем одномерную задачу. Для цилиндрических стенок, у которых r2/r1 ≤ 2, теплопередачу через стенку цилиндрической формы можно рассчитать по формулам теплопередачи для плоской стенки с погрешностью менее 4 %.
Согласно закона Фурье плотность теплового потока через стенку цилиндра можно записать (6):
qk’l(T2 Т’1). (6)
111122334455п6
а)
б)
а) при работе СШН (при раздельной эксплуатации в период ВНР или раздельного учета); б) при совместной работе ЭЦН и СШН
Рисунок 4 – Передача теплоты в установке ОРД – ЭЦН-СШН
Коэффициент теплопередачи k’l через плоскую стенку (7):
k’  1 , (7)
l 11 1 1 2

где α2 – коэффициент теплопередачи жидкости коллектора смесителя стенке цилиндра насоса (будем считать, что α1 ≈ α2 одного порядка), ккал/м2·час·oС; δ – толщина стенки цилиндра (δ = r2 – r1), м; Т’1 – установившаяся температура
в СШН (работа СШН без вовлечения в работу ЭЦН), oС (8):
Т’1max Т1. (8) Теперь зная q, легко найти температуру на внутренней стенке цилиндра t’1
(9)
( 1 0 )
при переходе от радиуса r2 до r1 (9):
t’1 Т’1q( 1   ),
 2 1 При допущении δ/λ1 → 0 можно принять (10):
t ‘ 1  Т ‘ 1  q . 2
Величина температуры t’1 в установке ОРД – ЭЦН-СШН влияет на изменение зазора в плунжерной паре (риск возможного термозаклинивания), а также реологические свойства добываемой водонефтяной смеси (изменение эффективной вязкости, особенно в зонах инверсии фаз). При планировании типоразмера штангового насоса учет данных факторов во многом может предопределить эффективность работы установки ОРД в целом.
В третьей главе на основе предложенной математической модели были проведены расчеты теплового режима установки ОРД – ЭЦН-СШН, исследовано влияние вязкостно-температурных характеристик нефти для скважин Бариновско-Лебяжинского, Серноводского и Славкинского месторождений на эффектность работы штангового насоса.
В оценке эффективности наибольшую сложность представляет определение эффективной вязкости водонефтяной смеси в штанговом насосе. Большинство используемых методов основаны на эмпирических расчетах и не учитывают влияние температуры. В работе предложен новый подход к исследованию изменений вязкостно-температурных характеристик водонефтяной смеси в штанговом насосе. Реологические свойства
водонефтяной смеси при различных температурах, имитирующих изменение теплового режима работы установки ОРД, определялись на реометре HAAKE в условиях максимально приближенных к работе штангового насоса (Рисунок 5). Аналогичные результаты, были получены в работах у Н.Х. Габдрахманова, Р.Т. Галиуллина, К.Р. Уразакова. Правомерно считать, что предложенный
метод применим для обводненности до 70 %.
Рисунок 5 – Исследования вязкостно-температурных характеристик водонефтяной смеси в штанговом насосе
Приведенные расчеты подтверждают, что температура в штанговом насосе выше окружающей среды. На Рисунке 6 приведена схема установки ОРД – ЭЦН-СШН на скважине Бариновско-Лебяжинском месторождения. Согласно формулы (8) температура Т’1 в СШН равна 19,9 °C (Таблица 1).

А-А
Рисунок 6 – Схема установки ОРД – ЭЦН-СШН в скважине Таблица 1 – Расчет ∆Qmax (без включения в работу установки ЭЦН)
Комментарии
Ламинарный режим (Re ≤ 103)
∆Qmax °С 3,9 Т’1 =Тпл+∆Qmax = 19,9 °С
Наименование
Ед. изм.
Значение
Р1
кГ/м2 (атм)
237642,3 (23)
Р2
кГ/м2 (атм)
1057278,9 (102)
q1
м3/с
9,2E-07
с
ккал/кг·град
0,50
q2
м3/с
2,3E-04
kL
ккал/м2·час·град
0,479

На ее величину влияют длина насоса L, перепад давления ∆Р и величина
утечек жидкости. Температура в точке подвески определяется из профиля температуры жидкости, поднимаемого установкой ЭЦН в ПО RosPump.
Температура флюида Т2 в зоне подвески штангового насоса (Нсп = 950 м) равна 47,5 °С. Температура t’1 в приграничном слое (внутренняя стенка цилиндра) определяется через плотность теплового потока от горячего источника к холодному.
По формуле (10) температура t’1 = 33,3 °С. При планировании типоразмера штангового насоса учет данных факторов во много может предопределить эффективность работы установки ОРД.
Изменение температуры в СШН до t’1 не влияет существенным образом на уменьшение кольцевого зазора ∆β между плунжером и цилиндром насоса (менее 3 %), что объясняется использованием материалов плунжера и цилиндра с близкими значениями коэффициентов теплового расширения.
Величина уменьшения кольцевого зазора в плунжерной паре ∆β = 7,33·10-3 мм, которая вычисляется по формуле (11):
(dцилцил dплпл)(Т1t’1), (11)
где dцил – внутренний диаметр цилиндра при температуре пригонки, мм; dпл – диаметр плунжера во время пригонки, мм; αцил, αпл – коэффициенты теплового расширения цилиндра и плунжера соответственно, 1/°С.
На основе полученных расчетов спрогнозированы условия работы штангового насоса для различных групп посадки в установке ОРД – ЭЦН-СШН (Рисунок 7, а). При группе посадки штангового насоса Fit 1 и 2 (по API) утечки жидкости q незначительны. Утечки становятся ощутимы при увеличении группы посадки и росте обводненности продукции.
Прямые эмульсии, как в случае скважины Бариновско-Лебяжинского месторождения с обводненностью 50 % будут характеризоваться снижением эффективной вязкости, следовательно, увеличением утечек в штанговом насосе. Так при увеличении обводненности продукции до 60 – 70 % в насосе группы посадки Fit2 происходит увеличение утечек в 3 – 6 раз (Рисунок 7, б). Такая же зависимость прослеживается и при увеличении группы посадки.
а)
б)
а) влияние обводненности продукции на величину утечек в СШН; б) влияние обводненности и температуры на величину утечек в СШН
Рисунок 7 – Влияние обводненности и температуры на величину утечек
В графиках величина ∆q показывает изменение величины утечек при изменении температуры водонефтяной эмульсии от 20 до 40 °С. Оценка таких
факторов, как изменение температуры, темп выработки запасов (рост обводненности), во многом определяет эффективность работы штангового
насоса в установке ОРД – ЭЦН-СШН в прогнозируемый период.
Увеличение эффективности установки определяется величиной потерь нефти связанной с утечками в результате изменения температуры и обводненности продукции. На Рисунке 8 приведено сравнение потерь нефти из-за утечек в штанговом насосе для условий работы только штангового насоса
и совместной работы установки ОРД – ЭЦН-СШН.
60
40
20
6,5 -32,0
-120
-100,0 -100 -80
20,3 -60 -40
-20
00 t1, °С t’1, °С
Утечки нефти qн1 ЧДП на утечки
Плунжер
Цилиндр
Кольцевой зазор
НКТ
а) б)
а) при работе СШН; б) при совместной работе ЭЦН и СШН
Рисунок 8 – Влияние изменения температуры на показатели работы штангового насоса в ОРД – ЭЦН-СШН
Утечки нефти в результате изменения вязкостно-температурных характеристик в кольцевом зазоре отражаются на подаче насоса. На скважине
Потери по нефти, т/год
ЧДП, тыс. руб
было проведено множество исследований, когда работал только СШН и когда в работе были установки ЭЦН и СШН. Установлено, что во всех случаях, когда работают два насоса коэффициент подачи штангового насоса снижается в среднем на 3 %. Таким образом, установлено, что изменение теплового режима в СШН отражается на работе штангового насоса. Учет данного фактора позволяет обоснованно выбирать класс посадки штангового насоса, повысить
эффективность использования установки ОРД – ЭЦН-СШН.
Четвертая глава посвящена анализу ОРД – ЭЦН-СШН, изучению
влияния осложняющих факторов на тепловой режим работы установки в целом и тому, что сделано, чтобы этого избежать или предотвратить.
Основные отказы ОРД – ЭЦН-СШН (80 %) связаны как с установками ЭЦН, так и СШН. Представление причин отказов позволило спрогнозировать последствия влияния осложняющих факторов на тепловой режим работы установки и выполнить действия по их устранению, которые являются «профилактическими», а не исправляющими.
Установлено, что существенное влияние на вязкостно-температурный режим в штанговом насосе оказывает температура жидкости поднимаемая ЭЦН, величина которой зависит от множества факторов: температуры добываемой жидкости с пласта, рабочая температура ПЭД, режим течения поднимаемой жидкости, наличие осложняющих факторов (газ, вода, наличие механических примесей в добываемой из пласта жидкости). В случае установившегося режима теплообмена все тепло, выделившееся в объеме ПЭД, передается флюиду.
Проведены исследования влияния осложняющих факторов на изменение теплового режима ОРД – ЭЦН-СШН на примере скважины Бариновско- Лебяжинского месторождения. Выявлено, что рост нагрузки ПЭД (снижение КПД) вследствие полученных осложнений приводит к существенному нагреву поднимаемой жидкости (Рисунок 9), изменению теплового режима, вязкостно- температурных характеристик нефти и, как следствие, к потерям нефти в штанговом насосе (Таблица 2).
Результаты расчетов подтверждают, что тепловой режим, а также показатели эффективности работы штангового насоса в ОРД – ЭЦН-СШН
зависят от теплового режима установки ЭЦН. Наличие осложняющих факторов, как в случае скважины Бариновско-Лебяжинского месторождения, влияют на эффективность установки ЭЦН, показатели работы штангового
насоса, что поясняется ростом утечек в штанговом насосе до 26 %. Таблица 2 – Потери нефти в СШН
Температура в СШН, °С
t’1 =38,9 °С
q1н, т/год
При совместной работе установок ЭЦН и СШН, наличия осложняющих факторов в работе установки ЭЦН
0,05 6,5
0,15 20,3 0,19
25,9
В рамках текущих исследований теплового режима разработана и рекомендована к тиражированию установка ОРД – ЭЦН-СШН, позволяющая проводить промывку ЭЦН, предотвращать возможные осложнения, связанные с перегревом глубиннонасосного оборудования. Данная установка успешно испытана на скважинах Бариновско-Лебяжинского, Боровского месторождениях АО «Самаранефтегаз». Результат работ – сокращение времени на ремонт скважин в среднем на 40 бр.-час. (182 тыс. руб.), восстановление потерь нефти без извлечения установки ЭЦН.
200 500
1000
1500
2000
Нсп ЭЦН = 2072м
t1 = 19,9 °С
q1, м3/с
При работе только установки СШН
q1н, т/год
Т2 = 47,5°С t ́1 = 33,3°С
q1, м3/с
t’1 =33,3 °С
При совместной работе установок ЭЦН и СШН
q1н, т/год
q1, м3/с
Т2 = 59,2°С t ́1 = 38,9°С
Нсп ШГН = 950м
46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86
Температура, °С
1 – в период стабильной работы; 2 – при наличии осложняющих факторов Рисунок 9 – Профиль температуры по стволу скважины

Таким образом, установлено влияние изменения теплового режима
установки ЭЦН на эффективность работы штангового насоса, решен один из недостатков существующей установки ОРД – ЭЦН-СШН – проблема промывки нижнего насоса, восстановления показателей ее работы и снятия теплой нагрузки Результаты опытно-промышленных испытаний разработанной установки, позволило увеличить МРП на 19,4 % (+205 сут), снизить утечки нефти в среднем на 20 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 Из анализа теплового режима установлено, что эффективность работы установки ОРД – ЭЦН-СШН в значительной степени зависит от реологических характеристик поднимаемой жидкости, трением в плунжерной паре, внутренним трением жидкости, процессами сжатия газа и подводимым теплом от установки ЭЦН.
2 Разработана математическая модель эффективности работы штангового насоса в составе установки ЭЦН-СШН на основе исследований теплового режима, изменения реологических свойств добываемой продукции. Приведенные теоретические расчеты подтверждены результатами промысловых исследования на месторождениях АО «Самаранефтегаз». Расчеты и практические исследования подтверждают отличие условий раздельной и совместной эксплуатации насосов. Пренебрежение тепловым режимом установки ОРД является одной из причин снижения эффективности работы насоса. Адекватность разработанной модели подтверждена результатами опытно-промышленных испытаний на четырех скважинах АО «Самаранефтегаз».
3 На основе разработанной модели спрогнозированы условия работы для выбора оптимальной группы посадки штангового насоса. Эффективность установки штангового насоса определяется величиной потерь нефти, связанных с утечками в результате изменения теплового режима и реологических свойств нефти.
4 Разработана технология и технических средства для ОРД – ЭЦН-СШН, позволяющие проводить промывку ЭЦН, предотвратить возможные
осложнения, связанные с нарушениями теплового режима, перегревом глубинно-насосного оборудования. Установка защищена патентом RU No2488689. Для тиражирования в периметре Компании разработано руководство по эксплуатации установки ОРД – ЭЦН-СШН (ОРД ЭШ.000 РЭ
изм.1 от 22.11.2013 г.).