Введение к работе
і
Е'І^УіІІАкт? ал ьность проблемы. Современное состояние и развитие нефтяной промышленности многих стран мира, в т.ч. и СССР характерно прогрессирующим ростом объемов добычи тяжелых м енсоковязкех нефтей (ВВН). Повышенный интерес в мире к тяжелым нефтям вызван открытием месторождений с геологическими запасами сырья, исчисляемыми десятками млрд.тони. В этой связи нефтедобывающая отрасль нашей страны в ближайшее время и, особенно, в перспективе будет в значительной мере ориентирована на промышленную разработку залежей ВВН. К основ -ним регионам страны, располагающим запасами ВВН, относятся Башк.ССР, Тат.ССР, Уд.ССР, Коми ССР, Казахстан, Туркменская ССР, а также Архангельская, Пермская, Оренбургская, Томская и Самарская обл.
ВБН классифицированы на три основные группы по вязкости и плотности углеводородов. Перву» группу составляют нефти с вязкостью 30...100 мПа.с, вторую 100...500 мПа.с и третью - свыше 500 мПа.с. Интервалы плотности по этим группам соответствуют 834...929 кг/м3; 682...955 кг/м3 и свыше 934 кг/м3. Большшство мостородданий ВВП со скважинной разработкой относится к первой и частично ко второй группам.
Практика добычи ВВН уже показала, что скважинное оборудование для подъема жидкостей должно базироваться на штанговых насосах, которыми благодаря их простоте, высокой надежности и гибкости в отно-иениа регулирования отборов жидкости оборудовано в настоящее время ' около 70 % всего добывающего фонда скважин.
Добыча ВВН вносит существенное осложнение в работу установок скважинных насосов (УСШН) из-за високих значений гидравлических сопротивлений в подземном оборудовании. Обводнение продуктивных залеяей и поступление воды в добывающие скважины создают дополнительные, более значительные осложнен, л, связанные о образованием в стволе скважин стойких вксоковязких эмульсий обратного типа. Интенсивное пере -
мешивакие обводненной продукции в подземном оборудовании и её эмульгировании является причиной роста вязкости жидкости в насос но-комп-рессорзшх трубах в десятки раз. В таких случаях оборудование, которое еще позволяло откачивать безводную ВВН, полностью теряет свою работоспособность из-за рассогласованности движения балансира станка-качалки и колонны штанг. Наиболее напряженные условия работа насосов создаются при обводненности продукции в интервале 0,45...0,75.
Образование стойких эмульсий ВВН в скважинах вносит значительные осложнения в работу систем сбора я подготовки товарной нефти. Возрастание давления в промислових коллекторах, времени, доходов тепла, электроэнергии и химических реагентов на разрушение эмульсий является причиной роста себестоимости нефти и больших издержек производства.
К настоящему времени по затрагиваемым вопросам накоплен опит, позволивший в определенной мэре расширить область применения УСШ для добычи вязкой нефти. Разработаны некоторые виды насосов специального исполнения, освоенные машиностроением, методы дестабилизации эмульсий в скважинах с использованием деэмульгаторов и др. Однако, резервы использования УСШ для добычи обводненных ВВН еще далеко не исчерпаны. На современном этапе необходим качественно новый подход к проектированию насосного оборудования на основе фактических данных о реологических параметрах жидкостей в скважинах. С другой стороны, необходимо создание " разработка технологии, предупреждающей атлульсацию ВВН в подъемнике. Неустойчивые структуры водонеф-тяных смесей с малой вязкостью позволяют переводить фактор обводнения нефти из осложняющей в категории способствующую добыче ВВН. Несомненно, нейтрализация добывающих скважин, как эмульгирующего звена, благоприятно отразится на работе систем сбора и подготовки то -Варной нефти. В этой овяэи проблема создания технологии насосной добычи ВВН из обводненных скважин приобретает большую актуальность.
Цель работы. Разработка научных основ проектирования глубиннэ-насооной добычи внеоковязкой нефти из обводненных скваУг.я на базе исследование реологических свойств жидкостей и гидродинамических нагрузок на оборудование, а также'расширение области её рационального применения путем создания неустойчивых структур водонефтяных эмульсий малой вязкости в подъемнике.
Основные задачи исследований. В диссертационной работе сог -ласно поставленной цели рассиотренн и решены следущие задачи.
-
Выявление характера и количественная оценка осложнений, связанных с образованием эмульсий ВВЙ обратного типа в стволе добывающих скважин.
-
Исследование реологических параметров нефтяных эмульсий в колонне НКТ на различных стадиях обводнения нефти и их неравновво-ных характеристик.
-
Изучение гидродинамического трения в подземном оборудовании скважин с обводненной] ВВН, получение зависимостей для расчета экстремальных нагрузок на оборудование и построение дикамичеокой иоде-ля работы УСШ для диагностирования осложнений.
-
Разработка принципиальных основ и мотодеки проеі тнрования наоосного оборудования для добычи обводненных ВЕН, з такте установления технологического режима эксплуатации.
-
Исследование закономерностей мульсации нефти в окважинах и определение основных направлений создания технологии добычи, исключающей или значительно снижающей эмульсади».
-
Разработка и совершенствование технологических оредств достижения неустойчивых структур эмульсий прямото я обратного типов с малой вязкостью и стойкостью к разрушению.
-
Обоснование возможности л разработка принципиально новых способов подъема жидкостей с забоя без их сиепения в подъемных трубах.
Методы решения поставленных задач. Решение поставленных эа-дач осуществлено на базе теоретических, лабораторных и преимущественно промысловых исследований и опытно-промышленных испытаний глубиннонасосной добычи ВБН с применением современных методов математической статистики и вычислит ьной техники. Объектами исследований явились добывающие оквакины БССР, TCCF, УдССР, Сев.Казахстана и Зап.Сибири.
Научная новизна. Разработана методика косвенного определения реологических параметров обводненных ВВП в стволе глубшнонасосннх скватан и построения кривой изменения вязкости жидкости в НКТ. Получена статистическая зависимость для расчета вязкости эмульсий в скважинах месторождений восточных районов страны для диапазона исходной вязкости нефти 30...160 мПа.с. Выявлены особенности неравновесных характеристик эмульгированных нефгей.
Получены полуэмпирические зависимости для расчета экстремальных нагрузок на колонну штанг при откачке высоковязкой жидкости, которые могут быть использованы для решения обратной задачи, связанной с определением вязкости нефти в стволе скважины.
Разработана динамическая модель работы подъемника, позволяющая диагностировать нагрузки и осложнения в эксплуатации насоса. На основе анализа пульсаций давления жидкости в НКГ с помощью параметра Хаусдорра и корреляционной размерности показаны детерминированных характер пульсаций и схема расчета предельных значений вязкости, при которых исчезает вибрация колонны штанг и динамические нагрузки целиком определятся силами гидродинамического трения.
Экспериментально доказана инвариантность предельных значений амплитуды напряжений для асимметричного цикла нагружения штанг, позволяющая в совокупности с допустимой скоростью откачки проектировать Сбсддщозанж на принципиально новых положениях, учитывающих вязкость жидкости в НКГ.
Установлены основные закономерности эгауяьсапш! -вефїя-зіавлиянав
- .7 -
на неё газовой фазы и основных параметров эксплуатации скважин, о помощью которых определены пути создания неустойчивых структур эмульсий с малой вязкостью.
Обосновано и разработано принципиально новое направление в технологии насосной добычи обводненных ВВН, предупревдапцее смешение пластовых жидкостей и эмульгирование путем их разобщения и подъема по автономншл транспортным каналам, а также последовательной откачки нефти и воды с забойного участка и их подъема в НКТ пробками значительной протяженности. Предложена методика определения предельных дронтов скважины по нефти и воде с использованием модели потока дрэРфа для реализации технологии.
Практическая ценность. На основе анализа и обобщения прошоло-аых исследований скважин с различными способами механизированной эксплуатации установлены и объяснены основные виды и уровни ослож-іений, связанных с обводнением и эмульгированием ВВН, в стационар-шх и пусковых режимах работы оборудования.
На базе разработанных положений и обобщения промысловых иссле-[ований составлена методика проектирования оборудования и выбора ехнологического режима эксплуатации скважин с таблицами и номограм-гай для практического использования на предприятиях отрасли.
Разработаны и на основе опытно-промышленных испытаний рекомен-сваны к применению способы внутрискважинной деэмульсации нефти и азличные варианта пневмокошенсаторов, снижающих интенсивность мульсации нефти и гидродинамические нагрузки на колонну штанг, а акже усовершенствованная схема затрубной эксплуатации, поэволяю-ая снимать циклические нагрузки о пакера.
Промысловыми исследованиями показаны возможность и оптимальные зловия создания в подъемника неустойчив х эмульсий прямого типа гтем самоподлива водной фазы к приему насоса.
Разработаны кої „трукгивные исполнения насосных установок на яшшпах разобщенной и последовательной откачек пластовых яидкос-
- 8 -тай и на базе их промышленного применения показаны технологические возможности оборудования, значительно расширяющего область применения УСШ для добычи обводненной ВВН.
Промышленными испытаниями установлена перспективность использования принципа последовательной откачки нефти и вода в промысловой системе сбора, позволяющего нейтрализовать эмульгирующее воз -действие на поток многоступенчатых насосов дожимных станций «существенно снижать коррозию трубопроводовблагодаря периодическому смачиванию все? внутренней поверхности труб углеводородной фазой.
Результаты исследования сил гидродинамического трения частично вошли в "Справочное руководство по. проектированию разработки и эксплуатация нефтяных месторождений. Добыча нефти", под общ.ред. Ш.К.Гиматудинова, Р.С.Лндриаеова, И.Т.Мищенко и др. М.: Недра,-1983, 455 о.
Реализация результатов исследований в. промышленности. Результата промислових исследований Гидродинамических нагрузок на оборудование УСШ легли в основу стандарта ПО "Башнефть" CTO-Q3-08-88 по проектированию подземной части установок для месторождений ЕВН. . Стандарт внедрен на 390 скважинах ПО "Башнефть" и "Удмуртнефть" с фактическим еконсмическим эффектом за 1989-1990 гг. в размере 267 тыс.руб.
Применение пневмокомпенсаторов глубяннонасосных установок, прошедших ведомственные приемочные испытания Миннефтепрома СССР, а также технологии внутряскаажикной деэмульсации нефти (РД ЗЭ-Ш8-84) в больших масштабах в ПО "Башнефть" позволил, в 1,4...1,7 раза увеличить МШ скважин и получить екоиомичвский эффект в размере 952 тно.руб.
На основе опытно-промышленных испытаний ведомственной приемочной комиссией ПО "Башнефть" рекомендована к применению технология предупреждения смешения пластовых жидкостей в скважинах. Утвержден руководящий документ РД 39-0147276-245-88р. Внедрение технологии на
промыслах БССР показало, что вкономяческий эффект в расчете на одну скважину составляет 1,2 тыс.руб. в год.
Внедрение технологии последовательной откачки нефти и воды в
1989 г. на УПС "Кушуль" и "Андреевка" НГДУ "Чекмагушнефть" позво
лило за счет сокращения капитальных затрат получить эффект в разме
ре 145 тыс.руб. Технология существенно улучшает экологическую обс
тановку в зоне расположения промыслов эа счет сокращения порывов
трубопроводов.
Общий экономический эффект от внедрения разработок за период с 1977 по 1990 гг. составил 1,47 или.руб..
Апробация работы. Основлое содержание работы докладывалось в 1973-1990 годы на Республиканских научно-технических конференциях по проблемам добычи, сбора, транспорта и переработки нефти и газа/ /г.Уфа, Г973 г., 1975 г.. 1977 г., 1981 г., 1934 г., 1986 г.,1988 г..
1990 г.), на координационном совещании Миннефтепрома по внутрипро-
мысловому сбору и транспорту нефти в газа (г. Уфа, 1975 г.), на Все
союзної* научно-технической конференции "Состояние я перспективы раз
вития техники, технология добычи, подготовки нефти а охраны окружа
вшей среда на эксплуатируемых месторождениях (г. Баку, 1983 г.), на
Всесоюзном семинаре по гидродинамическим и промыслово-геофизичесхим
методам исследований продуктивных пластов о цель» контроля их раз -
работки (г. Сургут, 1985 г.), на УШ Всесоюзной школе-семинаре по
вопросам гидродинамики, технического диагностирования и надежности
трубопроводного транспорта (г. Уфа, 1985 г.), на У Всесоюзной теоре
тической школе-семинаре по термодинамике процессов нефтедобычи (г.
Тюмень, 1986 г.), на координационной совещании представителей науч
ных организаций и производственных объединений Миннефтепрома и Мин-
химмаша по проблемам техники я технологии добычи нефти и ремонта
скважин (г. Тюмень, 1988 г.), на международном семінаре по проблемам
сбора, подготовки я транспорта нофтя (г. Уфа, 1988 г.), во Всесосз-
кой пноле-сеаянаре "Добігча и транспорт высоковязких нефтей (г. Киез,
- 10 -1989 г.), на областной научно-технической конференции по проблемам разработки нефтяных и газовых месторождений и интенсификации добычи углеводородного сырья (г. Астрахань, 1989 г.), на Всесоюзном совеща-.нии "Применение неньютоновских систем в нефтедобыче" (г. Уфа,1989г.), обсуждалось на технических совегах .производственных объединений "Баш-нефть" и "Когалымнефтегаз", ряда нефтегазодобывающих управлений, на Ученых Советах Башяипинефги, ВИИИСПТнефти, Татнилинефти, Уфимского нефтяного института.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 58 работ, в т.ч. 4 монографии, 35 статей и тезисов докладов, получено 18 авторских свидетельств СССР на изобретения. Часть материалов изложена в 12 отчетах НИР с грифом "Для служебного пользования", руководящих документах и стандарте объединения, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора, сообщении ТАСС, опубликован -ном в газете "Известия" за 20 ноября 1986 г. Диссертация является обобщением исследований автора в области глубиннонасоснои добычи обводненных ЪШ за почти 20-летний пэриод работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, заключения и списка литературы. Работа содержит 354 страница машинописного текста, 94 рисунка , 48 таблиц, 265 библиографических ссылок, приложений на 32 страницах.
