2. Эксплуатация фонтанных нефтяных скважин

Процесс добычи нефти включает перемещение флюидов (нефти, газа и воды) в пласте к забоям добывающих скважин, подъем добываемой нефти с забоем на поверхность и промысловый сбор продукции скважин. Подъем нефти в стволе скважины называют способом эксплуатации.

Теоретические основы подъема газожидкостной смеси в скважине.

Баланс энергии в скважине и виды фонтанирования.

Подъем нефти в стволе скважины может происходить либо за счет пластовой энергии E_пл, либо за счет пластовой и искусственно вводимой в скважину с поверхности энергии Е_н. В стволе скважины энергия расходуется на преодоление силы тяжести гидростатического столба нефти с учетом противодавления на выкиде скважины (на устье) и сил сопротивлений, связанных с движением - путевого (гидравлическое трение), местного (расширение, сужение, изменение направления потока) и инерционного (ускорение движения). Эти силы вызывают соответствующие расходы энергии: Е_см, Е_тр, Е_м и Е_ин. Отсюда баланс энергии в работающей (подающей на поверхность нефть) скважине можно записать в виде

Е_пл+Е_и Е_тр+ Е_м + Е_ин.

В общем балансе расходы энергии на местные (Е_м) сопротивления очень малы, поэтому ими всегда пренебрегают.

Если скважина работает за счет только пластовой энергии, которой обладает нефтяной пласт (залежь), то такой способ ее эксплуатации называют фонтанным, а само явление - фонтанированием. Понятно, что при фонтанном способе Е_и=0.

Если скважины не могут фонтанировать, то их переводят на механизированный способ эксплуатации: газлифтный или насосный, когда Е_пл>=0 и Е_и>0. В этом случае за счет пластовой энергии нефть поднимается только на высоту, меньшую глубины скважины, то есть уровень жидкости в скважине не доходит до устья (выкида) скважины. Для поднятия жидкости до устья и подачи ее в выкидную линию (сборный трубопровод) требуется ввести в скважину искусственную энергию Е_и. При газлифтном способе в скважину вводят энергию сжатого газа Е_г, а при насосном ­энергию, создаваемую насосом.

При эксплуатации скважины любым (фонтанным, газлифтным, насосным) способом по мере передвижения нефти по стволу с забоя на поверхность вследствие уменьшения давления из нее выделяется растворенный газ, если давление меньше давления насыщения нефти газом, и образуется газожидкостная смесь. Выделившийся газ в восходящем потоке аналогично газу, вводимому в скважину при газлифтном способе, выполняет работу по подъему жидкости в трубе, то есть выполняет роль подъемника жидкости (газожидкостного подъемника), причем жидкость может быть однофазной (нефть) или двухфазной (смесь нефти и воды).

В зависимости от соотношения забойного Р₃ и устьевого Р₂ давлений с давлением насыщения нефти газом Р_н (от местоположения начала выделения газа из нефти) можно выделить три вида фонтанирования и соответствующие им три фонтанных скважин.

I-й тип - артезианское фонтанирование: Р₃>Р_н, Р₂> Р_н, то есть фонтанирование происходит за счет гидростатического напора.

В скважине происходит перелив жидкости, движется негазированная (без свободного газа) жидкость (аналогично артезианским водяным скважинам).

В затрубном пространстве между насосно-компрессорными (подъемными) трубами и обсадной эксплуатационной колонной находится жидкость, в чем можно убедиться, открыв, например, трехходовый кран под манометром, показывающим затрубное давление Р_затр. Газ выделяется из нефти за пределами скважины в выкидной трубе.

II-й тип - газлифтное фонтанирование с началом выделения газа в стволе скважине: Р₃> Р_н, Р₂<Р_н. В пласте движется негазированная жидкость, а в скважине ­газожидкостная смесь (смесь жидкости и свободного газа). При давлении у башмака НКТ Р_l> Р_н в затрубном пространстве на устье находится газ и Р_затр. Обычно небольшое (0,1-0,5 МПа). Так как Рl> РН>Р2, то по мере подъема нефти давление снижается, увеличивается количество свободного газа, происходит его расширение, растет газосодержание потока, то есть фонтанирование осуществляется по принципу работы газожидкостного подъемника.

III-й тип - газлифтное фонтанирование с началом выделения газа в пласте: Р₃<Р_н, Р₂<Р_н. В пласте движется газированная жидкость, на забой и к башмаку НКТ поступает газожидкостная смесь. После начала притока основная масса газа увлекается потоком жидкости и поступает в затрубное пространство, где газ барботирует (всплывает) в относительно неподвижной жидкости. В затрубном пространстве накапливается газ, уровень жидкости снижается и достигает башмака НКТ. Со временем наступает стабилизация и при Р₃<Р_н уровень всегда устанавливается у башмака НКТ. Затрубное давление газа, как правило, высокое, почти достигает значений Р_l и Р₃. При наличии утечек газа из затрубного пространства (через негерметичности в резьбовых соединениях НКТ, обсадной колонне, устьевом оборудовании) уровень будет находиться выше башмака НКТ. Чем меньше расход и вязкость жидкости, больше расход газа у башмака, зазор между НКТ и эксплуатационной колонной, тем больше газа сепарируется в затрубное пространство.