Расчеты газовоздушного подъемника

Для извлечения определенного количества жидкости газовоздуш­ным подъемником необходимо рассчитать: 1) диаметр и длину подъ­емника; 2) оптимальное количество нагнетаемого рабочего агента и 3) давление у башмака подъемных труб или в точке подачи рабочего агента в подъемник.

Для проведения расчетов необходимо иметь следующие исходные данные по каждой скважине: 1) пластовое давление, коэффициент продуктивности; 2) допустимую депрессию или намечаемый дебит; 3) глубину скважины и диаметр обсадной колонны; 4) плотность жидкости; 5) газовый фактор.

Законы движения жидкости по вертикальным трубам в газо­воздушном подъемнике практически те же, что и при фонтанном способе эксплуатации скважин. Поэтому и методы расчета по оп­ределению основных параметров подъемника такие же, что при фон­танировании скважин. Эти методы и расчетные формулы приведены выше [см. формулы (104—107)].

В практических условиях могут встретиться случаи, когда де­бит скважины не ограничивается или же ограничивается по геоло­гическим или техническим причинам.

При неограниченном и ограниченном отборах жидкости методика расчета газовоздушного подъемника различна.

Отбор жидкости не ограничен. Для максимального отбора жид­кости необходимо создать меньшее давление на забое. Поэтому глу­бина спуска подъемных труб должна быть максимальной, т. е. рав­ной

Ь = Н- (20-^-30), (132)

где Н — расстояние до верхних отверстий фильтра, м.

Не рекомендуется спускать подъемные трубы до верхних от­верстий фильтра или ниже, так как газ, нагнетаемый в кольцевое пространство между обсадной колонной и подъемными трубами, будет препятствовать нормальному притоку жидкости в скважину. Приближенно можно принять р_яя6 = р_г

Предположим, что из скважины можно отбирать жидкость при любом удельном расходе рабочего агента. В этом случае максимальную

1 ГЧЪ

12 Заказ 2145

производительность подъемника можно определить по формуле (104), т. е. 0 _}5^ЯГ*&_(рг-Р1^л ЧГмаке —;Г7ь5

^гД^е Рг — давление у башмака подъемных труб; р₂ — устьевое дав­ление.

Для обеспечения максимального дебита необходимо выбрать наибольший для данной скважины диаметр компрессорных труб и минимально возможное противодавление на устье. Чтобы обеспе­чить продвижение жидкости по выкидной линии от скважины до-газосепаратора, минимальное противодавление должно быть в пре­делах 2-Ю⁵—6-Ю⁵ Па (2—6 кгс/см²). Максимальный же диаметр насосно-компрессорных труб зависит от диаметра эксплуатацион­ной колонны. Тогда для любой скважины все величины будут из­вестны, кроме р₁.

Рабочий агент подается в скважину через газораспределитель­ную сеть, в которой потери давления составляют в среднем '--'3-10⁵ — 4-Ю⁵ Па (3—4 кгс/см²). Следовательно, рабочее давление в сети должно быть несколько больше, чем давление р_х, т. е.

кгс/см² или р_х + 4-9,81 -10* Па. (133)

Для обеспечения максимального отбора жидкости из скважины в формулу (133) нужно подставить наибольшее значение р_заб, ис­ходя из характеристики имеющихся компрессоров.

Расчет заканчивается определением удельного расхода нагнетае­мого рабочего агента /?„.макс с учетом поступления газа из пласта:

•"н. макс ⁼''макс &> \^"^)

где О — газовый фактор скважины в м³/м³, эффективный при вы­бранном значении р_г. Величину С берут на основании данных ис­следования скважины; Л_макс определяют по формуле (106).

Зная.йн.мако можно определить суточный расход нагнетаемого-рабочего агента:

V* = <?„аксЯн. макс (135)

ИЛИ

"гт ^_ о од /ПА ^1 ^А\

Для более полного использования добывных возможностей сква­жины иногда целесообразно применить газовоздушный подъемник центральной системы. Тогда для определения эквивалентного диа­метра труб при расчете дебита используют эмпирическую формулу

(137)

\ ^ ^ /

где <4_КВ — эквивалентный диаметр круглой трубы; В — номиналь­ный диаметр наружной трубы; е/_в •— то же внутренней трубы (раз­меры в мм или в м).

Практика компрессорной эксплуатации показала, что целесо­образно применять подъемные трубы следующих диаметров в за­висимости от дебита:

Условный диаметр подъемных труб, мм Дебит, т/сут

48 От 20 до 50
60» 50» 70

73» 70 » 250

89»250 » 350

114 Свыше 350

Применять подъемные трубы для скважин с дебитом, меньшим приведенных выше минимальных, неэкономично, так как при ра­боте получается значительное проскальзывание рабочего агента и, следовательно, большой удельный расход его.

Отбор жидкости ограничен. В этом случае дебиты жидкости и газа, а также соответствующее им забойное давление — известные величины. Ранее отмечалось, что минимальный удельный расход энергии при режиме максимальной подачи обеспечивается при ус­ловии, если | = 0,5, а для оптимального режима относительный максимальный дебит будет при ^ = 0,6.

Учитывая эти соотношения, длину подъемника можно определить из следующих равенств:

для режима д_макс

Если отбор жидкости ограничен, на забое нужно поддерживать определенное противодавление. Для работы подъемника с наиболь­шей эффективностью, т. е. минимальным удельным расходом, жела­тельно, чтобы подъемник работал на режиме оптимального дебита, для чего необходимо наибольшее погружение, т. е. длина подъемника должна быть максимальной [см. формулу (132) ]. Однако по мере раз­работки залежи пластовое давление снижается. Следовательно, для достижения неизменного отбора жидкости необходимо умень­шать забойное давление, чтобы поддерживать постоянную депрес­сию. Но необходимость уменьшения с течением времени забойного давления равносильна уменьшению относительного погружения при неизменной длине подъемника, что сопровождается уменьше­нием дебита. Поэтому нельзя ориентироваться на длительную ра­боту подъемника на режиме #_опт.

Известно, что для получения максимального удельного расхода при режимах д_отп и д_макс величина ^ должна быть одинакова и

равна 0,5. Следовательно, Е; = 0,5 = -=•, а

(140)

12*

Таблица 1 Относительная (относительно воздуха) плотность некоторых газов

Газ	Относительная плотность	Плотность, кг/м*
Воздух...............		\ 2ЧЧ
Водород..............	П П7	ППЯЧЯ
Гелий.........................	0 138	0 178е;
Азот...............................	о'97	л 25П7
Углекислый газ.................................	1 518	1 976
Сероводород........................................	1 19	1,539
Метан........................		0 7168
Этан..............................	1 048	1 356
Пропан...................................	1 562	? 014
Бутан...................................................		2.668

Состояние газа характеризуется давлением р, температурой Г и объемом V. Соотношение между этими параметрами определяется, законами газового состояния.

Однако состояние реальных газов значительно отличается от состояния идеальных газов при тех же условиях.

Причина отклонений реальных газов от законов идеальных газов, заключается в следующем. Согласно кинетической теории газов, под идеальным газом подразумевается газ, молекулы которого не-взаимодействуют друг с другом; молекулы же реальных газов взаи­модействуют между собой. С повышением давления молекулы газа сближаются, и силы притяжения между ними «помогают» внешним силам, сжимающим газ. Вследствие этого реальные газы сжимаются сильнее, чем идеальные, при тех же условиях. Когда реальный таз сжат до больших давлений, межмолекулярные расстояния настолько-сокращаются, что отталкивающие силы начинают оказывать большие сопротивления дальнейшему уменьшению объема. В этих условиях реальный газ сжимается уже меньше, чем идеальный. Эти отклоне­ния свойств реальных газов от свойств идеальных газов столь зна­чительны, что на практике ими пренебрегать нельзя.

Для характеристики степени отклонения сжимаемости реальных газов от идеальных пользуются коэффициентом сжи­маемости 2, который показывает отношение объема реального-газа к объему идеального газа при одних и тех же условиях. Тогда уравнение состояния газа Клапейрона принимает вид:

где р —давление, Па; V — объем газа, м³; т — масса газа, кг Д— газовая постоянная, Дж (кг-град); Т — абсолютная темпера­тура, °К; 2 — коэффициент сжимаемости.

Коэффициент сжимаемости газов 2 обычно определяют по экспе­риментальным графикам. -Чтобы избежать построения графиков

1,0 0,9 0,8 Рис. 2. Определение коэф­фициента сжимаемости 2 0,7 для природного газа. 0,6 0,5

для каждого газа или их смесей, на основе экспериментальных данных составлен график изменения коэффициента г в зависимости от приведенной температуры и приведенного давления для метана (рис. 2), который на основании закона соответственных состояний с достаточной точностью может быть использован для определения г всех газов, состоящих на 95—96% из метана. Коэффициенты сжи­маемости на этом графике показаны в зависимости от приведенного

03 'О 10 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Р_пр

давления р_пр и приведенной температуры Т_пр, которые определяются по формулам

,, _ Р - ^т

(10)

где р и Т — давление и температура газа; р_{кр 1} и Т_{кр 1} — критиче­ское давление и абсолютная температура 1-го компонента; Е(г/_г Г_кр,) и Е(г/_г Ркр г) — среднекритические абсолютная температура и дав­ление; у[ — мольная концентрация 1-го компонента в газе.

Таким образом, р_пр и Г_пр выражают давление и абсолютную температуру в долях от соответствующих критических величин.

Пример. Найти коэффициент сжимаемости при давлении 200 кгс/см^а (20 МПа) и температуре 60° С для газа следующего состава (в % объемных): метана — 69,4, этана — 6,5, пропана — 10,4, бутана — 6,1, пентана и выше 7,Ь.

Относительная плотность газа равна 0,95.

Подсчитаем по табл. 2. средние значения критических давлении и темпе­ратуры.

Приведенные давления и температуры будут:

2*

Последнее уравнение написано в предположении, что р₂ весьма мало по сравнению с р_г.

В большинстве случаев осуществить такую длину подъемника невозможно, так как давление нагнетаемого рабочего агента бы­вает ограничено определенной величиной.

При оптимальном относительном погружении рабочее давление примерно равно давлению у башмака:

Рыб = Рбаш = Ьрё = А₀р#. (141)

Длину подъемника следует определять из расчета полного ис­пользования рабочего давления, т. е. по формуле

где Рзаб и р_раб в Па.

Следовательно, для окончательного выбора длины подъемника следует ее рассчитать по формулам (140) и (142) и из полученных величин взять наименьшую. После нахождения длины определяют диаметр труб, исходя из формулы (119), а затем рассчитывают удель­ный расход нагнетаемого в скважину газа по формуле (107).