Rozdział 2.2.1

Janusz Kośmider
Zjawiska przepływowe
w odwiertach naftowych
Zielona Góra 2010
Spis treści
Słowo wstępne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Dopływ płynów złożowych do odwiertów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1. Dopływ radialny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1. Indeks wydajności odwiertu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.2. Inwersja dopływowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2. Dopływ płynów do odwiertów z aktywną wodą podścielającą . . . . 17
1.3. Dopływ płynów do odwiertów w złożach
gazowo-kondensatowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2. Przepływ płynów złożowych w odwiertach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1. Przepływ płynów przez rury wydobywcze. . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2. Wynoszenie wody z odwiertów gazowych. . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.1. Przepływ gazu ziemnego przez rury wydobywcze
przy niezupełnym wynoszeniu wody. . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3. Charakterystyki przepływowe odwiertów naftowych . . . . . . . . . 42
2.4. Wymiana płynów złożowych w odwiertach . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5. Dopływ płynów złożowych do przestrzeni międzyrurowych . . . . . 53
2.5.1. Hydrodynamiczne metody wyznaczania położenia miejsca
nieszczelności w rurach wydobywczych gazowych
odwiertów pakerowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3. Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4. Wykaz oznaczeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5. Załącznik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3
Słowo wstępne
W niniejszej książce przedstawiono wybrane zagadnienia związane ze zjawiskami przepływowymi występującymi podczas eksploatacji złóż węglowodorów.
Prezentowane w tej pracy tematy dotyczą zdarzeń, które zachodzą głównie w odwiertach i mają decydujący wpływ na ich charakterystyki wydobywcze. Bardzo
często objawy obserwowane w głowicach eksploatacyjnych są zależne od różnorodnych czynników przepływowych, które utrudniają rozpoznanie rzeczywistych
właściwości odwiertu.
Mam nadzieję, że podjęta przeze mnie próba wytłumaczenia niektórych z tych
zjawisk wpłynie na lepsze zrozumienie warunków prowadzenia eksploatacji odwiertów naftowych.
Pragnę podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do przemysłowego
zweryfikowania zagadnień przedstawionych w rozdziałach 1.1.2, 2.2.1 i 2.5.1.
Janusz Kośmider
Zielona Góra 2010 r.
5
zjawiska jest podobny zarówno w środowisku wody kondensacyjnej, solanki jak
i kondensatu.
Opadające w gazie ziemnym krople wody przemieszczają się tak długo w dół
odwiertu, aż utworzy się na spodzie rur wydobywczych mieszanina gazowo-cieczowa, w której nastąpi wzrost prędkości przepływu gazu ze względu na częściowe zajęcie pola powierzchni przez wodę. Po osiągnięciu na danej głębokości
granicznej zawartości wody w strumieniu przepływającego gazu następne krople
opadające z góry będą zatrzymywane powyżej istniejącej już mieszaniny. W ten
sposób od spodu odwiertu aż do głowicy eksploatacyjnej będzie się podnosić
w rurach wydobywczych mieszanina gazu ziemnego i wody. W momencie osiągnięcia przez wierzch mieszaniny poziomu głowicy eksploatacyjnej rozpocznie
się wypływ wody do napowierzchniowej instalacji wydobywczej.
W trakcie gromadzenia się wody w rurach wydobywczych następował będzie
systematyczny spadek ciśnienia głowicowego ze względu na wzrost ciśnienia
hydrodynamicznego przepływającego strumienia gazu ziemnego z zawieszoną
w nim wodą. Po uzyskaniu wypływu wody z odwiertu dojdzie do stabilizacji ciśnienia głowicowego.
W przedstawionych powyżej warunkach występuje tzw. niezupełne wynoszenie wody z rur wydobywczych, gdyż pomimo wypływania wody z odwiertu pewna jej część stale pozostaje zawieszona w strumieniu przepływającego gazu ziemnego. Ten sposób transportowania wody w odwiercie przez gaz ziemny powinien
być wyraźnie odróżniany od zupełnego wynoszenia, które może zachodzić tylko
wówczas, gdy prędkość przepływu gazu ziemnego pozwala na usunięcie wszystkich kropli z rur wydobywczych.
Zwiększenie natężenia przepływu w odwiercie, w którym występuje niezupełne wynoszenie wody spowoduje usunięcie pewnej jej ilości z rur wydobywczych
ze względu na wzrost prędkości przepływu gazu ziemnego. Jeżeli w takich warunkach natężenie przepływu gazu ziemnego zostanie zmniejszone, to doprowadzi
to do określonego obniżenia się wierzchu mieszaniny gazowo-cieczowej w rurach
wydobywczych i do zaniku wynoszenia wody do instalacji napowierzchniowej.
Ponowny wypływ wody z gazem ziemnym z odwiertu będzie możliwy dopiero
wówczas, gdy mieszanina gazowo-cieczowa osiągnie z powrotem poziom głowicy
39
eksploatacyjnej, a czas oczekiwania na to zdarzenie będzie uzależniony od intensywności wykraplania się wody kondensacyjnej w rurach wydobywczych.
Woda zawieszona w strumieniu przepływającego gazu ziemnego bywa niekiedy opisowo nazywana zwężką hydrauliczną, gdyż wywołuje w odwiercie obniżenie natężenia przepływu i zmniejszenie ciśnienia głowicowego. Właściwość tę
w niektórych przypadkach można wykorzystać do takiego ułożenia warunków
eksploatacji, że poprzez obniżenie ciśnienia gazu ziemnego wypływającego z odwiertu zredukowana zostanie również temperatura tworzenia się hydratów, co pozwoli na zmniejszenie lub nawet na uniknięcie dozowania inhibitorów hydratów
do instalacji napowierzchniowej.
Spadek ciśnienia głowicowego, z powodu zawieszenia wody w strumieniu
przepływającego gazu ziemnego, można wyznaczyć w łatwy sposób w przypadku
odwiertów bezpakerowych poprzez porównanie ciśnienia panującego w głowicy
eksploatacyjnej i zagłowiczeniu przestrzeni międzyrurowej. W przypadku odwiertów pakerowych sytuacja jest bardziej skomplikowana, gdyż nie ma możliwości kontrolowania ciśnienia dennego poprzez tzw. nieruchomy słup gazu.
Do wyznaczania w sposób przybliżony zmiany ciśnienia głowicowego wywoływanej zawieszoną wodą w strumieniu przepływającego gazu ziemnego w odwiercie pakerowym autor proponuje zastosowanie zależności (2.3), która została
ustalona na podstawie badań analitycznych i doświadczeń polowych.
ΔPgh = ΔPghj · H
(2.3)
gdzie:
ΔPgh – spadek ciśnienia głowicowego dynamicznego spowodowany zawieszeniem wody w strumieniu gazu ziemnego przepływającego przez rury wydobywcze, Pa,
H
– długość rur wydobywczych, przez które odbywa się przepływ gazu ziemnego z zawieszoną wodą, m,
ΔPghj – jednostkowy spadek ciśnienia głowicowego dynamicznego spowodowany zawieszeniem wody w strumieniu gazu ziemnego przepływającego
przez rury wydobywcze, Pa/m.
40
Wartość jednostkowego spadku ciśnienia głowicowego jest ściśle uzależniona od stosunku wydajności krytycznej dla danego odwiertu wyliczonej ze wzoru
(2.2) do wydajności rzeczywistej, przy której odbywa się przepływ z niezupełnym
wynoszeniem wody. Relację tę można wyrazić w następujący sposób:
SQ =
Qkr
Qr
(2.4)
gdzie:
SQ – stosunek wydajności krytycznej do wydajności rzeczywistej, bezw.,
Qkr – krytyczna wydajność odwiertu wymagana do zupełnego wynoszenia wody,
nm3/s,
Qr – rzeczywista wydajność odwiertu, przy której odbywa się przepływ z niezupełnym wynoszeniem wody, nm3/s.
Na podstawie wyników badań polowych przeprowadzonych w różnych odwiertach gazowych autor sporządził wykres przedstawiony na rysunku 2.3, który umożliwia wyznaczenie jednostkowego spadku ciśnienia głowicowego ∆Pghj w zależności
od stosunku wydajności krytycznej danego odwiertu do wydajności rzeczywistej.
Znajomość charakteru zmian ciśnienia głowicowego przy niezupełnym wynoszeniu wody pozwala między innymi na prognozowanie w odwiercie pakerowym spadku ciśnienia głowicowego dynamicznego przy natężeniach przepływu
mniejszych od wydajności krytycznej oraz na przybliżone wyznaczenie ciśnienia
dennego w takich warunkach.
Z wykresu przedstawionego na rysunku 2.3 wynika, że przy niezupełnym wynoszeniu wody z odwiertu spadek ciśnienia głowicowego jest niewielki w przedziale od 1,0 do 1,2 dla stosunku wydajności krytycznej do wydajności rzeczywistej.
W warunkach polowych przy zmianie wydajności odwiertu w omawianym zakresie, ze względu na zmianę depresji ciśnienia dennego i oporów przepływu płynów przez rury wydobywcze, trudno jest zauważyć nieznaczny spadek ciśnienia
głowicowego wywołany efektem zawieszenia wody w strumieniu przepływającego
gazu ziemnego. Z tego powodu w praktyce przemysłowej powszechnie przyjmo41