авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||

Гидродинамика двухфазных смесей в процессах бурения нефтяных и газовых скважин

-- [ Страница 5 ] --

и найден интеграл уравнения (49) с граничными условиями = при = 0

при >0;
при < 0; (50)
при = 0.

В диссертации приведена методика расчета перепада давлений в скважине по полученному решению (50) при режиме течения «нулевая подача». Приведены примеры расчётов давления в обводнённой газовой скважине № 81 Ставропольского месторождения, работавшей при «нулевом режиме».

Для расчетов давления в скважине по формулам (5048) предложен простой метод. Результаты расчетов давления столба газированной нефти по предложенной модели удовлетворительно совпадают с промысловыми данными Ю.Г. Валишина для чисел Fr < 0,1. Расчеты по предлагаемой методике также достаточно хорошо совпадают с данными А.Ф. Мусаева.

Истечение струи газа через слой жидкости.

В диссертации приведены результаты экспериментального исследования гидродинамического образования (газожидкостного бугра), вызванного восходящей вертикальной струёй газа на границе воздуха и расположенного ниже слоя жидкости. Эти исследования проводились автором диссертации в различные годы на установках, которые постоянно совершенствовались и диапазон изменений исследуемых параметров расширялся.

Схема последней установки, на которой можно проводить компьютерную обработку параметров изучаемого явления, представлена на рис. 12. Бак 1 (350400300 мм) из прозрачного органического стекла заполняется водой до некоторого уровня. Сменные насадки устанавливаются на держателе 2, положение которого может изменяться по отношению к поверхности воды как по высоте, так и по углу наклона струи вытекающей из насадка. Воздух подаётся к насадку от компрессора 3. Для сглаживания пульсаций газа установлен ресивер 4, давление в котором регулируется краном 5 и измеряется образцовым манометром. Давление газа в подводящей трубке к насадку измеряется с помощью датчика 6 типа MPX фирмы «Motorola». Для измерения расхода газа создан малоинерционный расходомер 7 тахометрического типа с электронным преобразователем сигнала на базе анемометра AM 402.

 Схема экспериментальной установки для изучения истечения струи газа через-127 Рис. 12. Схема экспериментальной установки для изучения истечения струи газа через слой жидкости. 1-бак; 2-держатель; 3-компрессор; 4-ресивер; 5-кран; 6-датчик давления; 7-электронный расходомер; 8- электронная линейка; 9-измерительная система PowerLab; 10-компьютер; 11-источник света; 12 - волногаситель

Для измерений геометрических размеров бугра над жидкостью применялся теневой метод. На передней стенке бака 1 устанавливался экран с координатной сеткой, а сзади бака источник света 11 - галогеновая лампа с отражателем и системой линз для фокусировки потока света.

Параметры бугра (высота Н и ширина D в разных сечениях) измерялись по теневому отражению с помощью сконструированного датчика координат электронной линейки 8 (рис.12). Сигналы от датчика давления 6, расходомера 7 и линейки 8 поступали на измерительную систему PowerLab/8sp фирмы «ADInstruments» и далее на компьютер 10. Запись и обработка сигналов осуществлялась при помощи программы Chart, входящей в комплект системы.

Для устранения влияния на форму бугра отраженных от стенок бака волн устанавливался волногаситель 12 в виде рамки, расположенной по периметру ёмкости на уровне свободной поверхности.

Проводилась видеосъёмка образования и динамики изменения геометрических размеров бугра на поверхности жидкости при истечении воздуха из щелей с размерами 3,50,14 мм, 5,50,14 мм, 100,17 мм и отверстий с диаметрами 0,71 мм, 1 мм и 1,3 мм при массовых расходах воздуха от 0,01 до 0,7310-3 кг/с.

На держателе 2 (рис. 12) закрепляли насадок и, перемещая держатель по вертикали, устанавливали глубину погружения Hc под поверхность воды. Компрессором 3 нагнетали воздух в ресивер 4 и, краном 5, создавали определённое давление в нём. При истечении воздуха из насадка на поверхности воды возникал газожидкостный бугор. Давление измерялось датчиком 6, а расход воздуха - электронным расходомером 7. Сигналы от датчиков поступали на измерительную систему PowerLab и на компьютер. На экране, установленном на передней стенке бака 1, наблюдали тень от бугра. С помощью линейки 8 получали запись изменения напряжения U и его среднее значение в зависимости от высоты бугра Нб за средний промежуток времени. По тарировочной таблице определялись геометрические параметры бугра.

Струя газа, распространяясь в жидкости, приводит в движение пограничные слои жидкости и возбуждает в ней циркуляционное течение. Проходя скачок плотности, струя расширяется. Жидкость, захваченная струёй газа, частично растекается по поверхности и частично поднимается с потоком газа над жидкостью, образуя газожидкостной двухфазный бугор. На рис. 13а представлена типичная фотография характерной формы бугра на поверхности: видна геометрическая особенность картины – диаметр основания бугра D существенно превышает диаметр выходящей струи.

Рис. 13. Фотография и модели истечения: а) – типичная фотография истечения газа через слой жидкости (Q = 0,0045 м3/с; h = 0,2 м; D0 = 0,03 м; Н = 0,27 м; R = 0,095 м); б) – предложенная автором геометрическая модель течения, основанная на наблюдениях во время опытов; в) – модель истечения Теплицкого

Наибольшая скорость газа на оси струи определяет высоту поднятия частиц жидкости до вершины бугра. Струя, расширяясь, поднимает периферийные частицы жидкости, которые после прохождения скачка плотности под влиянием силы тяжести образуют нисходящее течение. Траектории частиц при их стекании в бугре отличаются от траекторий падения единичных невзаимодействующих частиц. При уменьшении высоты слоя или увеличении скорости газа, частиц жидкости становится недостаточно для образования сплошной видимой границы бугра. Тогда нисходящий поток жидкости в бугре состоит из отдельных струек и капель, наибольшее удаление которых от оси струи при падении на поверхность раздела определяет радиус бугра.

На основе визуальных наблюдений автором предложена новая модель истечения струи в слой жидкости (рис. 13б). Она отличается от используемой по настоящее время в литературе модели (рис. 13в), которая приводит к сильному завышению расчётных значений расходов газов вычисленных по параметрам бугра.

Путём обработки данных многих опытов в диссертации получены формулы, связывающие безразмерную высоту бугра с безразмерной толщиной слоя воды и числами Фруда для круглых отверстий и для щелей.

Безразмерные параметры менялись в пределах: для круглых отверстий 1,5 < Fr < 149, 43,5 < Нс < 318, 6178 < Re < 36583, 178 < We <1699; для щелей 1,2 < Fr < 169,8, - от 38,5 < Нс < 285,7, 6454 < Re < 41633, от 162 < We < 1900.

В опытах измерялась высота бугра не только на оси сопла, но и высота бугра на различных расстояниях от оси. Эти данные обработаны в безразмерных переменных z/Hб и y/Rб и получена зависимость, описывающая профиль границы газожидкостного бугра для круглых отверстий и щелей.

Результаты опытов сравнивались с экспериментальными данными других авторов. Например, наши опытные данные и опыты М.Дж. Фридла имеют коэффициент корреляции r2 = 0,98 в области пересечения опытных данных.

При аварийном фонтанировании газовой скважины, когда вместо разрушенного устья образуется кратер, заполненный жидкостью, которая представляет собой смесь пластового флюида и бурового раствора, истечение газа происходит через слой жидкости, обладающей свойствами ННЖ. С целью изучения влияния свойств ННЖ жидкости на истечение газа и образование на поверхности жидкости бугра были проведены дополнительные эксперименты. ННЖ представляла собой водный раствор полимера - полиакриламид (ПАА) марки DF-FLCOC.

Анализ результатов экспериментов показал, что при одном и том же объёмном расходе газа и размерах отверстия высота газожидкостного бугра снижается с уменьшением толщины слоя жидкости над соплом при используемых расходах газа. Это объясняется тем, что раствор ПАА проявляет выраженные свойства ННЖ. С увеличением толщины слоя большая часть раствора ПАА вовлекается в движение.

Объём бугра увеличивается с ростом объёма выносимой жидкости, что приводит к увеличению высоты бугра. В опытах при толщине слоя жидкости 50 мм наблюдался прорыв воздуха через вершину образующегося бугра, что могло оказывать влияние на его высоту. Формы бугра, особенно при толщине слоя жидкости 50 мм, отличались большей стабильностью, сравнительно с формой при истечении воздуха в воду.

В диссертации получены степенные зависимости высоты бугра от числа Fr при различной толщине слоя ПАА, в которых коэффициенты зависят от числа Хедстрема и безразмерной толщины слоя. Проведено сравнение опытных данных, полученных при истечении газа в НЖ (водопроводная вода) с данными при истечении в ННЖ (раствор ПАА).

Таким образом, в данной главе изложены новые эксперименты по установлению зависимости между размерами газожидкостного бугра и параметрами истечения газожидкостных струй через слой ННЖ. Рассмотрены существенные отличия истечения струи в слой ННЖ от истечения струи в НЖ.

Основные выводы и рекомендации

Построена обобщённая одномерная неизотермическая нестационарная гидродинамическая модель движения многофазных смесей в элементах циркуляционной системы при бурении скважины с учётом взаимодействия с пластами в репрессионном и депрессионном режимах. На основе этой постановки решены следующие новые теоретические, экспериментальные и прикладные задачи.

  1. Сформулирована и решена задача о распределении давления в нисходящем потоке двухфазной жидкости в бурильных трубах, в которой использована полученная эмпирическая зависимость для истинного газосодержания. На основе решения этой задачи создана инженерная методика расчёта распределения давления во всей циркуляционной системе скважины при бурении с промывкой газожидкостной смесью.
  2. Создана модель гидростатики многофазных флюидов (фазы которых могут быть ньютоновскими или неньютоновскими) в поле силы тяжести. На основе этой модели разработана методика расчёта технологических параметров цементирования скважин пеноцементами и определена последовательность работы насосов цементировочных агрегатов и компрессоров во времени.
  3. Поставлена и решена задача по страгиванию твёрдых частиц потоком неньютоновской жидкости в наклонных и горизонтальных участках скважины с целью определения расхода и реологических свойств технологических жидкостей, необходимых для очистки этих участков от шлама.
  4. Решена нестационарная задача распределения давления в кольцевом пространстве скважины при притоке газа с заданным постоянным расходом на забое. Предложена методика управления скважиной при вскрытии газоносного пласта при заданной депрессии в период до выхода на установившийся режим течения газожидкостной смеси в кольцевом пространстве, исключающая возможное поглощение в слабый пласт.
  5. Впервые проведены экспериментальные исследования по прохождению различной направленности струй газа через слой жидкости с целью определения дебита газа, например, при истечении газа из аварийно фонтанирующей скважины через кратер, заполненный жидкостью. Для дистанционной оценки дебита газа создана модель течения струи через слой ньютоновской или неньютоновской жидкости, с помощью которой связаны в критериальном виде параметры истечения, характеристики слоя жидкости и газожидкостного бугра. Также впервые экспериментально определены концентрации газа и жидкости в газожидкостном бугре над поверхностью жидкости.
  6. Найдено распределение давления в кольцевом пространстве скважины при переходе с промывки на продувку газом, необходимое для расчёта производительности компрессоров, обеспечивающих вынос жидкости из скважины в режиме «нулевая подача». Исследования при режиме «нулевая подача» дополнены новыми экспериментальными данными по барботажу газа через столб жидкости при малых числах Фруда (Fr < 0.01) и получена зависимость между параметрами течения в широком диапазоне чисел Фруда вплоть до начала выноса жидкости из вертикальной скважины.
  7. Рассмотрена задача по определению свободного дебита скважины с учётом теплового взаимодействия как с многолетнемёрзлыми, так и с породами с положительными температурами. Установлено, что внешнее неустановившееся температурное поле, образующееся в результате прогрева и протаивания породы, мало влияет на величину дебита, но заметно сказывается на распределении значений давления и температуры по глубине скважины. Для случая течения газа в изотермических условиях предложена графоаналитическая методика расчёта параметров задавочной жидкости для глушения аварийно фонтанирующей скважины;
  8. Получены полуэмпирические зависимости для определения критических чисел Рейнольдса, необходимые для расчёта распределения давления при движении однофазных буровых и других вязкопластических жидкостей в трубах и кольцевом пространстве скважины.
  9. На основе разработанных моделей статики и движения двухфазных смесей созданы пакеты прикладных программ для численных расчётов.
  10. Результаты работы внедрены в промышленности. В течение трёх последних десятилетий в учебном процессе вузов нефтегазового профиля используются, учебники, учебные пособия и программы, написанные с участием автора.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Астрахан И.М., Егорушкин С.А., Исаев В.И., Розенберг Г.Д., Слободкина Ф.А. Моделирование аварийного фонтанирования газоконденсатной скважины в условиях вечной мерзлоты// Изв. РАН. МЖГ. 1994, № 3. С. 101-108.

2. Исаев В.И. Термогидродинамические модели многофазных течений при строительстве и эксплуатации скважин// Управление качеством в нефтегазовом комплексе, 2005, № 1-2. C. 100-103.

3. Исаев В.И. Обобщённая гидростатика однофазных флюидов и многофазных смесей в поле силы тяжести// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ОАО "ВНИИOЭНГ". 2006, № 1. С. 26-32.

4. Исаев В.И., Иванников В.Г., Иванников А.В. Оценка параметров газопроявлений в виде грифонов и экологической обстановки окружающей среды// Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2004, № 1. С. 57-59.

5. Исаев В.И., Иванников В.Г., Иванников А.В. Экспериментальное моделирование аварийного фонтанирования газовой скважины через слой жидкости// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.– М.: ОАО "ВНИИOЭНГ". 2005, № 10. С. 35-39.

6. Исаев В.И., Иванников В.Г., Иванников А.В. Внедрение струи газа в слой неньютоновской жидкости// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ОАО “ВНИИOЭНГ". 2006, № 2. С. 29-32.

7. Исаев В.И., Леонов Е.Г., Райкевич С.И. Гидростатическое давление двухфазных сред при бурении и эксплуатации скважин// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ОАО "ВНИИОЭНГ". 2001, № 1. С. 21-22.

8. Исаев В.И., Фёдоров В.В. Определение функции истинного газосодержания в горловине струйного насоса по данным опытов// Управление качеством в нефтегазовом комплексе, 2004, № 3-4. С. 80-84.

9. Исаев В.И., Фёдоров В.В. Оценка параметров течения многофазных жидкостей в процессе освоения скважин// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.:ОАО "ВНИИOЭНГ", 2005, № 9.
С. 43-50.

10. Исаев В.И., Шуть К.Ф. Определение реологических характеристик торфосодержащих растворов// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.– М.: ОАО "ВНИИОЭНГ". 2004, № 12. С. 37-46.

11. Исаев В.И., Шуть К.Ф. Определение подачи насосов для обеспечения выноса шлама при ламинарном течении жидкости, подчиняющейся 3-параметрической реологической модели// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ОАО "ВНИИOЭНГ", 2005, № 7. С. 15-17.

12. Басниев К.С., Розенберг Г.Д., Исаев В.И. и др. Карачаганакское месторождение: расчёт свободного дебита скважин// Газовая промышленность, 1992, № 8. С. 30-32.

13. Басниев К.С., Розенберг Г.Д., Исаев В.И., Слободкина Ф.А., Кульпина Н.М., Астрахан И.М. Прогнозирование аварийного фонтанирования скважин при освоении нефтегазовых ресурсов Арктики в целях оценки возможных экологических последствий// НТЖ. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. – М.: ОАО "ВНИИOЭНГ". № 12, 1996. С. 31-34.

14. Басниев К.С., Розенберг Г.Д., Исаев В.И., Кульпина Н.М. Расчет эксплуатационных и аварийных режимов в вертикальных и горизонтальных газовых и газоконденсатных скважинах// НТЖ. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. – М.: ОАО "ВНИИOЭНГ". 1997, № 1. C. 38-41.

15. Брюховецкий О.С., Степанов Ю.С., Исаев В.И. Математическая модель двухфазных смесей при гидротранспорте// Известия вузов. Геология и разведка. 1990, № 1. С. 59.

16. Исаев В.И., Леонов Е.Г. Определение дебита газовых скважин, аварийно фонтанирующих через слой жидкости// Газовая промышленность. 1976, № 9. С. 22-24.

17. Исаев В.И., Леонов Е.Г. Расчет давления по глубине обводненной газовой скважины// Газовая промышленность. 1974, № 4. С. 54.

18. Леонов Е.Г., Исаев В.И., Лукьянов И.П. Теория и методика расчёта расхода бурового раствора различной реологии для очистки от шлама ствола наклонно-направленных скважин// НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ОАО “ВНИИOЭНГ". 2006, № 8. С. 24-31.

19. Петров В.А., Леонов Е.Г., Филатов Б.С., Исаев В.И. Исследование газовых фонтанов и графический метод расчета глушения// Газовая промышленность. 1974, № 8. С. 53-54.

Учебники и учебные пособия для высших учебных заведений

20. Леонов Е.Г, Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении. Учебник для вузов (гриф министерства высшего и среднего специального образования СССР). М.: Недра, 1987. 304 с.

21. Леонов Е.Г, Исаев В.И. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. Учебник для вузов (гриф министерства образования и науки РФ). В 2 частях. – 2-е издание, исправленное и дополненное. – Ч. I. Гидроаэромеханика в бурении. Изд-во ООО «Недра», 2006. 413 с.

22. Исаев В.И., Марков О.А. Управление скважиной. Предупреждение и ликвидация газонефтеводопроявлений (гриф УМО вузов РФ по нефтегазовому образованию). Уч. пособие. – М.: ФАЗИС, 2006. 134 с.

23. Исаев В.И., Марков О.А. Управление скважиной. Предупреждение и ликвидация газонефтеводопроявлений (гриф УМО вузов РФ по нефтегазовому образованию). Издание 2-

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.