Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления

Подождите немного. Документ загружается.

551

Иначе говоря, здесь имеют место так называемые «межскважинные»

перетоки. Аналогичная ситуация может возникнуть не только при

полном отсечении КНС, но и при отключении некоторых АСГ, т.е. не-

достаточной производительности КНС.

Рис. 6.5. Состояние модели ТГС после перекрытия КНС

Рис. 6.6. Фрагмент карты изобар Северо-Ореховского

месторождения, пласт АВ

, 07.2000, на начало раз-

работки – 1996 г. пластовое давление составляло

169 кгс/см

552

Например, такого рода ситуации часто возникают на месторожде-

ниях, где аварийные межскважинные перетоки стали причиной серь-

езных осложнений в эксплуатации ТГС ППД. В качестве мероприятий

по борьбе с данной ситуацией, помимо обратных клапанов в выкидном

коллекторе КНС, устанавливаются обратные клапаны на устье каждой

нагнетательной скважины или на БГ.

Рассмотрим случай, ко

гда возможно перемерзание участков ТГС.

Для этого температуру окружающей среды установим равной –58

С, а

диаметр (нижнего по схеме) штуцера примем 0.005 м, после пересчи-

таем комплексное потокораспределение. На рис. 6.6/1 показаны ре-

зультаты расчета такой МТГС.

а)

б)

Рис. 6.6/1. Модель ТГС при температуре внешней среды –58

С со штуце-

ром 5 мм для нижней по схеме скважины: а – общий вид с гидропарамет-

рами МТГС; б – карта распределения температур: самый темный 86.9

С,

самый светлый –58

553

Из схемы на рис. 6.6/1 – а, видно, что расходы жидкости в штуцере,

подсоединенных к нему последовательно трубах и скважине равны

нулю, так как происходит перемерзание данных участков. При поло-

жительной температуре окружающей среды в данных звеньях МТГС с

диаметром штуцера (нижний по схеме), равным 0.005 м расход состав-

ляет 127.8 т/сут. Как явствует из р

езультатов вычислений (рис. 6.6/1 –

б), при температуре окружающей среды –58

С потоки жидкости в

данных звеньях перемерзают. Основной причиной замерзания потока в

данной ТГС является трубопровод от штуцера до скважины. Критиче-

ской температурой его перемерзания для данной ТГС является темпе-

ратура окружающей среды –57.25

С. При этом значении температуры

окружающей среды на конце трубопровода температура потока со-

ставляет всего 1.3

С. На рис. 6.6/2 показано распределение темпера-

туры в ТГС при температуре окружающей среды –57.25

С.

Рис. 6.6/2. Модель ТГС при температуре внешней среды –57.25

С, карта рас-

пределения температур: самый темный 86.9

С, самый светлый –57.25

Согласно схеме на рис. 6.6/2 точкой самой низкой температуры яв-

ляется конец звена трубопровода от штуцера к скважине (нижней по

схеме). Далее поток разогревается в стволе скважины до температуры

56.9

С в точке забоя скважины. Естественно, при величине коэффици-

ента теплопередачи меньшей, чем была установлена (γ=5.12

Вт

), пе-

ремерзание будет происходить при больших температурах окружаю-

щей среды. Также при меньшем диаметре штуцера перемерзание будет

при больших температурах окружающей среды.

554

Вариации структуры наземной части гидросистемы

Установка лупинга. Одной из частых модификаций структуры

систем ППД является установка лупингов. Под установкой лупинга

понимается установка дополнительного КС (обычно трубы) на участке

между определенными узлами схемы с целью снижения потерь на гид-

равлическое сопротивление и предотвращения аварийной ситуации по

причине износа и порыва основного КС (т

рубопровода). Разберем дан-

ный случай на примере той же схемы, но уже с ощутимым сопротив-

лением в основном трубопроводе (от КНС до гребенки). На рис. 6.7

представлена схема данной системы. Из рисунка видно, что длина тру-

бопровода и его сопротивление довольно существенны (перепад дав-

ления составляет около 5.77 МПа). Внутренний диаметр тр

убы

100 мм, длина 3000 м, а абсолютная шероховатость – 0.1 мм.

Установим на данном отрезке дополнительный трубопровод такой

же длины, диаметра и шероховатости. После моделирования имеем

новое потокораспределение (см. рис. 6.8): большую пропускную спо-

собность данного участка, вследствие чего вырос суммарный расход:

по двум трубопроводам 1913.3+1912.7=3826 м

/сут, при этом по ос-

новному трубопроводу – 1913.3 м

/сут, а по лупингу – 1912.7 м

/сут.

Рис. 6.7. Экспериментальная схема системы ППД с длинным

от

езком т

боп

овода от КНС до г

ебенки

555

Вследствие этого ощутимо выросли устьевое давление нагнетания – до

12.79 МПа и приемистости скважин. Расход жидкости по лупингу не-

много меньше, чем по основному трубопроводу из-за сопротивления

участков между узлами 26–23 и 25–11. В табл. 6.2 показаны

комплексные показатели системы до и после установки лупинга.

При сравнении комплексных показателей видно, что по всем вели-

инам наблюдается рост. Коэффициент полезного действия сети –

вырос на 6.71 %, а к.п.д. системы –

на 24.68 %. Из анализа резуль-

татов вычислительного эксперимента ясно, что такое мероприятие яв-

ляется эффективным.

Из этого примера видно, что при помощи МТГС можно проекти-

ровать модификации структуры ТГС с целью определения их эффек-

тивности.

Рис. 6.8. Установка лупинга длинным отрезком трубопровода

от КНС до гребенки

556

Таблица 6.2. Комплексные показатели гидросистемы до

(см. рис. 6.7, 6.8) и после установки лупинга (см. рис. 6.8)

Величина Ед.изм.

Значение

до

Значение

после

Изменение,

кВт 751.91 1028.23 36.75

ц0

кВт 191.14 305.03 59.58

кВт 2917.44 2984.54 2.30

кВт 588.37 784.74 33.38

г.н

. кВт 555.59 709.13 27.64

вх

кВт 34.59 44.52 28.71

вых

кВт 622.96 829.25 33.11

гео

кВт 558.29 718.13 28.63

вх0

кВт 34.59 44.52 28.71

вых0

кВт 62.18 106.05 70.55

кВт 325.65 328.38 0.84

% 65.47 69.86 6.71

д.е. 1.12 1.17 4.46

гс

% 54.24 56.34 3.87

% 17.75 22.13 24.68

фг

% 17.66 21.85 23.73

% – – –

эфф

д.е. 0 0 –

∑

тыс.м

/сут 2.96 3.81 28.72

Установка байпасов. Под установкой байпаса понимается врезка

отрезка трубы, соединяющей приемный и выкидной коллекторы АСГ.

Такую модификацию гидросистем ППД проводят довольно редко, од-

нако, это может дать огромный эффект при снятии рабочих характери-

стик АСГ непосредственно на месте их установки.

Разберем моделирование предыдущей системы ППД (рис. 6.7), но

уже с установленным байпасом (см. ри

с. 6.9–6.10). Для сдерживания

сильных перетоков в задвижке между узлами 9–27 установим коэффи-

557

циент местного сопротивления –

=10

. На рис. 6.9 показано состоя-

ние модели в условиях, когда установленный байпас влияет на работу

всех АСГ на кустовой станции. Как видно из схемы, в этом случае

производительность КНС снижается: (по сравнению с рис. 6.7) давле-

ние на выкиде до 15.98 МПа и расход закачиваемой воды до

2951.6 м

/сут. К.п.д. системы – К

гс

снижается с 54.24 до 46.55%., а

к.п.д. насосных агрегатов растет с 5.9, 25.2, 24.1 до 12.0, 31.6 и 31.1%.

Отмечу, что на практике,

иногда совершается серьез-

ная ошибка регулирования

гидросистемы посредством

установки «байпаса» на кус-

товых насосных станциях с

целью максимизировать

к.п.д. насосных агрегатов.

Действительно, таким обра-

зом довольно эффективно

осуществляется максимиза-

ция к.п.д. н

асосных агрега-

тов, однако, к.п.д. гидросис-

темы резко снижается из-за

рассеивания гидравлической

энергии за счет потребления

гидравлической мощности в

дросселирующем элементе

(задвижке, штуцере) на байпасе, эта мощность может достигать 500

кВт. В нашем примере для схемы на рис. 6.9 рассеиваемая гидравличе-

ская энергия в задвижке между узлами 9–27 равна 190.97 кВ

т, при

этом происходит разогрев жидкости на 3.5

С. Как это ни странно, на-

столько видимого рассеивания энергии в реальности увидеть (прочув-

ствовать) трудно, однако, это не значит, что его там нет. Энергия здесь

расходуется на паразитное движение (ускорение и торможение)

составляющих жидкость частиц (молекул, атомов, примесей), перехо-

дящее в тепловую энергию потока.

По результатам моделирования видно, что смешанные по

токи из

верхнего, среднего и крайнего насосов поступают через байпас с рас-

ходом 1140.7 м

/сут в приемный коллектор, вследствие чего выросло

давление на приеме насосов. Для снятия характеристики «бай-

пасированного» насоса следует перекрыть задвижку между узлами

Рис. 6.9. Схема системы ППД – участок

КНС:

становлен байпас к нижнем

насос

558

25–9, чтобы исключить влияние двух верхних АСГ. После ее перекры-

тия имеем следующие результаты моделирования (см. рис. 6.10).

По участкам схемы без

потока видно, что влияние

верхних насосов исключено,

и расход сквозь нижний АСГ

составил 1143.6 м

/сут. По-

степенно прикрывая задвиж-

ку между выкидной частью и

байпасом (между узлами 9–

27), можно добиться смены

режимов, и, замеряя перепад

давления между приемом и

выкидом в соответствии с

расходом, будем иметь ре-

альную рабочую характери-

стику нижнего насоса. Таким

образом, моделирование по-

казывает, что при оборудова-

нии байпасами каждого насо-

са КН

С имеется возможность

снятия их рабочих характери-

стик в достаточно широком интервале расходов.

Подключение группы нагнетательных скважин. Одной из часто

решаемых эксплуатационных задач является реконструкция или до-

полнение структурной схемы системы ППД для обеспечения приеми-

стостей вновь подключаемых нагнетательных скважин. Естественно,

здесь приходится балансировать между оптимальным числом КС,

АСГ и па

раметрами дросселирующей ЗА. Конечно, модель сама по се-

бе не может дать ответ на все эти вопросы, однако, она помогает, от-

талкиваясь от гидравлических параметров, найти оптимальный вари-

ант схемы и тех-показателей элементов гидросистемы. Допустим, мы

имеем уже созданную систему, изображенную на рис. 6.7, и наша за-

дача заключается в по

дключении к ней трех новых скважин с различ-

ными параметрами. Для этого можно обвязать их одной нитью трубо-

провода и подключить к существующей КНС. Очевидно, что в таком

случае последняя скважина в этой нити будет получать наименьшее

количество жидкости, а процесс регулирования штуцерами (непосред-

ственно на устьях) возможен только, если пе

рвая скважина имеет

сравнительно невысокую приемистость. В другом варианте эти сква-

Рис. 6.10. Схема системы ППД – участок

КНС: установлен байпас к нижнему насо-

су, перекрыта задвижка со стороны верх-

них насосов

559

жины можно объединить гребенкой, с которой уже соединить осталь-

ную систему. Данный вариант часто используется в лучевых структу-

рах систем ППД. При необходимости (т.е. при недостатке давления на-

гнетания) на первой КНС следует установить дополнительные АСГ

или где-нибудь на отрезке от КНС до новых скважин поставить ДНС.

Все эти вар

ианты можно смоделировать и оценить эффективность

каждого из них, после чего реализовать наиболее выгодный. Рассмот-

рим моделирование некоторых из предложенных вариантов (см. рис.

6.11–6.13).

Преобразование схемы на рис. 6.7 в схему на рис. 6.11 привело к

несущественному изменению величин приемистостей в старых сква-

жинах по причине изначально более чем необходимого количества

АСГ на КН

С. К.п.д. гидросистемы К

гс

незначительно вырос до 54.67%.

При этом режимы АСГ все так же далеки от оптимума: давление на

выкиде слишком велико, что свидетельствует о том, что АСГ сильно

зажаты: их к.п.д. выросли до 14.9, 34.4, 33.77 (по схеме сверху-вниз),

но далеки от оптимальных значений (60 –70%). Выключим нижний и

верхний АСГ. Таким образом, в работе остается то

лько средний насос.

В результате имеем потокораспределение, показанное на рис. 6.12.

Рис. 6.11. Схема системы ППД: подключение группы новых скважин

560

Как видно из результатов моделирования, приемистости двух ста-

рых скважин незначительно (до 10%) упали, зато к.п.д. насоса, остав-

шегося включенным на КНС, вырос до практически оптимального

значения – 59.3%, а два других уже не потребляют электроэнергию.

К.п.д. гидросистемы также вырос до 55.57%. Таким образом, в процес-

се вычислительной имитации данного мероп

риятия была выяснена не-

обходимость некоторой оптимизации КНС, причем, в случае дальней-

шего технологического повышения приемистостей имеется некоторый

запас (см. рабочую характеристику ЦНС–240–1422).

Усложним задачу необходимостью подключения еще одного ряда

скважин с относительно высокими приемистостями (см. рис. 6.13). В

результате изменения схемы на рис. 6.12 имеем приемистости в новых

скважинах в среднем 750 м

/сут, при этом давление на выкиде КНС

падает до 12.83 МПа и одна из старых скважин начинает работать на

излив. К.п.д. гидросистемы практически не меняется – 55.58%, а к.п.д.

основного насоса на КНС вырастает до оптимального с точки зрения

эксплуатации ТГС значения – 63.1%.

Рис. 6.12. Отключение двух АСГ