Введение

В разработке нефтяных месторождений давление насыщения (Pb) является критически важным термодинамическим параметром. На начальном этапе разработки месторождения пластовое давление обычно превышает давление насыщения; природный газ остается растворенным в нефти, и флюид находится в однофазном жидком состоянии. Однако по мере продолжения добычи и истощения пластовой энергии давление неизбежно снижается. Как только пластовое давление падает ниже давления насыщения, начинается интенсивное выделение свободного газа из нефти, и флюид в пласте и стволе скважины официально переходит из однофазного жидкого состояния в режим газожидкостного двухфазного потока. Этот фазовый переход означает, что разработка залежи перешла на режим растворенного газа, что требует соответствующей корректировки применяемых технологий добычи.

1. Каскадные изменения фазового состояния и физических свойств флюида

После падения давления ниже давления насыщения происходит ряд цепных изменений физических свойств флюида, в первую очередь — ухудшение режима течения в стволе скважины. Обильное выделение свободного газа приводит к резкому росту газожидкостного фактора. Режим течения нефти в процессе подъема часто переходит от относительно стабильного пузырькового режима к пробковому (снарядному) и даже кольцевому режиму, что сопровождается значительным увеличением сопротивления трения в колонне труб.

В то же время, после выделения в газовую фазу легких компонентов, таких как метан и этан, относительная доля тяжелых фракций в дегазированной (разгазированной) нефти увеличивается. На макроуровне это проявляется в заметном повышении вязкости нефти и значительном снижении ее текучести.

На микроскопическом уровне (в микропорах) выделившиеся пузырьки свободного газа создают в сужениях пор эффект Жамена, который напрямую блокирует каналы течения флюида. Это вызывает значительное снижение относительной фазовой проницаемости для нефти, что в конечном итоге приводит к резкому ухудшению характеристик притока скважины (IPR).

2. Физическое воздействие свободного газа на механизированную добычу

Эти сложные условия газожидкостного двухфазного потока создают серьезные физические осложнения для скважинного оборудования механизированной добычи.

Для оборудования объемного действия, работа которого основана на изменении объема рабочей камеры (объемные насосы), высокая сжимаемость газа губительна. Когда в насос поступает большая доля свободного газа, механическая работа в основном расходуется на сжатие и расширение газа. Это затрудняет создание эффективного перепада давления, необходимого для откачки жидкости, и приводит к резкому снижению объемного КПД.

Для центробежного оборудования, работающего за счет высокоскоростного вращения рабочих колес, огромная разница в плотности газа и жидкости приводит к тому, что свободный газ легко скапливается в зонах пониженного давления рабочего колеса. Как только локальное газосодержание достигает критического порога, оно блокирует непрерывный поток жидкой фазы, вызывая внезапное падение напора насоса или остановку по недогрузу (газовая блокада).

Кроме того, относительное движение скважинных механических узлов сильно зависит от жидкой фазы, обеспечивающей смазку и охлаждение. Условия с высоким содержанием газа серьезно ухудшают смазывающие свойства и удельную теплоемкость флюида, подвергая движущиеся части риску сухого трения и ускоряя их износ и старение.

3. Инженерные решения для сложных условий двухфазного потока

Для борьбы со сложным фазовым поведением ниже давления насыщения на промыслах обычно требуются корректировки как в пластовом, так и в скважинном измерениях. Наиболее прямой подход заключается в пополнении пластовой энергии у источника путем закачки воды или газа для поддержания давления. За счет искусственного поддержания пластового давления вблизи давления насыщения выделение газа задерживается, что позволяет максимально сохранить состояние однофазного потока сырой нефти.

Если обильное выделение свободного газа в стволе скважины неизбежно, под приемом оборудования для механизированной добычи необходимо установить газовый якорь. Используя принципы изменения направления потока и гравитационного осаждения, газовый якорь сепарирует свободный газ до его поступления в насос и отводит его через затрубное пространство.

Что касается выбора способа механизированной добычи, иногда применяется технология газлифта, чтобы превратить присутствие газа в подъемную силу. За счет активной закачки газа высокого давления в ствол скважины для снижения плотности смеси и гидростатического давления столба жидкости в НКТ, энергия расширения газа используется для подъема сырой нефти на поверхность, тем самым эффективно избегая уязвимости механического оборудования к газовой блокаде.

Для скважин, в которых по-прежнему используется механизированный способ добычи, эксплуатационные методы часто включают увеличение глубины спуска насоса и увеличение уровня погружения насоса для повышения давления на приеме. Это сжимает объем свободного газа и способствует улучшению условий поступления флюида в насос.

Снижение пластового давления ниже давления насыщения — это неизбежный этап в жизненном цикле разработки подавляющего большинства нефтегазовых месторождений. От резких изменений фазового состояния флюида до проблем механизированной добычи в условиях газожидкостного двухфазного потока — только точное понимание лежащих в их основе физических закономерностей и целенаправленная корректировка стратегий управления пластом и технологий механизированной добычи могут по-настоящему гарантировать стабильную и рентабельную эксплуатацию месторождения на средних и поздних стадиях разработки.