Підвищення ефективності установок свердловинних штангових насосів шляхом застосування нафтогазових ежекторів

Abstract

Дисертація присвячена підвищенню ефективності експлуатації обладнання для видобування нафти, зокрема установок свердловинних штангових насосів шляхом застосування нафтогазових ежекторів. Використання тандемних установок при видобуванні нафти у складі електровідцентрового і струминного насосів показало їх високу ефективність при експлуатації свердловин як у звичайних умовах, так і у випадках різноманітних ускладнюючих факторів. Для реалізації пропозиції використання нафтогазових ежекторів, встановлених вище динамічного рівня свердловин, які експлуатуються штанговими насосами, визначено параметри нафтових свердловин, які для ежекторів є параметрами їх робочих та інжектований потоків, а саме, тиск, температуру, густину газоводонафтової суміші, її витратний газовмісту, густину вільного нафтового газу, середньоінтегральну швидкість руху вказаної суміші вздовж осі свердловини, об’єм газу, що надходить у затрубний простір та його густину. При допущенні гомогенності робочого та змішаного потоків в ежекторі отримані рівняння високо- та низьконапірного нафтогазових ежекторів. Розроблена методика їх використання для практичних обчислень. Виконана перевірка цих рівнянь при їх застосуванні до водоповітряних ежекторів. Здійснені лабораторні експериментальні дослідження на ежекторах вода - повітря і вода - вуглекислий газ, підтвердили можливість їх роботи з «підпором», тобто за наявності різниці тисків між інжектований газом перед входом у ежектор і його приймальною камерою. Величина «підпору» в експериментах досягала 0,05 МПа. Цей результат є важливим при використанні ежекторів у нафтових свердловинах. Розроблена методика визначення місця розташування ежекторів у нафтових свердловинах та їх геометричних параметрів. При її розробленні врахована необхідність проходження через ежектор всього нафтового газу, який надходить у затрубний простір свердловини, і забезпечення максимального зниження навантаження на колону штанг. Дана методика реалізована для свердловини 753-Д НГВУ «Долинанафтогаз».

В первом разделе выполнено исследование областей использования эжекционных технологий в нефтегазодобывающей отрасли, в частности на этапах разработки, эксплуатации, сбора и интенсификации добычи нефти и газа. Использование при добычи нефти тандемных установок в составе электроцентробежного и струйного насосов в нормальных условиях эксплуатации обеспечивает стабилизацию роботы электроцентробежных насосов, полезное использование энергии нефтяного газа и даже некоторое увеличение дебита скважин, а в усложненных условиях обеспечивает едино возможный способ эксплуатации скважин. Исходя из выполненного исследования и учитывая все положительные свойства струйных аппаратов, предложено размещение эжекторов выше динамического уровня скважин, которые эксплуатируются штанговыми насосами. Для реализации этого предложения сформулированы основные задачи, которые необходимо решить в ходе выполнения диссертационной работы. Во втором разделе выполнен теоретический расчет всех параметров нефтяных скважин вдоль их стволов, которые для эжекторов являются параметрами их рабочих потоков, а именно давления, температуры, скорости движения газожидкостного потока, его плотности, объемного расходного газосодержания и плотности свободного нефтяного газа. При определении распределения давления и температуры вдоль оси скважины при использовании методов Поэтгмана-Карпентера и Баксендела дифференциальные уравнения этих методов решались при использовании числового метода Адамса-Крылова. Это обеспечило получение уточненных значений этих параметров. Кроме того, рассматривая рабочий и смешанный потоки в нефтегазовом эжекторе как гомогенные среды, получены уравнения для высоконапорного и низконапорного эжекторов. Разработана методика их использования для практических расчетов. Выполнена проверка этих уравнений при их использовании для водовоздушных эжекторов. В третьем разделе рассмотрены вопросы, связанные с лабораторными экспериментальными исследованиями эжекторов, в которых рабочим потоком была вода, а инжектируемым - вначале воздух, а потом - углекислый газ. Указано на задачи экспериментальных исследований, дается описание лабораторных установок, программа и методика исследований, анализ полученных результатов и исследуется связь между результатами экспериментов и уравнениями нефтегазовых эжекторов. Главной задачей экспериментальных исследований было выяснение возможности работы эжекторов с «подпором», т. е. при наличии разницы давлений между инжектируемым газом перед эжектором и давлением в его приемной камере. Эксперименты подтвердили возможность работы эжекторов с «подпором» до 0,05 МПа. В четвертом разделе выполнено исследование возможности реализации предложенной эжекционной технологии на примере нефтяной скважины 753-Д НГДУ «Долинанефтегаз». Была разработана методика определения наиболее рационального места размещения эжектора в скважине и его геометрических размеров. В основу этой методики положены такие два условия: через эжектор должен проходить весь объем газа, который поступает в затрубное пространство скважины, и его место размещения в скважине должно быть такое, чтобы обеспечить наибольшее снижение нагрузки на колону штанг. Использование указанной методики позволило для скважины 753-Д установить место расположения эжектора в скважине и его геометрические размеры.

The thesis is devoted to improving operation efficiency of the oil extraction equipment, including sucker rod pump units, by using oil-gas jets. Using of the tandem setup that consists of electric submersible pump and jet pump during the process of oil extraction showed their high efficiency while operating wells both in normal conditions and in cases of various adversities. In order to implement oil-gas jets, placed above the flowing level in oil wells that are operated by sucker rod pumps, oil well parameters were calculated. These parameters will be the characteristics of the work and injected flows inside of a jet. Among them there are : pressure, temperature, density of the gas-water-oil mixture and its consumption gas content, density of the free associated gas, average integral velocity of this mixture along the borehole axis, the volume of gas that is inflowing to the annular space and its density. When determining pressure and temperature distribution along the borehole axis using Poettman-Carpenter and Baksendel methods we solved differential equations that are included in these methods with the help of Adams-Krylov numerical method. This ensured obtaining amended values of these parameters. Assuming that work and mixed flows inside of a jet are homogeneous, equations of the high- and low-pressure oil-gas jets were obtained. We developed a technique of using these equations for practical calculations. The accuracy of the obtained equations was tested when applied to water-air jets. Laboratory experimental study was performed for water-air and water-carbon dioxide jets. It confirmed the possibility of such jet’s operation with a "back pressure", id est if there’s a pressure difference between the injected gas in front of the jet and its suction chamber. The magnitude of the "back pressure" during the experiments reached up to 0.05 MPa. This result is important when using jets in oil wells. A technique was created that allows to determine the efficient location of jets in oil wells and their geometries. When developing this technique it was necessary to take into account two conditions: the whole amount of petroleum gas, which enters the annular space of the well, must pass through the oil-gas jet, minimize the stem loading. This technique is implemented for the oil well D-753 OGPD "Dolynanaftogaz".