ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПОТОКА МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ НА ПРИМЕРЕ ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ АНОМАЛЬНО-ВЫСОКИХ ПЛАСТОВЫХ ДАВЛЕНИЙ

Давно известно, что на больших глубинах мы можем найти колоссальные залежи углеводородов, однако, освоение этих залежей обременено многими проблемами, одной из которых является наличие аномально-высоких пластовых давлений или сокращенно АВПД.

Еще на рассвете развития нефтяной промышленности такие давления фиксировались в недрах земли, однако явление это было довольно редкое. В настоящее время АВПД явлением редким не назовешь – они зафиксированы во всех типах нефтегазоносных бассейнов, а также на различных глубинах залегания углеводородов. И чем глубже в недра мы «заглядываем», тем очевиднее вывод: дальнейшая разработка запасов углеводородов немыслима без умения осваивать залежи в зонах аномальных пластовых давлений.

Изучение аномально-высоких пластовых давлений должно стать неотъемлемой частью современной науки о земле, так как довольно часто именно эта характеристика задает начало всей разработке месторождений. Значение исследований АВПД для нефтегазовой сферы трудно переоценить. В ряде случаев они могут служить «маяком» по нахождению залежей углеводородов.

Освоение залежей углеводородов в зонах аномально-высоких пластовых давлений имеет характерные особенности и вызывает некоторые трудности:

а) В сравнении с зоной развития нормальных давлений коллекторские свойства в зонах АВПД отличаются не в лучшую сторону. Коллектор в зоне АВПД разделяется на две группы: нормальный коллектор и сложный коллектор.

б) Залежи углеводородов в этих зонах часто имеют весьма сложное строение, а также не всегда полностью сформированы. В них могут быть целики с пластовыми водами; залежи имеют расплывчатые или смещенные ГНК и ВНК. При этом залежи могут быть ограниченного размера.

в) Вскрытие коллектора в зонах АВПД очень часто осуществляется не в оптимальном режиме.

г) Пагубные последствия воздействия утяжеленного бурового раствора на продуктивные пласты искажают результаты интерпретации геофизических исследований скважин, что ведет к снижению информативности каротажа, недостоверности некоторых данных, полученных также путем каротажа, а также может привести к пропуску продуктивных пластов, что совершенно недопустимо.

д) Значительные технологические погрешности возникают при вызове притока и испытания продуктивных горизонтов. Основным отрицательным моментом является тот факт, что возникают условия для необратимых деформаций горных пород, что ведет к смыканию трещин в призабойной зоне и даже во всей депрессионной воронке.

В отличии от нефтяных и газовых залежей, в большинстве случаев газоконденсатные системы, отягощенные АВПД являются недонасыщенными, так как давление начала конденсации практически всегда ниже пластового давления. И, как правило, недонасыщенные газоконденсатные системы представлены в виде двухфазного потока газожидкостной смеси. Чрезвычайно важно правильно установить режим потока в каждом интервале скважины, так как в зависимости от режима течения используются различные корреляции потока, а также создаются их механические модели для предсказаний характеристик потока.

В настоящее время различают однофазный и многофазный потоки. Однофазный поток предполагает наличие одной фазы - газовой или жидкой. В случае с отбором газоконденсата по колонне движется не однофазный, а двухфазный поток, состоящий из газа и конденсата, который является в данном случае жидкой фазой.

В наши дни большинство научных деятелей подразделяют многофазные режимы потока газа и жидкости на пузырьковый, пробковый, эмульсионный, кольцевой и дисперсный (большинство исследователей объединяют эти два режима в кольцево-дисперсный).

Пузырьковый поток отличается равномерным распределением в непрерывной жидкой фазе газовой фазы (в виде отдельных пузырьков). Из-за присутствия эффекта проскальзывания различают аэрированный (крупных пузырьков мало и движутся они быстрее жидкой фазы) и рассеянный пузырьковый (маленькие пузырьки равномерно движутся в жидкой фазе одним потоком) режимы течения.

Пробковый(снарядный) поток назван так из-за присутствия в потоке пузырьков Тейлора, пробки жидкости (иначе называемой снарядом) и пленки жидкости вокруг пузырьков Тейлора. Пузырек Тейлора имеет форму пули и занимает практически всю площадь поперечного сечения трубы, а пробка жидкости в свою очередь занимает всю площадь сечения трубы и разделяет между собой пузырьки Тейлора.

Хаотичное движение газа и жидкости с искаженными формами пузырьков Тейлора и пробок жидкости называют эмульсионным потоком (или иначе вспененный). Ни жидкая, ни газовая фазы не являются непрерывными, за счет того, что непрерывность жидкости в пробке постоянно нарушается из-за высокой концентрации газа. Для этого режима потока характерны движения с переменчивым направлением или колебательные движения.

В кольцевом потоке жидкостная фаза представлена в виде пленки на стенках трубы и рассеянными каплями жидкости в газовом потоке, а газовая фаза является непрерывной. Если скорость газового потока слишком высока, то пленка жидкости на стенках трубы становится незначительной, а в самом потоке рассеивается большая часть.

Пузырьковый режим существует при объемной концентрации газа менее 0,2 – 0,3. При больших концентрациях происходит слияние пузырьков с образованием пузырей-снарядов, практически полностью занимающих все поперечное сечение канала. Таким образом, пузырьковый режим переходит в снарядный. Если скорость газовой фазы достаточно велика, то структура потока становится неустойчивой, формы снарядов искажаются, на стенке канала появляется пленка жидкости, а ядро потока имеет пенообразную структуру.

При дальнейшем увеличении объемной газовой концентрации (от 0,6 до 0,8) реализуется пленочный или кольцевой режим течения, при котором жидкая и газовая фаза меняются местами, и жидкая - образует непрерывную пленку, текущую по стенке канала, а газовая фаза образует ядро потока.

Исследование закономерностей двухфазных потоков в вертикальной трубе развивалось по двум направлениям. В первом из них рассматривались зависимости от минимальной скорости газового потока, обеспечивающей устойчивый вынос жидкости наверх. Особую популярность получила формула Точигина для расчета критической скорости газа и его расхода.

В другом направлении разрабатывались зависимости для расчета потерь давления в вертикальном двухфазном потоке, которые использовались для анализа совместной работы системы «пласт-скважина». Ахмедовым Б.О. и Бузиновым С.Н. разработан метод, получивший название «метод узлового анализа», благодаря которому можно определить режим работы скважины по характеристикам лифтовой колонны и пласта.

На практике характеристики потока определяют эмпирическим путем, с помощью гидродинамических моделей (корреляций), которые разрабатываются на основе специальных экспериментов по изучению вертикальных газожидкостных потоков. Газожидкостные системы сложны для описания, и поэтому модели, предназначенные для решения конкретных задач, имеют узкую область применения, ограниченную актуальными для каждого отдельно взятого случая диапазонами физических параметров.

Список литературы:

1. Брилл Дж.П., Мукерджи X. Многофазный поток в скважинах. Москва - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. – 74-82 с.
2. Бузинов С.Н., Бородин С.А, Пищухин В.М., Харитонов А.Н., Николаев О.В., Шулепин С.А. Экспериментальные исследования движения двухфазных систем в газовых скважинах // Георесурсы. 2010. - № 4. - С. 63-66.
3. Гриценко А.И., Клапчук О.В., Харченко Ю.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в скважинах и трубопроводах. М.: Недра, 1994. – 240-242 с.
4. Клюев Н.И., Соловьева Е.А. Математические модели двухфазных течений: Учебное пособие. - Самара: Изд-во «Самарский университет», 2010. – 51 с.
5. Фатеев Д.Г. Оптимизация исходных данных при разработке флюидальных моделей газоконденсатных систем / Д.Г. Фатеев, А.Г. Козубовский, А.Д. Ефимов // Тезисы доклада конф. Нефть и газ Западной Сибири. - 2009. – 23 с.