Исследование баротермического эффекта в газожидкостных смесях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение.

Список использованных обозначений.

Глава 1. Особенности теплофизических процессов при фильтрации газированной жидкости.

1.1. Уравнения состояния реальных газов.

1.2. Особенности эффекта Джоуля-Томсона при фильтрации газированной жидкости.

1.2.1. Экспериментальное определение коэффициента Джоуля-Томсона для метана, естественного газа и нефти.

1.2.2. Кривые инверсии эффекта Джоуля-Томсона.

1.3. Явление разгазирования. Закон Генри„.

1.4. Основные уравнения, описывающие термодинамические эффекты при фильтрации газированной жидкости.

1.4.1. Уравнение энергии для многофазной фильтрации с учетом фазовых переходов.

1.4.2. Уравнения неразрывности.

1.4.3. Уравнение импульсов.

1.5 Выводы.

Глава 2. Постановка основных задач фильтрации газированной нефти. Применение асимптотических методов.

2.Т. Описание условий и геометрия задачи.

2.2. Однотемпературное уравнение энергии для газожидкостного потока

2.2.1. Эффективная скорость конвективного переноса тепла.

2.2.2. Эффективные коэффициенты Джоуля-Томсона и адиабатический

2.3. Асимптотические методы в задаче о фильтрации газированной жидкости.

2.3.1. Постановка полной задачи и разложение по малому параметру. Нулевое приближение.

2.3.2. Предельный случай нулевого приближения.

Глава 5. Решение температурной задачи о фильтрации газированной жидкости в пласте конечной мощности.

5.1. «Схема сосредоточенной емкости». Решение задачи в нулевом приближении.

5.2. Построение решения в первом приближении.

5.3. Пути практического использования результатов исследования баро-термического эффекта в газожидкостных смесях.

5.4. Выводы.

5.4. Выводы

В данной главе получено решение задачи о фильтрации газированной жидкости асимптотическими методами в нулевом и первом приближениях в пространстве изображений и оригиналов. По полученным формулам произведены расчеты и анализ пространственно-временных распределений температуры при фильтрации газированной жидкости. Осуществлено сопоставление полученных решений с экспериментальными данными. Предложены пути практического использования результатов исследования баротермического эффекта в газожидкостных смесях.

166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, в данной работе впервые изложены основы теории баротермического эффекта при фильтрации газированной нефти, осуществлены расчеты и на основе их анализа определен вклад различных физических эффектов. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с наблюдаемыми на практике температурными эффектами.

К числу наиболее важных результатов относятся следующие:

1. Получены решения задачи о баротермическом эффекте при фильтрации газированной жидкости, учитывающие свойства реальных газов, вклад фазовых переходов, теплообмен с окружающими пласт породами и другие явления. Процесс получения соответствующих решений состоит из решения гидродинамической задачи, построения зависимостей для эффективных коэффициентов и последующего решения температурной задачи.

2. При решении гидродинамической задачи определены поля плотности источников газа, поля скоростей, градиентов давления как функции давления и давления как функции радиальной координаты. На основании проведенных расчетов установлено, что:

- значение плотности источников газа, насыщающего жидкость, при достижении давления насыщения скачкообразно возрастает от нуля до некоторого значения. При дальнейшем уменьшении давления, значения плотности источников газа возрастают;

- для плоского линейного потока относительный полный массовый расход нефти и газа при снижении давления возрастает. Относительный расход нефти при этом монотонно убывает с уменьшением давления;

- основные изменения газового фактора происходят при малых давлениях Р < 30 атм. При больших давлениях значения газового фактора не пре

3 3 вышают 10 м /м .

3. Получены зависимости и осуществлены расчеты эффективных термогидродинамических параметров при фильтрации газированной нефти; показано, что:

167

- с увеличением растворимости газа а и давления насыщения Рх при прочих постоянных параметрах происходит уменьшение эффективного коэффициента Джоуля-Томсона в зоне разгазирования, что объясняется увеличением содержания свободного газа в потоке, имеющего отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона. Важно отметить, что при указанных параметрах, соответствующих наиболее распространенным условиям, эффективный коэффициент Джоуля-Томсона не меняет своего знака, оставаясь в области положительных значений;

- величина кажущегося коэффициента Джоуля-Томсона и коэффициента 5 изменяется скачкообразно в точке начала разгазирования (р = Р8,г = г$). Величина скачка зависит от коэффициента растворимости газа а и слабо зависит от давления насыщения Р5. При достаточно больших значениях коэффициента растворимости газа а кажущийся коэффициент Джоуля-Томсона ек меняет знак. Вне зоны разгазирования величина кажущегося коэффициента Джоуля-Томсона гк остается постоянной и равной эффективному коэффициенту Джоуля-Томсона

- с увеличением давления Р и радиуса г в зоне разгазирования величина кажущегося коэффициента Джоуля-Томсона гк возрастает (абсолютная величина Ек уменьшается), причем с высокой точностью зависимость от давления можно считать линейной. Такое поведение кажущегося коэффициента Джоуля-Томсона совпадает с зависимостью эффективного коэффициента Джоуля-Томсона от радиуса г и давления Р. Несмотря на то, что величина кажущегося коэффициента Джоуля-Томсона гк, в основном, определяется вкладом разгазирования при достаточно больших растворимостях газа а, зависимость от давления Р и координаты г определяются фильтрацией газовой фазы;

- в практически важном диапазоне параметров изменения объемной теплоемкости не превосходят двух процентов; это позволяет пренебречь зависимостью объемной теплоемкости от давления и координаты;

- произведение эффективной скорости конвективного переноса тепла на радиальную координату и^ • г практически не зависит от расстояния до оси

168 скважины, так как соответствующее изменение не превосходит 2 % в практически важном диапазоне параметров.

4. Построенные зависимости и описанные выше закономерности позволили построить простые аналитические решения задач о баротермическом эффекте в нефтяном пласте, на основе которых осуществлены расчеты полей температур при фильтрации газированной жидкости. Это позволило установить следующие закономерности формирования температурных полей при фильтрации газированной жидкости:

- в зоне отсутствия разгазирования, температура нефти по пути дросселирования возрастает (с увеличением г убывает). Это объясняется преобладанием внутреннего трения в жидкости над адиабатическим эффектом. В точке Р =Р5 кривая температуры испытывает излом;

- в зоне разгазирования возможны два случая изменения температуры. В первом случае температура движущейся жидкости продолжает возрастать и, достигнув максимума, убывает; обычно это осуществляется при малых коэффициентах растворимости газа а. Во втором случае при больших растворимостях газа а температура по ходу движения жидкости убывает (с увеличением радиальной координаты г возрастает). При дальнейшем увеличении растворимости газа а величина температурного эффекта меняет знак, то есть разогрев сменяется охлаждением. Такое поведение объясняется преобладанием поглощения теплоты за счет фазовых переходов при разгазировании над другими эффектами. При приближении давле

Р Р ния насыщения * к пластовому давлению к, максимальная величина разогрева жидкости (пласта) уменьшается, при этом возрастает также охлаждение поступающей в скважину жидкости;

- при малых растворимостях газа а температура выходящей из пласта нефтегазовой смеси возрастает со временем, испытывая излом в точке, соответствующей подходу к скважине жидкости, первоначально находившейся на расстоянии радиуса зоны разгазирования г5;

- при больших значениях растворимости газа а и малых временах наблюдается снижение температуры, которое затем сменяется ее повышением. Как и в случае излома, точка смены охлаждения разогревом определяется

169 подходом к скважине жидкости, первоначально находившейся на расстоянии, соответствующем радиусу зоны разгазирования г5;

- при достаточно больших временах и не очень высоких значениях коэффициента растворимости газа а величина температурного эффекта фильтрующейся газированной жидкости меняет знак;

- получено решение задачи о фильтрации газированной жидкости асимптотическими методами в нулевом и первом приближениях в пространстве изображений и оригиналов. По полученным формулам произведены расчеты и произведен анализ пространственно-временных распределений температуры при фильтрации газированной жидкости. Осуществлено сопоставление полученных решений с экспериментальными данными. Предложены пути практического использования результатов исследования баротермического эффекта в газожидкостных смесях.

170

1. Абасов М.Т., Джалшов КН. Вопросы подземной гидромеханики и разработки нефтяных и газовых месторождений. Баку: Азгосиздат, 1960. - 255 с.

2. Авдонин H.A. О некоторых формулах для расчета температурного поля пласта при тепловой инжекции // Известия вузов. Нефть и газ. 1964. - № 3.

3. Аметов ИМ. О модели фильтрации газированной жидкости, предложенной А.С.Лейбензоном // Известия вузов. Нефть и газ. 1979. - № 6. - С. 39-43.

4. Архангельский В.А. Взаимодействие пласта и скважины при движении газированной нефти. Тр. совещ. По вопросам развития научно-исследовательских работ в области вторичных методов добычи нефти. Баку: Изд. АН СССР, 1953. - С. 322.

5. Архангельский В.А. Взаимодействие пласта и скважины при движении газированной нефти // Инж. сб. 1954. - Т. 19. - С. 149-158.

6. Архангельский В.А. Движение газированных нефтей в системе скважина-пласт // Известия АН СССР, ОТН. 1955. - № 9. - С. 14-36.

7. Архангельский В.А. О применении к расчетам неустановившейся фильтрации газированных нефтей методом смены стационарного состояния // Известия АН СССР, ОТН. 1954. - № 7. - С. 133-145.

8. Афанасьев Е.Ф., Николаевский В.Н., Сомов Б.Е. Задача о вытеснении многокомпонентной углеводородной смеси при нагнетании газа в пласт. В кн.: Теория и практика добычи нефти, 1971. М., Недра. - С. 107-120.

9. Афанасьева A.B., Боксерман A.A. Гидродинамические расчеты на ЭВМ показателей разработки нефтегазовых залежей в условиях смешанных режимов. Тр. ВНИИ, 1966. Вып. 47. - С. 93-97.

10. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. - 376 с.

11. Балакиров Ю.А. Термодинамические исследования фильтрации нефти и газа в залежи. М.- Недра, 1970. - 192 с.

12. Богомолова А.Ф. и др. Экспериментальное изучение нефтеотдачи при вытеснении нефти водой в присутствии свободного газа. Тр. ВНИИ, 1959. Вып. 25. - С. 73-79.

13. П.Боксерман A.A. и др. Приближенный расчет показателей разработки нефтегазовой залежи с учетом сегрегации газа. НТС по добыче нефти, ВНИИ, 1966. - Вып. 30. - С. 48-53.

14. Бузинов С.Н., Чарный И.А. О движении скачков насыщенности при фильтрации двухфазной жидкости. Известия АН СССР, ОТН. - 1957. - № 7. -С. 142-146.

15. Валиуллин P.A., Болдырев В.Д. Экспериментальное изучение адиабатического эффекта в пластовых жидкостях. // Физико-химическая гидродинамика: Межувзовский сборник, Уфа: Баш. гос. ун-т. - 1989. - с. 84-89.

16. Валиуллин P.A., Назаров В.Ф., Рамазанов А.Ш. Метод, рекомендации по термическим исследованиям скважин. Уфа: Башк. гос. ун-т, 1989. - 167 с.

17. Валиуллин P.A., Рамазанов А.Ш. Особенности термометрии нефтяных скважин при выделении газа в пласте. / В кн. Геофизические исследования в нефтяных скважинах. / Труды ВНИИНПГ, вып. 20, 1990, с. 78-84.

18. Валиуллин P.A., Рамазаное А.Ш., Шарафутдинов Р.Ф. Термометрия пластов с многофазными потоками. Уфа: Башк. гос. ун-т, 1998. - 116 с.

19. Гаджибалаев Г.Ш., Али-Заде Ю.А. Алгоритм и решение на ЭВМ задачи плоско-радиальной фильтрации нефти при режиме растворенного газа с учетом неоднородности пласта. Тр. Аз НИПИ нефть. - 1975. - Вып. 33. -С. 121-132.

20. Глоголовский М.М., Розенберг М.Д. Вытеснение газированной жидкости водой в случае радиальной фильтрации. Тр. МНИ, 1953. - № 12. -С. 206-223.

21. ЗА.Гнатюк P.A., Лысяная Э.В., Василъченко В.П. Определение фазовых про-ницаемостей для газа и нефти по экспериментальным данным. В кн.: Исследования в области разработки нефтяных месторождений. - Вып. 3. -1969.-С. 37-40.

22. Гулиева Н.М. К исследованию нестационарных явлений при режиме растворенного газа // Известия АН СССР, ОТН. -1958. № 7. - С. 128-129.

23. Гусейнов Г.П. Некоторые вопросы гидродинамики нефтяного пласта. Баку: Азгосиздат, 1961. - С. 230.

24. Гусейнов Г.П., Насрулаев И.А. Интерференция прямолинейной бесконечной батареи совершенных скважин при упругом режиме // Известия вузов. Нефть и газ. 1962. - Т. 5. - № 1. - С. 46-49.

25. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. М.: Высшая школа, 1975.

26. Кундин С.А., Куранов И.Ф. Гидродинамические характеристики процесса вытеснения нефти водой в присутствии свободного газа. В. кн.: Добыча нефти. - М, Недра, 1963. - С. 19-138.

27. Кундин С.А., Курбанов А.К.Корниенко Г.Л., Нагимов A.M. Экспериментальное изучение периодической эксплуатации наклонного пласта на гра-нитационно-газовом режиме // Докл. АН Аз.ССР. 1966. - Т. 22. - № 12. -С. 38.

28. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика-М., 1964.

29. Лапук Б. Б. О температурных изменениях, происходящих при движении сырой нефти в пористых пластах // Нефтяное хозяйство. 1940. - № 4, 5. -С. 41-45.

30. Лапук Б.Б. О термодинамических процессах при движении газа в пористых пластах // Нефтяное хозяйство. 1940. - № 3. - С. 15-20.64Лапук Б.Б. Об установившемся движении газированной жидкости в пористой среде. Нефт. пром-ть СССР. - 1941. - № 5. - С. 42-50.

31. Мартос В.Н. Некоторые физические закономерности фильтрации газированной жидкости. В кн.: Фильтрация, теплоперенос и нефтегазоотдача. -1978.-Вып. 9.-С. 36-45.

32. Ю.Маскет М. Физические основы технологии нефтеотдачи: Пер. с англ. М.-JL: Гостоптехиздат, 1953. - С. 607.71 .Мелвин-Хъюз Э.А. Физическая химия: Пер. с англ. Кн. 1-2. - М., 1962.

33. Миллионщиков М.Д. Движение газированной нефти в пористой среде // Инж. сб. 1949. - Т. 5. - Вып. 2. - С. 190-193.

34. МорачевскийА.Г., Сладкое КБ. Физико-химические свойства молекулярных неорганических соединений (экспериментальные данные и методы расчета): Справ, изд. СПб: Химия, 1996. - 312 с.

35. Мошинский А.И. Об уточнении условия типа «тепловая емкость», применяемого в задачах тепломассопереноса // ТВТ. -1997. Т. 35. - № 1. - С. 160-162.

36. Непримеров Н.Н., Пудовкин М.А., Марков А.И. Особенности теплового поля нефтяного месторождения. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1968. - 164 с.

37. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1-2. - М.: Наука, 1987.11 .Нигматуллин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.1%.Николаевский В.Н. Конвективная диффузия в пористых средах // ПММ. 1959.-Т. 23.-С. 1042-1050.

38. Островский Ю.М., Камышин А.И, Микович С.М. Вытеснение газированной нефти газоводяными смесями // Тр. Н.-И. и проект, ин-та нефт. пром-ти. 1979. - № 23. - С. 98-100.

39. Пудовкин М.А. Теоретические расчеты поля температур пласта при нагнетании в него воды // Вопросы усовершенствования разработки нефтяных месторождений Татарии: Сб. ст. Казань: Казанск. гос. ун-т, 1962.

40. Рамазанов А.Ш., Валиева Н.Т. Стационарное температурное поле при совместной фильтрации воды и газированной нефти // Физико-химическая1.lгидродинамика: Межвузовский сборник. Уфа: Баш. гос. ун-т. - 1995. - с. 69-76.

41. Рамазанов А.Ш., Тагиров И.Ф. Стационарное температурное поле при фильтрации газированной нефти. // Известия АН СССР. МЖГ. № 1. -1994.-С. 113-116.

42. Розенберг М.Д., Кундин С.А., Курбанов А.К. Фильтрация газированной жидкости и других многокомпонентных смесей в нефтяных пластах. М.: Недра, 1969.-453 с.8Рубинштейн Л.И. Температурные поля в нефтяных пластах. — М.: Недра, 1971.-276 е.: ил.

43. Сабитов А.Р., Шарафутдинов Р.Ф. Тепловое поле нефтяного пласта в нестационарном поле давления // ИФЖ. 1999. - № 2. - С. 271-274.

44. Сандахичев И.С. Экспериментальное исследование процесса вытеснения нефти водой при переменных давлениях // Тр. Туркм. Фил. ВНИИ. 1964. -Вып. 8.-С. 66-73.

45. Теслюк Е.В., Розенберг М.Д., Капырин Ю.В. О неизотермической фильтрации многофазного потока и об учете термодинамических эффектов при разработке нефтяных месторождений: Тр. ВНИИ. М.: Недра, 1965. - Вып. 42.-С. 281-293.

46. Трайбус М. Термостатика и термодинамика: Пер. с англ. М.: Энергия, 1970.178

47. Требин Г.Ф., Капырин Ю.В., Лгшанский О.Г. Оценка температурной депре-сии в призабойной зоне эксплуатационных скважин. Тр. ВНИИ. - М.: Недра, 1978, вып. 64, с. 16-22.

48. Требин Г.Ф., Капырин Ю.В., Петухов В.Н. Экспериментальное изучение изменения температуры при дросселировании нефти: Сб. науч. трудов ВНИИ. М., 1974. - Вып. 49. - С. 74-80.

49. Усенко В.Ф. исследование нефтяных месторождений при давлениях ниже давления насыщения. М.: Недра, 1967. - С. 215.

50. Федоров K.M., Шарафутдинов Р.Ф. К теории неизотермической фильтрации с фазовыми переходами. // Известия АН СССР. МЖГ. - 1989. - № 5. -С. 78-85.

51. Филиппов А.И. Баротермический эффект при переходных режимах работы скважины // Известия вузов. Нефть и газ. 1987. - № 9. - С. 49-54.

52. Филиппов А.И. Скважинная термометрия переходных процессов. Саратов: Саратов, гос. ун-т, 1989. - 116 с.

53. Филиппов А.И. Скважинная термометрия переходных процессов. Дис. . д-ра техн. наук. Уфа - 1990. - 419 с.

54. Филиппов А.И, Девяткин Е.М. Исследование баротермического эффекта в газах // Труды 2-й Российск. национ. конф. по теплообмену: В 8 т.- М.: Изд-во МЭИ, 1998. Т. 7. - С. 236-239.

55. Филиппов А.И., Девяткин Е.М. Численное исследование температурных полей при фильтрации газированной жидкости // Резонансные и нелинейные явления в конденсированных средах: Сб. статей: В 3 т.- Уфа: Башк. гос. ун-т, 1999. Т. II. - С. 96-99.

56. Филиппов А.И., Ефимова Г. Ф. Теория баротермического эффекта в жидкостях с учетом теплопроводности в одномерном случае // ТВТ. 1997. -Т. 35.-№4.-С. 560-563.

57. Филиппов А.И., Хусаинова Г.Я., Девяткин Е.М. К термодинамике аномальных нефтей в пластах // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 1997. - № 2. - С.38-46.180

58. Филиппов А.И., Шарафутдинов Р.Ф. Особенности теплового поля дроссельного эффекта в пластовых условиях при наличии охлаждения закачиваемой водой // Нефть и газ. 1982. - № 3. - С. 53-59.

59. Халиков Г.А., Толыбеков Б.С., Захаров О.П. Основы геофильтрации при повышенных градиентах давления. Алма-ата: «Наука» (Казах. ССР), 1987.- 216 е.: ил.

60. Христианович С.А. О движении газированной жидкости в пористых породах. ПММ. - 1941. - Т. 5. - Вып. 2. - С. 277-282.

61. Царевич К.А. Приближенный период расчета притока нефти и газа к скважине при режиме растворенного газа // Тр. МНИ. 1947. - Вып. 5. -С. 217-235.

62. ЦиклисД.С. Плотные газы. М., 1977.

63. Чарный И.А. Подземная гидромеханика. M.-JI., Гостоптехиздат, 1948.- 196 с.

64. Чарыев О.М. О Влиянии эндогенных физических процессов в потоке на его температурный режим в стволе скважины // Известия АН Туркм. ССР. Серия физико-технич., химич. и геологич. наук. 1970. - № 6. - С. 27-34.

65. Чарыев О.М. О неизотермической фильтрации пластового флюида в пористой среде // Известия АН Туркм. ССР, 1970. № 5. - С. 40-47.

66. Чарыев О.М. Температурное поле призабойной зоны пласта при эксплуатации нефтегазовых скважин // Известия АН Туркм. ССР. 1972. - № 6.-С. 58-63.

67. Чекалюк Э.Б. Оценка влияния сил гравитации на режим движения газированной жидкости в пористой среде. НТС по ДН, ВНИИ, 1959. - Вып. З.-С. 48-55.

68. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта М.: Недра, - 1965. - 238 с.

69. Шагапов В.Ш. О фильтрации газированной жидкости // ПМТФ. 1993.- № 5 С. 97-105.

70. Эседуллаев Р. Тепловые эффекты при фильтрации газов и газоконден-сатных систем в пористой среде. Дис. к.т.н. - Ашхабад, 1979.

71. Эфрос Д.А. Исследования фильтрации неоднородных систем. JL: Гостоптехиздат, 1963. - С. 351.182