Testing the functionality of OLGA software for determining optimal oil transport modes to prevent solid particle deposition

Full Text

Введение

Проблема наличия существенной концентрации твёрдой фазы в потоке обусловлена постепенным разрушением призабойной зоны с последующим выносом частиц на поверхность [1]. По мере интенсификации данных процессов возрастают риски, связанные со стабильностью потока. Накопление песчаного осадка создает дополнительное гидравлическое сопротивление, что приводит к росту давления, снижению пропускной способности трубопроводной сети и к соответствующему снижению добычи. В совокупности с эрозионным воздействием частиц данные факторы могут привести к преждевременному износу оборудования и дополнительному экономическому ущербу для недропользователя [2–5]. Именно поэтому качественная и количественная оценка вышеуказанных процессов очень важна как на стадии проектирования, когда необходимо заложить наиболее оптимальные параметры оборудования, так и на стадии эксплуатации, когда требуется определять риски и способы их нивелирования [6–7].

Одним из решений подобных задач является возможность применения симуляторов, позволяющих создать подробную математическую модель от забоя скважины до приёмного оборудования с детальным расчётом потерь давления и температуры вдоль всей системы в рамках заданного временного интервала, к примеру, такого как программное обеспечение (далее – ПО) OLGA.

Целью данной работы является проведение оценки функциональных возможностей и эффективности применения ПО OLGA для решения задач, связанных с состоянием твёрдой фазы в потоке. Исследование заключается в:

1) определении методики расчёта и необходимых исходных данных;

2) выявлении наиболее эффективного процесса для построения и анализа модели;

3) проведении серии динамических расчётов с их последующим анализом.

Основными этапами проведения гидродинамического расчёта являлись:

– идентификация ограничений, связанных с наличием твёрдых частиц в потоке;

– оценка условий образования осадка при различных размерах частиц;

– определение скорости потока, необходимой для предотвращения образования осадка.

Материалы и методы

Присутствие твёрдых частиц в потоке накладывает отпечаток на динамические расчёты потока углеводородного флюида. Дополнительное трение между частицами, частиц со стенками трубопровода и непосредственно с самим флюидом создаёт дополнительные потери давления по всей его длине. В зависимости от фазовых скоростей и проскальзывания будет меняться характер движения твёрдых частиц, а также динамика их осаждения на нижней образующей трубопровода [8].

Функционал ПО OLGA позволяет использовать различные переменные для анализа стабильности потока в условиях присутствия твёрдых частиц, что даёт возможность получить детальное представление о характере течения, динамике осаждения твёрдых частиц, а также их движения как в потоке, так и в самом осадке. Наиболее часто используемые среди них это – толщина осадка, режим состояния осадка, массовый расход и объём частиц (поток, осадок, осадок + поток).

Для того, чтобы программа могла рассчитать течение мультифазного потока с содержанием твёрдых частиц, необходимо описать их характеристики и выбрать одну из двух методик расчёта: SIMPLE или ADVANCED [9].

Основным параметром, описывающим свойства твёрдой частицы, является её диаметр. На текущий момент обе методики позволяют внести только одно значение диаметра для описания всей твёрдой фазы. Также, помимо этого, необходимо указать плотность, угол естественного откоса, пористость осадка и массовую долю частиц в поступающем потоке. Данные параметры могут быть получены как из соответствующих исследований, так и из открытых источников.

Режим SIMPLE представляет собой упрощенную модель, позволяющую учесть движение твёрдой фазы в потоке и соответствующие дополнительные потери давления. Данный метод применим для расслоенного или кольцевого режима течения, а также предполагает равномерное движение частиц вдоль оси трубопровода без возможности оценки параметров формирования осадка.

Режим ADVANCED позволяет более детально раскрыть процессы взаимодействия твёрдых частиц с многофазным потоком, учитывая их обмен в потоке между нефтью, водой и газом. Данная методика применима для большинства режимов течения, а также учитывает движение частиц как в потоке, так и в сформированном осадке.

В рамках расчёта предполагается, что осадок состоит из двух подслоев: статичной части, называемой неподвижным слоем, и подвижной части, называемой движущимся слоем или наносом (рис. 1). Скорость осаждения частиц определяет размер осадка, в то время как его пористость определяет количество жидкости, захваченной в слое. Важно отметить, что течение жидкости сквозь неподвижную часть осадка не учитывается.

 

Рисунок 1. Слои осадка твёрдых частиц

Figure 1. Layers of sedimentation of solid particles

 

В зависимости от баланса сил, действующих на твёрдые частицы в сформированном осадке (сила тяготения, подъёмная сила, сила трения и др.), он может находиться в одном из трёх состояний: статичном, подвижном и взвешенном. При статичном состоянии преобладают силы трения, что делает невозможным движение твёрдых частиц. Подвижное состояние предполагает движение верхних слоев осадка, при котором подъемных сил всё ещё недостаточно, чтобы увлечь частицы в основной поток. Во взвешенном состоянии подъёмные силы обеспечивают вынос твёрдых частиц из сформированного осадка, что приводит к их проникновению в движущиеся слои флюида.

Анализ и систематизация исходных данных

Не секрет, что точность и прогнозная способность математической модели напрямую зависят от качества исходных данных и, в первую очередь, от условий проведения лабораторных исследований, поэтому их подготовка и анализ являются важным этапом при моделировании.

В рамках построения модели для оценки динамики отложения твёрдых частиц в мультифазном потоке в условиях месторождения N можно выделить следующие этапы моделирования:

1. Построение модели трубопровода.

В данной работе в качестве исследуемого трубопровода принят один из нефтесборных коллекторов месторождения N с диаметром 159 × 10 мм и длиной 1600 м, сбор продукции которого осуществляется с 16 скважин и транспортируется далее на групповую замерную установку.

Помимо общей протяжённости и внутреннего диаметра для расчёта гидравлики, использовался детальный профиль трубопровода, который позволил учесть дополнительные сопротивления, связанные с рельефом местности (рис. 2) [10].

 

Рисунок 2. Расположение и профиль трубопровода в модели сети сбора

Figure 2. Location and profile of the pipeline in the model of oil-collection network

 

2. Воспроизведение свойств флюида.

При моделировании флюида в качестве основных исходных данных использовались лабораторные исследования по определению компонентного состава и физико-химических свойств, которые в совокупности с уравнениями состояния PVT (аббр. от англ. Pressure, Volume, Temperature – давление, объём, температура) пакетов позволили воспроизвести фазовую диаграмму (рис. 3), тем самым определив области многофазного и однофазного состояния флюида.

 

Рисунок 3. Воспроизведение и настройка свойств флюида

Figure 3. Reproducing and adjusting fluid properties

а) компонентный состав и фазовая диаграмма используемого флюида / compositional analysis and phase diagram of the fluid used; б) настройка флюида на фактические данные по вязкости в ПО Multiflash / adjusting the fluid to the actual viscosity data in Multiflash software

 

Кроме этого, была произведена настройка флюида на фактические значения вязкости разгазированной нефти. На рис. 3, б, красные точки соответствуют фактическим (лабораторным) значениям вязкости флюида при различных температурах, синяя линия – начальное воспроизведение вязкости PVT пакетом, жёлтая линия – значения вязкости после соответствующей настройки. Таким образом, из графика видно, что после настройки флюида удалось максимально точно воспроизвести данные лабораторных исследований, что позволило в дальнейшем использовать модель флюида максимально приближенную к реальности.

3. Описание параметров твёрдых частиц.

Согласно лабораторным исследованиям, гранулометрический состав проб осадка, взятых на месторождении, представлен частицами диаметром от 1,5 до 400 мкм. Ввиду того, что в программе модель осаждения твёрдых частиц использует одно значение в качестве диаметра, полученный диапазон потребовалось привести к единому значению. Поскольку величины крайних значений отличались друг от друга более чем в 250 раз, расчёт среднеарифметического был признан нецелесообразным. Для определения единого значения и более корректного усреднения было применено средневзвешенное значение, в котором в качестве веса каждого диаметра использовалась соответствующая доля в общем составе. Таким образом, единый размер частиц принят как средневзвешенный и равный 104 мкм (рис. 4).

 

Рисунок 4. Гранулометрический состав осадка рассматриваемого коллектора

Figure 4. Granulometric composition of the sediment of the reservoir under consideration

 

Также для расчётов осаждения твёрдых частиц приняты следующие среднестатистические параметры:

– плотность частиц 2100 кг/м³;

– угол естественного откоса 30°;

– пористость осадка 0,35 д. ед.

4. Определение начальных и граничных условий моделирования.

В рамках оценки пропускной способности трубопровода рассматривалось 4 варианта работы системы с общими расходами 200, 300, 400 и 500 м³/сут. Чтобы воспроизвести наиболее неблагоприятный сценарий выноса песка с забоя, было решено учитывать массовую концентрацию твёрдой фазы в потоке, равную 10%. Для каждого варианта расхода был проведен динамический расчёт с продолжительностью 24 ч. Данная продолжительность задана исходя из необходимости выйти на установившийся режим работы системы и для последующей корректной оценки расчётных параметров.

В качестве граничных условий системы для всех сценариев были заданы: давление на выходе из трубопровода – 1,2 атм, температура флюида на входе – 36°С, температура окружающей среды – 20°С. Таким образом, фиксируя расход флюида и давление на выходе, определялось необходимое входное давление для обеспечения соответствующего дебита.

Результаты моделирования

Для определения ограничений, связанных с наличием твёрдых частиц в потоке, проведена оценка рисков образования песчаного осадка в рассматриваемом трубопроводе при различных расходах флюида. Поскольку гранулометрический состав выносимого песка представлен достаточно широким спектром диаметров, было решено провести дополнительную серию расчётов, предполагающую его увеличение на 50%, чтобы смоделировать поведение потока при ухудшении характеристик выносимого песка. Сравнение результатов моделирования со средневзвешенным и увеличенным диаметрами (табл. 1) позволили получить более целостную картину условий, необходимых для выноса песчаного осадка.

 

Таблица 1. Сводные результаты расчёта с размерами частиц, равных 0,1 мм и 0,15 мм

Table 1. Summary of calculation results for particle sizes of 0.1 mm and 0.15 mm

Диаметр частиц, мм Particle diameter, mm	Расход, м³/сут Flow rate, m³/day	Входное давление, атм Inlet pressure, atm	Максимальная толщина осадка, мм Inlet pressure, atm	Масса твёрдой фазы, кг Weight of solid phase, kg	Максимальный массовый расход, кг/с Maximum mass flow rate, kg/s
0,1	200	1,9	34	200	-
	300	2,2	30	300	-
	400	2,6	3	15	0,055
	500	3,0	1	7	0,04
0,15	200	1,9	37	200	-
	300	2,3	24	300	-
	400	2,8	18	245	0,1
	500	3,3	10	55	0,085

 

В рамках динамических расчётов в первую очередь определялись интенсивность и локализация участков выпадения осадка при различных сценариях. Сравнение производилось по результатам 24-часового моделирования работы системы. Сопоставлялись толщины сформированного осадка, общая масса твёрдой фазы в трубопроводе и массовый расход частиц на выходе из системы (рис. 5–10). Подробное описание результатов рассмотрено ниже.

1. Диаметр частиц 104 мкм.

Как видно из графиков (рис. 5–7), активное выпадение осадка происходит при расходах от 200 до 300 м³/сут. При этом его локализация (первые 500 м и впадина на расстоянии 1100 м) обусловлена относительно невысокой скоростью течения и геометрией трубопровода. Также стоит отметить, что для данных расходов в рамках 24-часового расчёта происходит постоянное накопление твёрдой фазы в трубопроводе с нулевым расходом твёрдой фазы на выходе.

 

Рисунок 5. Профиль толщин песчаного осадка моделирования в течение 24 ч

Figure 5. Thickness profile of sand sludge over 24 hours

Чёрной линией на рисунке показан профиль трубопровода. Красной линией показан профиль толщины осадка при расходе 200 м³/сут, синей – при расходе 300 м³/сут, зеленой – при расходе 400 м³/сут, коричневой – при расходе 500 м³/сут.

The black line represents the pipeline profile. The red line shows the sludge thickness profile at a flow rate of 200 m³/d, the blue line – at 300 m³/d, the green line – at 400 m³/d, and the brown line – at 500 m³/d.

 

Рисунок 6. Динамика накопления твёрдых частиц диаметром 0,1 мм в трубопроводе при различных расходах

Figure 6. Dynamics of 0.1 mm diameter solid particle accumulation in the pipeline at different flow rates

Красной линией показан профиль толщины осадка при расходе 200 м³/сут, синей – при расходе 300 м³/сут, зеленой – при расходе 400 м³/сут, коричневой – при расходе 500 м³/сут.

The red line shows the sludge thickness profile at 200 m³/d, the blue line – at 300 m³/d, the green line – at 400 m³/d, and the brown line – at 500 m³/d.

 

Рисунок 7. Динамика массового расхода твёрдой фазы (0,1 мм) на выходе из трубопровода при различных расходах флюида

Figure 7. Dynamics of the mass flow rate of the solid phase (0.1 mm) at the pipeline outlet at different fluid flow rates

Красной линией показан профиль толщины осадка при расходе 200 м³/сут, синей – при расходе 300 м³/сут, зеленой – при расходе 400 м³/сут, коричневой – при расходе 500 м³/сут.

The red line shows the sludge thickness profile at 200 m³/d, the blue line – at 300 m³/d, the green line – at 400 m³/d, and the brown line – at 500 m³/d.

 

Начиная с расхода 400 м³/сут, поток достигает достаточной скорости, чтобы выносить частицы диаметром 0,1 мм без существенного накопления в рассматриваемом трубопроводе. Соответственно, поддерживая расход выше данного значения, можно избежать интенсивного выпадения осадка.

Согласно графику массового расхода твёрдой фазы (рис. 7), вынос песка при расходе от 400 до 500 м³/сут происходит неравномерно. Это свидетельствует от том, что твёрдая фаза транспортируется в режиме подвижного осадка, который периодически накапливается в песчаную «пробку», увлекается потоком и выносится из трубопровода.

2. Диаметр частиц 150 мкм.

Согласно результатам расчётов (рис. 8–10), активное выпадение осадка происходит при расходах от 200 до 400 м³/сут. При этом локализация аналогична кейсам, рассматриваемым ранее: первые 500 м трубопровода, а также впадина на расстоянии 1100 м.

 

Рисунок 8. Профиль толщин песчаного осадка моделирования в течение 24 ч

Figure 8. Thickness profile of sand sludge over 24 hours

Чёрной линией показан профиль трубопровода. Красной линией показан профиль толщины осадка: при расходе 200 м³/сут; синей – при расходе 300 м³/сут; зеленой – при расходе 400 м³/сут; коричневой – при расходе 500 м³/сут.

The black line represents the pipeline profile. The red line shows the sludge thickness profile at a flow rate of 200 m³/d, the blue line – at 300 m³/d, the green line – at 400 m³/d, and the brown line – at 500 m³/d.

 

Рисунок 9. Динамика накопления твёрдых частиц диаметром 0,15 мм в трубопроводе при различных расходах

Рисунок 9. Динамика накопления твёрдых частиц диаметром 0,15 мм в трубопроводе при различных расходах

Figure 9. Dynamics of accumulation of 0.15 mm diameter solid particles in the pipeline at different flow rates

Красной линией показан расход 200 м³/сут; синей – 300 м³/сут; зеленой – 400 м³/сут; коричневой – 500 м³/сут.

The red line shows a flow rate of 200 m³/d; blue, 300 m³/d; green, 400 m³/d; and brown, 500 m³/d.

 

Рисунок 10. Динамика массового расхода твёрдой фазы (0,15 мм) на выходе из трубопровода при различных расходах жидкости

Figure 10. Dynamics of mass flow rate of solid phase (0.15 mm) at the pipeline outlet at different fluid flow rates

Красной линией показан профиль толщины осадка при расходе 200 м³/сут, синей – при расходе 300 м³/сут, зеленой – при расходе 400 м³/сут, коричневой – при расходе 500 м³/сут.

The red line shows the sludge thickness profile at a flow rate of 200 m³/d, the blue line – at 300 m³/d, the green line – at 400 m³/d, and the brown line – at 500 m³/d.

 

Для расходов менее 300 м³/сут происходит постоянное накопление твёрдой фазы в трубопроводе без выноса песка в рамках 24-часового расчёта.

При расходе 400 м³/сут в течение первых 16 ч происходит активное выпадение и накопление осадка, после чего происходит стабилизация его количества и выход на установившийся режим, о чем свидетельствуют графики массового расхода (рис. 8) и динамики накопления твёрдой фазы в трубопроводе (рис. 9).

Начиная с расхода 500 м³/сут, поток достигает достаточной скорости, чтобы выносить частицы диаметром 0,15 мм без существенного накопления в рассматриваемом трубопроводе. Соответственно, поддерживая расход выше данного значения, можно избежать интенсивного выпадения осадка.

Согласно графику массового расхода твёрдой фазы, вынос песка при расходах от 400 до 500 м³/сут происходит неравномерно (рис. 10). Это свидетельствует о том, что твёрдая фаза транспортируется в режиме подвижного осадка, который периодически накапливается в песчаную «пробку», увлекается потоком и выносится из трубопровода. Кроме того, можно отметить периоды накопления, когда массовый расход твёрдой фазы практически отсутствует.

Рассчитанные давления на входе трубопровода представлены в табл. 1. Для расходов от 200 до 400 м³/сут ввиду относительно небольшой протяженности коллектора, накопительного режима осадка, а также одинаковой массовой концентрации при увеличении диаметра частиц с 0,1 мм до 0,15 мм разницы во входных давлениях не наблюдается. Для более высоких расходов в 400 и 500 м³/сут разница в начальных давлениях при увеличении диаметра частиц с 0,1 мм до 0,15 мм составила 0,2 и 0,3 атм соответственно.

Обсуждение

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что при увеличении диаметра твёрдых частиц осадок будет образовываться более интенсивно и в бóльшей области трубопровода. С учётом того, что фактически твёрдая фаза представлена песчинками разного размера, для того чтобы обеспечить стабильный режим работы трубопровода и избежать осаждения песка, необходим расход более 500 м³/сут. Таким образом, даже самые крупные частицы твёрдой фазы будут выноситься с потоком.

Данный диапазон может быть пересмотрен с учётом обновления лабораторных данных либо различных испытаний, позволяющих подтвёрдить либо опровергнуть выпадение осадка при определенном значении расхода.

Заключение

В данной работе была произведена оценка функциональных возможностей специализированного ПО для решения задач, связанных с моделированием мультифазного потока с содержанием твёрдых частиц.

Программа позволила выполнить расчёт динамической системы для различных значений диаметра твёрдых частиц в мультифазном потоке и решить поставленную задачу по оценке динамики накопления твёрдой фазы в трубопроводе и определению скорости потока флюида, необходимой для выноса твёрдых частиц.

Программа применима для реализации имитационного моделирования при формировании технических решений с целью минимизации рисков эксплуатации линейных объектов наземной инфраструктуры.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Ерлепесов М.У. – разработка концепции исследования; Зайцев О.И. – выполнение расчетной части в специализированном ПО, анализ и последующая интерпретация данных исследования; Ермеков А.А. – разработка основ проведения исследования, контроль за ходом его проведения, а также общая редакция рукописи статьи; Амиров С.К. – систематизация и обработка данных исследования; Урбисинов Ж.С. – техническое сопровождение специализированного программного обеспечения.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Murat U. Yerlepessov – development of the research concept; Oleg I. Zaitsev – calculation in specialised software, analysis and subsequent interpretation of the research data; Abay A. Yermekov – development of te research design, control over the research progress, and general revision of the article manuscrip; Sain K. Amirov – systematisation and processing of the research data; Zhuginis S. Urbissinov – technical support of the specialised software

About the authors

Murat U. Yerlepessov

Branch of KMG Engineering LLP KazNIPImunaigaz

Author for correspondence.
Email: m.yerlepessov@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0007-8581-2786
Kazakhstan, Aktau

Oleg I. Zaitsev

Branch of Schlumberger Logelco Inc in the Republic of Kazakhstan

Email: OZaitcev2@slb.com
ORCID iD: 0009-0002-0443-655X
Kazakhstan, Atyrau

Abay A. Yermekov

Branch of KMG Engineering LLP KazNIPImunaigaz

Email: A.Yermekov@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0003-2130-2489
Kazakhstan, Aktau

Sain K. Amirov

Branch of KMG Engineering LLP KazNIPImunaigaz

Email: s.amirov@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0005-7771-5535
Kazakhstan, Aktau

Zhuginis S. Urbisinov

Branch of KMG Engineering LLP KazNIPImunaigaz

Email: Zh.Urbissinov@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0008-9723-5565
Kazakhstan, Aktau

References

Supplementary files