ОПРОБОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ OLGA ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ВЫПАДЕНИЮ ТВЁРДЫХ ЧАСТИЦ

Полный текст

Проблема наличия существенной концентрации твердой фазы в потоке обусловлена постепенным разрушением призабойной зоны с последующим выносом частиц на поверхность. 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. 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.

Одним из решений подобных задач является возможность применения симуляторов, позволяющие создать подробную математическую модель от забоя скважины до приемного оборудования с детальным расчетом потерь давления и температуры вдоль всей системы в рамках заданного временного интервала, к примеру, как программного обеспечения Olga (далее – ПО Olga) – одного из наиболее распространенных динамических симуляторов многофазного потока.

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

1. определении методики расчета и необходимых исходных данных;
2. выявления наиболее эффективного процесса для построения и анализа модели;
3. проведении серии динамических расчетов с их последующим анализом.

Основными этапами проведения гидродинамического расчёта являлись:

• идентификация ограничений, связанных с наличием твердых частиц в потоке;
• оценка условий образования осадка при различных размерах частиц;
• определение скорости потока, необходимой для предотвращения образования осадка.

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СОСТОЯНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В МУЛЬТИФАЗНОМ ПОТОКЕ

Присутствие твёрдых частиц в потоке накладывает отпечаток на динамические расчеты потока углеводородного флюида. Дополнительное трение частиц друг об друга, о стенки трубопровода и непосредственно о сам флюид создает 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.

Функционал программного обеспечения позволяет использовать различные переменные для анализа стабильности потока в условиях присутствия твердых частиц, что позволяет получить детальное представление о характере течения, динамики осаждения твердых 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 объем частиц (поток, осадок, осадок + поток).

Для того, чтобы программа могло рассчитать течение мультифазного потока с содержанием твердых частиц необходимо описать их характеристики и выбрать одну из двух методик расчета: SIMPLE или ADVANCED.

Основным параметром, описывающим свойства твердой частицы, является ее диаметр. На текущий момент обе методики позволяют внести только одно значение диаметра для описания всей твердой 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 твердой 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 твердых 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 расчета 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 твердых частиц

В зависимости от баланса сил, действующих на твердые частицы в сформированном осадке (сила тяготения, подъемная сила, сила трения и др.), он может находиться в одном из трех состояний: статичном, подвижном и взвешенном. При статичном состоянии преобладают силы трения, что делает невозможным движение твердых частиц. Подвижное состояние предполагает движение верхних слоев осадка, при котором подъемных сил все еще недостаточно, чтобы увлечь частицы в основной поток. Во взвешенном состоянии подъемные силы обеспечивают вынос твердых 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 твердых 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 Ду=159×10мм, L=1600 м, сбор продукции которого осуществляется с 16 скважин и транспортируется далее на ГЗУ.

Помимо общей протяженности и внутреннего диаметра для расчета гидравлики использовался детальный профиль трубопровода, который позволил учесть дополнительные сопротивления, связанные с рельефом местности (рис. 2).

 

Рисунок 2. Расположение и профиль трубопровода в модели сети сбора

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 пакетов позволили воспроизвести фазовую диаграмму (рис. 3), тем самым определив области многофазного и однофазного состояния флюида.

Кроме этого, была произведена настройка флюида на фактические значения вязкости разгазированной нефти. На правом рисунке 3 красные точки соответствуют фактическим (лабораторным) значениям вязкости флюида при различных температурах, синяя линия – начальное воспроизведение вязкости PVT пакетом, желтая 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.

 

Рисунок 3. Воспроизведение и настройка свойств флюида

3. Описание параметров твердых 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 твердых частиц использует одно значение в качестве диаметра, полученный диапазон потребовалось привести к единому значению. Так как величины крайних значений отличались друг от друга более чем в 250 раз, расчет 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 равным 104 мкм.

Также для расчетов осаждения твердых частиц приняты следующие среднестатистические параметры:

• плотность частиц 2100 кг/м³;
• угол естественного откоса 30°;
• пористость осадка 0,35.

 

Рисунок 4. Гранулометрический состав осадка рассматриваемого коллектора

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 твердой фазы в потоке равной 10%. Для каждого варианта расхода был проведен динамический расчет с продолжительностью 24 ч. Данная продолжительность задана исходя из необходимости выйти на установившейся режим работы системы и последующей корректной оценки расчетных параметров.

В качестве граничных условий системы для всех сценариев были заданы давление на выходе из трубопровода Р_вых=1,2 атм, температура флюида на входе Т_вх=36 °С и температура окружающей среды равная 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 твердых частиц в потоке, проведена оценка рисков образования песчаного осадка в рассматриваемом трубопроводе при различных расходах флюида. Так как гранулометрический состав выносимого песка представлен достаточно широким спектром диаметров, было решено провести дополнительную серию расчетов, предполагающую его увеличение на 50%, чтобы смоделировать поведение потока при ухудшении характеристик выносимого песка. Сравнение результатов моделирования со средневзвешенным и увеличенным диаметром (табл. 1) позволили получить более целостную картину условий необходимых для выноса песчаного осадка.

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

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

Диаметр частиц, мм	Расход, м3/сут	Максимальная толщина осадка, мм	Масса твердой фазы, кг	Максимальный массовый расход, кг/с
0,1	200	34	200	-
	300	30	300	-
	400	3	15	0,055
	500	1	7	0,04
0,15	200	37	200	-
	300	24	300	-
	400	18	245	0,1
	500	10	55	0,085

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 метров и впадина на расстоянии 1100 метров) обусловлена относительно невысокой скоростью течения и геометрией трубопровода. Также стоит отметить, что для данных расходов, в рамках 24-часового расчета, происходит постоянное накопление твердой фазы в трубопроводе с нулевым расходом твердой фазы на выходе.

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 значение можно избежать интенсивного выпадения осадка.

Согласно графику массового расхода твердой 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.

 

 

Условные обозначения:

черная линия – профиль трубопровода;

профиль толщины осадка: красная линия – при расходе 200 м³/сут; синяя – при расходе 300 м³/сут; зеленая – при расходе 400 м³/сут; коричневая – при расходе 500 м³/сут

Рисунок 5. Профиль толщин песчаного осадка моделирования в течении 24 часов

 

 

Условные обозначения:

красный цвет – 200 м³/сут; синий – 300 м³/сут; зеленый – 400 м³/сут; коричневый – 500 м³/сут

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

 

Условные обозначения:

красный цвет – 200 м³/сут, синий – 300 м³/сут, зеленый – 400 м³/сут, коричневый – 500 м³/сут

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

2. Диаметр частиц 150 мкм

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

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

При расходе 400 м³/сут в течении первых 16-ти часов происходит активное выпадение и накопление осадка, после чего происходит стабилизация его количества и выход на установившейся режим, о чем свидетельствуют графики массового расхода (рисунок 8) и динамики накопления твердой 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 значение можно избежать интенсивного выпадения осадка.

Согласно графику массового расхода твердой фазы, вынос песка при расходах от 400 до 500 м³/сут происходит неравномерно (рис. 10). Это свидетельствует от том, что твердая 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 твердой фазы практически отсутствует.

 

 

Условные обозначения:

чёрная линия – профиль трубопровода;

профиль толщины осадка: красная линия – при расходе 200 м³/сут; синяя – при расходе 300 м³/сут; зеленая – при расходе 400 м³/сут; коричневая – при расходе 500 м³/сут

Рисунок 8. Профиль толщин песчаного осадка моделирования в течении 24 часов

 

Условные обозначения:

красный цвет – 200 м³/сут; синий – 300 м³/сут; зеленый – 400 м³/сут; коричневый – 500 м³/сут

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

 

Условные обозначения:

красный цвет – 200 м³/сут; синий – 300 м³/сут; зеленый – 400 м³/сут; коричневый – 500 м³/сут

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

Об авторах

Мурат Усенович Ерлепесов

Филиал ТОО "КМГ Инжиниринг" "КазНИПИмунайгаз"

Email: m.yerlepessov@kmge.kz

эксперт Службы системы сбора, транспортировки и подготовки продукции Департамента техники и технологии добычи нефти и газа

Казахстан

Олег Игоревич Зайцев

Email: OZaitcev2@slb.com

ведущий инженер по добыче компании «Шлюмберже» (Schlumberger)

Абай Алматаевич Ермеков

Email: A.Yermekov@kmge.kz

руководитель службы системы сбора, транспортировки и подготовки продукции ТОО «КМГ Инжиниринг», филиал «КазНИПИмунайгаз»

Саин Кубейсинович Амиров

Филиал ТОО "КМГ Инжиниринг" "КазНИПИмунайгаз"

Автор, ответственный за переписку.
Email: s.amirov@kmge.kz

ведущий инженер Службы системы сбора, транспортировки и подготовки продукции Департамента техники и технологии добычи нефти и газа

Казахстан

Жугинис Сытдыйхович Урбисинов

Email: Zh.Urbissinov@kmge.kz

старший инженер службы информационного обеспечения ТОО «КМГ Инжиниринг», филиал «КазНИПИмунайгаз»

Список литературы

Дополнительные файлы