Прогнозирование разработки Анастасиевско-Троицкого месторождения с использованием ГРП

На раме автомобиля, непосредственно  за кабиной водителя, расположена  силовая установка агрегата, состоящая  из двигателя с многодисковой  фрикционной муфтой и центробежным вентилятором, систем питания, смазки и охлаждения, установки воздухоочистителя и других вспомогательных узлов.

Двигатель агрегата-дизельмотор двенадцатицилиндровый, четырехтактный имеет мощность 588 кВт  при частоте вращения коленчатого  вала 2000 об/мин. Двигатель с помощью  многодисковой фрикционной муфты  соединен с приемным валом коробки  передач.

Насос 4Р-700 трехплунжерный, горизонтальный одинарного действия. Плунжеры предусмотрены  размерами 100 и 120 мм, что обеспечивает работу насоса соответственно при давлениях  до 70 и 50 МПа. Производительность агрегата при давлении 70 МПа составляет 6,3 л/с и при 20 МПа - 22 л/с. Масса агрегата 20200 кг, габаритные размеры 9800 х 2900 x 3320 мм. Управление агрегатом производится с центрального пульта, расположенного в кабине автомобиля, где размещены  педали управления топливным насосом  и фрикционной муфтой двигателя, рукоятка управления коробкой передач  и необходимая контрольно-измерительная  аппаратура.

Для транспортировки песка нужных фракций к скважине, в которой  намечено произвести гидроразрыв пласта, и для последующего механического  приготовления песчано-жидкостной смеси применяют специальные  пескосмесительные агрегаты типа 4ПА.

На самоходном шасси автомашины КрАЗ-257 смонтированы бункер 1 для сыпучего материала с загрузочным шнеком 2 и рабочим шнеком 3, камера гидравлического  смещения 5, смеситель 7 с поплавковым  регулятором уровня 6, а также  приемный коллектор 11 и раздаточный  коллектор 10 с насосом 9 для перекачки  песка. В верхней разгрузочной части  шнека 3 установлена поворотная заслонка 4, соединенная с поплавковым регулятором 6. К стенкам и днищу бункера 1 прикреплены пневмовибраторы, обеспечивающие надежное поступление сыпучего материала  самотеком в приемник шнека 3.

Загрузочный и рабочий шнеки, а  также лопастная мешалка приводятся в действие гидродвигателями при  помощи масляного насоса 8. Все агрегаты установки управляются с пульта, размещенного в кабине автомобиля.

Песчано-жидкостная смесь с небольшой  концентрацией песка приготавливается следующим образом. Жидкость через  приемный коллектор 11 попадает в камеру гидравлического смещения 5, в которую  из бункера 1 шнеком 3 подается сыпучий  материал. Количество сыпучего материала  регулируется частотой вращения рабочего шнека и заслонкой 4 при помощи поплавкового регулятора уровня 6 в  зависимости от уровня смеси в  смесителе 7. Избыточное количество сыпучего материала по отводящему патрубку поступает  обратно в бункер. В камере гидравлического  смешения 5 приготавливается раствор  требуемой концентрации, который  поступает в смеситель 7, где при  помощи лопастной мешалки поддерживается равномерность концентрации песка. Из смесителя 7 раствор подается Песковым насосом 9 через раздаточный коллектор 10 к месту потребления.

При приготовлении песчано-жидкостной смеси с большой концентрацией  сыпучего материала камера гидравлического  смешения заменяется проходной трубой, а жидкость из коллектора 11 и сыпучий  материал из бункера 1 поступают непосредственно  в смеситель 7, через сменную трубу (указана пунктиром). Готовая смесь  отбирается так же, как и в первом случае.

Рис. 2. Схема пескосмесительного агрегата

Емкость бункера 6,5 м³. Максимальная производительность рабочего шнека (по песку) 50 т/ч, максимальная грузоподъемная сила 90 кН, производительность загрузочного шнека 12-15 т/ч. Масса агрегата с грузом 23 000 кг, габаритные размеры 8700 х 2625 х 3600 мм. Пескосмесительный агрегат обслуживается одним шофером-мотористом. При проведении гидроразрыва пласта пескосмесительный агрегат с помощью гибких шлангов соединяется с автоцистернами и с насосными агрегатами. К агрегату 4ПА можно присоединить одновременно две автоцистерны и четыре насосных агрегата (по два с каждой стороны).

Автоцистерна 4ЦР предназначена для  перевозки жидкости, используемой для  гидравлического разрыва пласта, и подачи ее в пескосмесительный  или насосный агрегат. Автоцистерна 4ЦР (рис. 3) смонтирована на шасси автомобиля КрАЗ-219 грузоподъемной силой 120 кН и состоит из цистерны 1, вертикального плунжерного насоса 2, системы обвязки насоса с арматурой 3, коробки отбора мощности 4, узла трансмиссии 5, узла жесткой буксировки 6 и искрогасителя 7.

Цистерна оборудована специальным  устройством для подогрева жидкости паром. Для определения количества жидкости, отобранной из цистерны, внутри ее смонтирован поплавковый указатель  уровня. Жидкость перекачивается из автоцистерны с помощью трехплунжерного вертикального  насоса, имеющего производительность 16,7 л/с и максимальное давление 2,0 МПа.

Объем цистерны 9 м³. В зависимости от плотности жидкости в ней масса автоцистерны достигает 21435 кг. Габаритные размеры 10100 x 2700 х 2740 мм. Время подогрева жидкости от 20° до 50°С равно 2 ч. В настоящее время выпускают автоцистерны для жидкости разрыва емкостью 17 м^3. под шифром ЦР-20, смонтирована цистерна на тягаче с прицепом. Кроме подогревательного устройства и вертикального насоса, автоцистерна снабжена центробежным. насосом производительностью по воде 100 л/с с максимально развиваемым давлением 0,2 МПа.

При гидравлическом разрыве пласта устье скважины оборудуют специальной  арматурой типа 1АУ-700, которая крепится на резьбе к эксплуатационной колонне. Арматура рассчитана на работу с давлением 70 МПа и состоит из крестовины, устьевой головки, пробковых кранов, предохранительного клапана и прочих элементов обвязки.

Для регулирования работы всего  комплекса оборудования и агрегата при гидравлическом разрыве пласта на Анастасиевско-Троицком месторождении возможно использование самоходного блока манифольда типа 1БМ-700, который состоит из напорного и раздаточного коллекторов, подъемной стрелы и комплекта 60-мм насосно-компрессорных труб с шарнирным и быстросборным соединениями. Все оборудование блока манифольда монтируется на шасси грузового автомобиля повышенной проходимости (ЗИЛ-157К).

Напорный коллектор состоит  из клапанной коробки с шестью отводами для соединения с насосными  агрегатами; центральной трубы с  датчиком контрольно-измерительных  приборов (манометра, плотномера и расходомера) для работы со станцией контроля и  управления процессами, двух отводов  для соединения с арматурой на устье скважины; пробковых кранов и предохранительного клапана. Раздаточный  коллектор служит для распределения  рабочих жидкостей (продавочного раствора, воды, песчано-жидкостной смеси и  т. д.) насосным агрегатам.

Комплект 60-мм насосно-компрессорных  труб употребляется для соединения напорного коллектора с устьем скважины и подвода к раздаточному коллектору продавочного раствора, воды и других жидкостей. Для механизации погрузки и выгрузки арматуры устья блока  манифольда имеется поворотная стрела с ручным управлением.

Рис.3. Автоцистерна 4ЦР

1- цистерна; 2- вертикальный  плунжерный насос; 3- система обвязки  насоса арматурой; 4- коробка отбора  мощности; 5- узел трансмиссии; 6- узел  жесткой буксировки; 7- искрогаситель.

 

2.6. Расчёт гидравлического  разрыва пласта

Проведем примерный расчет возможного использования гидроразрыва пласта на Анастасиевско-Троицком месторождении.

1.Расчёт давления гидроразрыва  пласта:

Р_разр = Р_в.г. – Р_пл + s_р ;

где Р_в.г. – вертикальное горное давление;

Р_пл – пластовое давление;

s_р – давление расслоения пород. Вертикальное горное давление Р_в.г. – определяют по формуле:

Р_в.г. = r_пgН,

где Н – глубина залегания  пласта;

r_п = 2500 кг/м³ – средняя плотность вышележащих горных пород.

Р_в.г. = 2500*9,81*1500 = 36,75 МПа

Если давление расслоения пород s_р = 1,5 МПа, то давление разрыва пласта будет:

Р_разр = 36,75 – 17 + 1,5 = 21,25 МПа.

Давление разрыва на забое можно  определить приближенно по эмпирической формуле:

Р_разр = 10⁴ * НК,

где К = 1,5 – 2. Принимаем среднее  значение К = 1,75. Тогда

Р_разр = 10⁴ * 1500*1,75 = 26,25 МПа.

2. Расчет рабочего устьевого  давления гидроразрыва.

Допустимое устьевое давление ГРП  определяется по формуле:

Р_д.у =  - rgH + Р_тр,

где D_н², D_В² – наружный и внутренний диаметры обсадных труб, м

D_н = 0,173м D_В = 0,144 м; s_тек = 650 МПа – предел текучести стали марки L; К = 1,5 – запас прочности, Р_тр = потери напора на трение в трубах определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

Р_тр =l

где l - коэффициент гидравлического  сопротивления труб, определяется из соотношения l = 0,3164/Re^0,5 для турбулентного или l = 64/Re для ламинарного режимов движения жидкости в трубе. Здесь Re (число Рейнольдса) – параметр, определяющий режим течения; при Re <2300 поток считается ламинарным, а при

Re >2300 турбулентным.

Re = ndr_см /m_см

где m_см – вязкость песчано-жидкостной смеси:

m_см=90*е^3,18*0,091 = 120 мПа*с;

n - скорость движения жидкости  по трубам, м/с определяется из  выражения

n = Q/F

где Q – темп закачки жидкости гидроразрыва, м³/сут (0,015 м³/сут),

F – площадь внутреннего сечения  НКТ :

F = πD_B²/4 = 3.14*0.144²/4 = 0.0162, м².

Скорость движения жидкости:

n = 0,015/0,0162 = 0,926 м/с.

r_см = (r_п - r_ж)С + r_ж – плотность смеси (нефть + песок),

С = С₀/(С₀+r_п) - объёмное содержание песка, С₀ – концентрация песка,

С = 250/(250+2500) = 0,091

r_см = (2500-895)*0,091 + 895 = 1041 кг/м³

число Рейнольдса:

Re = 0,926*0,144*1041/(120*10^-3) = 1156,76 тогда l = 64/ Re = 0,055

Потери давления на трение в трубах

Р_тр = 0,055*(1041*0,926²*1500)/(2*9,81*0,144) = 0,039 МПа.

Следовательно допустимое устьевое давление составляет:

Р_д.у. = (0,173²-0,144²)/(0,173²+0,144²)*(650/1,75)+17-1041*9,81*1500*10^-6=

=61,418 МПа.

Допустимое давление на устье скважины в зависимости от прочности резьбы верхней части колонны труб на страгивающие усилия определяется по формуле

Р_д.у =

где Р_стр – страгивающая нагрузка для обсадных труб из стали группы прочности L, равна 1,59 МН,

G – усилие затяжки при обвязке  обсадной колонны (берётся по  данным бурового журнала), равное 0,5 МН; к – запас прочности,  который принимаем равным 1,5. Тогда  допустимое устьевое давление:

Р_д.у. =  34,4МПа.

Из полученных двух значений Р_д.у. принимаем меньшее (34,4 МПа).

Возможное забойное давление при допустимом давлении на устье 34,4 МПа составит:

Р_з = Р_д.у. + rGН – P_тр = 34,4*10⁶ + 1041*9,81*1500 – 0,039*10⁶ = 57,34 МПа

Учитывая, что потребное давление разрыва на забое Р_разр = 21,25 МПа меньше Р_з = 57,34 МПа, определим рабочее давление на устье скважины

Р_у = Р_разр - rgН + Р_тр = 21,25*10⁶ - 1041*9,81*1500 + 0,039*10⁶ = 16,9 МПа.

Следовательно, давление на устье  скважины ниже допустимого, поэтому  можно проводить закачку жидкости гидроразрыва по НКТ.

3. Определение необходимого количества  рабочей жидкости.

Количество жидкости разрыва не поддаётся точному расчету. Оно  зависит от вязкости жидкости разрыва  и фильтруемости, проницаемости  пород призабойной зоны скважины, темпа закачки жидкости и давления разрыва. По опытным данным объем  жидкости разрыва изменяется от 5 до 10 м³. Примем для нашей скважины V_р = 7,5 м³ нефти.

Количество жидкости-песконосителя  зависит от свойств этой жидкости, количества закачиваемого в пласт  песка и его концентрации. На практике заготавливают 20 – 50 м³жидкости (V_пж) и 8 – 10 т песка(G_пес).

Концентрация песка C зависит от вязкости жидкости песконосителя и  темпа её закачки. Для нефти вязкостью 90 мПа*с принимаем С = 250 кг/м³. При этом условии объем жидкости песконосителя:

V_пж = G_пес/С = 8000/250 = 32 м³.

Объем жидкости-песконосителя должен быть несколько меньше емкости колонны  труб, так как при закачке этой жидкости в объеме, превышающем емкость  колонны, насосы в конце процесса закачки будут работать при высоком  давлении, необходимым для продавливания  песка в трещины. А закачка  жидкости с абразивными частицами  при высоких давлениях приводит к очень быстрому износу цилиндров  и клапанов насосов.

Емкость 168 – мм обсадной колонны длиной 1200 м составляет 34 м³, а принятое количество жидкости-песконосителя - 29 м³

Оптимальная концентрация песка может  быть определена на основании скорости падения зерен песка в принятой рабочей жидкости по формуле

С = 4000/n

Где С – концентрация песка, кг/м³ ;

n - скорость падения зерен песка  диаметром 0,8 мм в м/ч в зависимости  от вязкости жидкости находится  графически. Для вязкости жидкости-песконосителя  90 МПа*с n = 15 м/ч, следовательно