Диссертация (1173025), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Региональный прогноз образования газогидратов в стволе скважиныпри разных внутренных диаметрах линии при дросселировании692.3. Многофазный поток в стволе скважины и изменение забойного давления при бурении на глубоководном газогидратном месторожденииИсследования условий гидратообразования газов в пористой среде на полуколичественном уровне впервые были выполнены еще Ю.Ф. Макогоном всередине 1960-х гг. В настоящее время опубликовано значительное количество работ по термодинамике и кинетике гидратообразования в пористых средах. Отметим один из результатов последнего времени в этом направлении [74]–экспериментальные данные по остаточному содержанию неперешедшей вгидрат поровой влаги при равновесии с гидратной фазой в зависимости от термобарических условий.
При этом проведена аналогия неклатратной воды с незамерзшей водой.В процессе бурения газогидратных месторождений осколки гидратов расщепляются в стволе скважины, таким образом, в стволе скважины уменьшается давление, циркуляция становится разнородной, но глубоких исследований в этой области пока не проводилось. На основе системы дифференциальных уравнений описывающих течение бурового раствора в стволе скважины иучетом фазового состояния гидрата, был проведен анализ закономерностивлияния буровой скорости, а также расхода бурового раствора, температуры,плотности и т.д., на критическую точку и давление в стволе скважины при расщеплении гидрата с целью предоставления теоретической базы о контроледавления ствола скважины при бурении.Система уравнений течения многофазной жидкости при бурении(1) Определяющее уравнение циркуляцииОпределяющее уравнение циркуляции используется для расчёта давленияв стволе скважины.
После того как гидрат в стволе скважины разложится, вней будет циркулировать буровая жидкость, в которой будут двигаться обломки горных пород и природный газ, такая смесь будет являться многофазной. Для описания процесса циркуляции будут использоваться уравнение неразрывности и уравнение количества движения.Уравнение неразрывности()+()=(2-63)Уравнение количества движения：++cos+( p)+()=0(2-64)70где, A - площадь затрубного пространства, м2; – плотность природногогаза, выделяемого гидратом, обломки горных пород и газогидратов, кг/м3, объёмное содержание каждых фазах; – скорость каждой фазы, м/с; – скорость качественных изменений каждой фазы,кг/с; - угол отклонения стволаскважины, (°); p - давление в затрубном пространстве, Пa; - потеря давленияза счёт трения, Пa.(2) Уравнение теплопередачиВ данной задаче будет рассматриваться процесс теплообмена междууровнями жидкого вещества в стволе бурильной колонны, жидкого веществакольцевого пространства, обсадных труб или райзера, а также окружающихгорных пород (или моря).
На температуру ствола скважины оказывают влияние такие факторы как: температура окружающей среды, статические низкиетемпературы, конструкция ствола скважины, параметры циркуляции и многиедругие.Рассмотрим ствол скважины и систему циркуляции как одну термодинамическую систему. Субстанция многофазной жидкости в упрощённом варианте представляет собой смесь, в которой объёмное содержание каждой фазыявляется средневзвешенным, в условиях бурения залежи.
Согласно закону сохранения энергии, процесс теплопередачи будем описывать уравнением температурных полей разных частей данной системы [75,76].1）Уравнение температурного поля кольцевого пространства(=)+−(−)(2-65)Здесь，⎧=⎨⎩+，ниже дна моря2，выше дна моря2=1+ℎ=ln(⎨ 1⎪ℎ +⎩⎧⎪2ln( ⁄⁄))+，ниже дна моря1ℎ，выше дна морягде, , ,– это температура кольцевого пространства, температуражидкого вещества внутри бурового столба, температура внешней среды соответственно, ℃ ;- массовый поток жидкого вещества кольцевого71пространства, кг/с;Джскважины, (кг∙℃) ;– удельная теплоёмкость жидкого вещества в стволе- коэффициент теплопроводности пластового слоя, Вт/(м ∙ ℃);– внешний диаметр обсадных труб, м;– внутренний диаметрбурильной трубы, м;– функция нестационарного теплообмена;- общийкоэффициент теплопередачи жидкого вещества и пластового слоя/морскойводы кольцевого пространства, Вт/(м ∙ ℃);- общий коэффициент теплопередачи бурового столба и жидкого вещества внутри бурового столба,Вт/(м ∙ ℃); ℎ , ℎ - показатель конвективной теплопередачи поверхностистены затрубного (кольцевого) пространства, морской воды, Вт/(м ∙ ℃);,- коэффициент теплопроводности теплоизоляционногослоя, цементного кольца, Вт/(м ∙ ℃).2)Уравнение температурного поля внутри бурильной трубы=где()−(2-66)- удельная теплоёмкость жидкого вещества внутри бурильнойтрубы, Дж/(кг ∙ ℃);- массовый поток жидкого вещества внутри бурильной трубы, кг/с.При бурении, обломки горных пород, содержащие газогидраты, попадаютв ствол скважины и при определённых условиях разлагаются.
В процессе разложения поглощается тепло. Учитывая фазовый переход и теплообмен стволаскважины с внешней средой, процесс превращается в процесс с нестабильнымсостоянием. Пренебрегая теплопередачей жидкого вещества в осевом направлении, и, вводя обозначение темпа разложения гидрата в стволе скважины наединицу длины r [77,78], формула (2-65) и формула (2-66) примут вид()−((где=)−)+(∙∆)=(=()+−−)(−) (2-67)(2-68)=где, – скорость разложения газогидратов в стволе скважины на единицудлины, кг/(с ∙ м);– средняя молярная масса газогидратов, кг/моль;,− это плотность смеси жидкости кольцевого пространства и жидкостивнутри бурового столба соответственно, кг/м ;, − это удельная теплоёмкость жидкого тела смеси жидкости кольцевого пространства и жидкостивнутри бурового столба соответственно, Дж/(кг ∙ ℃);– площадь поперечного сечения бурового столба, м2; ∆– скрытая теплота фазового превращения гидрата, Дж /моль , Для вычисления коэффициента сжимаемости при72фазовом равновесии и балансе температур образующегося при образовании/разложении гидрата используется уравнение Клаузиуса-Клапейрона[79,80,81,82].Формулы (2-67) и (2-68) являются уравнениями теплопередачи внутрибурового ствола при расщеплении гидрата.3) Уравнение фазовое равновесие и скорости расщепления гидратовВ качестве уравнения фазового равновесия гидратов используется классическое уравнение Вандер-Ваальса [83]:∆−∫∆∆()+∫∆= ln−∑1−∑(2-69)Для описания динамических процессов расщепления гидратов используетсяуравнение Кима-Бишного [84].4) Уравнение миграции обломков горных пород и газаСкорость обломков горных пород: υ =−(2-70)где - коэффициент распределения скорости обломков горных пород;– скорость смешанной фазы, м/с;– скорость оседания обломков горных пород, м/с.Скорость газа: υ =+(2-71)где,– скорость смещения газовой фазы, m/с;можно рассчитатьпо структуре потока и соответствующим отдельно взятым формулам[85,86];- коэффициент скорости распределения газа.Критерии критической точки разложения газогидрата - p< или T> .Здесь p, – давление в данной области и давление фазового равновесия, Пa;T, – температура в данной области и температура фазового равновесия, ℃.Численное решение уравнений(1) Граничные и начальные условия1) Граничные условияТак как возможно напрямую измерить температуру жидкости непосредственно на входе в буровую колонну, то граничным условием на входев скважину для температуры является(0, t) =(2-72)В тоже время, температура жидкости внутри буровой колонны на днескважиныи температура жидкости кольцевого пространства на днескважины равны.
Соответственно( , t) = ( , t)(2-73)73где,– температура на входе бурового столба, ℃; H – глубина днаскважины, м.Граничными условиями уравнения циркуляции жидкости в скважинеявляются: выходное давление кольцевого пространства в единицах атмосферного давления, известный объём обломков горных пород на дне скважины, известный темп разложения гидрата на единицу длины внутриствола скважины. Данные условия запишутся следующим образом:(0, t) =(0, t) =( , t) =где,– атмосферное давление, Пa;(2-74)– скорость образования об-ломков горных пород, кг/с.2) Начальные условияНачальные условия для уравнения теплового поля это температура,рассчитанная в условиях статического состояния внутри ствола скважины,с учетом заранее известной температуры окружающей среды.
Начальноеусловие уравнения циркуляции – результат установившегося течения пристандартном бурении, то есть пока залежь газогидрата не вскрыта.(2) Процесс решения1)Разбивка области решения на расчетную сетку и разностная схемаПространственными границами данной задачи являются буровая колоннаи затрубное пространство. Временными границами задачи является время разложения гидрата в стволе скважины.
Протяженность пространственной сеткивыбирается согласно процессу увеличения скорости газа. Вначале оценивается соответствующая структура потока многофазной жидкости и высотаподъема газа во временной сетке, задаются значения пространственной сетки,после подсчетов определяется погрешность. Общая закономерность такова,что верхняя часть скважины длинная, а нижняя – короткая. Используется дифференциальная схема из четырех точек для проведения оцифровки (пересчета)показателей матрицы системы уравнений, группа определяющих уравненийсформирована таким образом+(2-75)=0Форма дискретного уравнения−2) Шаги решения=∆∆+−−(2-76)74На основании произвольных узловых точек кольцевого пространства j иj+1 от n до n+1 приведена расчетная схема решения при постоянной циркуляции (рис.30), здесь j и j+1 - узловая точка при постоянном значении n уже известном условии.Рис.30.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
