Стенд для фильтрационных исследований процесса вытеснения нефти из моделей пласта водой, газом и водогазовыми смесями
Использование насосно-эжекторных систем является перспективной технологией для реализации водогазового воздействия. Такие системы позволяют готовить на поверхности мелкодисперсные водогазовые смеси с пенообразующими ПАВ и закачивать их в пласт эффективным, надёжным и простым в обслуживании оборудованием, которое может успешно эксплуатироваться в промысловых условиях российских месторождений. Немаловажным обстоятельством является то, что вся техника для насосно-эжекторного ВГВ может быть изготовлена на отечественных машиностроительных заводах.
Согласно фильтрационным исследованиям [1, 2] при вытеснении нефтей водогазовыми смесями с пенообразующими поверхностно-активными веществами достигается существенный прирост коэффициента вытеснения.
Однако стенды, на которых выполнялись работы [1, 2], имели ряд недостатков, затрудняющих процесс проведения эксперимента:
1. В качестве устройства для нагнетания жидкости применяли дозировочный насос. При его использовании приходилось сначала грубо устанавливать расход жидкости, затем измерять его и корректировать.
2. Требовался постоянный контроль количества жидкости, отбираемой насосом из входной ёмкости для закачки в модель.
3. Пульсации от дозировочного насоса приходилось компенсировать при помощи баллона, частично заполненного воздухом. В результате система имела значительную инерционность, которая затрудняла вывод стенда на режим и поддержание рабочего давления в модели.
4. Существующий дозировочный насос не обеспечивал значения равномерной подачи жидкости, соответствующие необходимым величинам линейной скорости фильтрации согласно требованиям ОСТ 39-195-86 «Нефть. Метод определения коэффициента вытеснения нефти водой в лабораторных условиях». Минимально возможная устойчивая подача имевшегося дозировочного насоса была существенно выше той, что требовалась по ОСТ 39-195-86.
5. При вытеснении нефти из модели водогазовыми смесями измерение расхода газа для обеспечения заданного газосодержания осуществлялось на выходе из модели при барометрическом давлении. Так как расходы газа малы по отношению к объёму модели и трубопроводов, то возникала большая задержка по времени между установкой входного газосодержания и его измерением. Это обстоятельство затрудняло точную установку газосодержания водогазовой смеси.
6. Для измерения давлений и разности давлений использовались стрелочные механические приборы, что не позволяло добиться высокой точности замеров.
7. Регулировка давления в модели пласта осуществлялась вентилем на выходе из модели. Поскольку через вентиль проходили различные по своей плотности и вязкости флюиды (нефть, вода, газ), причем их процентное содержание в потоке менялось в ходе эксперимента, поддержание заданного давления в модели требовало постоянного трудоёмкого ручного регулирования, которое из-за высокой инерционности процесса было очень неэффективным.
С целью обеспечения условий эксперимента требованиям ОСТ 39-195-86, а также повышения точности измерений в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина был создан новый стенд для фильтрационных исследований процесса вытеснения нефти водой, газом и водогазовыми смесями. Схема данного стенда представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема стенда для фильтрационных исследований: 1 – расходная ёмкость для жидкости, 2, 3 – вентильные блоки, 4 – пресс-дозатор двойного действия, 5, 6, 14, 16, 18, 29 – датчики давления, 7 – обратный клапан, 8 – фильтр-смеситель, 9, 35 – газовые баллоны, 10, 36 – редукторы, 11, 15 – вентили регулировочные, 12, 17 – датчики разности давлений, 13, 19, 30 – термопары, 20, 21 – смотровые глазки, 22 – насыпная модель пласта или кернодержатель, 23 – винтовой пресс для создания горного давления, 24 – образцовый манометр, 25 – регулятор давления, 26 – сборная сепарационная ёмкость, 27 – вентиль запорный, 28, 34 – мерные ёмкости, 31 – трёхходовой кран, 32 – газовый счетчик, 33 – герметичная ёмкость с двумя подводами, заполненная водой.
Стенд состоит из семи основных частей:
1. Блока подачи жидкости,
2. Блока подачи и измерения расхода газа в линии высокого давления,
3. Фильтра- смесителя,
4. Блока модели пласта с обвязкой,
5. Пресса для создания горного давления,
6. Блока измерения на выходе из модели,
7. Системы управления и контроля стенда.
Блок подачи жидкости состоит из расходной ёмкости 1, вентильных блоков 2 и 3, пресса-дозатора 4, датчиков давления 5 и 6, и обратного клапана 7. Пресс-дозатор двойного действия содержит приводной двигатель постоянного тока СЛ-369, питание которого осуществляется от регулируемого источника питания EL-AS110-70-A, встроенного в систему управления и контроля стендом.
Двигатель постоянного тока вращает редуктор, редуктор осуществляет перемещение рабочих органов прессов. Одновременно один пресс работает на всасывание жидкости из ёмкости 1, другой – на подачу в напорную линию. Коммутация прессов осуществляется вентильными блоками 2 и 3. Частота вращения двигателя прямо пропорциональна линейной скорости рабочих органов прессов. Задавая и измеряя обороты двигателя, можно обеспечить равномерную подачу жидкости с заданным расходом в диапазоне от 0,2 до 20 см3/час, необходимую для корректного проведения эксперимента в соответствии с ОСТ 39-195-86. При достижении конечного положения прессов система управления стендом в автоматическом режиме останавливает прессы и сигнализирует о необходимости переключения направления подачи. Обратный клапан 7 препятствует резкому сбросу давления в случае ошибки при переключении прессов. После переключения система включает реверс двигателя, контролируя давления на датчиках давления 5 и 6, и автоматически доводит давление до рабочего. В случае превышения заданной величины аварийного давления система автоматически останавливает работу прессов.
Блок измерения расхода газа в линии высокого давления состоит из баллона 9 с газом, редуктора 10, датчика давления 14, датчика разности давлений 12, термопары 13, регулирующего вентиля 11 и регулирующего вентиля 15. Газ поступает из баллона 9 через редуктор 10 в фильтр-смеситель 8. Термопарой 13 измеряется температура газа. Датчик давления 14 регистрирует давление газа в измерительной линии. Определение расхода газа осуществляется с помощью измерения перепада давления датчиком разности давлений 12 на регулирующем вентиле 11. Перед измерением расхода производятся калибровка и тарировка.
Поскольку диапазон изменения подач жидкости в соответствии с требованиями ОСТ 39-195-86 на новом стенде составляет, как указано выше, от 0,2 до 20 см3/час, что не позволяет обеспечить работу использованного в [1, 2] эжектора для приготовления водогазовой смеси, в целях получения мелкодисперсной газожидкостной смеси применяется фильтр-смеситель 8. Он содержит обойму, в которую помещается пористый материал. Газ и жидкость подводятся непосредственно в фильтр, причем поток жидкости дросселируется, чтобы не допустить попадания газа в напорную линию блока подачи жидкости.
Блок модели пласта с обвязкой состоит из насыпной модели или кернодержателя 22, смотровых глазков для визуального наблюдения за потоками 20 и 21, датчиков давления на входе 16 и выходе 18, датчика разности давлений входа и выхода 17, термопары 19 и регулирующего вентиля 25. Пресс для создания горного давления 23 и манометр 24 присоединяются к кернодержателю с целью задания, контроля и поддержания горного давления (давления обжима) в процессе испытания. Необходимое рабочее давление в модели пласта обеспечивается с помощью регулятора давления 25, схема которого приведена на рис. 2. Регулятор давления содержит корпус 1, металлические подводящую трубку 2 и отводящую трубку 3, эластичный шланг, соединяющий линии 2 и 3, а также газовую линию 5, в которую поступает газ из баллона 35 через редуктор 36.
Рис. 2. Схема регулятора давления: 1 – корпус, 2 – подводящая трубка, 3 – отводящая трубка, 4 – эластичный шланг, 5 – газовая линия.
Регулятор давления работает следующим образом. С помощью редуктора 36 в замкнутую полость между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружными поверхностями трубок 2, 3 и шланга 4 подаётся газ под заданным давлением, соответствующим величине рабочего давления в модели пласта при проведении опытов. Эластичный шланг 4 сжимается и проход между трубками 2 и 3 перекрывается. В модели пласта 22 с помощью пресса 4, нагнетающего жидкость, и баллона 9, подающего газ, повышается давление. Как только величина давления в модели пласта превысит давление газа снаружи шланга 4, эластичный шланг разжимается и образуется проход для течения флюидов из модели пласта 22 через подводящую трубку 2 в отводящую трубку 3. При этом на выходе из модели пласта 22 автоматически поддерживается заданное рабочее давление вне зависимости от того, какие флюиды и в каком соотношении выходят из модели. Это существенно облегчает проведение эксперимента по сравнению с использованным в работах [1, 2] вентильным регулированием потока флюидов на выходе из модели пласта.
Блок измерения флюидов, выходящих из модели, состоит из сборной сепарационной ёмкости 26, вентиля 27, мерной ёмкости 28, датчика давления 29, термопары 30, трёхходового крана 31, газового счётчика ГСБ-400 32, герметичной ёмкости с водой 33 и мерной ёмкости 34. Выходя из модели, газ и жидкость разделяются в ёмкости 26. К нижней части сборной ёмкости 26 присоединяется мерная ёмкость 28 через вентиль 27. Датчик давления 29 измеряет избыточное давление газа. Температура газа измеряется термопарой 30. При измерении проницаемости по газу используется газовый счётчик 32, а в процессе вытеснения – объёмный метод при помощи герметичной ёмкости 33 и мерной ёмкости 34. Переключения между способами измерения объёма газа осуществляется трёхходовым краном 31.
Система управления и контроля стенда состоит из персонального компьютера, а также шкафа управления и контроля. На персональном компьютере работает программное обеспечение под управлением операционной системы Windows XP. Программное обеспечение контролирует состояние стенда, регистрирует показания датчиков и управляет исполнительными механизмами – прессами. Весь процесс испытания регистрируется.
Шкаф управления и контроля состоит из модулей сбора данных и управления Advantech ADAM-4019, ADAM-4021, ADAM-4051, ADAM-4069, ADAM-4080, коммуникационного модуля ADAM-4561, управляемого источника питания EL-AS110-70-A, четырёх блоков питания БП14Б-Д4.4-24, блока питания БП60Б-Д4-24, автомата, DIN реек и клеммников.
Два модуля ADAM-4019 и четыре блока питания БП14Б-Д4.4-24 образуют 16 универсальных измерительных каналов, к которым подключаются датчики, термопары и т.п. Класс точности каналов 0,1%. Модуль ADAM-4021 управляет источником питания EL-AS110-70-A, который в свою очередь управляет электродвигателем пресса СЛ-369. Модуль ADAM-4080 измеряет частоту вращения двигателя СЛ-369. Модуль ADAM-4051 анализирует дискретные сигналы. С его помощью определяются крайние положения прессов. Модуль ADAM-4069 – модуль релейной коммутации управляет реверсом электродвигателя СЛ-369. Модуль ADAM-4561 – преобразователь интерфейса USB в интерфейс RS-485. С его помощью осуществляется цифровая связь между компьютером с управляющим программным обеспечением и модулями.
Стенд имеет четыре основных режима работы:
1. Калибровка линии измерении расхода газа на входе в модель,
2. Определение проницаемости модели по газу,
3. Насыщение модели жидкостью,
4. Вытеснение нефти рабочим агентом.
При калибровке линии измерения расхода газа на входе в модель выход вентиля 15 соединяется с входом герметичной ёмкости 33. Вентиль 11 открывается, вентиль 15 закрывается, на редукторе давления 10 выставляется давление немного выше рабочего давления. Путем открытия вентиля 15 задаётся средний рабочий расход газа при рабочем давлении. При помощи герметичной ёмкости с водой 33, мерной ёмкости 34 и счётчика времени определяется заданный расход. Вентиль 11 закрывается до тех пор, пока показания датчика разности давления 12 не попадут в середину диапазона измерения датчика, около 2 КПа. В этом положении вентиль 11 фиксируется от случайной регулировки. Изменяя положение вентиля 15, задают 4 – 5 режимов расхода газа. При этом измеряются расходы при атмосферных условиях при помощи вытеснения жидкости из герметичной ёмкости 33 в мерную ёмкость 34, учитывая давление и температуру газа в герметичной ёмкости 33. Также измеряется температура и давление в линии высокого давления. По результатам калибровки определяется коэффициент гидравлического сопротивления вентиля 11. Далее выбираются 2 – 3 точки из диапазона измеряемых расходов, и по ним проверяется корректность калибровки.
При определении проницаемости модели по газу кран 31 переключается на вход газового счётчика 32. На редукторе давления 10 выставляется рабочее давление. Вентиль 25 закрывается, вентиль 15 открывается, вентильный блок 3 закрывается, кран 27 закрывается. Регулируя вентиль 25, устанавливают необходимый расход газа через модель. Регистрируются параметры при нескольких подачах: расход газа при атмосферных условиях, температура газа, температура модели, давление в модели, перепад на модели. Исходя из этих параметров, определяют проницаемость по газу.
При насыщении модели жидкостью из схемы стенда исключаются фильтр-смеситель 8, смотровые глазки 20 и 21. Линия подачи газа отключается. Вентиль 25 открывается, кран 27 открывается.
При вытеснении нефти стенд собирается по схеме согласно рис.1. Кран 31 переключается в направление герметичной ёмкости 33.
Вытеснение нефти водой и газом проводится в соответствии с требованиями ОСТ 39-195-86.
При моделировании водогазового воздействия с использованием изовискозных моделей нефти вытеснение производится смесью «вода-азот-ПАВ». Азот применяют в качестве модели газа при несмешивающемся вытеснении. Водогазовая смесь готовится фильтром-смесителем 8, ПАВ необходимо добавлять для получения стабильной смеси, которая не будет разрушаться сразу же после её создания. Водный раствор ПАВ готовится заранее, перед началом экспериментов, смешение водного раствора ПАВ с азотом происходит во время опыта, непосредственно перед закачкой смеси в модель пласта. Состав и процентное содержание ПАВ определяются непосредственно перед проведением эксперимента.
Стенд при моделировании водогазового воздействия работает следующим образом. Смесь воды с ПАВ прессом 4 подается на вход фильтра-смесителя 8. Подача воды задаётся оборотами привода пресса. Газ подается из баллона 9 через блок измерения расхода газа. Подача газа регулируется вентилем 15. Полученная в смесителе смесь воды, азота и ПАВ через смотровую камеру 20 поступает в модель пласта.
Структуру смешанного потока смеси нефти, воды и азота на выходе из модели можно наблюдать через глазок 21, аналогичную глазку 20. Давление на выходе из модели замеряется датчиком давления 18 и регулируется вентилем 25. После прохождения вентиля 25 смесь поступает в сборную емкость 26. В ней происходит разделение смеси на жидкую и газообразную фазы. Жидкая часть (вода и нефть) сливаются в мерную емкость 28, где происходит разделение и замер количества нефти и воды, вышедших из модели. Газ выпускается в атмосферу через герметичную ёмкость 33.
Во время измерений фиксируются: давления на входе в модель и выходе из модели, разность давлений на модели, объём газа вышедшего из модели, расход газа на входе в смеситель, объемы полученных из модели нефти и воды, время замера, температуры газа в линии высокого давления, температура модели температура газа на выходе из модели.
По результатам экспериментов определяются значения коэффициента вытеснения нефти и количества прокачанных поровых объемов. Вытеснение нефти водогазовой смесью проводится до полного прекращения поступления нефти из модели.
Помимо этого, стенд позволяет проводить фильтрационные исследования попеременной и последовательной закачек воды и газа, а также использовать для экспериментов, помимо изовискозных, и рекомбинированные модели нефти.
Таким образом, новый стенд обеспечивает при соблюдении требований ОСТ 39-195-86 более широкие функциональные возможности, меньшую погрешность измерений и существенно облегчает проведение фильтрационных исследований процесса водогазового воздействия по сравнению с прежними техническими решениями.
Литература
1. Егоров Ю.А. Разработка технологии водогазового воздействия с использованием насосно-эжекторных систем для повышения нефтеотдачи пластов. – Дис. … канд. техн. наук. – М., 2006. – 169 с.
2. Телков В.П. Разработка технологии водогазового воздействия на пласт путем насосно-эжекторной и насосно-компрессорной закачки водогазовых смесей с пенообразующими ПАВ. – Дис. … канд. техн. наук. М., 2009. – 168 с.