Особенности движения многофазных потоков в стволе горизонтальной скважины

Течение многофазных потоков, в стволе горизонтальной скважины, имеет ряд принципиальных отличий от характера течения аналогичного потока в вертикальном и сильно наклонном стволе. Ниже рассмотрены основные законы формирования трехфазного потока применительно к горизонтальному участку скважины, имеющему ряд перегибов с отрицательными и положительными углами наклона.

Выделив элементарный объем (V) внутри потока, рассмотрим основные силы, определяющие его динамику:

• 1. Сила тяжести: Приводит к гравитационному расслоению потока по плотности. Поскольку диапазон перемещения V по вертикали, обусловленный разностью плотностей фаз, ограничен диаметром трубы, то процесс расслоения потока в скважине происходит достаточно быстро. В дальнейшем поток сохраняет слоистую структуру вплоть до выхода на вертикальный участок. Поступление новых порций флюида, временно нарушая слоистую структуру потока, не вносит существенного искажения в характер потока на расстояниях превышающих 3−5 диаметров трубы от границы поступления (перфорации). Наличие наклона ствола скважины приводит к возникновению тангенциальной составляющей Fx от силы тяжести, действующей на элементарный объем V, который в свою очередь получает дополнительное ускорение, направленное в сторону наклона, увеличивая скорость фазы, к которой принадлежит рассматриваемый объем. Максимальная скорость при этом ограничивается действием силы трения между фазами и стенкой трубы.
• 2. Сила трения: Возникает между отдельными слоями в установившемся потоке и между потоком и неподвижной стенкой трубы. Трения потока о трубу приводит к возникновению пограничного слоя, имеющего скорость существенно меньшую, чем средняя по сечению трубы скорость потока. В однородном по составу потоке, толщина пограничного слоя не симметрична по вертикали и имеет максимум вдоль нижней образующей трубы, что приводит к возникновению застойных зон.

В двухфазном потоке, при несовпадении скоростей фаз на границе раздела, сила трения вызывает замедление более быстрой фазы и ускорение медленной фазы. При этом в более медленной фазе нередко возникают замкнутые ячейки с противотоком.

В результате действия этих сил и при поступлении трехфазного потока с забоя скважины, формируется следующее распределение фаз по горизонтальному участку. (Рис. 4.3). Данное распределение свойственно для примерно равных объемных расходов газа, нефти и воды.

Работающая скважина.

Сектор (а) характеризуется низкой скоростью движения газа и сравнительно высокой скоростью течения нефти и воды по нижней образующей в виде тонких ручейков, расположенных один над другим. Скважинный прибор, имеющий диаметр существенно меньший, чем диаметр скважины, взаимодействует практически только с потоком воды и нефти. При этом скорость обтекания прибора жидкостью _обт много больше скорости потока, рассчитанной из выражения.

_ж,.

где Q_ж — расход жидкости (вода+нефть), м³/сек] S_тр — площадь сечения трубы [м²].

Сектор (в) характеризуется низкой скоростью движения воды, средней скоростью движения нефти и высокой скоростью движения газа. Характер движения газовой фазы наблюдается в виде отдельных пузырьков при малых расходах и сплошного сильно турбулизированного потока при больших расходах. Нефтяная фаза разгоняется газовой фазой и имеет скорость близкую к скорости газовой фазы. В водной фазе за счет внутреннего трения на границе раздела фаз возникают вихревые токи, сопровождающиеся ускорением потока воды в верхней части и дополнительным замедлением в нижней части. Нередко в водной фазе возникают линии тока по нижней образующей, имеющих обратное направление. Прибор, находящийся в секторе (в) взаимодействует преимущественно с водной фазой. Скорость обтекания прибора водой зависит от распределения скоростей внутри водной фазы и может иметь обратное направление. Характер потоков в секторах с и d аналогичен секторам, а и в соответственно.

Граница перехода из сектора в в сектор с может рассматриваться как участок горизонтальной скважины, находящийся на вершине, а граница сектора, а и в, как горизонтальный участок, находящийся в низине (яме). Соотношение площадей сечения газовой, нефтяной и водной фазы для этих участков определяется соотношением расходов по каждой фазе, но с учетом положения (вершина-яма) на траектории скважины.

Остановленная скважина.

Остановка скважины приводит к установлению статического равновесия между фазами. Рис. 4.3. При этом верхняя часть сектора, а заполняется преимущественно газом и нефтью, а вода скапливается в «яме» на границе раздела секторов, а — в и с — d.

Граница секторов в — с, находясь на вершине, будет заполнена газом и частично нефтью. Область, занятая газом, мало зависит от газового фактора и определяется, в основном, геометрией ствола скважины.

Граница секторов, а и в заполняется водой, присутствующей в продукции, причем количество воды и область занятая водой также не зависит от процентного соотношения воды и нефти в составе продукции, а определяется геометрией ствола скважины. Сектор d в остановленной скважине, как правило, заполнен нефтью, либо водой. Причем положение границы раздела нефть-вода определяется соотношением нефти и воды в продукции скважины и может выходить за границы горизонтального участка при сильной обводненности продукции.

Скважинный прибор, двигаясь по нижней образующей скважины последовательно взаимодействует с каждой из фаз, отмечая границы раздела, приуроченные, как правило, к восходящим и нисходящим участкам ствола скважины.9.