ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Исследование стационарной фильтрации на

экспериментальной установке

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Ухта 2007

УДК 622.276

Р 80

Рочев, А.Н. Исследование стационарной фильтрации на экспериментальной

установке [Текст]: метод. указания к выполнению лаб. работы / А.Н. Рочев, О.М. Корохонько. - Ухта: УГТУ, 2007. – 28 с: ил.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы студентами специальностей – «Проектирование, сооружение и эксплуатация магистралей газонефтепроводов и газонефтехранилищ», «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», «Бурение нефтяных и газовых скважин», «Геология нефти и газа». Методические указания содержат необходимые теоретические сведения, описание лабораторной установки, порядок проведения и обработки результатов эксперимента.

Содержание настоящих методических указаний соответствует рабочим учебным программам дисциплин.

Методические указания рассмотрены, одобрены и рекомендованы для издания выпускающей кафедрой «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений и подземной гидромеханики» (протокол № 8 от 15.11.2006).

Рецензент Пятибрат В.П., доцент кафедры РЭНГМ и ПГ.

Редактор Мордвинов А.А., профессор кафедры РЭНГМ и ПГ.

В методических указаниях учтены замечания рецензента и редактора.

План 2007 г., позиция 106.

Подписано в печать 13.02.2007 г.

Компьютерный набор.

Объем 28 с. Тираж 100 экз. Заказ № 207.

©Ухтинский государственный технический университет,2007.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская,13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.

Содержание Содержание

Введение

Основные теоретические сведения

Лабораторная установка

Проведение эксперимента

Обработка результатов

Вопросы и задачи

Библиографический список

Введение Центральная задача, которую необходимо решить в ходе выполнения данной лабораторной работы – подтвердить (или опровергнуть) на практике основные положения теории стационарной фильтрации. Такая проверка, по замыслу авторов, дает ключ к теории, позволяет понять цели гидродинамических исследований скважин и верно оценивать их результаты.

Лабораторная работа проводится на установке, выполненной компанией «FESTO». Установка создана при финансовой поддержке Некоммерческой организации «Благотворительный фонд «ЛУКОЙЛ».

При составлении методических указаний использованы материалы «Технического описания лабораторного стенда по исследованию модели нефтеносного пласта» (авторы Артюшин Ю., Можаев Д., Разин К., Сергеев А.).

Отдельную благодарность авторы выражают Соколовой Анастасии, взявшей на себя труд по иллюстрированию методических указаний.

Основные теоретические сведения Приведенные далее теоретические сведения не претендуют на полноту. Они содержат основные определения, схемы и формулы с краткими комментариями. За более подробными сведениями можно обратиться к источникам, указанным в списке литературы.

Фильтрацией называется процесс течения (просачивания) жидкости или газа сквозь пористую среду под действием перепада давления.

Фильтрация жидкости описывается такими параметрами как скорость фильтрации, расход жидкости, перепад давления. Величина расхода определяется также свойствами среды, через которую происходит течение.

Основными из этих свойств являются гидропроводность и проницаемость.

Стационарным называется такой режим фильтрации, при котором величины скорости, расхода и перепада давления остаются постоянными. Рассмотрим схему притока жидкости к скважине, изображенную на рис. 1.

Рис. 1 - Схема плоскорадиальной фильтрации жидкости плоскорадиальной, так как частицы жидкости двигаются от контура питания к скважине вдоль радиуса. Если на контуре питания и забое скважины поддерживаются постоянные во времени давления, то величину притока (дебита) в скважину можно определить по формуле Дюпюи [1, 2] где Q - расход жидкости, м3/с; k - коэффициент проницаемости пласта, м2; h - толщина пласта, м; µ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па·с; pk - давление на контуре питания, Па; pc - давление в скважине, Па; Rk - радиус контура питания, м; Rc - радиус скважины, м.

Напомним основные допущения, при которых справедлива формула Дюпюи:

1. течение жидкости в пласте подчиняется линейному закону фильтрации Дарси;

2. проницаемость, вязкость и толщина пласта не зависят от координат и давления;

3. жидкость в пласте ньютоновская;

4. давления на контуре питания и на забое скважины постоянны во времени.

Если величины, стоящие в правой части уравнения (1) и не зависящие от давления, объединить в один коэффициент, то формулу Дюпюи можно записать в виде Таким образом, согласно теории, зависимость дебита скважины от перепада давления (депрессии) должна быть линейной. Это означает, что при увеличении перепада давления, например в два раза, дебит также увеличится вдвое. Если полученная на практике зависимость оказывается не линейной, вероятнее всего нарушается одно из допущений, указанных ранее. Поэтому график Q ( p ) называют индикаторной диаграммой.

Схематично она показана на рис. 2.

Построение индикаторной диаграммы производится по результатам измерений нескольких различных значений давления на забое скважины и соответствующих им дебитов. Изменение забойных давлений производится путем смены диаметров штуцеров, устанавливаемых на устье скважины.

Коэффициент пропорциональности, называют коэффициентом продуктивности скважины, так как он показывает, на сколько изменится дебит скважины, при изменении депрессии. Он находится как тангенс угла наклона линии, построенной по точкам депрессии и дебита (рис. 2).

После того, как определен коэффициент продуктивности, можно рассчитать фильтрационные параметры пласта (см. формулу 3):

коэффициент гидропроводности пласта и коэффициент проницаемости Итак, для определения характера фильтрации (линейная или нелинейная) и расчета фильтрационных параметров необходимо сделать следующие шаги:

произвести замеры расхода жидкости;

построить индикаторную диаграмму;

рассчитать коэффициент продуктивности и фильтрационные свойства пласта.

Эксперимент производится на лабораторном стенде, общий вид которого представлен на рис. 3. На рис. 4 приведена принципиальная пневмогидравлическая схема стенда.

Рис. 4 - Принципиальная пневмогидравлическая схема Состав лабораторного стенда приведен в следующей таблице.

компрессор – для создания запаса энергии, передаваемой в дальнейшем на вход модели насосная станция (насос объёмного типа с встроенным предохранительным клапаном) – для заполнения системы жидкостью отсечные клапаны – для перекрытия потоков жидкости Название узла и назначение на схеме Изображение исключения попадания жидкости в воздушные магистрали редукционный клапан – для установления давления на входе в пласт датчики давления – для измерения давления до модели пласта, а так же вдоль оси пласта измерения динамического расхода жидкости до модели Название узла и назначение на схеме Изображение пульт управления – для управления работой стенда мерный бак – для размещения запаса жидкости и измерения расхода объёмным способом ресиверы – для организации плавного течения жидкости в модели пласта с заданным давлением на входе модель пласта Название узла и назначение на схеме Изображение контроллер – для обработки сигналов с датчиков давления и расхода, и организации связи с В качестве наполнителя в модель пласта засыпан обогащенный кварцевый песок (зернистость 0,1 – 0,4 мм). На рис. 5 приведена схема модели пласта с указанием линейных размеров в миллиметрах. Рабочая жидкость, используемая в лабораторном стенде – дистиллированная вода.

Подготовка к работе включает в себя выполнение следующих операций.

1. Включение блоков питания для датчиков, контроллера, преобразователей.

Для обеспечения электрического питания системы управления предусмотрены два блока питания. Они размещаются в задней части мобильных оснований, и включаются в работу тумблерами, расположенными на лицевых панелях. Необходимо включить оба блока питания и после этого включить контроллер, установив тумблер в положение ВКЛ (рис. 6). Индикатор включения должен загореться зеленым светом.

2. Включение компьютера.

Для обработки результатов экспериментов, управления работой стенда, снятия характеристик, визуализации и протоколирования лабораторных работ стенд оснащается персональным компьютером с предустановленным программным обеспечением. Компьютер необходим для управления работой стенда при помощи SCADA системы InTouch и отображения данных с датчиков давления и расхода.

3. Запуск программного обеспечения.

Лабораторный стенд соединяется с компьютером через RS 232 интерфейс, кабель от IPC - контроллера должен быть подключен к COMпорту компьютера. Связь контроллера со SCADA - системой осуществляется через DDE протокол, при этом используется программа EzDDE. Управление производится при помощи SCADA системы InTouch.

Для запуска программ на рабочем столе расположены ярлыки EzDDE и InTouch.

Первоначально запускается программа EzDDE. Затем запускается SCADA система InTouch. В окне выбора приложений системы InTouch следует выбрать приложение Пласт. В появившемся окне выбрать Главное окно и Графики и нажать ОК (рис. 7).

Рис. 7 - Окно менеджера приложений и выбора способа отображения После запуска программы на графики начнут поступать показания с датчиков (рис. 8).

4. Включение питания насосной станции.

Необходимо соединить кабель питания с электрической сетью 220V. При этом на дисплее насоса должна появиться индикация.

5. Включение пневматического питания.

Подача воздуха в систему осуществляется от компрессора.

Регулирование подачи воздуха осуществляется при помощи редукционного клапана (V0). Первоначально необходимо перекрыть клапан путем вращения против часовой стрелки. Также должен быть перекрыт кран V1.

Включаем компрессор. После набора давления 5-7 бар можно произвести отключение компрессора.

Далее, поворотом редукционного клапана V0 по часовой стрелке устанавливаем давление на входе в систему равным 1 бар.

Заполнение системы жидкостью и удаление воздуха из системы.

Для удаления воздуха из системы и заполнения модели нефтеносного пласта жидкостью необходимо произвести следующие действия.

1. Перекрыть краны V1, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11 и V13.

2. Открыть краны V2, V3 и V12.

3. Включить насосную станцию кнопкой START на панели управления насосом.

Жидкость при этом начнёт заполнять пласт, поступая в выходной канал модели. При этом показания датчиков будут отображать этот процесс (рис. 9). Проходя через модель пласта, жидкость будет наполнять ресиверы H2.1, H2.2 и H2.3.

Заполнение системы должно проводиться до тех пор пока жидкость не заполнит все три ресивера. Уровень жидкости в ресиверах можно наблюдать в прозрачной трубке справа от ресивера H2.3.

Внимание! В процессе заполнения модели пласта жидкостью, давление в зоне датчика Z8 не должно превышать 1 бар.

Рис. 9 - Процесс заполнения системы жидкостью 4. После того как ресиверы заполнены, необходимо удалить остатки воздуха из внутренней полости модели пласта.

Для этого, не выключая насосную станцию необходимо закрыть кран V2, остановив процесс заполнения ресиверов.

5. Поочерёдно открывая и закрывая краны V5–V11 (рис. 10), соединённые с дренажными магистралями, добиться того чтобы из пласта перестали выходить пузырьки воздуха.

Для упрощения этой процедуры и наблюдения появления жидкости в верхних точках системы, дренажные магистрали выполнены из прозрачных шлангов.

6. Убедившись, что через дренажные магистрали больше не выходит воздух, необходимо перекрыть все краны V5–V11 и только после этого выключить насосную станцию кнопкой STOP на панели управления насосом.

7. Затем необходимо открыть кран V1, подавая тем самым сжатый воздух в верхнюю часть ресиверов под давлением, заданным при помощи редукционного клапана (V0). Кран V12 должен быть закрыт.

8. После завершения процессов: заполнения модели, удаления воздуха, заполнения ресиверов, состояние кранов должно быть таким:

Перекрыты краны: V2, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13.

Открыты краны: V1, V3.

Лабораторный стенд по исследованию модели нефтеносного пласта подготовлен для проведения лабораторной работы.

Проведение эксперимента Для того чтобы начать эксперимент необходимо.

1. Начать запись показания датчиков в файл.

Для начала записи показания датчиков следует в окне графиков нажать на кнопку В Excel.

2. Полностью открыть кран V13 на выходе из модели пласта.

После чего жидкость начнет поступать в мерную ёмкость. Процесс падения давления и роста расхода будет отображаться на графиках (рис.

11). После того, как показания датчиков стабилизировались, можно перейти к новым граничным условиям. Для этого изменяем настройку редукционного клапана в сторону уменьшения давления на входе в модель. Жидкости, находящейся в ресиверах достаточно для проведения эксперимента длительностью 5-6 минут. За это время необходимо провести измерения при 4-5 различных значениях давления на входе в модель.

Внимание! В процессе проведения эксперимента, давление в зоне датчика Z2 не должно превышать 1 бар.

Рис. 11 - Процесс заполнения системы жидкостью 3. После проведения измерения необходимо перекрыть редукционный клапан и кран V1.

4. Перекрыть кран V13 на выходе из модели пласта.

5. Сбросить давление в модели, открыв кран V2.

6. Закрыть кран V2.

7. Остановить запись показаний в файл.

8. Закрыть программное обеспечение.

Все показания датчиков в ходе эксперимента записываются в файл Пласт_Протокол.txt. Это обычный текстовый файл, который имеет формат, представленный на рис. 12.

Рис. 12 - Формат записи показаний датчиков (файл Пласт_Протокол.txt) Данные записываются с интервалом в одну десятую секунды. В результате образуется большой массив чисел. Его обработку удобнее провести в Excel, предварительно импортировав туда замеры, для чего выполним следующую последовательность действий:

запустим Excel;

в главном меню выберем Файл Открыть;

в окне выбора файлов укажем тип файлов – Текстовые файлы (*.prn;

*.txt; *.csv) и выбираем файл протокола (рис. 13);

формат данных – с разделителями; начать импорт со строки – 6.

Нажимаем кнопку Далее;

на следующем шаге импорта указываем, что разделителем чисел выступает запятая;

на завершающем шаге определяем Формат данных столбца – Общий. Нажимаем кнопку Подробнее и в появившемся окне (рис. 17) указываем в качестве Разделителя целой и дробной части – точку. Нажимаем на кнопку Готово. Данные будут импортированы в рабочий лист.

Рис. 17 - Дополнительная настройка импорта текста Теперь сохраним наш импортированный массив данных в формате Excel. Для этого выбираем опцию главного меню Сохранить как… Указываем тип файлов Книга Microsoft Office Excel и нажимает на кнопку Сохранить. Итак, наши данные импортированы и сохранены.

Теперь добавим подписи столбцов. Вставим для них строку перед первыми замерами (рис. 18).

Рис. 18 - Вставка дополнительной строки для подписи столбцов И сформируем шапку таблицы, переместив для дальнейшего удобства столбец времени в начало. В итоге мы получаем таблицу, показанную на рис. 19.

Рис. 19 - Вид таблицы после импорта и подписи данных Теперь построим график изменения показаний датчиков во времени.

Для этого выделяем всю нашу таблицу. Нажимаем на кнопку Мастер диаграмм. Выбираем тип диаграммы – Точечная, со значениями, соединенными отрезками без маркеров.

На следующем шаге указываем Ряды в столбцах.

На третьем шаге устанавливаем параметры графика и подписываем оси.

На завершающем шаге определяем место расположения графика.

После этого на экране должна быть показана диаграмма процесса подобно той, что изображена на рис. 23.

Рис. 23 - Диаграмма изменения показателей датчиков (протокол эксперимента) Взгляните внимательно на график. На нем хорошо прослеживаются моменты перехода с одного расхода на другой.

Теперь можно перейти к построению индикаторной диаграммы. Для этого нам нужно выбрать на графике для каждого из режимов момент времени, при котором показания датчиков стабилизировались. Например, для приведенного графика подходящими могут быть моменты времени 100, 200, 400 и 700 секунд. К выбору моментов времени следует подходить внимательно, чтобы не выбрать точки, в которых происходили выбросы показаний датчиков расхода. Эти выбросы связаны с проскакиванием пузырьков воздуха через датчики расхода. Из всей нашей таблицы необходимо выбрать давления на входе и выходе из модели и расходы в определенные ранее моменты времени. Полученные точки заносим на новый лист в таблицу, как показано на рисунке, и рассчитываем перепад давления и расход воды через модель. Расход находим как среднее значение между расходом жидкости на входе и выходе. В итоге получаем таблицу, показанную на рис. 24.

Рис. 24 - Таблица к построению индикаторной диаграммы По ней строим индикаторную диаграмму. Последовательность действий аналогична построению предыдущего графика, за тем исключением, что в данном случае лучше выбрать тип графика с точками, без соединительных линий.

Итак, индикаторная диаграмма получена. Остается провести через точки прямую. Воспользуемся функцией построения линий тренда. Для этого необходимо выделить ряд, щелкнув на любой из точек. Нажать правую кнопку мыши, и в контекстном выбрать Добавить линию тренда. В появившемся окне (рис. 26) указываем Тип линии тренда Линейная. В Параметрах линии тренда устанавливаем: показывать уравнение на диаграмме и пересечение кривой с осью в точке 0 (тем самым мы указываем, что наша линия должна обязательно проходить через точку 0,0).

После этого на график будет нанесена линия тренда и показано уравнение (рис. 27). Коэффициент в уравнении и есть коэффициент продуктивности.

Рис. 27 - Индикаторная диаграмма с построенной линией тренда Итак, мы установили величину коэффициента продуктивности в следующих единицах: л/мин/бар. Можно перейти к расчету фильтрационных параметров пласта. К сожалению, мы не можем напрямую использовать формулы (5) и (6), поскольку они выведены для случая кругового пласта. Эта трудность может быть решена следующим образом. Будем считать, что наша модель - сектор кольца с внутренним радиусом, равным радиусу скважины (см. рис. 28).

Рис. 28 - Схематизация пласта сектором кольца Тогда формулы (5) и (6) примут вид где - угол в радианах, остальные обозначения прежние.

В нашем случае величина = 18. Теперь для расчета значений гидропроводности и проницаемости можно воспользоваться формулами (7) и (8), предварительно переведя величину коэффициента продуктивности в систему СИ (1 бар=105 Па), что предлагается сделать самостоятельно.

1. Рассчитайте среднюю скорость фильтрации жидкости в модели для одного из перепадов давления.

2. Что может вызвать нелинейность индикаторной диаграммы?

3. Проверьте выполнение закона Дарси для условий проведенного эксперимента (для расчета критерия Рейнольдса можно воспользоваться формулой Щелкачева).

4. Если индикаторная диаграмма не линейна, можно ли в этом случае определить коэффициент продуктивности?

5. Подумайте, будет ли индикаторная диаграмма линейной, если данные для её построения брать в моменты времени, когда давления и расходы еще не установились?

6. Можно ли определить коэффициент продуктивности, если давление на входе в модель не известно, а известно лишь давление на 7. Какова погрешность определения коэффициента продуктивности в результате того, что мы схематизировали нашу модель сектором окружности (на самом деле она имеем форму трапеции)?

1. Щелкачев В.Н., Лапук Б.Б.. Подземная гидравлика. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 736 с.

2. Подземная гидравлика: Учебник для вузов / К.С. Басниев, А.М. Власов, Н.Н. Кочина, В.М. Максимов. – М.: Недра, 1986. – 303 с.

3. Техническое описание лабораторного стенда по исследованию модели нефтеносного пласта: Техническое описание / Ю. Артюшин, Д. Можаев, К. Разин, А. Сергеев. – М. Отдел Дидактики ООО «Фесто