Контрольная работа по нефтегазовому делу на тему «Эксплуатация и разработка шельфовых месторождений»

Контрольная работа № 1. Определение диаметра штуцера фонтанной арматуры Цель работы: Научиться подбирать диаметр штуцера в различных условиях эксплуатации скважин, исходя из известного устьевого давления, давления в выкидной линии, дебита скважины и других физических параметров.

1. Рассчитать диаметр штуцера фонтанирующей с большим газовым фактором b скважины.
2. Рассчитать диаметр штуцера фонтанирующей с пренебрежимо малым газовым фактором скважины.

Диаметр отверстия устьевого штуцера для фонтанных скважин с большим газовым фактором, определяется по эмпирической формуле Г. Н. Газиева где φ — опытный коэффициент, зависящий от величины газового фактора (принимается φ = 1,0 — 1,2); Q_г — дебит газа, м³/сут; ρ_г — плотность газа, кг/м³; Р_у — давление на устье скважины перед штуцером, кгс/см² (МПа); Р_ш — давление за штуцером, кгс/см² (МПа).Диаметр штуцера можно определить по формуле расхода жидкости через насадку, если газовый фактор невелик или отсутствует: где Q — расход жидкости, м³/с; μ = 0,7 — 0,9 — коэффициент расхода, зависящий от плотности жидкости; f — площадь насадки, м²; g — ускорение свободного падения; Н – потери напора, м вод. ст. Задача 1. Определить диаметр штуцера для фонтанирующей скважины с газовым фактором 90 м³/т и дебитом 100 т/сут, если ρ_г = 1,16 кг/м³, давление на устье 10 МПа, а давление в выкидной линии должно быть 2 МПа. Решение. Определим расход газа Q_г = 90 ·100 = 9000 м³/сут. По формуле (1.17) найдем d: Задача 2. Найти диаметр штуцера для скважины с дебитом жидкости 200 м³/сут, если давление на устье — 3,5 МПа, давление в боковом выкиде 1,5 МПа. Решение. Определим секундный расход жидкости: Определим потери напора в штуцере Тогда диаметр отверстия штуцера определим по формуле (1.18): Исходные данные В результате решения данной контрольной работы должны получиться два ответа: диаметр штуцера для скважины с высоким (Задача 1)  и низким (Задача 2) газовым фактором.

Контрольная работа № 2

Определение потерь напора на гидравлическое сопротивление в насосно-компрессорных трубах Цель работы. Получить навык определения потерь напора на гидросопротивление в насосно-компрессорных трубах (НКТ). Данный расчет используется на практике при подборе диаметра и типа НКТ с целью получения оптимального отношения затрачиваемой на сопротивление энергии, цены и технических условий эксплуатации скважины. Для цилиндрической трубы соотношение между потерей давления на гидравлическое сопротивление, скоростью потока жидкости, внутренним диаметром, длиной и шероховатостью определяется известной в гидромеханике формулой Дарси-Вейсбаха: где   r  – плотность жидкости, протекающей сквозь трубу; D₀– гидравлический диаметр (внутренний диаметр трубы); l  – коэффициент гидравлического сопротивления; w  – скорость движения потока. Основная сложность в определении Dp_тр по данной формуле заключается в нахождении коэффициента l, так как его величина определяется функцией двух параметров l=f(Re,), Зависимость коэффициента сопротивления l от Re и , установленная опытами для стабилизированного течения в круглых трубах с равномерной зернистой шероховатостью, указывает на существование трех основных режимов (областей) течения потока. Первый режим, называемый ламинарным, относится к малым значениям чисел Re (до Re » 2000) и характеризуется тем, что шероховатость не оказывает никакого влияния на величину l. По закону Гагена-Пуазеля: Второй режим, называемый переходным, охватывает три участка кривых  сопротивления для равномерно-зернистой шероховатости: а) Участок, относящийся к переходной области  между ламинарным и турбулентным течениями (примерно в пределах Re=2000-4000). В этой области коэффициент сопротивления быстро растет с увеличением числа Re. Вместе с тем коэффициент l продолжает оставаться одинаковым для различных значений относительной шероховатости. б)  Участок, для которого  кривые сопротивления труб с различной шероховатостью совпадают с кривой Блазиуса для гладких труб: Закон сопротивления по последней формуле справедлив в тем меньшем интервале чисел Re, чем больше относительная шероховатость. в) Участок, для которого кривые сопротивления труб с различной шероховатостью расходятся между собой, отходя от прямой, получаемой по формуле (4.21). При этом коэффициенты сопротивления в определенных интервалах чисел Re (в этих интервалах значений Re возрастание l прекращается) тем больше, чем значительнее относительная шероховатость. Третий режим, называемый квадратичным или режимом вполне шероховатого трения, а также режимом турбулентной автомодельности, характеризуется тем, что коэффициенты сопротивления для каждой величины шероховатости становятся постоянными и практически не зависящими от числа Re. Итак, существуют три числа Re, ограничивающие четыре области течения жидкости. Определим эти числа При Re<Re₀ действует закон Гагена-Пуазеля фомула (4.20). При Re₀<Re<Re₁ и ³0.007: При Re₁<Re<Re₂ : где   при £0.007  l^*=l₁; при >0.007  l^*=l₁-0.0017; коэффициенты l₁  и l₂, соответствующие границам Re₁  и Re₂; при £0.007  l₁=0.032; при >0.007 при £0.007 при >0.007                                                   Формулы с (4.6) по (4.10) были предложены Самойленко[85]. Для режима течения жидкости, соответствующего Re>Re₂, воспользуемся формулой Альтшуля, которая является приближенным решением формулы Кольбрука-Уайта: Исходные данные Скорость движения потока . Внутренний диаметр НКТ . Примечание: Во всех расчетах следует использовать систему СИ. В систему СИ необходимо перевести расход жидкости, диаметр, абсолютную шероховатость, толщину стенки НКТ. Контрольная работа № 3 Расчет совместной закачки воды в водонагнетательные скважины по насосно-компрессорным трубам и затрубному пространству С целью экономии гидравлической энергии за счет снижения потерь давления на гидравлическое трение, при заводнении пластов применяется совместная закачка жидкости по НКТ и затрубному пространству. На рис.1 показана расчетная схема данной системы эксплуатации нагнетательных скважин. Цель работы: Расчитать перепад давления на гидравлическое трение при одновременной прокачке воды по НКТ и затрубному пространству. Особенность расчета состоит в том, что поток воды подаваемой в скважину с расходом Q разделяется на два потока – одни с расходом q₁ в насосно-компрессорных трубах, а другой с расходом q₂ в затрубном пространстве: Q=q₁+q₂ При совместной прокачке жидкости должно выполняться условие равенства перепадов давления на гидравлическое трение в НКТ и затрубном пространстве. Перепад давления для труб круглого сечения – НКТ определяется по закону Дарси-Вейсбаха: где L – длина НКТ, м; r – плотность воды, кг/м³; d – внутренний диаметр НКТ, м; w₁ – скорость потока, м/с; l_НКТ – коэффициент гидравлического сопротивления НКТ. Скорость потока: , где q₁ – расход жидкости в НКТ, м³/с;  F₁ – площадь сечения НКТ, м²: F₁=0.25p d². Коэффициент гидравлического сопротивления НКТ: , где  – относительная шероховатость;  – число Рейнольдса, где n – кинематическая вязкость м²/с. Перепад давления для затрубного пространства: где D – внутренний диаметр колонны, м; b – толщина стенки НКТ, м; l_ЗАТ – коэффициент гидравлического сопротивления затрубного пространства: , где  – относительная шероховатость; – число Рейнольдса. Скорость потока в затрубном пространстве , где q₂ – расход жидкости в затрубном пространстве, м³/с;  F₂ – площадь сечения кольцевого пространства, м²: F₂=0.25p [D²–(d+2b)²]. Исходя из условия равенства перепада давления на гидравлическое сопротивление в НКТ и затрубном пространстве и неразрывности потока: DP_НКТ=f₁(q₁),   DP_ЗАТ=f₂(q₂) и Q=q₁+q₂ => f₁(q₁)=f₂(Q—q₁)        Решить уравнение (3) относительно неизвестного расхода потока в НКТ – q₁ можно графически. Для этого необходимо построить два графика: I – зависимость перепада давления на гидравлическое трение DP_НКТ от расхода жидкости q₁. Для этого, задавшись расходами q₁ необходимо расcчитать соответствующие им перепады давления по формуле (1). Результаты отразить графически (см. график 1, рис.2). II – зависимость перепада давления на гидравлическое трение DP_ЗАТ от расхода q₂ . Для этого, , задавшись расходами q₂ необходимо расcчитать соответствующие расходу q₂ перепады давления в затрубном пространстве по формуле (2). Результаты отразить графически (см. график 2, рис.2). ДЛЯ ПОСТОРОЕНИЯ ГРАФИКА 2 ВЕЛИЧИНЫ РАСХОДА q₂ НЕОБХОДИМО ОТКЛАДЫВАТЬ ВЛЕВО  ОТ ВЕЛИЧИНЫ РАСХОДА Q. После построения графиков необходимо по точке пересечения определить расходы жидкости по НКТ – q₁ и затрубному пространству – q₂, а также перепад давления на гидро-сопротивление – DP. Исходные данные; Примечание: Для расчета перепадов давления необходимо все единицы перевести в систему СИ!

Контрольная работа № 4

Определение потерь напора на гидравлическое сопротивление в штуцере фонтанной арматуры. Цель работы. Навык определения потерь напора на гидросопротивление в штуцере может быть использован на практике при освоении и регулировании дебита добывающих скважин, а также при регулировании объемов закачки в нагнетательных скважинах. Для определения потерь давления на гидравлическое сопротивление для общего вида штуцирующих (см. рисунок) устройств необходимо определить потери давления на каждом участке отдельно: участке внезапного сужения потока 1–0, участке течения потока с постоянным сечением 0–0 и участке расширения потока 0–2. Потери давления на местное сопротивление где   r – плотность текучей среды, кг/м³; w – скорость потока, м/с, определяемая отношением расхода потока Q (в м³/с) к площади поперечного сечения F (м²). При внезапном расширении поперечного сечения трубы (0–2) возникают так называемые потери на «удар». Коэффициент местного сопротивления удара в случае равномерного распределения скоростей по сечению узкого канала и турбулентного течения  зависит только от отношения площадей узкого–0 и широкого–2 сечений F₀/F₂ и вычисляется по формуле Борда-Карно Коэффициент местного сопротивления при внезапном сужении (1–0) для турбулентного режима течения может быть приближенно определен по формуле, предложенной И.Е.Идельчиком: Потери давления на гидравлическое трение в узком сечении–0 определяются по формуле Дарси-Вейсбаха где D₀ – гидравлический(внутренний) диаметр узкого канала; l  – коэффициент гидравлического сопротивления; l₀ – длина узкого канала. Коэффициент гидравлического сопротивления l определяется по формуле Альтшуля гдe      – критерий Рейнольдса, здесь n – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; – относительная шероховатость, здесь D_а – абсолютная шероховатость, м. Полный перепад давления на сопротивление в штуцере: Dp_ш=Dp_1-0+Dp_тр+Dp_0-2 Таким образом, для определения полного перепада давления на все сопротивления в штуцере необходимо: 1 – определить величину потери давления Dp_тр на гидравлическое трение в узком сечении–0 по формуле (4)

• Вычислить относительную шероховатость (в сечении–0) – .
• Вычислить число Рейнольдса – Re.
• Вычислить по формуле (5) коэффициент гидравлического сопротивления – l.

2 – определить величину потери давления на местное сопротивление при внезапном расширении потока Dp_м.с.0-2 по формуле (1) 2.1. Определить площади поперечного сечения F₀ и F₂. 2.2. Вычислить коэффициент местного сопротивления z_0-2 по формуле (2). 3 – определить величину потери давления на местное сопротивление при внезапном сужении потока Dp_м.с.1-0 по формуле (1) 3.1. Определить площадь поперечного сечения F₁. 3.2. Вычислить коэффициент местного сопротивления z_1-0 по формуле (3). 4 – найти полный перепад давления по формуле (6) Исходные данные Примечание: Во всех расчетах следует использовать систему СИ. В систему СИ необходимо перевести расход жидкости, диаметры, абсолютную шероховатость, длину узкого участка штуцера.