Руководство по добыче, транспорту и переработке природного газа
по ДОБЫЧЕ, ТРАНСПОРТУ И ПЕРЕРАБОТКЕ
т4-^
HANDBOOK OF NATURAL GAS ENGINEERING
Professor of Chemical Engineering and Chairman Department of Chemical and Metallurgical Engineering University of Michigan
Associate Professor of Petroleum Engineering Oklahoma State University
Chief Reservoir Engineer Michigan Consolidated Gas Company
Associate professor of Chemical Engineering The Rice Institute
District Engineer, Production and Pipe Lins District Michigan Consolidated Gas Company
Supervisor, Engineering Department, Research organization The Qhio Oil Company
Professor and Chairman, Department of Petroleum Engineering University of Kansas
Me GR AW-HILL BOOK COMPANY. INC.
Д. Л. КАТЦ, Д. КОРНЕЛЛ, Р. КОБАЯШИ, Ф. X. ПОЕТТМАНН, Дж. А. ВЕРИ, Дж. Р. ЕЛЕНБААС, Ч. Ф. УАЙНАУГ
ПО ДОБЫЧЕ, ТРАНСПОРТУ И ПЕРЕРАБОТКЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Перевод с английского под общей редакцией кандидатов техн. наук Ю..П. КОРОТАЕВА и Г. В. ПОНОМАРЕВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА» 1965
___13—5—5_
УДК 622.324(083) + 665.511 (083) + 621.532.3(083)
АННОТАЦИЯ
В книге, являющейся справочным руководством, рассмотрен комплекс вопросов, связанных с добычей, транспортировкой и переработкой газа. В ней охарактеризованы физические свойства газовых коллекторов, приведены свойства природных газов и легколетучих углеводородных жидкостей.
Описаны приборы и приспособления для исследования работы скважин и газовых месторождений и методика проведения исследований. Рассмотрены вопросы установившейся и неустановившейся фильтрации газа и методика расчета движения газа и газоконденсатных смесей по вертикальным и горизонтальным трубам. Освещены особенности бурения газовых скважин, технология и техника добычи газа, техника отделения газа от нефти и отбензинивания газа, технология переработки природных газов.
Специальная глава посвящена низкотемпературным процессам, сжижению природного газа, добыче и транспорту гелия.
Даны расчеты и освещена техника строительства газопроводов, борьбы с коррозией, хранения газа в наземных и подземных хранилищах.
Книга предназначена для инженеров и техников по бурению газовых скважин, добыче, переработке и транспорту природного газа.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга предназначается для студентов и инженеров газовой промышленности. В ней рассмотрены различные вопросы добычи, транспорта и переработки природного газа. Основное внимание уделено изучению свойств углеводородов и использованию этих свойств в расчетах движения газа и его переработки.
При подготовке рукописи авторы ставили своей целью дать методику проведения инженерных расчетов при проектировании оборудования, необходимого для добычи и транспорта газа. Для облегчения расчетов большинство зависимостей представлено в виде графиков, таблиц и формул. В приложении приведены табличные значения коэффициентов сверхсжимаемости, а также некоторые таблицы из отчета комитета измерений Американской газовой ассоциации.
В связи с недостатком времени и места авторам пришлось ограничить материал, имевшийся по каждому вопросу. Значительная часть материала, приведенного в данной книге, была опубликована ранее в различных изданиях.
Подготовка рукописи осуществлялась общими уси лиями доктора Д. Катца и всех соавторов.
Д. Корнелл подготовил главы по установившемуся и неустановившемуся движению газа, по разработке и эксплуатации газовых месторождений и по измерению расхода газа (главы VIII, X, XI).
Р. Кобаяши — главы по содержанию воды в газе, по очистке, осушке и переработке газа (гл. V, XIII, XIV, XVI), а также материал по вязкости и теплопроводности газа.
Ф. Г. Поеттманн подготовил главу по расчетам расхода и давлений (гл. VII) при движении газа по трубам с учетом сжимаемости газа и параграф по бурению скважин.
Ч. Ф. Уайнауг подготовил материал по расчету фазового состояния и по каротажу скважин.
Д. А. Вери и Д. Р. Еленбаас подготовили главы по транспорту и подземному хранению газа.
Остальные главы и окончательный вариант рукописи выполнены Д. JI. Катцем.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ
Предлагаемое вниманию читателя в переводе на русский язык «Руководство по добыче, транспорту и переработке газа», составленное группой видных специалистов США под общей редакцией проф. Д. Катца, является монографией, ценной особенно тем. что в ней из большого числа первоисточников собран воедино обширный материал, необходимый для решения инженерных задач в области добычи, транспорта и переработки природных и попутных газов.
Этот материал подобран таким образом, что книга является настольным справочным руководством для широкого круга инженерно-технических и научных работников газовой, нефтяной и химической промышленности, а также учебным пособием для студентов. Большая часть приведенного в книге материала публикуется в СССР впервые.
При составлении монографии авторы пользовались в основном американскими первоисточниками: журналами, книгами, докладами отдельных исследователей и отчетами различных комиссий, конференций.
По каждому из рассмотренных в руководстве вопросов имеется обширная отечественная литература. Решения многих задач, выполненные в нашей стране, отличаются не только оригинальностью, но и более глубокой теоретической проработкой, обоснованностью и точностью. Несмотря на это, материалы исследований советских специалистов составителями руководства не использованы. Учитывая это и нецелесообразность пополнения обширного перечня использованных авторами первоисточников не менее обширным перечнем отечественной литературы, при рассмотрении содержания монографии мы посчитали нужным сделать ссылки на основные, наиболее крупные или оригинальные отечественные работы, вышедшие главным образом из печати в последнее время.
При подготовке к настоящему изданию из перевода монографии на русский язык был исключен некоторый текстовой материал, не представляющий интереса для наших читателей. Так, например, в главе VII опущен раздел, посвященный истории трубопроводного транспорта газа в США, опущена глава XIX, посвященная охране недр в США и изложению правил защиты прав частной собственности и т. п.
Кроме текстового, в ряде глав опущена и часть графического материала, носяшего чисто рекламный или иллюстративный характер. Поэтому нумерация рисунков в ряде глав настоящего издания книги не соответствует таковой в оригинале (гл. Vll, VIII, IX, XIII, XVII).
Некоторые рисунки в оригинале монографии приведены таким образом, что без рассмотрения первоисточников они неясны. В подобных случаях в текстовую часть перевода включены необходимые пояснения, взятые из первоисточников.
В процессе перевода и подготовки его к изданию размерность всех числовых значений, встречающихся в тексте, на графиках и в таблицах, а также размерность всех расчетных формул была приведена к метрической системе единиц, наиболее распространенной в настоящее время в СССР при производстве технических расчетов.
Монография состоит из 19 глав, для каждой из которых приведен перечень использованных первоисточников.
Глава I книги представляет собой развернутое введение с кратким изложением тех вопросов, которые необходимы для лучшего понимания остальных глав.
В этой главе приведены основные сведения о геологии нефтяных и газовых месторождений и сделан краткий исторический обзор промышленности природных газов США.
При рассмотрении геологии нефтяных и газовых месторождений основное внимание уделено стратиграфии, исторической геологии, образованию ловушек для нефти и газа, происхождению и образованию залежей нефти и газа. Рассмотрены основные нефтегазоносные районы США и дана краткая характеристика ряда газовых месторождений. Приведены примеры особенностей эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений с рассмотрением в схематичном виде наземных сооружений и состава полученной продукции.
В заключение главы приведены данные о геотермических градиентах горных пород, распределении температуры по стволу в работающей и остановленной газовых скважинах, некоторые сведения о начальных пластовых давлениях в нефтяных и газовых залежах США.
Следует отметить, что температурному режиму продуктивных пластов и скважин в этой и последующих главах уделено весьма небольшое внимание. В то же время температурный режим газовых скважин, наземных сооружений и газопроводов имеет весьма важное значение для правильной эксплуатации в первую очередь газоконденсатных месторождений. Кроме того, термометрические исследования газовых скважин позволяют определять ряд дополнительных весьма важных параметров, например эффективную мощность пласта, распределение дебитов между горизонтами и др.
В главе 11 подробно рассмотрены свойства нефтяных и газовых коллекторов и методы их изучения в лабораторных условиях, т. е. те вопросы, которые обычно относятся к физике пласта. Вначале приводятся общие сведения о строении фиктивных грунтов, пористости горных пород и изложено несколько методов ее определения. При рассмотрении методов определения проницаемости большое внимание уделено описанию явления проскальзывания газа при низких давлениях (эффект Клинкер-берга). При рассмотрении отклонения фильтрации газа от закона Дарси авторы пользуются двучленной формулой и показывают зависимость коэффициента макрошероховатости от проницаемости и пористости. В книге приведено большое число графиков сжимаемости горных пород. Рассмотрены методы определения коэффициента электросопротивления пород и связанной воды в кернах. Большое внимание уделено рассмотрению капиллярного давления и распределению пор по размерам. Показано соотношение между коэффициентом электросопротивления породы, капиллярным давлением и проницаемостью.
Кратко рассмотрены понятия относительной проницаемости при фильтрации двухфазных смесей, приведены общие сведения о пластовых водах.
В этой главе отсутствует методика определения параметров для трещиноватых пород и не указано, что определение параметров пластов по кернам характеризует лишь точечные значения, которые с большой осторожностью можно распространять на весь пласт. Кроме того, не рассмотрена методика определения неоднородности пород. Авторы при рассмотрении фильтрации двухфазных смесей не приводят данных о возможности применения приводимых зависимостей к фильтрации газоконденсатных смесей, хотя этот вопрос имеет большое значение для практики.
Эти вопросы, а также материал, представленный в главе 11, детально рассмотрены в работах [3, 6, 15, 19, 23, 24].
В главе 111 рассматривается фазовое состояние природных газовых систем. Вначале изложены данные о поведении индивидуальных веществ, упругости их паров и правило фаз. Далее рассмотрено поведение смесей углеводородов при различных давлениях и температурах. При этом основное внимание уделено обратной (ретроградной) конденсации.
Описаны растворимость газов в жидкостях и поведение бинарных, тройных и многокомпонентных смесей, а также неидеальных систем. В заключение приведены сведения о константах равновесия (коэффициентах распределения).
Большие исследования фазовых равновесий смесей индивидуальных углеводородов выполнены в институте В НИИ ГАЗ [4, 12].
В главе IV подробно изложены свойства природных газов и легкокипящих углеводородных жидкостей. При рассмотрении молекулярной теории газов и жидкостей авторы подробно останавливаются на уравнениях состояния, скоростях движения молекул и диффузии газов, в том числе диффузии в пористых средах и жидкостях. Отклонение реальных газов от законов идеального состояния описывается с учетом теоремы соответственных состояний. При этом подробно рассмотрены сверхсжимаемости природных газов, влияние на них неуглеводородных компонентов и методика определения псевдокритических параметров по удельному весу газа.
Приведены данные, позволяющие определять псевдо-критические параметры фракций «Cs + высшне», «С7 + выс-шие» по значениям их молекулярного и удельного веса.
Рассмотрено влияние жидкой фазы и отрицательного кажущегося объема жидких компонентов в смеси, методы определения плотности и сжимаемости пластовой жидкости, поверхностное натяжение на границе раздела газ—жидкость и жидкость—жидкость. При описании термодинамических свойств приводятся данные
о теплоемкости, энтальпии индвидуальных углеводородов и их смеси, скрытой теплоте парообразования, теплоте сгорания и теплопроводности углеводородов и их смесей при высоких и низких давлениях. Рассмотрен предложенный Органиком метод определения истинных критических параметров углеводородных смесей. Рассмотрены методы определения вязкости, приведены данные о вязкости газов при высоких и низких давлениях, методика расчета вязкости газов по псевдокритическим параметрам и приводятся некоторые сведения о вязкости жидкостей.
В этой главе систематизирован большой материал по свойствам природных газов и углеводородных жидкостей, являющийся совместно с табл. П. 1 ценным справочным материалом.
В главе V рассмотрена система вода — углеводороды. Приведены основные фазовые соотношения этой системы и данные о возможной растворимости воды и природных газов. Рассмотрены методы определения влагосо-держания природных газов и влияние различных факторов на этот параметр. Приведены данные о взаимной растворимости воды и жидких углеводородов. Рассмотрены свойства газовых гидратов, условия их образования и методика определения этих условий с помощью констант равновесия. Кратко изложены методы Предотвращения образования гидратов.
Хотя изложенный в этой главе материал для читателя и представляет ценность, он все же имеет ряд существенных недостатков. Авторами недостаточно внимания уделено природе кристаллогидратов, главным образом образуемых жидкими углеводородами, а также не приведены данные по условиям образования и разложения гидратов гфи отрицательных температурах. Оба эти вопроса имеют большое значение в практике эксплуатации газоконденсатных месторождений. В приведенном материале имеются противоречивые данные об образовании гидрата «-бутана. Из рис. V. 37 следует, что «-бутан образует гидраты, в то время как Штакельберг показал невозможность такого образования (рис. V. 32).
Предположение о том, что газовые гидраты ведут себя как растворы газов в твердых кристаллических веществах, т. е. в этом отношении походят на твердые растворы, справедливо только в первом приближении. Поэтому расчет условий образования кристаллогидратов с помощью констант равновесия, особенно применительно к жирным попутным газам, сопряжен со значительными погрешностями. Более точными оказываются расчеты, выполненные по опубликованным в отечественной и зарубежной литературе эмпирическим формулам или графикам, построенным по данным экспериментов. Указанные пробелы до некоторой степени восполнены в работах [21, 33].
Ни в этой, ни в XVII главе не рассмотрены возможные места образования гидратов в скважинах и газопроводах и методы обнаружения этих мест.
Глава VI посвящена измерению и расчету фазовых соотношений в условиях равновесия многокомпонентных смесей. Авторами описаны основы существующих методов определения состава газовых и жидких смесей, в том числе с помощью низкотемпературной ректификации, масс-спектроскопии, инфракрасной спектроскопии, газовой хроматографии, методы определения содержания гелия и сероводорода. Кратко рассмотрены методы исследования систем пар — жидкость в условиях равновесия и применяемая для этого аппаратура. Более подробно изложены приемы расчета равновесия систем пар^ жидкость с помощью коэффициентов радпредеденря (констант равновесия) для сложных смесей при высоких и низких давлениях.
Изложены общие принципы корреляции констант равновесия с целью применения их для расчета многокомпонентных систем, находящихся при высоких давлениях, причем особое внимание уделено методу Органика— Брауна.
Материал главы содержит в себе большое количество графиков констант равновесия и графиков, необходимых для определения давления ¦ схождения, которые будут весьма полезны для читателя.
В последнем разделе главы в элементарной форме излагаются принципы использования электронных вычислительных машин для расчетов испарения многокомпонентных смесей.
Глава VII посвящена гидравлическим расчетам вертикальных, горизонтальных и наклонных трубопроводов. Показано, что в основе этих расчетов лежит уравнение энергетического баланса газопровода. Приведены методы расчета давления в скважине, позволяющие учитывать изменение с глубиной значений коэффициента сверхсжимаемости и температуры газа.
Рассмотрены основные положения современного представления об изменении коэффициента гидравлического сопротивления в зависимости от параметров потока и шероховатости стенок труб. Приведены расчетные формулы Веймаута, фирмы Панхендл, Форда с сотрудниками, метод, рекомендованный Клайдинстом, а также формула Фергюсона, с помощью которой можно учитывать профиль трассы газопровода. Приведены формулы, необходимые для расчета сложных газопроводов и аккумулирующей способности газопровода.
В отдельном параграфе рассматривается расчет движения газа от забоя до устья по стволу газовой сква жины. Дана краткая характеристика расчетных формул Смита, Поеттманна, Коллендера и Бинкли и применимость последних двух для расчетов движения двухфазных потоков в скважинах газоконденсатных месторождений.
Рассмотрен также метод Суккара и Корнелла, позволяющий учитывать изменение температуры и коэффициента сверхсжимаемости газа в движущемся по вертикальным трубам газовом потоке.
Отдельный параграф посвящен методам гидравлического расчета вертикальных и горизонтальных трубопроводов, транспортирующих газожидкостные смеси. Без каких-либо критических замечаний приведена методика расчета горизонтальных трубопроводов, предложенная Локхартом и Мартинелли. Детально описан метод Бертуцци, 'Гэка и Поеттманна расчета таких трубопроводов. Рассмотрена методика расчета вертикальных трубопроводов (фонтанных и компрессорных лифтов), предложенная Поеттманном и Карпентером. Приведена формула Ауда для расчета продуктопроводов. Применение каждой из расчетных методик иллюстрировано примерами.
Изложенный в главе VII материал по гидравлическим расчетам трубопроводов ценен, но недостаточен для правильного решения многих из встречающихся в практике задач этого типа.
Авторами не уделено должного внимания неизотермическому потоку газа в трубах. Несмотря на то, что в ряд уравнений входит значение средней температуры потока, для расчета этого параметра не приведено никаких рекомендаций. Не рассмотрены вопросы расчета газопроводов при неустановившемся режиме, влияния местных сопротивлений и взвесей на пропускную способность трубопроводов, оценки погрешностей расчетов и границ применимости формул.
При рассмотрении течения газа в газовых скважинах авторами не учитывается скопление жидкости на забое, в результате чего наблюдается отклонение действительных коэффициентов сопротивления от значений, полученных при движении сухого газа.
При этом, как было показано работами, проведенными во ВНИИГАЗ [29], коэффициенты сопротивления при движении газожидкостных смесей по вертикальным трубам в случае небольшого содержания жидкости в газе становятся меньше коэффициентов сопротивления, полученных при движении чистого газа без примесей.
Это же положение подтверждается и многочисленными промысловыми экспериментальными исследованиями, проведенными на газовых скважинах Советского Союза.
В Советском Союзе для расчета движения газожидкостных смесей по вертикальным трубам применяются формулы, основанные на теории эргазлифта. Расчет лифтов газоконденсатных скважин рассмотрен в [19].
Гидравлическим расчетам горизонтальных и наклонных газопроводов посвящены работы многих советских исследователей. Сводка основных из этих работ приведена в монографии [41], посвященной аналитическим основам проектирования и эксплуатации магистральных газопроводов. В КуйбышевНИИ НП выполнен анализ существующих отечественных и зарубежных методик расчета пропускной способности газопроводов, показавший, что ни одна из них не применима для широкого диапазона конструктивных и эксплуатационных особенностей газопроводов и рекомендован метод, восполняющий этот недостаток [10].
Для практики эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений вопросы совместного движения жидкости и газа по горизонтальным и наклонным трубопроводам имеют весьма большое значение.
Поэтому в СССР проведены и продолжаются широкие лабораторные и промышленные экспериментальные исследования гидравлики таких потоков.
Наряду с экспериментальными проведены и теоретические исследования, которые позволили полнее разработать теорию движения газожидкостных смесей.
Ряд работ посвящен разработке методов расчета движения газожидкостных смесей по трубопроводам. Анализ, приведенный в [11], показал, что к настоящему времени нет достаточно надежного метода расчета трубопроводов, транспортирующих газожидкостные смеси.
Наиболее приемлемой из предложенных к настоящему времени для расчета горизонтальных трубопроводов является методика Бертуцци, Тэка и Поеттманна. При расходном объемном газосодержании текущей смеси свыше 95% может использоваться методика Фланигена. Приведенная в руководстве методика Локхарта и Мартинелли для практических расчетов не применима.
В отдельном параграфе главы VII рассмотрены приемы расчета работы, потребной для сжатия реальных газовых смесей. Использование имеющихся в книге таблиц и диаграмм энтальпия—энтропия обеспечивает надлежащую точность таких расчетов.
В главе V111 изложены приемы измерения расхода газа. Основное внимание уделено измерению расхода по методу сужения, создаваемого диафрагмой. Приведены уравнения движения через сужение и основные формулы для вычисления расхода реального газа через диафрагму.
Для определения расчетных коэффициентов, входящих в состав этих формул, в приложении к руководству помещены таблицы, использование которых значительно упрощает вычисления. Кратко описаны правила монтажа расходомеров, более подробно рассмотрено влияние пульсации потока на точность измерения. Даны рекомендации по учету этого явления при замерах расхода газа и по обвязке компрессоров для снижения пульсации потока. Приведены данные о влиянии жидкой взвеси в потоке газа на результаты измерения.
В СССР измерение расхода по методу сужений производится в соответствии с правилами 27—54 [26]. Теория и практика измерений расходов различными методами подробно освещена в работе [16].
В последних параграфах главы VI11 по материалам 30-х годов рассмотрены методы измерения расхода газа с помощью диафрагменного измерителя критического течения и пневмометрической трубки (трубки Пито); номограммы, упрощающие расчеты при использовании этих методов, приведены в [15].
Глава IX посвящена вопросам бурения и исследования скважин. Приведенный материал показывает, что в США наряду с основным, роторным, до последнего времени применяется и ударно-канатный способ бурения.
Из трех новых способов бурения, находящихся в стадии испытаний в США, наиболее важным и перспективным авторы считают турбинный способ, широко применяемый в СССР. Авторы указывают, что различие в бурении, нефтяных и газовых скважин состоит лишь в методах вскрытия продуктивного пласта.
В параграфе, посвященном промывочным жидкостям, приведены предъявляемые к ним требования, данные об изменении параметров глинистого раствора при обработке карбоксиметилцеллюлозой, квебрахо, краткие сведения по очистке глинистых растворов с помощью гидроциклонов. Так же кратко описано бурение с продувкой забоя воздухом или газом, с применением аэрированных жидкостей, рассмотрены факторы, влияющие на скорость бурения.
Приведенный по всем этим вопросам материал является скорее вводным к курсу бурения скважин и не может быть использован в качестве руководства при производстве буровых работ. Он интересен тем, что характеризует состояние техники и технологии проводки скважин в США.
Все основные вопросы современного бурения скважин подробнее рассмотрены в книгах [22, 46, 47].
Имеющей большое практическое значение, но не освещенной в руководстве специфике проводки наклонных скважин турбинным способом посвящена работа [8].
Режимы бурения, обеспечивающие высокие показатели проводки скважин, детально рассмотрены в [40]. Промывочным жидкостям посвящена также довольно обширная отечественная литература. Одной из последних является работа [50].
В этой же главе дано представление о технике це-ментажа скважин и свойствах используемых при этом цементов. Освещение состояния этих работ в СССР дано в [38]. В этой же' главе изложены принципы кислотных обработок призабойных зон и гидроразрыва пласта без указания специфики этих работ для газовых скважин, общие положения освоения и испытания скважин, причем основное внимание уделено технике испытания скважин газоконденсатного месторождения. Последний вопрос подробнее освещен в [4, 12].
Вторая половина главы IX посвящена каротажу скважин. Рассмотрены принципы электрического и радиоактивного каротажа, вопросы интерпретации диаграмм кажущегося и удельного электрического сопротивления, потенциалов собственной и вызванной поляризации пород, данных боковых электрических зондирований, индукционного каротажа и комбинации двух последних методов. Кратко освещены вопросы микрокаротажа, в том числе бокового, гамма-каротажа и нейтронного гамма-каротажа. Приведенный материал иллюстрирует применение электрического и радиационного каротажа для корреляции разрезов скважин, определения насыщенности пород флюидами и пористых и проницаемых зон.
Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин более детально рассмотрена в [9].
Недостатком этого раздела главы IX является отсутствие материалов по термометрическим исследованиям скважин. Таковой материал изложен в [23, 28, 31, 44].
Глава X посвящена рассмотрению установившейся и неустановившейся фильтрации газа в пористой среде. Вначале рассмотрена установившаяся радиальная фильтрация газа по закону Дарси и с учетом отклонения от этого закона.
Неустановившаяся фильтрация газа описывается весьма подробно с таким расчетом, чтобы этот материал мог быть усвоен студентами и инженерами, впервые встречающимися с ним. После рассмотрения уравнения неразрывности и дифференциальных уравнений неуста-новившегося движения приводится переход к безразмерным параметрам. Даны общие представления о радиусе дренирования и изложены методы решения уравнений неустановившейся фильтрации.
При этом приводятся решения аналитическим путем с рядом допущений по методу последовательной схемы стационарных состояний, методом конечных разностей и графическим путем. Рассматриваются также решения дифференциальных уравнений на электронных вычислительных машинах и вычислительных устройствах, основанных на принципах аналогии. Последний раздел этой главы посвящен определению выравнявшегося пластового давления. Эта глава представляет несомненный интерес для быстрого усвоения материалов по неустановившейся фильтрации газа.
Из отечественных работ по этим вопросам можно указать на [1, 18, 20, 23, 25, 43].
В главе XI рассматриваются вопросы исследований скважин, разработки и эксплуатации газовых месторождений. Изложены принципы исследований скважин методом противодавления и вычисление индикаторных кривых по данным исследования кернов. Рассмотрены методика определения радиуса дренирования и влияние неустановившегося течения по показателю степени в степенной формуле. Приведены методы определения проницаемости по кривым падения давления после пуска и кривым нарастания давления после остановки скважины. Рассмотрены проницаемость призабойной зоны и определение градиента пластового развития при нестационарной фильтрации. Большое внимание уделено исследованию скважин на приток в течение равных интервалов времени (так называемые изохронные исследования).
Приводятся методика пересчета данных, полученных методом противодавления, в изохронные индикаторные кривые, поправки для индикаторной кривой стабилизированной скважины при изменении пластового давления и расчет индикаторных кривых по промысловым данным. При этом основное внимание авторы уделяют степенной формуле.
В этой же главе кратко рассмотрены вопросы определения запасов газа объемным методом и по падению давления. В заключение весьма кратко изложены некоторые вопросы коррозии и образования конусов обводнения без методики расчета последних.
В настоящее время в Советском Союзе практически всеми специалистами разделяется мнение о том, что физически наиболее правильно приток газа описывается двучленной формулой, в которой первый член характеризует вязкостные потери энергии, а второй инерционные. Фактор турбулентности в пористой среде, по-видимому, не имеет важного значения. При этом из экспериментальных исследований известно, что основная часть инерционных потерь относится непосредственно к забою скважины. В связи с этим можно считать, что неустановившийся характер притока газа оказывает влияние лишь на первый член двучленной формулы. Кроме того, в СССР было получено решение уравнения нестационарной фильтрации газа для случая двучленного закона сопротивления, которое показало, что практически в короткие промежутки времени, исчисляемые несколькими секундами, второй член двучленного уравнения становится постоянным и не зависящим от радиуса дренирования скважины. Такое положение значительно упрощает методику исследования скважин в отличие от случая, когда применяется степенная формула.
Кроме того, степенная формула не имеет физического смысла, является лишь практически приемлемой формой записи получаемой при исследовании зависимости между дебитом и забойным давлением.
Более того, при исследовании газовых скважин встречаются на практике осложнения, связанные с выносом жидкости и песка, выпадением конденсата, прорывом конуса воды и другими факторами, которые отражаются на индикаторных кривых и могут быть расшифрованы с помощью двучленной формулы, что практически нельзя сделать с помощью степенной формулы.
Исследование скважин в Советском Союзе проводится согласно составленной во ВНИИГАЗ инструкции [13], в которой подробно изложены метод исследования скважин при установившемся режиме фильтрации с применением двучленной формулы и методы обработки кривых стабилизации и нарастания давления для определения параметров пласта.
Авторы руководства не уделили должного внимания вопросам разработки газовых месторождений и расположению скважин на них. По этому вопросу в Советском Союзе по сравнению с США проведено значительно больше работ, и наш подход к решению этой задачи коренным образом отличается от американского [1, 3, 15, 23, 25, 27, 28, 29, 30, 31].
Более детально, чем в США, у нас также решены вопросы определения запасов газа по падению давления с применением для этой цели опытной эксплуатации и составлением проектов опытной эксплуатации [15, 31, 32].
Социалистическая система экономики СССР позволяет более правильно подходить к решению всего комплекса проблемы разработки месторождений и эксплуатации газовых скважин, рассматривая пласт—скважину—газопровод — потребитель газа как единое целое и исходя из топливно-энергетического баланса отдельных районов и страны в целом.
Глава XII посвящена некоторым вопросам разработки нефтяных и газоконденсатных месторождений. Приведя основы классификации месторождений, авторы приводят данные по растворимости газа в нефтях ряда месторождений США, усадке, вязкости, поверхностному натяжению на границе с твердой фазой газонасыщенных нефтей, кажущейся плотности растворенных газов, объемным коэффициентам нефтей. Изложены основы механизма извлечения нефтей из пластов, работающих при водонапорном и гравитационном режимах, режиме растворенного газа, а также при нагнетании в пласт воды и газа.
Приведены фазовые диаграммы пластовых флюидов ряда газоконденсатных месторождений США, принципы расчета состава пластового газа при снижении пластового давления. Описаны данные моделирования процесса нагнетания сухого газа в пласт при разработке газоконденсатных месторождений (сайклинг-процесс) и схемы осуществления этого процесса.
Приведенный материал ценен, но недостаточен для характеристики проблемы разработки нефтяных и газоконденсатных месторождений в целом. В Советском Союзе разработка нефтяных и газовых месторождений осуществляется на основе комплексного проектирования, учитывающего данные промысловой геологии, гидродинамики, термодинамики, промыслового дела и экономики [1, 3, 15, 17, 23, 30]. Дальнейшее развитие получили теория водонапорного и упорного режимов работы нефтяных пластов [49], теория режима растворенного газа, новые методы увеличения нефтеотдачи.
В связи с открытием в СССР ряда крупных газоконденсатных месторождений разрабатываются и получают широкое распространение как методы исследования газоконденсатных скважин и их продукции [12], так и научные основы разработки таких месторождений [1, 19].
Глава XI11 посвящена описанию процессов промысловой сепарации продукции главным образом скважин газоконденсатных месторождений и процесса абсорбционного извлечения из газа тяжелых компонентов. Рассмотрены принципиальные схемы обработки газа на промысле, причем основное внимание уделено описанию процессов низкотемпературной сепарации. Большая часть главы посвящена процессу абсорбции.
Читателю будут полезны приведенные в книге уравнения, позволяющие рассчитывать процесс абсорбции при наличии в тощем сорбенте компонентов, извлекаемых из газа. Рассмотрены расчетные методы Кремсера-Брау-на, Льюиса-Шервуда, Хортона-Франклина, Эдмайстера и Герберта. Применение каждого из методов иллюстрировано примерами. Приведенный в главе Х111 материал может быть использован для расчетов процессов не только масляной абсорбции, но и абсорбции легкими сорбентами, позволяющими увеличить выход целевых продуктов, процессов частичной стабилизации нефтей продувкой их сухим газом.
В главе XIV описывается процесс фракционировки углеводородов. Приведенные методы расчета состава и расхода потоков основаны на концепции теоретической тарелки. Изложен материал, характеризующий процесс расчета фракционировки бинарных систем графическим методом, при котором энергетические характеристики потоков в явном виде не используются, и методами, основанными на использовании фазовых и энергетических параметров потоков. Описаны принципы графического представления перегонки тройных систем и методы расчета фракционировки многокомпонентных смесей. Большое внимание уделено определению к. п. д. тарелок методами, основанными на учете физических свойств обрабатываемых продуктов, и методами, учитывающими, кроме того, динамику потоков на тарелке. Подробно рассмотрены приемы расчета размеров колонн, колпачковых тарелок и их размещения в колонне. Представленный материал насыщен графиками и подобран таким образом, что дает правильное представление о механизме рассматриваемых явлений иногда даже в ущерб удобству практического применения. При чтении главы XIV полезно обратиться к работам [2, 34].
Глава XV посвящена процессам низкотемпературной переработки газов. Дана фазовая характеристика систем метан—азот, метан—углекислота, метан—этан—пропан и многокомпонентных систем при низких температурах. Рассмотрены схемы и режим работы установок низкотемпературной деэтанизации, депропанизации и дебута-низации природного газа, получения жидких газов производства гелия и жидкого метана. Весьма кратко освещены вопросы хранения и транспорта сжиженных газов. Современному состоянию этих вопросов в СССР посвящены работы [7, 14, 34].
В главе XVI приведен материал, необходимый для проектирования и контроля работы установок по осушке газа и очистке его от сероводорода. Из методов осушкн наиболее подробно освещено извлечение влаги из газа водными растворами ди- и триэтиленгликоля, поскольку эти процессы получили широкое распространение в промышленности.
Описаны также основы процессов извлечения влаги из газа твердыми и жидкими сорбентами.
При рассмотрении вопросов очистки природных газов от кислых компонентов основное внимание уделено применению для этой цели водных растворов аминов.
Кратко рассмотрены коррозия оборудования газоочистных установок и методы получения элементарной серы. Материал этой главы изобилует графиками, характеризующими свойства применяемых для обработки газа абсорбентов.
Недостатком этой главы является то, что она не содержит сведений о новых процессах подготовки газа к транспорту и утилизации, которые успешно разрабатываются, как за рубежом, так и в нашей стране.
Глава XVII посвящена дальнему транспорту газа. В ней подробно рассматриваются действующие в США правила проектирования и сооружения магистральных газопроводов, их конструктивные элементы.
Представлены также основные положения методов защиты трубопроводов от коррозии, в том числе катодной защиты. Значительный раздел главы посвящен компрессорным станциям. В нем описаны принципы расчета коллекторов, соображения по подбору компрессоров и систем охлаждения.
Приведено описание газораспределительных станций, устанавливаемых на них регуляторов, одоризационных установок и городских газораспределительных сетей. Несмотря на то, что в СССР накоплен громадный опыт сооружения дальних и сверхдальних магистральных трубопроводов и правила их проектирования и сооружения отличаются от американских [35, 36, 37], материал главы XVII для читателя будет представлять интерес.
Глава XVIII посвящена подземному хранению природного газа. Подробно рассмотрены вопросы изменения газопотребления бытовыми и промышленными объектами в зависимости от сезонных условий и других факторов на примерах различных районов США, а также прогнозирования изменений в газопотреблении и определения режима работы хранилища. Основное внимание уделено описанию принципов создания хранилищ газа в частично выработанных газоносных и нефтеносных пластах.
Приведены геолого-технические требования, предъявляемые к таким хранилищам, требования, предъявляемые к оборудованию скважин, составу наземных сооружений.
Дана характеристика методов контроля и регулирования работы подземного хранилища. Кратко описаны принципы хранения газа в водоносных структурах, экономика подземного хранения газа и сравнение экономических показателей газохранилищ различных типов.
Поскольку представленный в этой главе материал отражает пути решения принципиальных вопросов при создании подземных хранилищ газа, он будет интересен читателю. В то же время в этой главе не приведен материал по гидро- или газодинамическим основам создания хранилищ газа как в истощенных нефтяных, так и водоносных структурах. В этом направлении большие работы проведены во ВНИИгазе [5]. Не освещены также возможности хранения очищенного газа в залежах, зараженных сероводородом, хотя эта проблема имеет большое практическое значение.
В подготовке настоящего издания принимал участие большой коллектив специалистов. Канд. техн. наук А. Г. Ковалевым выполнен перевод на русский язык глав III, XI и XII, канд. техн. наук А. А. Кочешковым глав II, IV и X (редакторы: проф. А. С. Великовский и канд техн. наук Ю. П. Коротаев), Б. М. Болотиным — глав VI, VII, VIII, XIII, XIV, XV, XVI и XVII (редакторы: канд. техн. наук Г. В. Пономарев,
проф. А. С. Великовский, Г. И. Гореченков и Ю. И. Максимов), И. А. Мальковым — первой части главы IX и главы XVIII (редакторы: канд. техн. наук
Г. В. Пономарев, Е. В. Левыкин, Г. И. Солдаткин), К. И. Громовой — предисловия авторов, главы Г и приложений (редактор — канд. техн. наук Ю. П. Коротаев), канд. техн. наук Ю. Ф. Макогоном — главы V (редактор — канд. техн. наук Ю. П. Коротаев) и канд. геол.-минер. наук И. К. Купаловым-Ярополк — второй части главы IX (редактор О. Г. Баркалая).
В пересчете графиков и расчетных примеров в метрическую систему единиц принимали участие К. И. Громова, М. А. Зыкин, И. С. Ли и Г. А. Зотов. Общее редактирование и окончательная подготовка перевода к печати выполнены кандидатами технических наук Ю. П. Кооотаевым и Г. В. Пономаревым.
Ю. Коротаев Г. Пономарев
Основные сведения о промышленности природного газа »
Библиотека »
