: تحليل تأثير قطر منخل البئر على إنتاجية بئر الغاز الأفقي

العلاقة الهيدروديناميكية والاقتصادية: تحليل تأثير قطر منخل البئر على إنتاجية بئر الغاز الأفقي

إن استغلال الغاز الطبيعي من الخزانات التي تتطلب التحكم في الرمال - والتي عادة ما تكون تكوينات غير مجمعة أو ضعيفة الأسمنت - يستلزم نشر أجهزة ترشيح متخصصة, الأكثر شيوعا عالية الأداء إسفين الأسلاك (Vee-Wire) الشاشة. بينما نجحت الشاشة في التخفيف من المخاطر الكارثية لانهيار التكوين وتلف المعدات, البعد المادي لها, على وجه التحديد لها القطر الداخلي ($د_ي$), يقدم قيدًا معقدًا متعدد الفيزياء على الإنتاجية النهائية للبئر. إن تحديد قطر الشاشة الأمثل في بئر غاز أفقي طويل ليس مجرد تمرين هندسي; إنها مشكلة تحسين اقتصادية وهيدروديناميكية معقدة تتطلب اقترانًا صارمًا لتدفق المكمن ثلاثي الأبعاد مع التدفق الخارجي ثنائي الطور عالي الاحتكاك داخل حفرة البئر. النماذج التبسيطية التقليدية, والتي تفترض ضغطًا موحدًا على طول مقاومة التدفق الجانبي أو التي لا تذكر, تفشل بشكل كارثي في ​​بيئات الغاز ذات المعدل العالي حيث تؤدي الانضغاطية المتأصلة وسرعة السائل إلى تفاقم تبديد الطاقة الاحتكاكية.

ويكمن المسار التحليلي لحل هذا التحدي في نشر التحليل العقدي (الذي - التي), نهج قوي لهندسة الأنظمة يسمح بالنمذجة المتزامنة لقابلية تسليم الخزان (علاقة أداء التدفق, حقوق الملكية الفكرية) وكفاءة النقل في حفرة البئر (علاقة أداء التدفق الخارجي, OPR). من خلال تكييف إطار NA ليأخذ في الاعتبار خصائص تدرج الضغط الفريدة لبئر الغاز الأفقي الطويل المكتمل ببطانة مشقوقة أو مغطاة, يمكن للمهندسين حساب الإنتاجية المتوقعة للبئر بدقة لأقطار أنابيب الغربلة المختلفة. أخيرًا, يتم تجميع هذا الحساب الهيدروليكي التفصيلي مع النفقات الرأسمالية (النفقات الرأسمالية) البيانات - وتحديدًا تكلفة الشاشة نفسها - وعائدات الغاز المتوقعة لتحديد الوضع المالي قطر الشاشة الأمثل الذي يزيد من صافي القيمة الحالية مدى الحياة (NPV) من الأصول. توفر هذه المنهجية المتكاملة بأكملها قوة, نهج تم التحقق من صحته ميدانيًا للتخفيف من حالات عدم اليقين المتأصلة في عمليات إكمال الآبار الأفقية المعقدة.

1. لغز بئر الغاز الأفقي: السرعة وتقييد الحجم

الآبار الأفقية هي الدعامة الأساسية لإنتاج الغاز الحديث, تعريض فترات طويلة من الخزان إلى حفرة البئر وبالتالي زيادة تدفق الغاز إلى الحد الأقصى. ومع ذلك, إن متطلبات التحكم في الرمال في تكوينات الغاز الضعيفة تجبر على تركيب شاشة, عادة ما تكون مغلفة بحزمة من الحصى الحلقي. الشاشة, بينما كان ذلك ضروريا, يقلل بشكل فعال قطر قناة التدفق الأولية مقارنة بإكمال الفتحة المفتوحة, إجبار الغاز عالي السرعة على السفر عبر حلقة أصغر. في إنتاج الغاز, يؤدي هذا التخفيض في الحجم مباشرة إلى التحدي التحليلي الأساسي: العلاقة بين سرعة السوائل العالية و انخفاض الضغط الاحتكاكي.

فيزياء فقدان الاحتكاك في تدفق الغاز

على عكس تدفق السائل, حيث تظل كثافة السوائل ولزوجتها ثابتة نسبيًا, تدفق الغاز حساس للغاية لتغيرات الضغط والسرعة. معدل التدفق الحجمي ($q_v$) يزداد الغاز بشكل كبير مع انخفاض الضغط. نظرًا لأن التدفق يكون في الغالب أحادي الاتجاه على طول المقطع الأفقي الطويل, يتراكم معدل التدفق الإجمالي تدريجياً نحو الكعب (النهاية الأقرب إلى القسم العمودي). بالتالي, سرعة السوائل ($v$) هو الأعلى في الكعب, حيث يكون الضغط في أدنى مستوياته, خلق كبيرة والمهيمنة في كثير من الأحيان تدرج الضغط الاحتكاكي ($\دلتا P_f / \دلتا إل $).

ويعني فقدان الاحتكاك هذا أن الضغط داخل الشاشة ينخفض ​​بشكل كبير من إصبع القدم (النهاية البعيدة) إلى الكعب. فرق الضغط هذا هو الآلية الأساسية التي تملي مساهمة التدفق غير المنتظم على طول الجانب: يواجه الكعب أعلى انخفاض في ضغط البئر وبالتالي أدنى انخفاض في الخزان, المساهمة في تدفق أقل من إصبع القدم. هذه الظاهرة, المعروف باسم “تأثير من الكعب إلى أخمص القدمين,” هو المحرك الأساسي وراء الأداء دون الأمثل لآبار الغاز الأفقية الطويلة.

القطر الداخلي للشاشة ($د_ي$) هو المتغير الرئيسي الذي يتحكم في هذا التأثير: أصغر $د_ي$ يؤدي إلى ارتفاع سرعة الغاز ($v propto 1/D_i^2$) و, حاسمة, فقدان الضغط الاحتكاكي ($\دلتا P_f بشكل صحيح v^2$), خلق تدرج أكثر حدة في انخفاض الضغط وبالتالي تأثير أكثر شدة من الكعب إلى أخمص القدمين, مما يحد بشكل كبير من إجمالي إنتاجية البئر. التحدي الهندسي هو, وبالتالي, لنمذجة اقتران التدفق المعقد بدقة.

2. نمذجة علاقة أداء التدفق الداخل (حقوق الملكية الفكرية) في 3D

المرحلة الأولى من التحليل العقدي هي التمثيل الدقيق لقدرة المكمن على إيصال الغاز إلى حفرة البئر - IPR. لبئر أفقي طويل, وهذا أكثر تعقيدًا بكثير من نموذج التدفق الشعاعي البسيط المستخدم في الآبار العمودية. تتضمن هندسة التدفق تراكبًا ثلاثي الأبعاد لأنظمة التدفق.

3د هندسة التدفق وتأثيرات غير دارسي

بالقرب من حفرة البئر الأفقية, التدفق هو في الغالب شعاعي, تتقارب نحو الشاشة. على مسافات أكبر من البئر, التدفق على نحو متزايد خطي أو بيضاوي الشكل, تتقارب نحو المستوى الأفقي. النماذج التحليلية, مثل تلك المشتقة بواسطة جوشي أو طرق العناصر الحدودية المتخصصة, يجب دمج هذه المكونات لتحديد الضغط المطلوب لتوصيل معدل تدفق معين من الخزان إلى القسم الأفقي. إن الافتراض القياسي للضغط الموحد على طول الجانب هو افتراض خاطئ بطبيعته لأنه يفشل في حساب خسائر الاحتكاك الموصوفة أعلاه. بدلاً من, يجب أن يتم حساب حقوق الملكية الفكرية بشكل جزئي على طول الطول ($لام $) من البئر.

حاسمة, يخضع تدفق الغاز في الخزانات ذات المعدل العالي إلى تأثيرات التدفق غير دارسي- مكون فقدان الضغط الناتج عن الاضطراب وقوى القصور الذاتي العالية بالقرب من حفرة البئر. نموذج دارسي التقليدي (العلاقة الخطية بين المعدل وانخفاض الضغط) غير كاف. يتم وصف انخفاض الضغط الحقيقي بواسطة معادلة فورشهايمر, والذي يتضمن مصطلح مربع السرعة:

أين $$ يمثل اللزوجة (دارسي) مصطلح و $ب س^2$ يمثل القصور الذاتي (غير دارسي) شرط, أين $ب$ هو معامل غير دارسي ($\بيتا$). في آبار الغاز, يتم تضخيم هذا التأثير غير الدارسي بشكل متكرر بواسطة جهاز الإكمال نفسه. تدفق الغاز من التكوين, من خلال الفتحات المقيدة للغاية لحزمة الحصى وفتحات الشاشة الإسفينية, يخلق اضطرابًا موضعيًا مكثفًا وفقدانًا للزخم, زيادة كبيرة في انخفاض الضغط على الوجه الرملي ($\دلتا P_{جلد}$). هذا انخفاض كبير في الضغط يؤثر بشكل مباشر على حساب IPR ويجب دمجه في عامل الجلد الكلي.

إجمالي القدرة على تسليم الخزان ($س_{خزان}$) هو مجموع معدلات التدفق من جميع الأجزاء المنفصلة على طول الطول الأفقي, مع مساهمة كل قطاع تعتمد على السحب المحلي, والذي يتم تحديده من خلال الضغط داخل الشاشة في موقع الجزء المحدد.

3. تحليل أداء التدفق الخارجي (OPR) والخسائر الاحتكاكية

علاقة أداء التدفق الخارجي (OPR) يقيس الضغط المطلوب لنقل حجم الغاز المتراكم من إصبع القدم إلى الكعب وحتى الأنابيب إلى السطح. لغرض تحسين قطر الشاشة, العنصر الأكثر أهمية في OPR هو تدرج الضغط داخل الشاشة الأفقية ($ف_{الشاشة}$). تغير الضغط ($\دلتا ف $) على طول أي جزء من الشاشة الأفقية الطول $\دلتا إل $ هو مجموع ثلاثة متميزة, المكونات غير الخطية:

المصطلح المهيمن: فقدان الضغط الاحتكاكي ($\دلتا P_{احتكاك}$)

انخفاض الضغط الاحتكاكي ($\دلتا P_{احتكاك}$) هو المصطلح الأكبر, يتناسب طرديا مع طول المقطع, مربع سرعة الكتلة, و عامل احتكاك التأجيج ($f_f$):

وهنا يكمن الارتباط المادي المباشر بقطر الشاشة ($د_ي$). منذ السرعة ($v$) يتناسب عكسيا مع مربع القطر الداخلي ($د_ي^2$), انخفاض متواضع في $د_ي$ يمكن أن يؤدي إلى جذرية, زيادة غير خطية في فقدان الضغط الاحتكاكي.

بالإضافة إلى, عامل الاحتكاك ($f_f$) في حد ذاته ليس ثابتا. إنه متأثر خشونة داخلية ($\إبسيلون$) من مسار التدفق. السطح الداخلي لأنبوب الفولاذ الكربوني القياسي أملس نسبيًا. ومع ذلك, تعتبر شاشة Wedge-Wire أكثر خشونة بطبيعتها بسبب وجود قضبان الدعم الداخلية, حواف لفات Vee-Wire, والفجوات الصغيرة بين الأسلاك والأنبوب الأساسي. ولذلك يجب تعديل عامل الاحتكاك - باستخدام الارتباطات المعممة المستمدة من مخطط Moody للقنوات الخشنة - لتمثيل إجهاد قص الجدار المعزز بدقة داخل القسم الذي تم فحصه. ويضمن هذا التعديل أن يعكس انخفاض الضغط النموذجي القيود المادية الفعلية لأجهزة التحكم في الرمال.

شروط المساهمة الأخرى: خسائر التسارع والاقتران

1. تسريع فقدان الضغط ($\دلتا P_{تسريع}$): في تدفق الغاز, مع انخفاض الضغط على طول, كثافة الغاز ($\رو $) يتناقص أيضا. من أجل الاستمرارية الجماعية, يجب أن تزيد السرعة (تسريع). يتطلب هذا التسارع طاقة ويؤدي إلى انخفاض الضغط, المساهمة في مصطلح الخسارة الثانوية, وهو أمر مهم بشكل خاص في قسم الكعب حيث يحدث أكبر انخفاض في الضغط.

2. فقدان ضغط اقتران التدفق ($\دلتا P_{اقتران}$): كما يدخل السائل الشاشة من الخزان, ينتقل من التدفق الشعاعي إلى التدفق المحوري, مما يؤدي إلى تغير مفاجئ في الزخم والاتجاه. يتسبب اضطراب الدخول هذا في فقدان ضغط الزخم المرتبط ($\دلتا P_{أ}$), غالبًا ما يتم تصميمها باستخدام معامل تجريبي يأخذ في الاعتبار الشكل الهندسي والمساحة المفتوحة لفتحات الشاشة. بينما المترجمة, هذه الخسارة أمر بالغ الأهمية لأنها تملي كفاءة التدفق الفعال في واجهة الخزان.

يجب تصميم إطار التحليل العقدي لحساب هذه المصطلحات الثلاثة بشكل متكرر لكل شريحة صغيرة ($\دلتا إل $) على طول الأفقي, بدءًا من الضغط المعروف عند إصبع القدم وتراكم خسائر الضغط حتى الكعب, وبالتالي توليد الحقيقة, غير خطية ملف تعريف ضغط البئر.

4. التحليل العقدي المتكامل والتحسين الاقتصادي

تكمن قوة التحليل العقدي في قدرته على إيجاد نقطة التشغيل الوحيدة التي تلبي سعة المكمن (حقوق الملكية الفكرية) وقدرة حفرة البئر (OPR) معًا. لبئر الغاز الأفقي, يتم تحقيق هذا التوليف بشكل جزئي.

اقتران القطعي التكراري

يحل النموذج المقترن معدل تدفق التوازن في كل قطعة ($\دلتا إل $) عن طريق التكرار حتى يساوي معدل التدفق المحسوب في مقطع الغربلة من الخزان معدل التدفق المحوري الذي تنقله حفرة البئر بعيدًا.

1. ابدأ عند إصبع القدم: افترض الضغط ($ف_{اصبع القدم}$) في أقصى نهاية الشاشة.

2. حساب حقوق الملكية الفكرية للقطاع 1: تحديد معدل التدفق ($س_1$) ساهم بها الخزان في الجزء 1, على أساس المفترض $ف_{اصبع القدم}$ وضغط الخزان.

3. احسب $\دلتا ف $ للجزء 1: يستخدم $س_1$ لحساب انخفاض الضغط الكلي ($\دلتا P_{المجموع}$) عبر طول الشاشة $\دلتا إل $ بسبب الاحتكاك, تسريع, واقتران.

4. تحديد الضغط للقطاع 2: $ف_{المقطع_2} = ف_{اصبع القدم} + \دلتا P_{المجموع}$.

5. أعاد: كرر العملية, باستخدام الضغط المحسوب حديثًا كنقطة بداية للجزء التالي, تراكم التدفق وفقدان الضغط حتى الوصول إلى الكعب.

هذه العملية التكرارية تنتج معدل الإنتاج الإجمالي الحقيقي ($س_{المجموع}$) و ضغط الكعب الفعلي ($ف_{كعب}$) لقطر شاشة معين ($د_س$). الناتج النهائي عبارة عن منحنى إنتاج دقيق للغاية يعكس بشكل مباشر القيود الهيدروليكية التي يفرضها المختار $د_س$.

التوليف الاقتصادي: تعظيم صافي القيمة الحالية (NPV)

بمجرد أن يتنبأ النموذج الهيدروليكي بشكل موثوق بمعدل الإنتاج التراكمي ($س_{المجموع}$) لمجموعة من أقطار الشاشة قابلة للحياة (على سبيل المثال, $4.5 \نص{ بوصة}$ إلى $6.5 \نص{ بوصة}$), ينتقل التحليل إلى المجال التجاري، حيث يكون الهدف النهائي هو اختيار القطر الذي يزيد الربحية إلى الحد الأقصى.

المتغيرات الرئيسية في التحليل الاقتصادي هي:

1. تدفق الإيرادات (فوائد): العمر التراكمي لإنتاج الغاز المرتبط بكل منها $د_س$ (مشتق من $س_{المجموع}$) مضروبة في سعر الغاز المتوقع, مخفضة مرة أخرى إلى يومنا هذا (القيمة الحالية للإيرادات). أكبر $د_س$ عموما ينتج أعلى $س_{المجموع}$ وبالتالي ارتفاع الإيرادات الكهروضوئية.

2. النفقات الرأسمالية (التكاليف): تكلفة مادة الشاشة نفسها, تكلفة المواد حزمة الحصى (الذي يتغير مع حجم الحلقة), وتكاليف التثبيت. أكبر $د_س$ يتطلب مواد أكثر تكلفة لكل وحدة طول, زيادة النفقات الرأسمالية.

قطر الشاشة الأمثل ($د_{اختيار}$) هو الذي يعظم صافي القيمة الحالية (NPV):

ويسلط التحليل الضوء على المفاضلة الهندسية والاقتصادية الأساسية: إنفاق المزيد على شاشة أكبر ($د_س$) يزيد من التكاليف الأولية ولكنه يعزز إيرادات الإنتاج على المدى الطويل من خلال تخفيف الخسائر الاحتكاكية. الحل الأمثل هو نقطة التوازن الدقيقة حيث يتم تعويض التكلفة الحدية لزيادة حجم الشاشة بدقة من خلال الزيادة الهامشية في تدفق الإيرادات المخصومة.

5. التحقق من الصحة والاختيار الاستراتيجي للإكمالات الأفقية

منهجية التحليل العقدي المشتقة, الذي يجمع بين تدفق الخزان ثلاثي الأبعاد ومقاومة تدفق البئر غير الخطية, يقدم إطارًا قويًا لاتخاذ قرارات الإكمال الحاسمة. يتم التحقق من صحة هذا النموذج المعقد من خلال مقارنة IPR المتوقع لتكوين حقل معين مقابل اختبارات التدفق المقاسة من الآبار المكتملة بأقطار الشاشة المعروفة. إن ملاحظة أن تنبؤات النموذج تتوافق بشكل وثيق مع نتائج التطبيق الميداني الفعلي توفر الثقة اللازمة في استخدامه كأداة تصميم أساسية.

الدور الاستراتيجي لشاشة الإسفين السلكية

لا تقتصر عملية الاختيار على القطر الداخلي فقط; يتعلق الأمر بجدوى الأجهزة النهائية. استخدام شاشة إسفين الأسلاك تعتبر ذات أهمية استراتيجية لأن متانتها الهيكلية تسمح بجدار أرق مطلوب لزيادة قطر التدفق الداخلي إلى الحد الأقصى ($د_ي$) ضمن حجم غلاف معين. بالإضافة إلى, تقلل مساحتها المفتوحة العالية من فقدان احتكاك الاقتران ($\دلتا P_{أ}$), تعظيم قدرة الخزان على التدفق إلى حفرة البئر. مواصفات المواد (على سبيل المثال, أنابيب API 5CT وأسلاك سبائك عالية القوة) يجب التأكد من الخواص الميكانيكية للمختار $د_س$ كافية لتحمل ضغط الانهيار أثناء تعبئة الحصى وحمل الشد أثناء التثبيت.

التحديد النهائي لقطر الشاشة الأمثل ($د_{اختيار}$) وبالتالي هو قمة الصرامة, تحليل متكامل يربط بين الفيزياء الدقيقة لتدفق الغاز المضطرب والاقتصاد الكلي لتطوير الأصول الهيدروكربونية, التأكد من أن التصميم المكتمل يحقق أقصى قدر من الإنتاجية دون المساس بالمتطلبات الأساسية لسلامة التحكم في الرمال على المدى الطويل. حجم الشاشة الناتج هو الحل الهندسي الذي يحقق أعلى ربحية على مدى عمر بئر الغاز الأفقي.