Műszaki Földtudományi Közlemények, 85. kötet, 1. szám (215), pp. 238 246. ALTERNATÍV MEGOLDÁSOK ALACSONY NYOMÁSÚ GÁZKUTAK FOLYADÉK FELHALMOZÓDÁS OKOZTA PROBLÉMÁINAK MEGSZÜNTETÉSÉRE TURZÓ ZOLTÁN Miskolci Egyetem, Kőolaj és Földgáz Intézet Miskolc-Egyetemváros, 3515 turzoz@kfgi.uni-miskolc.hu Absztrakt. Hazai és nemzetközi viszonylatban is egyre nő az alacsony nyomású folyadék felhalmozódási problémák miatt leállított vagy szakaszosan termelő gázkút. A folyadék felhalmozódás történhet a kút talpán (hagyományos eset) és a termelőcső felső szakaszán is (nem hagyományos eset). A szakirodalomban mindkét esettel foglalkozó cikkek és könyvek is jelentek már meg. A cikk mindkét esetre mutat egy-egy alternatív módszert a folyadék felhalmozódás káros hatásának csökkentésére, illetve kiküszöbölésére. Kulcsszavak: folyadék felhalmozódás, alacsony nyomású gázkút 1. BEVEZETÉS Sajnos, a hazai földgázmezők életkorának növekedése miatt egyre fokozottabban jelentkeznek az öregedő gázmezőkre jellemző problémák: csökkenő rétegnyomás, növekvő folyadéktermelés, csökkenő gázhozamok. A csökkenő rétegnyomás hatására, ugyanakkora áramlási talpnyomás esetén, csökken a kútba lépő gáz mennyisége. A csökkenő termelés sajnos önmagában is probléma lehet (kisebb bevételek), de ez a probléma többnyire egy másik problémát is generál, a talpi folyadék felhalmozódást. Általában a gázkutak nem ún. szárazgázt termelnek, hanem a gáztermelés szinte miden esetben valamennyi folyadéktermeléssel párosul. A termelt folyadék víz és/vagy szénhidrogén kondenzátum. A termelés kezdetén, amikor a rétegnyomás nagy, a kútba még kis talpi depresszió esetén is nagy mennyiségű gáz áramlik. A nagy menynyiségű gáz áramlási sebessége is nagy, így mozgásenergiája elegendő ahhoz, hogy a rétegből a kútba lépő folyadékot a felszínre emelje. A rétegnyomás-csökkenés hatására a kút gázhozama fokozatosan csökken, így az áramló gáz sebessége és mozgásenergiája is csökken. Ha a gáz mozgásenergiája már nem elegendő a folyadék felszínre emeléséhez, a rétegből a kútba lépő folyadék fokozatosan felhalmozódik a talpon. A talpon felhalmozódó folyadék hidrosztatikus nyomása a talpra hatva növeli az áramlási talpnyomást. Növekvő áramlási talpnyomás hatására a rétegből a kútba még kevesebb gáz lép be, ami tovább növeli a felhalmozódó folyadék mennyiségét, mivel még kevesebb folyadék felszínre szállítására képes. Ez a folyamat egy öngerjesztő folyamat, ami egyre gyorsul, és előbbutóbb a kút teljes leállását is okozhatja. Mivel a rétegnyomás szinte minden esetben csökken a termelés során, és a tároló kőzetekben is található folyadék (tapadó víz vagy kondenzátum), nem az a kérdés,
26/2 26/5 26/8 26/11 27/2 27/5 27/8 27/11 28/2 28/5 28/8 28/11 29/2 29/5 29/8 29/11 21/2 21/5 21/8 21/11 Q gáz [m 3 /óra], P r [x1 4 Pa] Q l [m 3 /óra] Alternatív megoldások alacsony nyomású gázkutak folyadék felhalmozódás okozta 239 hogy a kút életében előfordulhat-e folyadék felhalmozódás, hanem az, hogy mikor fog ez bekövetkezni. A fentebb vázolt eset, vagyis amikor a folyadék a kút alján gyűlik össze, az ún. klasszikus esete a folyadék felhalmozódásnak. A folyadék felhalmozódás azonban nem csak a kút talpán, hanem a felsőbb termelőcső szakaszokon is előfordulhat. A felhalmozódás hatása talpi felhalmozódáshoz hasonlóan fokozatosan elfojtja a kutat, csak ciklikus termelést tesz lehetővé, vagy teljesen megöli a kutat. A legnagyobb problémát ezekben az esetekben főleg a felhalmozódás felismerése jelenti, hisz a folyadékot általában a klasszikus esetnek megfelelően a talpon szokták keresni. A cikk további részében bemutatom a klasszikus talpi és a felső szakaszon előforduló felhalmozódás észlelési módjait, és a felhalmozódás hatásait szinte teljesen kiküszöbölő alternatív megoldásokat vázolok fel. 2. KLASSZIKUS FOLYADÉK FELHALMOZÓDÁS A talpi folyadék felhalmozódás felismeréséhez a gázkút termelési adatait folyamatosan nyomon kell követni, lehetőleg olyan időponttól kezdődően, amikor még biztosan nincs felhalmozódás a kútban. Annak megállapítására, hogy lehet-e folyadék felhalmozódás, jó közelítést adhat a szakirodalomban megfelelően publikált kritikus folyadék kiszállítási sebesség meghatározása[1, 2, 3, 4]. Ha a kútban áramló gáz sebessége jóval nagyobb, mint a kritikus folyadék kiszállítási sebesség, akkor a kútban valószínűleg még nincs felhalmozódás. Teljesen biztosak azonban megfelelő mérések elvégzésével lehetünk csak. Az 1. ábrán egy alacsony nyomású gázkút termelési adatainak változását ábrázoltuk az idő függvényében. 18.5 16.45 14.4 12.35 1.3.25 8.2 6.15 Qgáz 4 Pr.1 2 Ql.5 1. ábra Egy alacsony nyomású gázkút termelési adatainak változása az idő függvényében
Nyomás, Mpa Sűrűség, kg/m3 24 Turzó Zoltán Az ábrán a kút Qgáz gáztermelése a Ql folyadéktermelése és a Pr rétegnyomása van ábrázolva. Az ábrán látható, hogy a kút gáztermelése rohamosan csökken, miközben a folyadéktermelés csökkent, és időnként folyadékcsúcsok is jelentkeznek. Ezek a jelenségek a folyadék felhalmozódás tipikus előjelzői. Gázhozam-csökkenést a rétegnyomás-csökkenés is okozhatna, de a rétegnyomás ábrán is feltüntetett csekély változása nem ezt jelzi. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Nyomás Sűrűség 12 1 8 6 4 2 5 1 15 2 2. ábra A nyomás és mélység változása a mélységgel a gázkútban A folyadék felhalmozódás minden kétséget kizáró kimutatásához gradiens mérésre van szükség a kútban. A 2. ábra az előző ábrán bemutatott kútban történt gradiens mérés alapján elkészített mélységi nyomás és sűrűség eloszlást ábrázolja. Az ábrán jól látható, hogy mintegy 15 m mélységben mind a nyomás-, mind a sűrűséggörbe meredeksége jelentősen megváltozik, A felső szakasz kisebb sűrűségértékei nyomás- és sűrűségváltozásai gáz jelenlétére, míg az 15 m alatti szakasz sűrűségértékei és nyomásváltozásai folyadék jelenlétére utalnak. A gradiens mérés alapján a talpon felhalmozódott folyadék mennyisége egyszerűen meghatározható. Ha a folyadék felhalmozódás sebességét is meghatározzuk, akkor ezek ismeretében a folyadék eltávolításra alkalmas módszer kiválasztható, tervezhető. A folyadék eltávolításra bármely, az olajtermelésben használatos módszer alkalmazható, itt ezekre nem térek ki külön. A folyadék eltávolítás általában ciklikusan történik. Megvárják, amíg a talpon lévő folyadék le nem állítja vagy egy meghatározott mértékre csökkenti a gáztermelést, ekkor beindítják a termelő berendezést és addig üzemeltetik, amíg a folyadékot a megfelelő szintre nem csökkenti. Ezután a kút újra termel, amíg a folyadék újra el nem fojtja, ekkor ismét beindítják a folyadék kiemelést. Ennek a megoldási módnak nagy hátránya, hogy a folyadék összegyűlése során a kút gáztermelése fokozatosan csökken. Az ideális megoldás az lenne, ha az összegyűlő folyadék nyomása nem hatna a termelő rétegre. Egy ilyen megoldási módot vázol fel a 3. ábra.
Alternatív megoldások alacsony nyomású gázkutak folyadék felhalmozódás okozta 241 3. ábra Folyadékgyűjtés pakker fölött PCP A megoldás kulcseleme egy közvetlenül a perforáció fölé ültetett pakker, amin keresztül egy meghatározott hoszszúságú és átmérőjű termelőcső vezet keresztül. A termelőcső hosszát és átmérőjét a termelt gáz és folyadék mennyisége határozza meg. A cső elég hosszú, hogy ne kelljen túl sűrűn beindítani a pakker felett összegyűlő folyadékot eltávolító csavarszivattyút (PCP), ne legyen túl nagy a súrlódási vesztesége, a gáz áramlási sebessége maradjon a kritikus kiülepedési sebesség felett. A pakker alatt a kútba lépő gáz és a folyadék tartalma a termelőcsövön keresztül a pakker feletti béléscsőbe áramlik, itt a megnövekedett átmérő miatt a sebessége jelentősen lecsökken. A folyadékcseppek ezért visszahullnak, és a pakker felett a termelőcső béléscső gyűrűsterében fokozatosan felhalmozódnak. A folyadékterhétől megszabadult gáz továbbáramlik a kútfejhez, majd a folyóvezetékbe távozik. Ha a pakker felett elegendő folyadék összegyűlt a folyadékoszlop magassága természetesen nem lehet nagyobb, mint a pakkerbe vezetett termelőcső pakker feletti hossza, a csavarszivattyú beindításával a felszínre emelik az összegyűlt folyadékot. A csavarszivattyú helyettesíthető más folyadék kiemelésre alkalmas berendezéssel is, pl. himbás rudazatos mélyszivattyúval is. A bemutatott megoldás előnye a folyadékot a talpon gyűjtő megoldással szemben az, hogy az összegyűlő folyadék nyomása nem terheli a lyuktalpat, s így nem csökkenti a beáramlást, a kút gáztermelése nem lesz ciklikus. 3. A KÚT FELSŐ SZAKASZÁBAN FELHALMOZÓDÓ FOLYADÉK Ha az alacsony nyomású gázkút kis mennyiségű folyadékot termel csak, és a talpi hőmérséklet magasabb, mint 1 o C, akkor általában a folyadék felhalmozódás nem a talpon hanem a kút felső szakaszán szokott bekövetkezni, ahol a folyadék harmat-
Nyomás, kpa 27/2 27/4 27/6 27/8 27/1 27/12 28/2 28/4 28/6 28/8 28/1 28/12 29/2 29/4 29/6 29/8 29/1 29/12 21/2 21/4 Q gáz [m 3 /óra], P r [x1 4 Pa] Q l [m 3 /óra] 242 Turzó Zoltán pontja alá csökken az áramló fluidum hőmérséklete. A kútfelszínen regisztrált termelési adatai hasonló lefutásúak, mint a hagyományos felhalmozódás esetén mint azt a 4. ábra szemlélteti. 18 Qgáz 16 Pr 14 Ql 12 1 8 6 4 2.35.3.25.2.15.1.5 4. ábra Nem hagyományos felhalmozódású, alacsony nyomású gázkút termelési adatainak változása az idő függvényében 26 255 25 245 24 235 23 225 22 Nyomás Sűrűség 215 5 1 15 2 25 5. ábra Zárt gradiens mérés eredménye nem hagyományos felhalmozódású, alacsony nyomású gázkút esetén. A zárt gradiens mérés azonban a nem hagyományos esetben nem mutat talpi folyadék felhalmozódást, mint ahogy azt az 5. ábra szemlélteti. 8 7 6 5 4 3 2 1 Sűrűség, kg/m 3
Termelési talpnyomás, kpa Nyomás, kpa Alternatív megoldások alacsony nyomású gázkutak folyadék felhalmozódás okozta 243 Ilyen esetekben csak a termelés közbeni gradiens mérések, valamint a talpon termelés közben mért folyamatos nyomásmérés adhatnak megfelelő információt a felhalmozódó folyadékról. A 6. ábra egy termelés közben mért gradiens mérés eredményeit mutatja. Az ábrán látszik, hogy a termelőcső 15 m feletti szakaszában a nyomásgradiens a mélység csökkenésével növekszik, ami növekvő sűrűségű fluidumra utal. Ebbe a szakaszban a kicsapódó és lebegő folyadékcseppek okozzák a gradiens növekedését. A 7. ábra a gázkútban termelés közben a talpon folyamatosan regisztrált termelési talpnyomás változása figyelhető meg. Látszik, hogy a talpi nyomás fokozatosan emelkedik a termelési idővel, ami ugyancsak a felhalmozódó folyadékra utal. A nyomásemelkedés mértékéből következtetni lehet a felhalmozódás sebességére. 16 14 12 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 6. ábra Termelés közbeni gradiens mérés eredménye 2 19 18 17 16 15 14 13 12 Mérési idő 7. ábra Termelés közbeni talpnyomás mérés eredménye
244 Turzó Zoltán Amennyiben a folyadék felhalmozódás a termelőcső felső szakaszán nyilvánvalóvá válik, meg lehet kísérelni a felhalmozódást megszüntetését. A leghatásosabb módszer a termelőcső felső szakaszának a fűtése, ezzel nem csak a felhalmozódás, hanem a folyadékkicsapódás okozta fluidum sűrűség növekedés is elkerülhető. Ez akár 2 3 bar nyomáscsökkenést is okozhat. A termelőcső fűtése költséges folyamat, ezért ha olcsóbb megoldásra van szükség, akkor egy megfelelően megválasztott átmérőjű felcsévélhető termelőcső (CT) termelőcsőbe való vezetésével is meggátolható a folyadék felhalmozódás. A termelés történhet a termelőcsövön vagy a CT-én keresztül. A CT hosszát a kondenzáció mélysége, az átmérőjét pedig a folyadékeltávolításhoz szüksége gázáramlási sebesség határozza meg. A csőátmérő megválasztásánál vigyázni kell, hogy ne okozzunk túl nagy nyomásveszteséget. A termelőcső mérete a kútban lévő termelőcső mérete miatt általában adott (a termelőcső csere nem biztos, hogy kifizetődő a viszonylag kis hozamok miatt). A CT-méretek is a szabványos méretekre korlátozódnak, ezért az optimális konfiguráció nem választható ki minden esetben. Ennek a problémának a kiküszöbölésére mutatok be egy egyszerű megoldást. 4. A NEM MEGFELELŐ MÉRETŰ CT OKOZTA PROBLÉMA KIKÜSZÖBÖLÉSE Tételezzük fel, hogy a vizsgált kút felső szakaszába beépített CT mérete túl kicsi ahhoz, hogy azon keresztül megfelelő nagyságú hozammal termeltetni lehessen a kutat. A termelőcső-ct gyűrűsterén történő termelés esetén pedig a kialakult áramlási sebességek kisebbek, mint a folyadék kiszállításához szükséges kritikus áramlási sebesség. Ebben az esetben kút a felhalmozódó folyadék miatt továbbra is szakaszosan fog termelni. Megoldást az elektronikában ismert, párhuzamos kapcsolású ellenállásokon keresztül folyó áram szabályzásának analógiája adja. Ha párhuzamosan kapcsolunk két ellenállást, akkor a rajtuk átfolyó áram erőssége az ellenállásukkal fordítottan arányos. Ha tehát a termelőcsövön és a CT-én keresztül egyszerre termeltetjük a kutat, akkor a termelőcsövön keresztül lényegesen nagyobb térfogatáram alakul ki, mint a CT-én, mivel a CT hidraulikai ellenállása sokkal nagyobb. Feltételezések alapján a vizsgált esetben egyik térfogatáram esetén kialakuló áramlási sebességek sem érik el a kritikus sebességet. A csőköz fojtásával azonban a CT-n átáramló fluidum menynyisége a kritikus áramlási sebesség fölé növelhető. A 9. ábrán a vizsgált kút esetén meghatároztuk az áramlási sebességeket a CTén, a CT-termelőcső gyűrűsterén és a CT alatti termelőcső szakaszban a mélység függvényében. Az ábrán bejelöltük a Turner-féle kritikus áramlási sebesség változását a mélység függvényében. Az ábra alapján jól látható hogy az áramlási sebességek szinte mindenhol kisebbek, mint a kritikus Turner-sebességek, vagyis a folyadék felhalmozódás valószínűleg bekövetkezik. A 1. ábrán a fojtott CT-termelőcső gyűrűstér estén kialakuló áramlási sebességeket tüntettük fel. Az ábrán látható hogy bár a termelőcsövön és a gyűrűstéren tör-
Alternatív megoldások alacsony nyomású gázkutak folyadék felhalmozódás okozta 245 ténő áramlás sebessége a kritikus alatt marad, addig a CT-n keresztüli áramlási sebességek nagyobbak, mint a kritikus sebesség, vagyis a CT-n áramló gáz folyamatosan a felszínre hozza a folyadékot. A gyűrűstérben felhalmozódó folyadék fokozatosan feldúsul a csőközben, visszahull a talp felé, de elérve a CT belépési pontját az ott kialakuló magasabb áramlási sebesség magával ragadja a folyadékcseppeket. Vagyis a gyűrűstér fojtásával elérhető, hogy a nem megfelelő méretű CT alkalmazása esetén is biztosítható legyen a folyadékeltávolítás. 45 45 9 1.35 1 3 9 1.35 1 3 1.8 1 3 CT Gyûrûstér Termelõcsõ Turner 1.8 1 3 CT Gyûrûstér Termelõcsõ Turner 2 4 6 8 1 3 6 9 12 15 Sebesség, m/s 8. ábra Az áramlási sebességek alakulása fojtás nélküli gyűrűstér esetén Sebesség, m/s 9. ábra Az áramlási sebességek alakulása fojtott gyűrűstér esetén 5. KÖVETKEZTETÉSEK A cikkben bemutatott nem hagyományos folyadék felhalmozódások mind észlelés és mind megszüntetés módjában eltérnek a hagyományos, talpi folyadék felhalmozódásos esetektől. Fontos a probléma megfelelő felismerése, hisz a nem megfelelő felismerés téves megszüntetési módok kiválasztását is eredményezhetik, ezért fordulhat az elő, hogy felső felhalmozódású gázkútba is talpi szifoncsövet helyeznek el, holott ez ebben az esetben inkább ront a helyzeten. A felhalmozódás megszüntetése történhet a felhalmozódó folyadék időszakos eltávolításával vagy a felhalmozódás megakadályozásával. Időszakos eltávolítás esetén törekedni kell arra, hogy a felhalmozódó folyadék lehetőleg ne terhelje a termelő réteget.
246 Turzó Zoltán A felhalmozódás kialakulása megakadályozható a termelőcsőbe a megfelelő mélységig beépített a kritikus áramlási sebességet biztosító átmérőjű CT segítségével. A nem megfelelő CT-átmérő a termelőcső-ct gyűrűsterének fojtásával korrigálható. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A cikk a Miskolci Egyetem Fenntartható Természeti Erőforrás Gazdálkodás Kiválósági Központ keretein belül készült. IRODALOM [1] R. G. TURNER M.G. HUBBARD A. E. DUKLER: Analysis and Prediction of Minimum Flow Rate for the Continuous Removal of Liquids from Gas Wells. Journal of Petroleum Technology, Nov, SPE 2198, 1969. [2] M. I. ILOBI C. U. IKOKU: Minimum Gas Flow Rate for Continuous Liquid Removal in Gas Wells. SPE 117, 1981. [3] S. B. COLEMAN H. B. CLAY D. G. MCCURDY H. L. NORRIS: A New Look at Predicting Gas-Well Load-Up. SPE 228, 1991. [4] M. A. NOSSEIR T.A. DARWICH M. H. SAYYOUTH M. El SALLALY: A New Approach for Accurate Prediction of Loading in Gas Wells Under Different Flowing Conditions. SPE 3748, 1997.