Мгновенные параметры потока (скорость, температура, давление, концентрация примесей) при этом хаотично колеблются вокруг средних значений. Зависимость квадрата амплитуды от частоты колебаний (или спектр Фурье) является непрерывной функцией.

Для возникновения турбулентности необходима сплошная среда, которая подчиняется кинетическому уравнению Больцмана или Навье-Стокса или пограничного слоя. Уравнение Навье-Стокса (в него входит и уравнение сохранения массы или уравнение неразрывности) описывает множество турбулентных течений с достаточной для практики точностью.

Обычно турбулентность наступает при превышении некоторого критического числа Рейнольдса и/или Релея (в частном случае скорости потока при постоянной плотности и диаметре трубы и/или температуры на внешней границе среды).

В частном случае, она наблюдается во многих потоках жидкостей и газов, многофазных течениях, жидких кристаллах, и любых сплошных средах (например, в песке, земле, металлах).

Она возникает самопроизвольно, когда соседние области среды следуют рядом или проникают один в другой, при наличии перепада давления или при наличии силы тяжести, или когда области среды обтекают непроницаемые поверхности.

Она может возникать при наличии вынуждающей случайной силы. Обычно внешняя случайная сила и сила тяжести действуют одновременно.

Турбулентность, например, можно создать:

· увеличив число Рейнольдса (увеличить линейную скорость или угловую скорость вращения потока, размер обтекаемого тела, уменьшить первый или второй коэффициент молекулярной вязкости, увеличить плотность среды) и/или число Релея (нагреть среду) и/или увеличить число Прандтля (уменьшить вязкость).

· и/или задать очень сложный вид внешней силы (примеры: хаотичная сила, удар). Течение может не иметь фрактальных свойств.

· и/или создать сложные граничные и/или начальные условия, задав функцию формы границ. Например, их можно представить случайной функцией. Например: течение при взрыве сосуда с газом. Можно, например, организовать вдув газа в среду, создать шероховатую поверхность. Использовать разгар сопла. Поставить сетку в течение. Течение может при этом не иметь фрактальных свойств.

· и/или создать квантовое состояние. Данное условие применимо только к изотопу гелия 3 и 4. Все остальные вещества замерзают, оставаясь в нормальном, не квантовом состоянии.

· облучить среду звуком высокой интенсивности.

· с помощью химических реакций, например горения. Форма пламени, как и вид водопада может быть хаотичной.

При больших числах Рейнольдса, скорости потока от небольших изменений на границе зависят слабо. Поэтому при разных начальных скоростях движения корабля формируется одна и та же волна перед его носом, когда он движется с крейсерской скоростью. Нос ракеты обгорает и создаётся одинаковая картина разгара, несмотря на разную начальную скорость.

Фрактальный -- означает самоподобный. Например, ваша рука имеет ту же величину фрактальной размерности, как и у ваших предков и потомков. У прямой линии фрактальная размерность равна единице. У плоскости равна двум. У шара трём. Русло реки имеет фрактальную размерность больше 1, но меньше двух, если рассматривать его с высоты спутника. У растений фрактальная размерность вырастает с нуля до величины больше двух. Есть единица измерения геометрических фигур, называется фрактальная размерность. Наш мир нельзя представить в виде множества линий, треугольников, квадратов, сфер и других простейших фигур. И фрактальная размерность позволяет быстро характеризовать геометрические тела сложной формы. Например, у осколка снаряда.

Нелинейная волна -- волна, которая обладает нелинейными свойствами. Их амплитуды нельзя складывать при столкновении. Их свойства сильно меняются при малых изменениях параметров. Нелинейные волны называют диссипативными структурами. В них нет линейных процессов дифракции, интерференции, поляризации. Но есть нелинейные процессы, например, самофокусировка. При этом резко, на порядки увеличивается коэффициент диффузии среды, перенос энергии и импульса, сила трения на поверхность.

То есть, в частном случае, в трубе с абсолютно гладкими стенками при скорости выше некоторой критической, в течение любой сплошной среды, температура которой постоянная, под действием только силы тяжести всегда самопроизвольно образуются нелинейные самоподобные волны и затем турбулентность. При этом нет никаких внешних возмущающих сил. Если дополнительно создать возмущающую случайную силу или ямки на внутренней поверхности трубы, то турбулентность также появится.

В частном случае нелинейные волны -- вихри, торнадо, солитоны и другие нелинейные явления (например, волны в плазме -- обычные и шаровые молнии), происходящие одновременно с линейными процессами (например акустическими волнами).

На математическом языке турбулентность означает, что точное аналитическое решение дифференциальных уравнений в частных производных сохранений импульса и сохранения массы Навье-Стокса (это закон Ньютона с добавлением сил вязкости и сил давления в среде и уравнение неразрывности или сохранения массы) и уравнение энергии представляет собой при превышении некоторого критического числа Рейнольдса, странный аттрактор. Они представляют нелинейные волны и обладают фрактальными, самоподобными свойствами. Но так как волны занимают конечный объём, какая-то часть области течения ламинарно.

При очень малом числе Рейнольса -- это всем известные линейные волны на воде небольшой амплитуды. При большой скорости мы наблюдаем нелинейные волны цунами или обрушение волн прибоя. Например, крупные волны за плотиной распадаются на волны меньших размеров.

Вследствие нелинейных волн любые параметры среды: (скорость, температура, давление, плотность) могут испытывать хаотические колебания, изменяются от точки к точке и во времени непериодически. Они очень чувствительны к малейшим изменением параметров среды. В турбулентном течении мгновенные параметры среды распределены по случайному закону. Этим турбулентные течения отличаются от ламинарных течений. Но управляя средними параметрами, мы можем управлять турбулентностью. Например, изменяя диаметр трубы, мы управляем числом Рейнольдса, расходом топлива и скоростью заполнения бака ракеты.

Уравнения Навье--Стокса (обычные, а не усреднённые по какому-то интервалу времени) описывают и мягкую, и жёсткую потерю устойчивости течений. Их можно вывести тремя способами из общих законов сохранения: постулируя закон трения Ньютона (обобщённый), следуя методу Чепмена-Энскога и из метода Грэда.

При вязкости равной нулю уравнения сводятся к уравнению Эйлера. Точные решения уравнения Эйлера также хаотичны.

Общепринято считать проекцию вектора скорости на ось координат в турбулентном потоке, состоящей из средней или осредненной величины, за некоторое выбранное время, и плюс мгновенной составляющей:

U = U_cp + u' = 100 м/c + 0.5 м/с.

Здесь u' -- пульсационная составляющая или пульсация. Удобно оказалось ввести степень турбулентности:

e = 100 %*u'/U_cp = 100 %*0.5/100 = 0,5 %.

Для трех осей

e = (u' + v' + w')/U_cp.

Турбулентное течение с большим числом Рейнольдса называют развитой турбулентностью. При разных граничных условиях оно всегда приводит к созданию одного и того же профиля скоростей. Это свойство независимости параметров от числа Рейнольдса называют автомодельностью течения. Наблюдается экспериментально в струях или в пограничном слое.

Можно создать изотропную турбулентность, когда статистические параметры течения (функция распределения вероятности, дисперсия, моменты) одинаковы в направлении разных осей координат и не зависят от времени.

Теория однородной турбулентности (то есть, при очень больших числах Рейнольдса, когда ее статистические параметры не зависят от времени и примерно постоянны в течении, но зависят от направления) была создана советскими учёными Обуховым и Колмогоровым. И использовалась затем во многих инженерных расчётах. Теория привела к созданию упрощённых полуэмпирических моделей течения: k-е (ка-эпсилон) и многих других.

Большинство течений жидкостей и газов в природе (движение воздуха в земной атмосфере, воды в реках и морях, газа в атмосферах Солнца и звёзд и в межзвёздных туманностях и т. п.), в технических устройствах (в трубах, каналах, струях, в пограничных слоях около движущихся в жидкости или газе твёрдых тел, в следах за такими телами и т. п.) турбулентны из-за наличия источников энергии и импульса, наличия внешних возмущающих сил или отсутствия сил сопротивления трения в квантовых жидкостях.

При процессах горения или химических реакциях на явление турбулентности накладываются множество других физических и химических процессов. Например, эффект конвекции, автоколебаний, гистерезиса. В этом случае говорят о турбулентной конвекции. Обычно принимается, что переход от ламинарного течения к турбулентному происходит при достижении критического числа Рейнольдса (Re). Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения, его коэффициента вязкости, который зависит от температуры, которое зависит от давления (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.). Например, для течения в круглой трубе . В последнее время показано, что это правомерно только для напорных потоков. Но удар по трубе, её резкое вращение или колебание могут вызвать появление турбулентности.

То есть, турбулентность может возникать самопроизвольно, а может в результате действий нескольких внешних сил.

При изучении течения жидкости через трубки малого диаметра французским врачом и учёным Пуазейлем в 1840--1842 гг. выведена формула, по которой можно рассчитать расход воды через трубу. До Пуазейля исследованием движения вязкой жидкости через трубы малого диаметра занимался Хаген (1797--1884). При большом расходе формула оказалась неверной. Причина в том, что в трубе возникала турбулентность.

Стоксом, английским учёным-теоретиком были найдены решения уравнения движения вязкой жидкости для малых чисел Re (это второй закон Ньютона с добавками сил давления и сил вязкости), которые он вывел в 1845 г. для движения жидкости в круглой трубе. Затем он получил формулу силы сопротивления при равномерном движении шара в неограниченной жидкости в 1851 году. Её стали использовать для определения коэффициента динамической вязкости. Но решения совпали с опытом лишь при малых скоростях движения жидкости и диаметрах трубы и шара.

Причина этого расхождения была объяснена только опытами Рейнольдса в 1883 г. Он показал существование двух различных режимов движения жидкости -- ламинарного и турбулентного -- и нашёл один параметр -- число Рейнольдса -- который позволил предсказать, наличие турбулентности для данного течения в трубе. Если бы Стокс нашёл точные решения Навье-Стокса, он бы обнаружил турбулентность теоретически.

Это позволило Рейнольдсу в 1883 г. ввести положение, что течения одинакового типа (труба должна быть геометрически подобной) с одинаковым числом Рейнольдса подобны. Этот закон был назван законом подобия. Затем, на основе опытов, стала развиваться теория размерности и подобия.

Так как Хаген не знал, как выглядят уравнения Навье-Стокса, что такое число подобия Рейнольдса, то нельзя говорить, что он или Леонардо да Винчи открыл турбулентность. Они наблюдали хаотическое движение в воде. Но описать количественно, предсказать его наступление не могли. А подобие течения, рождение самоподобных структур, например вихрей, которые сами состоят из таких же вихрей -- основное свойство турбулентности.

То есть Рейнольдс как бы открыл то, что уравнение для силы гравитации и закон Кулона подобны с разницей только в коэффициенте. А Хаген и Пуазейль только нашли отдельные параметры, которые входят в точное решение уравнения Навье-Стокса и влияют на течение.

Частичное описание развитой турбулентности в рамках математики XIX века предложил Л. Ричардсон в начале XX века. Мешая ложкой чай в стакане, мы создаем вихри размером порядка размера стакана, ложки. Вязкость действует на течение тем сильнее, чем меньше характерный размер течения. Под характерным размером понимают какой-то геометрический параметр, сильно влияющий на течение. Диаметр стакана, его высота, ширина ложки. При большом числе Рейнольдса на эти крупномасштабные движения молекулярная вязкость действует слабо.

Уравнение движения жидкости (Навье-Стокса) нелинейно, так как скорость жидкости переносится самой скоростью и эти вихри неустойчивы. Они дробятся на более мелкие вихри, те на более мелкие. В конце концов, на малых размерах вступает в действие молекулярная вязкость, и самые мелкие вихри затухают за счёт неё. Эта представление назвали прямой каскад (или переход от больших масштабов в меньшие).

Турбулентность формально связана с биологическими объектами, с процессами митоза и роста некоторых раковых опухолей, с теорией радиоактивного распада, с процессами, происходящими на рынках акций.

Есть разница между понятием турбулентность и турбулентное течение. Термин турбулентное течение возник в гидравлике. Затем были открыты квантовые жидкости. Их вязкость всегда равна нулю. Если подсчитать для них число Рейнольдса, оно всегда равно бесконечности, когда проекция вектора скорости не равна нулю. Само турбулентное течение может присутствовать в системе очень мелких вихрей, в некоторых малых частях среды. Поэтому, средняя скорость течения равна нулю, когда квантовая жидкость покоится в сосуде. Число Рейнольдса не определено (в числителе нулевая скорость, в знаменателе нулевая вязкость).

До 1917 года в российской науке пользовались термином беспорядочное течение. В 1938 году Капицей было открыто турбулентное течение в квантовых средах -- сверхтекучем гелии. В жидком гелии есть два типа звука -- первый и второй, они могут создавать волновую турбулентность на его поверхности.

В 1941 году А.Н. Колмогоровым и A.М. Обуховым создана теория однородной турбулентности для несжимаемых течений при больших числах Re. Затем в 60-е годы было начато изучение нелинейных волн, солитонов.

В 1970-е годы в СССР Захаровым Владимиром Евгеньевичем была изучена слабая или «волновая» турбулентность волн на поверхности воды (её называют вырожденной). Турбулентность внутри сред назвали сильной.

В 1975 году введено понятие фрактал математиком Бенуа Мандельбротом. А константа Фейгенбаума, используемая при описании фрактальной среды с детерминированным хаосом, была получена в 1978. Тогда же был открыт сценарий Фейгенбаума (или субгармонический каскад) -- частный вид перехода к турбулентности.

Физикам было непонятно, почему при хаотическом движении, похожее на Броуновское, в жидкости или газе вдруг миллиарды молекул сворачиваются в кольцо. В начале 80 годов Ю.Л. Климонтович, профессор МГУ им. Ломоносова выдвинул гипотезу о том, что турбулентность -- это не хаотичное, а высокоорганизованное, упорядоченное течение. И что энтропия при переходе от ламинарного к турбулентному течению уменьшается. Поэтому спонтанно образуются различные структуры. Он предложил свой критерий, на основе «S-теоремы» по которому можно было рассчитать степень упорядоченности сплошной среды, используя величину производства энтропии. Он не знал, что сценарий Фейгенбаума и другие их виды встречаются в реальных турбулентных средах и считал, что модели сплошной среды недостаточно для появления турбулентности. И значит в уравнении Навье-Стокса нет турбулентности. Поэтому даже для простого движения воды он вводил в уравнения некие искусственные дополнительные флуктуационные члены, что было ошибкой. Аналогично вводил дополнительные члены в уравнения сохранения импульса или движения О. Рейнольдс.

Его «S-теорема» была очень плохо изложена для экспериментаторов и было непонятно, как её применять в эксперименте, и чем она лучше понятия K-энтропии. Она противоречила многолетней практике инженеров. Они часто использовали подход, когда энтропия была постоянной для течения (модель изэнтропического газа).

Турбулентность в природе

Животные умеют пользоваться турбулентностью. Обычно они подавляют её и управляют её структурой, умеют извлекать энергию из набегающего потока (или ждут попутного ветра). Например, у них очень гладкая кожа. Форма поверхности тела такова, что её кривизна -- гладкая функция. То есть, ваше изображение в зеркале, изготовленном в виде тела дельфина будет плавно, без изломов меняться на большей части поверхности. Площадь, где кривизна претерпевает разрывы, минимальна. Они используют слизь на коже или перья, шерсть для разрушения поверхностных волн, которые потребляют много энергии, когда образуются при взмахе крыла или движении хвоста. Кончик крыла или плавника всегда острый, чтобы размер волны, образовывающейся на конце был минимальный. У китов есть канавки проходящие вдоль тела от рта, создающие особую структуру турбулентного течения.

Мухи (за счёт волосков на теле), бабочки (под микроскопом видны системы на крыльях, как решетки чешуек) и птицы используют машущий полет. Они создают вихри в полете, которые позволяют им создавать в разы большую подъемную силу, чем планер того же веса и развивать большую скорость, тратя меньше энергии.

Турбулентность в технике

Её стараются либо подавить, либо искусственно создать. Например, при строительстве Норильского комбината было обнаружено, что малый диаметр труб, в котором течение турбулентно, не приводит к увеличению расхода подаваемого воздуха в доменную печь при увеличении внешнего давления подаваемого воздуха. Поэтому были вынуждены поставить параллельно ещё одну трубу, подающую воздух.

У самолётов ставят винглеты -- загнутые кверху законцовки крыла. Они экономят до 4 процентов топлива, так как при этом уменьшается размер и число образуемых за крылом вихрей, которые уносят с собой полезную кинетическую энергию (это так называемые волновые потери).

В тех случаях, когда возникает переходный режим от ламинарного к турбулентному, могут возникать колебания давления, подъемной силы. Поэтому по всей длине крыла ставят вихрегенераторы (изогнутые скобы). Они стабилизируют параметры потока. Течение после них всегда турбулентно. Поэтому подъемная сила крыла постепенно растет с увеличением скорости самолета.

Когда нужно быстро перемешать топливо с воздухом и сжечь его, ставят специальные устройства: центробежные и струйные форсунки в камере сгорания. Они, как и выбранная длина камеры сгорания обеспечивают полное сгорание топлива.

Виды турбулентности

· Двумерная турбулентность. Получается в искусственно создаваемой мыльной пленке воды толщиной от 4 до 5 микрон.(http://maartenrutgers.org/science/turbulence/gallery.html)

· Оптическая турбулентность. Очень мощный луч лазера проходит через стекло и начинает рассеиваться хаотически, сам на себе. Свет -- это волны, поэтому это турбулентность световых волн. Хаотичное мерцание звёзд на ночном небе связано со случайным изменением плотности воздуха. Это так же проявление турбулентности.

· Речная турбулентность. Течение воды в реке турбулентно. Но за сотни тысяч лет русло реки может не менять свою форму. Когда число Рейнольдса и расход меняется, река меняет шероховатость своего дна. Река -- одна из самых совершенных самоуправляющихся систем в неорганическом мире.

· В жидких кристаллах (нематиках), когда скорость среды равна нулю, наблюдается так называемая «медленная» турбулентность.

· Химическая турбулентность. В частном случае, она может быть описана уравнением В.Н. Николаевского.

· Кварк-глюонная плазма, которая существовала на ранней стадии Вселенной, описывается моделью идеальной жидкости (то есть уравнением Навье-Стокса с величиной вязкости, равной нулю). Это пример турбулентного состояния плазмы.

· Однородная и изотропная

o Изотропная -- когда её статистические параметры не зависят от направления. Создается искусственно на некотором расстоянии после металлической сетки или решетки.

o Однородная -- когда её параметры меняются вдоль выбранной оси, но в данном сечении (например, трубым) они одинаковы.

· На поверхности вирирующейся многофазной жидкости. Например, в слое стеклянных сфер в кукурузном крахмальном сиропе при частоте 120 Гц и виброускорении в 25 g.

Следствия и гипотезы теории турбулентности

1. На больших расстояниях движение газа и плазмы, звезд, галактик турбулентно во Вселенной. Движение воздуха в атмосфере Земли также турбулентно. Прогноз погоды возможно рассчитать только на 5 дней вперед с помощью суперкомпьютеров из-за свойств уравнений гидромеханики. Решение сильно зависит от точности задания начальных и граничных данных. Значит, мы не можем рассчитать, как будет выглядеть Вселенная в будущем, и как она выглядела в прошлом. Это принципиально невозможно. Это следует из законов магнитной или обычной гидродинамики. Так как в точных решениях присутствует турбулентность.

2. Живое (например клетки растений) отличается от мертвого тем, что может не только создавать самоподобные структуры, делиться, поглощать другие структуры - объединяться в более крупные структуры, но и передавать по наследству множество признаков. Вихри и волны в воде могут делиться, или наоборот исчезать, объединяясь в группу. Например, на фотографии одного урагана видно, что в его центре есть три вихря. В торнадо также есть несколько вихрей, которые, вращаясь, образуют торнадо. Но вихри, волны, другие структуры в жидкости, не могут передавать своим потомкам множество наследуемых признаков. Этим мы и отличаемся от неживой природы. Можно только говорить, что вихрь из синих чернил может передать синий цвет своим потомкам, маленьким вихрям. Он может передать иногда свою форму. Например, вихревое кольцо может породить два вихревых кольца, имеющих ту же кольцеобразную форму. Было обнаружено, что кристаллы, так же могут делиться, поглощать друг друга, подобно вихрям. Жизнь могла возникнуть только после создания хромосом, ДНК, РНК, огромных молекул, которые позволяют передавать потомкам многочисленные наследуемые признаки. И если на других планетах существуют похожие молекулы, значит, и вид живых объектов будет различен. Но они также должны передавать своим потомкам многочисленные признаки. Без этого не будет разнообразия и жизнестойкости живых объектов, не будет естественного отбора и эволюции

Поскольку точные аналитические решения уравнения гидромеханики Эйлера описывают частично квантовую жидкость (с нулевой вязкостью), а квантовый компьютер использует идеи квантовой механики, можно предположить, что точные аналитические решение уравнения Эйлера (или Навье-Стокса с вязкостью, стремящейся к нулю) можно использовать для квантовых расчетов, для создания квантового компьютера и для моделирования свойств квантовых жидкостей, и сверхтекучего состояния (движения спаренных электронов или расчета параметров квантовых жидкостей в металлах). То есть использовать точные аналитические формулы, которая бы обладали всеми свойствами неравенства Гейзенберга для квантовой частицы. Квантовая жидкость представляет собой и волну и частицу. Турбулентное течение так же представляет собой волну и частицу, но с вязкостью больше нуля

4. Если мы в опыте обычной, сплошной средой (например водой) хотим смоделировать квантовую жидкость (сверхтекучий гелий) мы должны использовать очень высокое число Рейнольдса, стремящееся к бесконечности. Моделирование возможно только для очень небольших интервалов времени

2. Промысловый сбор и транспорт продукции скважин

2.1 Общая характеристика деятельности НГДУ

Производственный процесс в нефтяной промышленности охватывает такие виды деятельности, как геолого-поисковые и разведочные работы, бурение скважин, добыча нефти и газа, работа подсобных и вспомогательных предприятий. В соответствии с этим организуются геологоразведочные, буровые, нефтегазодобывающие предприятия, как правило, входящие в состав производственного объединения. В объединении сосредоточены те виды производственной и хозяйственной деятельности, которые имеют значение для всех, входящих в его состав, предприятий: развитие науки и техники, организация и проведение ремонтных работ, транспорт, снабжение.

В качестве предприятия в добыче нефти и газа выступает НГДУ. В зависимости от масштабов и технической оснащённости производства, горно-геологических условий разработки месторождений нефти и газа структура предприятия может меняться, однако всем предприятиям присущи общие черты системы управления.

НГДУ возглавляет начальник. Он организует производственно-хозяйственную деятельность предприятия, направленную на выполнение планов по добыче нефти и газа, бурению в соответствии с утверждёнными технико-экономическими показателями и несёт полную ответственность за их выполнение.

Первым замом является главный инженер. Он осуществляет техническое руководство производством и, также как и начальник, отвечает за работу предприятия, за состояние охраны труда, эффектное внедрение новой техники, работы по изобретательству и рационализаторству.

Главный геолог руководит деятельностью геологической службы предприятия, несёт ответственность за рациональную разработку нефтяных и газовых месторождений. Им осуществляется постоянный контроль за геологическими исследованиями, проходкой скважин и состояние разработки месторождений.

Зам начальника по экономическим вопросам - главный экономист разрабатывает мероприятия направленные на улучшение технико-экономических показателей работы предприятия, на повышение экономической эффективности производства, контролирует их выполнение.

Зам начальника по общим вопросам обеспечивает предприятие необходимым оборудованием и материалами, следит за правильным их хранением и использованием. Он также несёт ответственность за административно-хозяйственную работу, включая вопросы транспортного обслуживания дорожного строительства.

Для оперативного руководства работой в аппарате предприятия организуются функциональные отделы: производственный, технический, геологический, планово-экономический, ОК, отдел материально технического снабжения, финансовый, бухгалтерия, отдел главного механика, главного энергетика.

На каждом предприятии выделяется основное и подсобно-вспомогательное производство. К основному производству в нефтегазодобывающей промышленности относят процессы добычи нефти, т.е. извлечения её на дневную поверхность. Для выполнения этих процессов в НГДУ предусматриваются районные инженерно-технические службы (РИТС) или цеха добычи нефти и газа (ЦДНГ), в состав которых входит несколько групп по обслуживанию скважин. Главная их задача состоит в выполнении плана добычи в соответствии с утверждёнными технико-экономическими показателями с соблюдением установленных технологических режимов эксплуатации скважин. В аппарате ЦДНГ кроме начальника имеются зам по технологии, начальник смены, старшие инженер технолог, техник, мастера по группам обслуживания (группа добычи нефти, группа исследований); дежурная группа.

Подсобно-вспомогательное производство в добыче нефти и газа имеет следующие цехи: прокатно-ремонтный эксплуатационного оборудования, прокатно-ремонтный электрооборудования и капитального ремонта скважин, автоматизации производства. Подсобно-вспомогательные цехи объединены в базу производственного обслуживания БПО. БПО осуществляет весь цикл ремонтных и вспомогательных работ.

Оперативное руководство основным и вспомогательным производством осуществляет центральная инженерно-технологическая служба (ЦИТС), начальник которой подчиняется непосредственно начальнику НГДУ. Руководству НГДУ непосредственно подчинены также цехи подготовки и перекачки нефти, ППД, научно исследовательских и производственных работ, паро-водоснабжения, газокомпрессорный, СМУ.

Система сбора и подготовки продукции скважин находится в ведении ЦДНГ и ЦППНГ. Подготовкой воды к закачке её в пласт занимается ЦППД.

2.2 Стадии разработки нефтяного месторождения

Изменение состава и физико-химических свойств продукции скважин в процессе разработки.

Теперь коротко остановимся на том, что представляет собой продукция скважин нефтяного месторождения, и как изменяется её состав и физико-химические свойства в процессе разработки месторождения.

В начальной стадии разработки продукция скважины состоит практически из безводной нефти и газа. Затем количество воды постепенно увеличивается и на конечных стадиях разработки может достигать 90% и более. Вода в нефти появляется вследствие поступления к забою скважины подстилающей воды или воды, закачиваемой в пласт с целью поддержания пластового давления. При движении продукции по стволу скважины и далее по нефтесборным трубопроводам происходит взаимное перемешивание и диспергирование нефти и воды с образованием эмульсии. На глубине 2000 м и при давлении 20 МПа одна объёмная часть нефти способна растворить до 1000 объёмных частей газа. При подъёме продукции и падении давления газ выделяется с такой энергией, что её вполне достаточно для диспергирования капель пластовой воды в объеме нефти. Этот процесс особенно интенсивно протекает при штуцировании обводнённой нефти. Процессу эмульгирования способствует наличие в нефти поверхностно-активных соединений: смол, асфальтенов и т.п. Учитывая, что на поздних стадиях разработки добываются в основном трудно извлекаемые запасы нефти с более высоким содержанием асфальто-смолистых веществ, стойкость образующихся эмульсий может быть выше. В то же время по мере выработки месторождения падает газовый фактор и энергия, выделяющаяся при образовании газовых пузырьков, уменьшается. Процесс диспергирования в стволе затухает. Таким образом, физико-химические свойства поступающей на поверхность продукции скважин меняются в процессе разработки месторождений от безводной нефти, эмульсии типа вода в нефти и до практически разделённой, разрушенной эмульсии, когда продукция представлена двумя несмешивающимися фазами: нефтью и водой.

Необходимость разрушения эмульсий и отделения нефти от воды диктуется двумя основными причинами.

Первая - это высокая стоимость транспорта балласта - пластовой воды. Транспорт обводнённой нефти удорожается не только в результате перекачки дополнительных объёмов, но и вследствие более высокой вязкости эмульсии типа вода в нефти по сравнению с чистой нефтью. При увеличении содержания воды в нефти на 1% транспортные расходы возрастают на 3-5% при каждой перекачке. Кроме того, вода и мехпримеси являются причиной коррозии и загрязнения трубопроводов и аппаратов.

Вторая причина - отрицательное воздействие воды и содержащихся в ней солей на процессы переработки нефти и качество получаемых нефтепродуктов.

В нефти поступающей на переработку содержание воды не должно превышать 2%, а по I сорту - 0,5% и солей 5-10мг/л.

В начальный безводный период эксплуатации месторождений главные проблемы, возникающие при сборе и подготовке нефти связаны с решением вопросов сепарации нефти и газа, гашением пульсаций потоков при совместном транспортировании нефтегазовых смесей.

Переходный период, предшествующий повышению общей обводнённости продукции нефтяных скважин по всему месторождению, выдвигает на первый план решение технологических вопросов связанных с предотвращением образования стойких водонефтяных эмульсий, выбором и применением эффективных методов обезвоживания и обессоливания. При решении этих вопросов определяют и необходимые требования к технологии и технике подготовки нефти в течение всего периода разработки нефтяного месторождения.

Дальнейшее увеличение обводнённости приводит к повышению вязкости водонефтяных эмульсий, что на некоторых месторождениях вызывает серьёзные осложнения в системах сбора в связи с увеличением давлений перекачки. Этот период характеризуется также введением в эксплуатацию дополнительного оборудования для предварительного сброса воды и увеличением нагрузок на УПН.

На поздней стадии разработки, когда общая обводнённость превышает 50%, а количество нефтяного газа уменьшается, возникают проблемы нехватки газа для подачи сырых нефтей и перевода нагревателей с газообразного топлива на жидкое. Специфические проблемы возникают при содержании в продукции скважин сероводорода, углекислого газа, при добыче парафинистых высокозастывающих нефтей, при смешении продукции разных нефтеносных горизонтов.

2.3 Технологическая схема разработки месторождения и проект его обустройства

Для каждого вновь открытого месторождения, как правило, составляется проект разработки (технологическая схема) и проект обустройства месторождения. В проекте разработки на основе данных о

площади, конфигурации и мощности коллекторов продуктивных горизонтов

запасах нефти и нефтяного газа и их физико-химических свойствах

проницаемости и пористости коллекторов

характере залегания нефтяной залежи и наличии тектонических нарушений

минерализации пластовых вод и коррозионной характеристике

решаются следующие вопросы:

устанавливается режим работы месторождения рассчитывается коэффициент нефтеотдачи, определяются методы воздействия на пласт с целью увеличения этих коэффициентов

предусматривается система размещения скважин и темпы их разбуривания

намечается динамика изменения дебитов, пластового давления, газового фактора и степени обводнённости по годам

на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов выбирается оптимальный

В соответствии с проектом разработки месторождения разрабатывается проект обустройства, где намечается система сбора нефти, газа и пластовой воды на площади месторождения и рациональное размещение установок по подготовке нефти и газа к дальнейшему транспорту, а там, где по проекту предусматривается заводнение пластов - система подготовки воды, водораспределения и закачки воды в пласт

Основными задачами, решаемыми в проектах обустройства, являются:

обеспечение сбора и подготовки запланированного количества нефти и газа к дальнейшему транспорту

совместный сбор и транспорт по выкидным линиям нефти, газа и воды ГЗУ

замер нефти, газа и воды по каждой скважине в отдельности

совместный или раздельный транспорт обводнённой и необводнённой нефти по НСК от ГЗУ до УПН

подготовка нефти газа и воды до товарных кондиций

2.4 Система сбора и внутрипромыслового транспорта скважинной продукции

Продукция нефтяных скважин представляет собой сложную смесь из нефти, газа, воды, взвешенных веществ. Эта продукция, поднятая на поверхность через рассредоточенные по площади месторождения скважины, должна быть собрана и подготовлена к дальнейшему транспорту и переработке.

Под системой сбора нефти, газа и воды на нефтяных месторождениях понимают всё технологическое оборудование и систему трубопроводов, предназначенные для сбора продукции отдельных скважин, доставки её до центрального пункта подготовки нефти, газа и воды (ЦППН).

Единой, универсальной системы сбора не существует, так как каждое месторождение имеет свои особенности: природно-климатические условия, сетку размещения скважин, способы и объём добычи нефти, газа и воды, физико-химические свойства пластовых жидкостей.

Основные факторами, учитываемыми при проектировании системы внутрипромыслового сбора с учётом динамики обводнения месторождения, являются:

начальное давление в системе сбора, группирование скважин

взаимодействие с системами воздействие на залежь

совместный раздельный сбор продукции скважин, выбор места сепарации газа, взаиморасположение узлов замера, сепарации, откачки

выбор места для центрального пункта сбора подготовки нефти, газа и воды, с учётом расположения месторождения в группе или нефтедобывающем районе

совмещение систем промыслового сбора и транспортирования с процессами подготовки нефти

Для обоснования и проектирования рациональной системы сбора и подготовки продукции нефтяных скважин, выбора оборудования необходимы следующие исходные данные:

состав и физико-химические свойства продукции скважин

состав и производительность существующих сооружений

план ввода новых нефтяных скважин и их дебит

действующий фонд нефтяных скважин

план добычи нефти, газа и воды по месторождению

план развития мощностей на прирост объёмов добычи нефти, газа и воды

расстояние от месторождений до центральных пунктов подготовки нефти, размеры месторождений, сетка скважин

характеристика рельефных условий местности

сумма геодезических подъёмов на 1 км трассы, природно-климатические условия и т.д.

Основные функции системы промыслового сбора:

измерение продукции каждой скважины или при необходимости группы скважин

транспортирование продукции скважин с использованием энергии нефтяного пласта или насосного оборудования при механическом способе добычи до пунктов подготовки, а при недостаточном давлении - с использованием ДНС

сепарация нефти и газа под давлением, обеспечивающим дальнейший бескомпрессорный транспорт

при добыче высокообводнённой нефти - отделение при сравнительно низких температурах основной массы воды с качеством пригодным для её закачки в пласт

раздельный сбор и транспортирование до центральных нефтесборных пунктов продукции отдельных скважин, смешивание которой нежелательно

устьевой и путевой подогрев продукции нефтяных скважин, если невозможен сбор и транспорт при обычных температурах

Все существующие системы сбора и транспорта продукции скважин подразделяются на негерметизированные самотёчные и герметизированные напорные.

Негерметизированные самотёчные системы продолжают эксплуатироваться на старых месторождениях. Движение жидкости в них осуществляется за счёт разности геодезических отметок положения начала и конца трубопровода. Продукция скважин замеряется в индивидуальных (ИЗУ) или групповых (ГЗУ) замерных установках.

ИЗУ располагается вблизи устья скважины. Нефть и вода, отделённые от газа поступают в самотёчные выкидные линии, а затем - в участковые негерметизированные резервуары сборного пункта (СП). Из них нефть забирается центробежными насосами и подаётся по сборному коллектору в сырьевые резервуары УПН. Отстоявшаяся вода утилизируется или транспортируется в виде эмульсии до сырьевых резервуаров. Газ под собственным давлением попадает на ГПЗ или на компрессорную станцию.

ГЗУ в отличие от ИЗУ располагается вдали от скважин. На неё поступает продукция нескольких скважин. Измерение дебита индивидуальных скважин по жидкости производят переключением задвижек на распределительной батарее в замерном трапе или мернике, а газа - при помощи диафрагмы и самопишущего прибора ДП-430

Отличительными особенностями самотёчных негерметизированных систем являются следующие:

работа под напором, создаваемым разностью геодезических отметок в начале и конце трубопровода, поэтому мерник должен быть поднят, а в гористой местности необходимо изыскивать такую трассу, чтобы обеспечить нужный напор и пропускную способность

при этой системе необходима глубокая сепарация нефти от газа для предотвращения образования газовых мешков, могущих существенно снизить пропускную способность нефтепроводов

самотёчные выкидные линии не могут быть приспособлены к возможному увеличению дебитов скважин или к сезонным изменениям вязкости нефти и эмульсий в связи с их ограниченной пропускной способностью

в самотёчных системах скорость потока жидкости низкая, поэтому происходит отложение механических примесей, солей, парафина и уменьшается пропускная способность

потери нефти за счёт испарения лёгких фракций достигают 3% от общей добычи. Основными источниками потерь являются негерметизированные мерники и резервуары

системы трудно поддаются автоматизации

требует большого количества обслуживающего персонала

Учитывая недостатки самотёчных систем было принято решение о переходе к герметичным напорным системам сбора и внутрипромыслового транспорта продукции скважин. Существуют различные вариации герметичных систем: Бароянца-Везирова, Грозненского нефтяного института, Гипровостокнефти и др. В настоящее время выделено 9 обобщающих вариантов схем. В основу их работы заложены единые принципы:

Графические обозначения к приведенной схеме:

- Групповая замерная установка (ГЗУ)

- Индивидуальная замерная установка (ИЗУ)

- Замерная становка с сепаратором и насосом откачки нефти

Реализация принципов в схемах:

I, V, VII - принцип максимального использования пластовой энергии или напора механических приспособлений.

II, IV, VI, VIII и IX - максимально возможное использование однотрубного сбора нефти и газа в пределах отдельных месторождений. Когда недостаточно напора устанавливают ДНС.

III, IV, V, VI, VII, IX - применение ступенчатой сепарации нефти с последующим бескомпрессорным транспортированием газа после I ступени до потребителя

С учётом этих принципов могут быть выделены три основные схемы обустройства месторождений:

однотрубное транспортирование продукции скважин

бескомпрессорное транспортирование газа и перекачка газонасыщенной нефти после предварительного сброса воды

бескомпрессорное транспортирование газа и перекачка газонасыщенной обводнённой нефти

При однотрубном транспортировании рекомендуется держать давление на устье скважин:

- фонтанно-механизированный способ эксплуатации - 1,5МПа

- механизированный - до 2,5Мпа

На начальной стадии разработки целесообразно применять раздельный сбор обводнённой и безводной продукции, т.к. отпадает необходимость деэмульсации всего добываемого объёма нефти. Раздельный сбор применяют и в случае нежелательности смешивания нефтей разных горизонтов с различным содержанием агрессивных компонентов.

Внутритрубная деэмульсация сокращает затраты на подготовку нефти за счёт не только предварительного сброса воды, но и применения технологии путевого обессоливания малообводнённой нефти.

Самотечные системы

Самотечная система сбора нефти и газа:

1 - скважина; 2 - трап, 3 - групповая трапная установка, 4 - мерник, 5 - резервуар промежуточного сборного пункта, 6 - компрессор, 7 - насос, 8 - резервуары промыслового парка, 9 - батарея задвижек

Система сбора Бароянна-Везирова(1946г.).

Система сбора Барояна-Везирова:

1 - скважина; 2 - сепаратор высокого давления, 3 - групповая замерная установка, 4 - батарея задвижек, 5 - нефтегазовый сепаратор, 6 - газоосушитель, 7 - отстойник, , 8 - компрессор, 9 - газовый сепаратор, 10 - сборные резервуары для нефти, 11 - сырьевые резервуары, 12 - насос

Предусматривает однотрубный сбор с использованием энергии пласта до ГЗУ и далее по общему коллектору до участковых пунктов сбора, где сепарируют нефть в две ступени и предварительно обезвоживают. Газ I ступени отделяется при давлении 0,4-0,5МПа и транспортируется к потребителю за счёт давления в сепараторах или при помощи компрессоров.

Газ II ступени отделяется при давлении 0,1МПа; его отбирают вакуумными насосами, осушают и закачивают в напорный газопровод.

Деэмульгатор дозируют на устье, либо на ГЗУ, либо перед I ступенью сепарации. В сырьевые резервуары УПС поступает дегазированная обводнённая, обработанная деэмульгатором нефть; отстаивается и подаётся на УПН. Ограничивает область применения необходимость строительства большого числа мелких пунктов сбора с резервуарным парком, НС и КС.

Высоконапорная Грозненская система сбора предусматривает транспортирование всей продукции под устьевым давлением 6-7МПа на большие расстояния, чем система Барояна-Везирова.

На каждой площади стоится лишь одна центральная сепарационная установка с одноступенчатой сепарацией под давлением до 5 Мпа. Отделившийся газ направляется в холодильную установку, для максимального отделения конденсата, а затем под собственным давлением - на ГПЗ.

Эмульсионную нефть с оставшимся растворённым газом и газоконденсатом по одному трубопроводу под собственным давлением транспортируют на ЦППН

Внедрение системы сдерживается из-за пульсаций давлений, приводящих к вибрации трубопроводов, возможным прорывам по сварным соединениям.

Напорная система сбора Гиировостокнефти.

Напорная система сбора Гипровостокнефти:

1 - скважина; 2 - батарея задвижек, 3 - групповая замерная установка, 4 - сепаратор I ступени, 5 - сепаратор II ступени, 6 - сепаратор III ступени, 7 - сырьевые резервуары,

Основные отличительные особенности:

ступенчатая сепарация нефти, причём I ступень проходит на групповых или участковых сепарационных установках при давлениях, достаточных для безкомпрессорного транспортирования газа до ГПЗ

возможность транспортирования нефти с частью растворённого газа от сепараторов до ЦППУ за счёт давления сепараторов или при больших расстояниях при помощи ДНС

Расчётное определение уровня давления в системе сбора с учётом давления сепарации исходя из условий оптимального использования пластовой энергии как для добычи, так и для сбора

II и III ступень сепарации как правило осуществляется на ЦППН

Укрупнение пунктов сбора и подготовки нефти, газа и воды вплоть до одного ЦППН, обслуживающего группу промыслов, расположенных в радиусе 50-100км

Недостаток системы - большие эксплуатационные расходы на совместное транспортирование нефти и воды с месторождений до ЦППН и большой расход энергии и материалов на обратное транспортирование очищенной пластовой воды до месторождений для систем ППД

Системы сбора на месторождениях Западной Сибири

Система нефтегазосбора Западно-Сургутского месторождения для безводной (а) и обводненной нефти (б):

1 - скважина; 2 - групповая замерная установка, 3 - устройство предварительного отбора газа, 4 - сепаратор I ступени, 5 - каплеуловитель, 6, 10, 15 - дожимной насос, 7 - сепаратор II ступени, 8 - сепаратор III ступени 9 - сырьевой резервуар, 11 - нагреватель, 12 - устройство для разрушения эмульсий, 13 - отстойник, 14 - резервуар, 16 - линия рециркуляции дренажной воды, 17 - линия рециркуляции нефти, 18 - насос повторной рециркуляции дренажной воды; I II III - газ после сепарации, iv - реагент, V - дренажная вода, VI - товарная нефть, VII - конденсат.

Система сбора Самотлорского месторождения с подготовкой нефти в газонасыщенном состоянии:

1 - скважина; 2 -замерная установка, 3 - устройство предварительного отбора газа, 4 - сепаратор I ступени, 5 - каплеуловитель, 6 - аппарат для предварительного сброса воды, 7 - печь, 8 - промежуточный сепаратор, 9 - электродегидратор, 10 - дожимной насос, 11 - концевой сепаратор, 12 - насос товарной нефти, 13 - насос дренажной воды; I II III - газ после сепарации, iv - реагент, V - дренажная вода, VI - товарная нефть, VII - конденсат. Специфика всех систем сбора в З.С. определяется кустовым способом разбуривания скважин. Сепарация в 2-3 ступени: I - при давлении 0,4-0,8МПа перед ДНС или на комплексных сборных пунктах (КСП). Газ после I стадии может транспортироваться на 100км и далее.

В зависимости от того, какие процессы идут на КСП системы сбора на месторождениях Западной Сибири классифицируют в 2 группы:

I группа - системы сбора, где всю собранную нефть окончательно подготавливают на ЦППН. В этом случае I ступень сепарации осуществляется на КСП, ввод деэмульгатора - перед сепараторами. Обезвоживание частичное, без подогрева. Частично обезвоженную нефть перекачивают на ЦППН, где находятся II и III ступени сепарации при давлениях 0,25 и 0,105МПа и происходит окончательное термохимическое обезвоживание

II группа - системы сбора, где на КСП проводят полное обезвоживание нефти и I ступень сепарации. На НКТ имеются аппараты (напорные) предварительного сброса, блочные или стационарные нагреватели и отстойники (электродегидраторы) для глубокого обезвоживания

В этих схемах горячую воду и деэмульгатор подают в трубопровод перед I ступенью сепарации. Частично обезвоженная нефть под давлением сепарации проходит блок нагрева, трубопровод каплеобразователь и окончательно обезвоживается в отстойниках. Затем потоки газонасыщенной обезвоженной нефти сливаются и подаются на ЦППН насосами. Здесь происходит сепарация II и III ступени и нефть подаётся в магистральные трубопроводы. Газ либо используется на собственные нужды, либо подаётся на ГПЗ.

Унифицированные технологические схемы сбора и подготовки РД 39-1-159-72

Разработаны Гиировостокнефтью и ВНИИСПТнефть на основании анализа и обобщения последних достижений и научных исследований в этой области.

В основе - совмещение в системе сбора гидродинамических и физико-химических процессов для подготовки продукции скважин, для её разделения в специальном оборудовании повышенной производительности при максимальном концентрировании основного оборудования по подготовке на ЦНСП. Это даёт возможность реализации мероприятий по комплексной автоматизации нефтепромысловых объектов с наименьшими капиталовложениями и эксплуатационными расходами.

Существует 2 варианта унифицированных систем сбора:

По 1 варианту I стадия сепарации и дожимная станция с предварительным обезвоживанием располагается на месторождении. Процесс предварительного обезвоживания проводится при давлении сепарации. Качество сбрасываемой воды необходимо обеспечить таким, чтобы оно удовлетворяло требованиям по закачке её в пласт, трещиновато-пористые коллекторы.

По 2 варианту на месторождении нет сброса воды, располагается лишь сепарационная установка с насосной откачкой.

При выборе варианта схемы учитываются следующие показатели:

энергетические возможности месторождения в основной период разработки

способ эксплуатации скважин

физико-химические свойства нефти и нефтяной эмульсии

рельеф местности, который характеризуется суммой геодезических подъёмов (параметр h)

Унифицированная технологическая схема комплексного сбора и подготовки нефти газа и воды нефтедобывающего района

2.5 Принципиальная схема получения товарной нефти в НГДУ

Продукция скважин по выкидным линиям поступает на замерную установку для определения дебита каждой отдельной скважины, далее на промежуточный сборный пункт или дожимную насосную станцию, откуда направляется на центральный пункт сбора и подготовки нефти, газа и воды. Товарная нефть перекачивается в товарные резервуары нефтепроводных управлений для дополнительного транспорта. Газ после соответствующей подготовки поступает потребителю или обратно на месторождение для подачи на газлифтные скважины. Отделившаяся вода после подготовки по водопроводу закачивается в продуктивные пласты или поглощающие горизонты.

При разработке залежи, работающей на естественном режиме продукцию фонтанных скважин, имеющих на устье давление 0,6Мпа, предварительно пропускают через сепараторы высокого и среднего или только среднего давления откуда жидкость поступает на ГЗУ, а газ - на ГПЗ.