Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [ 13 ] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121

заполненную жидкостью, в виде е», а газом - в виде 1-еш = ег. Тогда скорость жидкости можно выразить следующим образом:

а скорость газа

Яг г

5тр(1 - вж) (1 - Ёж)

Скорость проскальзывания газа, пропорциональная потерям скольжения

V = (I 4-15)

Градиент давления зависит от ряда независимых переменных. Как считает Рос (1961 г.), число таких переменных может доходить до 10 (внутренний диаметр колонны, относительная шероховатость стенок труб, отклонение оси колонны труб от вертикали, скорость потока, плотность, вязкость жидкости и газа, поверхностное натяжение, угол смачивания, ускорение свободного падения). Существует также ряд других факторов, влияющих на градиент давления, которые желательно учитывать.

При течении по вертикальным трубам поток может принимать различные формы, как это было показано. В литературе не приводится установившаяся классификация структур двухфазного потока. Наиболее естественной представляется следующая классификация.

1. Пенная (пузырьковая) структура. При таком режиме течения в непрерывной жидкой фазе диспергированы пузырьки газа, размер и число которых могут значительно колебаться; газовый фактор для пенной структуры обычно меньше, чем для других. Если пузырьки газа движутся более или менее параллельно оси колонны груб, структура течения переходит в пузырьковую; для пенной структуры характерно турбулентное движение газовых пузырьков.

2. Пробковая структура. Газовый фактор в этом случае выше, чем при пеныой структуре, и в некоторых местах газ полностью заполняет сечение трубопровода. Пробковая структура - последовательно движущиеся пробки газа и жидкости. В то же время в самих газовых пробках могут быть диспергированы мельчайшие капли нефти в виде «тумана», а в нефтяных пробках - включения пены.

3. Распыленный (дисперсный «туманный») поток. При таком режиме непрерывной фазой является газовая, в которой распылены мельчайшие частицы жидкой фазы; для такого режима течения характерен еще более высокий газовый фактор.

В нефтяных фонтанирующих и газлифтных скважинах наиболее часто представлены структуры 1 и 2, в то время как в газоконденсат-ных скважинах - структура 3.

Трудно разграничить отдельные структуры двухфазного течения. По мнению, например Гладкова, верхним пределом существования пенного режима течения является величина газового фактора 20 м/м. По

Крылову, верхним пределом существования пробкового (четочного) режима течения может быть газовый фактор 100 м/м (Муравьев и Крылов, 1949). Дане и Рос считают, что на структуру потока в значительной степени наряду с эффективным газовым фактором влияет и скорость потока. Диаграмма на рис. 1.4-10, построенная этими авторами, представляет собой взаимосвязь безразмерной скорости жидкости (ось абсцисс) и безразмерной скорости газа (ось ординат). На этом рисунке римскими цифрами показаны структуры потока. Область III соответствует распыленному «туманному» течению, хотя области I и II не полностью соответствуют пенной и пробковой структурам.

Все существующие на сегоднящний день и представляющие практический интерес теории движения двухфазного потока по вертикальным трубам можно объединить на основе теории баланса энергии. При этом основная взаимосвязь

устанавливается либо по балансу давлений, либо на основе экспериментально построенных графиков. К первой группе таких теорий относятся теории Крылова и Поэтмана - Карпентера. По этим теориям поток предполагается изотермическим или, что более точно, допускается, что влияние изменений теплосодержания потока на баланс энергии незначительно. На основе формулы (1.2-1) для бесконечно малого участка трубопровода можно написать уравнение энергии в предположении, что р = рсм плотность смеси, V - ее скорость, dha - потери энергии. Разделив уравнение энергии на g, получим

dp "" +dA+d/i„ = 0. (1.4-16)

Рис. 1.4-10. Структуры течения двухфазного потока по вертикальным трубам (Дане и Рос, 1963)

РсмЯ

Выразим плотность через удельный объем, т. е. представим 1/рсм= = V и подставим это выражение в уравнение (1.4-16). После интегрирования в пределах давлений от бащмака (pi) до устья скважины (рг) получим уравнение, действительное для всей длины подъемника

Р1 2

(1.4.17)

Последний член правой части этого уравнения выражает общую потерю удельной энергии между башмаком колонны и устьем скважины.

а) Теория Крылова. Зависимости q. и <7ж при работе подъемной колонны

Теория Крылова (Муравьев и Крылов, 1949) основана на результатах лабораторных исследований. Экспериментальная модель состояла из стандартных насосно-компрессорных труб длиной 18-20 м. На обоих концах труб были установлены быстрозакрывающиеся краны и манометры. Крылов допустил, что трубы такой длины могут быть приняты бесконечно малой длины. Прямая цель этих экспериментов заключалась в установлении констант уравнения (1.4-18). Выполняя эксперименты при нагнетании в трубы воздуха, при определении потерь на трение Крылов допускал, что вязкость нефти в пять раз превышает вязкость воды. Членом vdvlg уравнения (1.4-16) ввиду его малости можно пренебречь.

Предположим, что рсмё=усм и умножим обе части этого выражения на усм/тж/г, где уж - удельный вес жидкости, который должен сохраняться постоянным независимо от изменений температуры и давления. Тогда

dp YcM I YcM/гц Ужdh 7ж Ужdh •

где dp/ymdh - градиент давления, выраженный в единицах высоты столба жидкости; в дальнейшем эта величина будет обозначена через I.

Второй член правой части этого уравнения характеризует градиент потерь напора на трение й, выраженный аналогичным образом в единицах высоты столба жидкости. В новой записи уравнение будет иметь следующий вид:

= +5,. (1.4-18)

Значения , усм и уш можно однозначно определить для различных скоростей воздуха и воды при разных значениях диаметра труб. Используя полученные таким образом данные, Крылов предложил соотношение

9г + <7ж + 0.785<

Этим выражением кроме гидростатического давления жидкости учитываются потери напора на скольжение. Для h Крылов вывел трехчленное выражение, в котором второй член представляет собой потери напора на трение в случае, если по трубам течет только газ, а третий член - аналогичные потери для случая подъема по трубам жидкости. Первый член правой части приведенного уравнения характеризует дополнительные потери напора вследствие двухфазного характера тече-