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 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 [ 149 ] 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182

ности мигрировать через более крупные и выноситься на поверхность. При «цементации» мелкими частицами облака из частиц гравия средних фракций образовывалась пробка, которая не разрушалась при остановке и повторном пуске насоса.

Аналогичные сведения об образовании гравийных пробок в восходящем потоке жидкости были получены автором совместно с сотрудниками на геотехнологических скважинах в Средней Азии. Гравий закачивали в скважину через вспомогательную колонну труб, спущенную в кольцевое пространство. По мере закачки над фильтром-каркасом образовалась гравийная пробка, которая разрушилась в процессе эксплуатации, о чем свидетельствовало резкое проседание уровня гравийного материала (около 10 м), намытого в кольцевое пространство скважины.

Для проверки правомерности второй гипотезы пробкообразования для восходящего потока, согласно которой частицы неправильной формы смещаются к границам потока, налипая на стенку и формируя таким образом гравийные пробки, была проведена серия экспериментов. В кольцевое пространство модели устанавливали специальное устройство, состоящее из коаксиально установленных на перфорированном металлическом кольце, обтянутом латунной сеткой, и патрубков длиной 0,150 м. В процессе осаждения гравийных частиц они попадали в межтрубные зазоры между патрубками. Анализ формы частиц, отложившихся в каждом межпатрубковом зазоре, позволяет судить о распределении частиц гравия в поперечном сечении потока в зависимости от их формы (рис. 8.23, а).

Хорошо окатанные частицы гравия (k = 0,81) движутся в центральных сечениях потока. При уменьшении коэффициента формы частиц они смещаются к границам потока. Между стенками скважины и центральным сечением потока откладываются частицы гравия со средним коэффициентом формы 0,7, а между стенками фильтра и центральным сечением потока - 0,6. Частицы наиболее неправильной формы движутся и зависают у фильтровой колонны, а не у стенок скважины. Это объясняется тем, что эпюра скоростей в кольцевом пространстве скважины не носит симметричный характер, как было принято ранее. Градиент скорости у фильтровой колонны выше, чем у стенок скважины, и поэтому, согласно уравнению (8.21), частицы неправильной формы быстрей смещаются к фильтру, чем к стенкам скважины.

Во всех опытах, проведенных при ламинарном режиме движения восходящего потока, отмечалось, что центральные сечения занимают более крупные фракции гравия правильной формы, а периферийные сечения - более мелкие. Эти результаты хорошо подтверждаются данными экспериментов, проведенных А.Е. Смол-

Рис. 8.23. Диаграммы распределения частиц гравия в поперечном сеченнн потока от формы

дыревым. Частицы правильной формы больших размеров занимают центральные сечения потока быстрее, чем более мелкие, что хорошо объясняется уравнением (8.16). Чем больше размер гравийной частицы, тем больше перепад давления на противоположных от вертикальной оси симметрии ее сторонах и соответственно больше усилие, смещающее частицы правильной формы к центру. Поэтому крупные частицы быстрее занимают центральные сечения потока, чем мелкие. Частицы неправильной формы крупных фракций быстрее занимают периферийные сечения потока.

Следовательно, частицы крупных фракций гравия быстрее распределяются по поперечному сечению потока в зависимости от формы, чем более мелкие. Перемещение в горизонтальной плоскости мелких фракций затрудняется наличием препятствий из крупных частиц гравия, уже занявших определенное положение в потоке, соответствующее их форме (см. рис. 8.16). Поэтому в эксперименте при изучении горизонтального перемещения частиц в потоке в зависимости от их формы исключение из правила составляли только мелкие фракции гравия. Так, часть частиц неправильной формы (около 5 %) двигалась в центральных сечениях потока, а некоторые мелкие частицы правильной формы - в периферийных сечениях.

Очевидно, что с увеличением длины модели (и соответственно времени движения частиц) все частицы в ламинарном восходящем потоке независимо от крупности займут строго определенное положение.

Проведенные опыты позволили выявить критерии пробкообразования в ламинарном восходящем потоке. Пробкообразование

наблюдаться не будет (первая гипотеза), если концентрация с гравийных частиц, зависающих в кольцевом пространстве скважины, в общем объеме гравия меньше некоторых критических значений

c < Скр1. (8.71)

Пробкообразование наблюдаться не будет (второй вариант), если при k < kкр не превышает допустимых значений

c < Скр2. (8.72)

Значения скр1 и скр2 были выражены через размеры кольцевого пространства скважины. Оказалось, что критические значения концентрации некондиционного по размерам и форме гравия соответствуют 8-9 и количествам частиц, укладывающимся в поперечном сечении потока. Поэтому число некондиционных гравийных частиц, используемых при закачке гравия,

c < 8 - 9D2d2. (8.73)

С учетом конструкций скважин на воду объем некондиционных по форме и размерам гравийных частиц, при котором не будет пробкообразования, не превышает десятых долей процента от общего объема гравия, используемого при засыпке. Очевидно, что такой качественной сортировки гравия по крупности и форме осуществить при современной технологии невозможно, поэтому способы сооружения гравийных фильтров в скважине при наличии восходящего потока в кольцевом пространстве применять не следует.

Пробкообразование в нисходящем потоке в кольцевом пространстве скважины

Пробкообразование в нисходящем потоке жидкости возникает за счет зависания частиц неправильной формы у границ потока, а затем - у слоя уже зависших частиц. Гравийная пробка формируется начиная от границ потока в направлении к его центру (вторая гипотеза пробкообразования). Это положение было проверено автором в лабораторных условиях.

В кольцевом пространстве скважины устанавливался нисходящий поток воды согласно критериям подобия G = 0,1 • 103-0,4 • 104, что соответствовало ламинарному режиму движения смеси (Re < 200). Процесс осаждения частиц гравия в нисходящем по-