Механизм движения газонефтяной смеси по вертикальным трубам

Подъем газожидкостной смеси сопровождается относи­тельным движением в жидкости газовых пузырьков различных размеров (скольжение газа). Скорость всплывания газового пузырька зависит от многих факторов: от размера пузырька, от вязкости жидкости, от плотности жидкости и газа, от физиче­ских свойств поверхности раздела, взаимодействия пузырьков, влияния стенки трубы. Пузырьки газа в жидкости могут быть в различной степени раздроблены (диспергированы). Структура газожидкостной смеси зависит от объемных расходов жидкой и газовой фаз, от газосодержания, диаметра лифта, физико-химических свойств фаз и т.д. В зависимости от этого выде­ляют следующие структуры газожидкостной смеси (рис. 3.5): эмульсионная (пузырьковая, пенная); четочная (снарядная, пробковая); стержневая (дисперснокольцевая).

Рис. 3.5. Структуры газожидкостных смесей:

а - эмульсионная; б - четочная; в - стержневая;

Эмульсионная структура характеризуется тем, что газо­вые пузырьки различных размеров (но меньших, чем диаметр трубы) более или менее равномерно распределены в жидкости. Расстояния между пузырьками могут быть различны. Такая структура обычно проявляется при малой газонасыщенности (если она несоздается искусственно) и характеризуется суще­ствованием малых относительных скоростей газа в жидкости при их значительном изменении.

Например, многие фонтанные скважины девонских место­рождений восточных районов имеют эмульсионную структуру движения смеси. Диаметры газовых пузырьков колеблются от 0,1 до 0,3 мм, а относительная скорость их всплывания в жидкостях различной вязкости изменяется от 1 см/с до 30-40 см/с Необходимо отметить, что на сохранение эмульсионной структуры и ее стабильность влияет физико-химический состав жидкости и газа.

Четочная структура образуется при повышении газосодер­жания смеси и характеризуется наличием газовых четок, пере­крывающих практически все сечение трубы и чередующихся с четками жидкости. Четки газа содержат капельки жидкости, а четки жидкости - пузырьки газа. Размеры и взаимное рас­положение четок самое различное. При такой структуре отно­сительные скорости газа могут иметь самое различное значение, достигая значительных величин. Исследования показывают, что относительные скорости газа при такой структуре изменяются от нескольких см/с до нескольких м/с Средняя величина от­носительной скорости колеблется от 40 до 120 см/с.

Стержневая структура образуется при значительном уве­личении газосодержайия смеси. При такой структуре основ­ная масса газа движется по центру трубы в виде стержня, а жидкость увлекается им и движется по стенкам трубы в виде тонкого слоя. В слое жидкости имеются малые пузырьки газа, а газовый стержень насыщен капельками жидкости. При такой структуре относительные скорости движения газа достигают больших величин.

В реальных условиях движение газонефтяных смесей в скважинах может иметь все три структуры. В нижней части лифта при больших давлениях движущаяся смесь имеет эмульсионную структуру. По мере подъема, а следовательно снижения давления, эмульсионная структура может переходить в четочную. Значительное снижение давления в верхней части лифта создает предпосылки для возможного перехода четочной структуры в стержневую.

Характеристика подъемника

Характеристикой подъемника называют графическую за­висимость дебита жидкости q в функции объемного расхода газа V,T.e.q =f(V).

Для постоянного диаметра подъемника (d=const) характе­ристика определяется постоянным значением полного гради­ента потерь давления .

На рис. 3.6 представлены характеристики подъемника постоянного диаметра для различных значений градиентов давлений . Анализ этих зависимостей показывает, что дебит жидкости для данного диаметра подъемника при постоянном расходе газа определяется только параметром ; к тому же при возрастании растет и дебит.

Влияние диаметра подъемника на его характеристику для постоянного значения проследим по рис. 3.7: по мере увеличе­ния диаметра подъемника область его работы (дебит жидкости и расход газа) также увеличивается.

Для реальных длинных подъемников форма характеристики подъемника не изменяется. Рассмотрим более подробно харак­теристику подъемника, представленную на рис. 3.8.

На ней можно отметить четыре характерные точки — 1,2,3 и 4.

Точка 1 называется точкой начала выброса. Количество газа V в данном случае является тем минимально необходимым объемным расходом, при котором уровень смеси поднимается

до устья (от точки 0 до точки 1 происходит процесс насыщения жидкости свободным газом).

Касательная из начала координат к характеристике подъ­емника дает точку 2. Точка 2 называется точкой оптимальной работы подъёмника (q_onm), т.е. в данной точке энергетические затраты на подъем единицы жидкости минимальны (КПД максимален), а режим работы подъемника в этой точке опти­мальный.

Для рассматриваемого подъемника (d, = const) условия подъема жидкости в любой точке характеристики одинаковы, однако энергетические затраты существенно различны.

Точка 3 — максимальная точка — указывает ту максималь­ную производительность q_макс, которую возможно получить на данном подъемнике.

Точка 4 называется конечной точкой; область между точка­ми 2 и 3 — рациональной областью работы подъемника.

Рассматривая работу газожидкостного подъемника, необ­ходимо отметить два принципиально различных режима его работы:

1. работа на режиме нулевой подачи (q = 0);

2. работа на режиме q > 0.

Работа на режиме нулевой подачи возможна в двух слу­чаях.

Во-первых, когда V < V_H (работа подъемника в интервале 0— 1). Потери давления в данном случае обусловлены потерями на преодоление гидростатического веса смеси (жидкости), по­терями на скольжение газа и пренебрежимо малыми потерями на трение, возникающими при подъеме смеси до устья по мере насыщения ее свободным газом. Физически явление представ­ляет собой барботаж газа через столб жидкости.

Во-вторых, когда V > V_H (работа подъемника за точкой 4). Физически этот случай работы подъемника отражает движение газа, причем вся энергия расходуется на преодоление сил трения (весом газа пренебрегают).

Работа на режиме q > 0 осуществляется между точками 1 и 4. Начиная от точки 1, рост объемного расхода газа У приводит к росту объемного расхода жидкости q, что связано со снижением плотности смеси р_см и незначительным увеличением потерь на трение. При этом градиент суммарных энергетических затрат , снижается. В данном случае снижение плотности смеси р_см при увеличении доказывается преобладающим по сравнению с ростом потерь на трение. Это явление наблюдается до точки 3, в которой суммарный градиент потерь невысок, а объемный расход жидкости максимален. Начиная от точки 3, увеличение объемного расхода газа V приводит к снижению объемного рас­хода жидкости q, что связано со значительным ростом потерь на скольжение и трение, причем незначительное снижение плот­ности смеси не компенсирует их роста. Суммарный градиент потерь возрастает, что ведет к снижению дебита жидкости.

Расчетные формулы Крылова

Для практических целей параметры работы фонтанных и газлифтных скважин можно определить по формулам, пред­ложенным А.П. Крыловым. Формулы получены при условии, что вязкость жидкости равна 5 мПас. Для вывода формул А.П. Крылов принял следующие допущения: расширение газа происходит по закону Бойля-Мариотта; давление по длине труб изменяется по уравнению прямой линии; поток движущейся смеси имеет пробковую структуру.

Всякий фонтанный подъемник работает при том или ином относительном погружении:

где Р_б - давление у башмака подъемных труб.

Обычно эти значения лежат в пределах 0,3-0,65. Для усло­вия 0,3 < < 0,65 КПД подъемника при его работе на оптималь­ном (Q_onm) и максимальном (Q_max) режимах мало отличаются друг от друга. Поэтому следует стремиться к тому, чтобы фон­танный подъемник работал в промежуточном режиме между Q_onm и Q_max- Работа вблизи точки Q_max отличается наибольшей устойчивостью.

Крылов А.П. рекомендует для практического применения простые формулы для определения подачи газожидкостного подъемника для этих двух основных режимов.

Если Р_б>Р_нас, то в эти формулы необходимо подставить вместо Р_б давление насыщения Р_нас, а вместо L расстояние L от устья до точки, где давление равно Р_нас.

Анализ формул (3.21) и (3.22) показывает, что с увеличе­нием относительного погружения от 0 до 1 значение макси­мальной подачи Q_max возрастает от 0 до 55d³, а оптимальная подача Q_onm возрастает от 0 до наибольшего значения (10,225d³) при =0,6, затем уменьшается до нуля. Отсюда следует, что для достижения наибольшей оптимальной подачи необходимо обе­спечивать относительное погружение =0,6.