Основные параметры, характеризующие работу газлифтного подъемника

Рассмотрим схему газожидкостного (газлифтного) однорядного подъемника и его работу. Для примера возьмем подъемник, который состоит из двух труб (рисунок 2.3). В трубу большего диаметра, выполняющую функцию обсадной эксплуатационной колоны (3), спускается труба меньшего диаметра - НКТ (2). Нижние концы труб помещены в большую по площади и объему емкость 1, имитирующую пласт с жидкостью. Жидкость требуется поднять на заданную высоту.

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема газожидкостного подъемника

Жидкость будет подниматься по прозрачной вертикальной трубе 2, имитирующей такие элементы скважины как забой и устье. Эта труба опущена в жидкость на величину h₁, называемую погружением под уровень жидкости. На плоскости, соответствующей нижнему концу трубы, действует давление P₁. Это давление зависит от величины погружения и плотности жидкости р_Ж и определяется по формуле:

(2.1)

где: Ро - нормальное давление, равное 101325 Па.

Расстояние L вдоль оси трубы между нижним ее концом и боковым отводом на верхнем конце трубы (устьем) называется длиной скважины. При работе скважины устьевое оборудование оказывает местное сопротивление движению ГЖС. Поэтому в трубе-скважине на плоскости, проходящей через этот боковой отвод, будет действовать давление Р₂, формула для выражения которого по аналогии с (2.1) может быть записана в виде:

(2.2)

Для подачи рабочего агента используется кольцевое пространство между трубами, а для сбора и замера поднятой смеси служит емкость 4. На рисунке 1 показаны три стадии процесса:

1. до подачи в затрубное пространство сжатого газа;

2. подача под давлением P₁ незначительного количества сжатого газа;

3. подача под давлением P₁ количества газа, достаточного для осуществления подъема жидкости до отвода (устья).

Баланс давления для работающей на установившемся режиме модели скважины (без учета потерь давления на возрастание скорости движения ГЖС по длине трубы и на шероховатость трубы) может быть представлен уравнением:

(2.3)

где: ‑ плотность газожидкостной смеси;

Pтр – потери давления на трение при движении ГЖС.

С учетом формул (2.1) и (2.2) уравнение (2.3) примет вид:

Если каждый член последовательного выражения поделить на , то уравнение (2.3) преобразуется в безразмерный вид:

(2.4)

Левая часть уравнения (2.4) ‑ это суммарные удельные (на единицу длины трубы) затраты напора. Располагаемый напор расходуется на преодоление напора столба ГЖС в трубе и на трение ГЖС. Первое слагаемое в уравнении (2.4) часто называют потерями скольжения, второе - потерями трения. Применение термина «потери на скольжение» указывают на то, что плотность ГЖС зависит от величины относительной скорости газа.

Левую часть уравнения (2.4) можно назвать относительным погружением подъемной трубы под уровень жидкости и обозначить :

(2.5)

Подъем ГЖС сопровождается относительным движением в жидкости (скольжением) газовых пузырьков различной формы и различного диаметра.

Под относительной скоростью движения (подъема) газа υ_отн понимается разность между истинной скоростью движения газа υ_г и истинной скоростью движения жидкости υ_ж, т.е.

(2.6)

где: Qг,Qж - соответственно, расходы газовой и жидкой фаз при термодинамических условиях потока в трубе;

, ‑ площади сечения трубы, занятые газом и жидкостью. На величину относительной скорости движения газа оказывают влияние размер пузырьков, свойства жидкости и газа и другие факторы. В реальных условиях нет возможности определить истинные значения скоростей, так как нет данных о сечении трубы, занимаемых, соответственно, жидкостью и газом. Тогда приходится оперировать приведенными скоростями жидкости и газа:

; ; (2.7)

где: f – площадь сечения трубы.

Истинные скорости для любого сечения трубы можно выразить через приведенные. Для этого надо знать значение истинной объемной концентрации газа β_и, определяемого отношением:

(2.8)

Газожидкостный поток также характеризуется таким параметром как расходная объемная концентрация газа β_р

(2.9)

Соотношение между расходной и истинной объемной концентрацией газа является одним из основных в гидродинамике газожидкостных потоков. Из-за скольжения газа имеет место следующее неравенство:

βи < βр, (2.10)

Рассмотрим движение ГЖС в вертикальных трубах с точки зрения взаимного расположения двух фаз в потоке. Степень диспергирования газа в жидкости может быть различной. В зависимости от этого принято выделять различные структуры движения ГЖС (рисунок 2.4).

Эмульсионная структура характеризуется тем, что мельчайшие и мелкие газовые пузырьки достаточно равномерно распределяются в потоке жидкости. Из-за малого размера относительная скорость пузырьков газа обычно не превышает величину 0,4 м/с. Такая структура характерна, например, для фонтанных скважин, когда давление в потоке ГЖС незначительно понижено относительно величины давления насыщения.

При дальнейшем снижении давления размер газовых пузырьков увеличивается, они интенсивно взаимодействуют друг с другом, укрупняются за счет слияния. В результате начинают появляться пузыри, соразмерные с диаметром трубы, а по своей внешней форме напоминающие снаряды или пробки (четки). Такие крупные пузыри движутся, в основном, по центральной части трубы. Величина относительной скорости газа при этой структуре обычно находится в пределах от 0,4 до 1,2 м/с. Такая структура характерна для газлифтного способа эксплуатации скважин, когда газ вводится в жидкость без специальных диспергирующих устройств.

а	б	в

Рисунок 2.4 – Схематическое изображение основных структур восходящего газожидкостного потока: а) эмульсионная (пузырьковая, пенная); б) снарядная (пробковая, четочная); в) стержневая (кольцевая, туманная).

При дальнейшем снижении давления крупные пузырьки могут объединяться в сплошной газовый стержень, содержащий мелкие капельки жидкости (туман). Вблизи стенки вертикальной трубы будет наблюдаться слой ГЖС в виде кольца, напоминающий эмульсионную структуру. Относительная скорость газа может существенно возрасти, значительно превышая величину 1,2 м/с.

Следует иметь в виду, что такая качественная характеристика газожидкостного потока как структура может оказывать существенное количественное влияние на эффективность подъема жидкости. При прочих одинаковых условиях газлифтный эффект будет выше в случае эмульсионной структуры. Допускать существование стержневой структуры в скважинах вообще не рекомендуется. Газлифтный эффект ‑ это высота, на которую поднимается жидкость за счет газа.

Исследуем влияние установившегося объемного расхода газа (Q_г), приведенного к нормальным условиям, на установившийся объемный расход жидкости (Q_ж). В каждом опыте сначала следует добиться установившегося процесса движения в вертикальной трубе-скважине, а затем сделать замер соответствующих установившемуся режиму течения значений расходов газа и жидкости. Если результаты замеров нанести в декартовой системе координат, то получится следующая зависимость (рисунок 2.5). Полученную зависимость называют характеристической кривой или кривой лифтирования. Кривая лифтирования начинается не из начала координат, на ней имеется несколько особых (характерных) точек. Точка 1 соответствует начальному режиму работы подъемника, т.е. моменту, когда столб ГЖС достигает устья скважины (верхнего отвода трубы). Расход жидкости в этой точке еще равен нулю. В точке 2 наблюдается максимальное значение расхода жидкости. Режим работы газлифтного подъемника в точке 2 называется максимальным. При дальнейшем увеличении расхода газа расход жидкости начинает снижаться и в точке 3 становится равным нулю (конечный режим работы).

Рисунок 2.5 – Кривая лифтования

На кривой лифтирования имеется еще одна особая точка - точка 4. Ее местоположение очень просто устанавливается графически. Для этого достаточно из начала координат провести прямую, касательную к кривой лифтирования. Режим работы газлифтного подъемника в точке 4 называется оптимальным. Процесс подъема жидкости за счет энергии сжатого газа в точке 4 происходит с максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) и минимальным значением R_ог. Отрезок между точками 4 и 2 кривой лифтирования называется рабочим отрезком кривой лифтирования.

Известно, что КПД определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, переданному системе. В рассматриваемом случае необходимо произвести подъем жидкости на высоту L ‑ h₁ и преодолеть противодавление на выкиде. Это будет полезно использованная энергия, или полезно затраченная работа, которую можно выразить следующим образом:

,

где t – время.

Подъем жидкости происходит за счет энергии сжатого газа. Если принять, что при снижении давления от P₁ до P₂ процесс расширения газа происходит изотермически, то суммарное количество затраченной энергии можно записать выражением

Тогда формула для определения КПД примет вид:

(2.11)

Из последней формулы следует, что КПД обратно пропорционален отношению:

(2.12)

Последнее отношение называется удельным расходом рабочего агента. На рисунке 2.6 представлена зависимость R_г от Q_г.

Рисунок 2.6 – Зависимость удельного расхода от объемного расхода газа (d=const; =const)

Для максимального и оптимального режимов работы газлифтного подъемника формулы Крылова имею вид:

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

(2.17)

(2.18)

На рисунке 2.7 представлено семейство кривых лифтирования для различных величин диаметра подъемника, а на рисунке 2.8 - для различных величин относительного погружения подъемника.

Рисунок 2.7 ‑ Кривые лифтирования для различных диаметров подъемника (d_l<d₂<d₃; =const)

Рисунок 2.8 ‑ Кривые лифтирования для различных величин относительного погружения (h>h₂> h₃;d =const)