Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ параметров двухфазных газожидкостных потоков 16
1.1. Соотношение величин компонентов фаз при совместном транспорте нефти и газа по трубопроводам 16
1.2. Роль истинного газосодержания смеси в потоках с маловяз кой жидкой фазой. 23
1.3. Связь коэффициента скольжения с перепадом давления в двухфазных газожидкостных потоках 31
1.4. Характер изменения коэффициента скольжения при изменении расходного газосодержания смеси 37
1.5. Анализ способов определения истинного газосодержания смеси. 49
Выводы. 61
2. Исследование составляющих потерь давления при движении газожидкостных смесей 63
2.1. Определение перепада давления при совместном движении жидкости и газа с плоской границей раздела фаз 63
2.2. Влияние профиля трассы на перепад давления при движении нефтегазовых смесей 72
2.3. Исследование влияния сил на восходящих и нисходящих участках трубопровода на расход энергии 79
2.4. Экспериментальные исследования режимов при транспорте нефтегазовой смеси на опытно-промышленной установке 82
2.5. Влияние профиля трассы на общие энергозатраты при транспорте нефтегазовой смеси 89
Выводы 97
3. Исследование влияния пульсаций давления на эффективность работы трубопроводов 98
3.1. Характеристика однонаправленного двухфазного потока в трубопроводах 98
3.2. Распределение фаз при пробковой структуре движения газо жидкостных смесей ПО
3.3. Определение составляющих перепада давления при раздельно-волновой структуре движения газожидкостных смесей 116
Выводы 121
4. Анализ способов и технических средств для снижения энерго затрат при транспорте нефтегазовых смесей по трубопроводам 122
4.1. Разработка способа сохранения тепловой энергии добываемого из недр углеводородного сырья 122
4.2. Расчет величины давления в начальном и конечном пунктах при сборе и транспорте газонефтяных смесей 127
4.3. Разработка технологии однотрубного транспорта нефтегазо вой смеси. 133
4.4.0ценка возможности создания приемлемых структурных форм путем диспергирования газа в потоке с жидкостью 145
4.5. Разработка технологии транспорта и разделения газожидкостной смеси 169
Выводы. 181
5. Экспериментально-теоретические исследования повышения эффективности совместного транспорта нефти и газа по трубопроводу 182
5.1. Анализ существующей технологии совместного транспорта углеводородного сырья. 182
5.2. Определение области давлений для обеспечения наибольшей скорости растворения газовых скоплений в трубопроводе 188
5.3. Расчет пусковых давлений и времени выхода на стационарный режим транспорта газожидкостных смесей по трубопроводам. 192
5.4.0боснование оптимальных условий совместного транспорта высоковязкой жидкости и газа по трубопроводу 196
5.5. Разработка способа транспорта нефти совместно с попутным газом и пластовой водой по трубопроводу 206
5.6. Определение величины затрат энергии на диспергирование газа в потоке жидкости 211
Выводы. 215
6. Исследование закономерностей совместного транспорта газа и нефти с высоким газосодержанием 217
6.1. Оценка способа формирования структурных форм нефтегазового потока смеси в области высоких газовых факторов 217
6.2. Схема распределения нормальных давлений на поверхности капли, обтекаемой газовым потоком 221
6.3. Изменение коэффициента скольжения фаз смеси в зависимости от вязкости жидкости при фиксированном объемном расходном газосодержании и постоянном значении вязкости 224
6.4. Изменение наполнения трубопровода жидкостью в зависимости от изменения фактической скорости газовой фазы и коэффициента скольжения фаз смеси 231
6.5. Влияние критерия Вебера на устойчивость однородной
эмульсионной структуры и воздействие на нее с целью сохранения. 236
6.6. Расчет диаметра трубопровода для систем сбора и транспорта газожидкостных смесей с высоким газосодержанием 239
6.7. Оценка составляющих удельного расхода энергии при транспорте газожидкостных смесей. 242
6.8. Разработка конструкции устройства для выделения жидкости из потока смеси с высоким газосодержанием ч. 244
Выводы 253
Основные выводы и рекомендации 255
Список использованных источников
- Связь коэффициента скольжения с перепадом давления в двухфазных газожидкостных потоках
- Влияние профиля трассы на перепад давления при движении нефтегазовых смесей
- Определение составляющих перепада давления при раздельно-волновой структуре движения газожидкостных смесей
- Расчет величины давления в начальном и конечном пунктах при сборе и транспорте газонефтяных смесей
Связь коэффициента скольжения с перепадом давления в двухфазных газожидкостных потоках
При совместном движении по трубе круглого сечения газовой и жидкой фаз можно наблюдать довольно обширное разнообразие структурных форм. Их форма и существование зависят от многих факторов, связанных как со свойствами самих фаз, их расходного соотношения, так и с условиями пролегания трубопровода. Если в поток жидкости непрерывно вводить небольшое количе ство газа, то он формируется в мелкие пузырьки. Независимо от точек ввода в горизонтальном трубопроводе они концентрируются около верхней образующей трубы. При малых скоростях движения жидкой фазы они могут находиться в неподвижном состоянии или двигаться с отставанием. Это так называемая область отрицательных относительных скоростей. Неподвижность, отставание и толщину слоя газовых пузырьков в этом случае с учетом архимедовой подъемной силы для газовых включений можно объяснить скоростью движения жидкой фазы. Дело в том, что скорость при прочих равных условиях определяет режим движения, от которого зависит толщина пограничного слоя. Чем ниже скорость движения жидкости, тем значительнее толщина пограничного слоя и тем благоприятнее условия по удержанию газовых пузырьков у верхней образующей трубы. Подъемная сила, способствующая всплытию и прижатию пузырьков к верхней образующей трубы, превалирует над инерционной силой. Увеличение расхода или средней скорости движения жидкой фазы способствует росту скорости движения слоев жидкости у стенки, уменьшению толщины пограничного слоя, а это в свою очередь приводит к сдвижке пузырьков, к их укрупнению в четки, газовые полупробки. С момента наступления сдвижки пузырьков устанавливается область положительного скольжения газа относительно жидкости. При фиксированном расходе жидкой фазы с увеличением расхода газа величина "проскальзывания" газа относительно жидкости увеличивается. При этом наблюдается также увеличение скорости движения самой жидкой фазы.
Выражением (1.12) показано, что величина "проскальзывания" S = U"/U зависит от отношения а//3, в котором /? представляет объемное расходное газосодержание смеси. Его значение согласно (1.3) можно найти непосредственным замером объемного расхода газовой и жидкой фаз в начальном или конечном пунктах транспорта газожидкостной смеси после ее разделения или с использованием изотерм растворимости газа в жидкости для этих сред с приведением их значений к рабочему давлению.
Кроме Р, основным параметром, раскрывающим физическую сущность совместного движения газовой и жидкой фаз, является истинное газосодержание смеси а. Выявлению его роли, взаимосвязи с другими параметрами, раскрытию возможного характера зависимостей для его описания уделяется столь огромное внимание. О нем необходимо поговорить особо. Выше было сказано, что а в двухфазных газожидкостных потоках представляет собой усредненную площадь живого сечения трубопровода, которая приходится под газовую фазу. С самого начала заметим, что поскольку сопротивление движения той или другой среды зависит от режима ее перемещения, который характеризуется критерием Рейнольдса Re = Ud/ v, в двухфазных газожидкостных потоках при прочих одинаковых условиях (одинаковом расходе фаз) соотношение площадей, приходящихся под фазы, зависит от их физических свойств, вследствие чего изменяется также а. В то же время вследствие неразрывности потока смеси расход фаз остается постоянным. В этой связи из-за непостоянства соотношения площадей, приходящихся под газовую и жидкую фазы, меняются их скоростные характеристики, а вместе с ними соотношение сил инерции и сил тяжести.
Впервые связь между а к ft для смеси с маловязкой жидкой фазой (вода - воздух) была получена автором работы [7] А.А. Армандом. Исключительная заслуга автора работы [7] состоит в том, что он не только подтвердил наличие относительной скорости фаз смеси, но и достаточно точно ее измерил. Опыты в работе [7] проводились в гладких латунных трубках с внутренним диаметром около 0,026м. Длина участка труб для измерения перепада давления была 1,56 м, а в некоторых опытах 2,0 м. Стабилизирующий участок трубы (того же диаметра) достигал 6,0м. Весовое воздухосодержание изменялось от 0 до 95%, а расход воды - от 4,2 до 0,01 т/час. Среднее давление во всех опытах было близко к атмосферному и определялось в основном сопротивлением движения смеси.
Для определения истинного газосодержания смеси а А.А. Арманд в своих экспериментах использовал метод взвешивания. Путем сравнения веса экспериментальной трубки с водой и весом трубы со смесью воды и воздуха он экспериментально показал, что в большинстве своем а J3. Кроме того, для а и /3 при движении воздухо-водяной смеси им получены следующие зависимости: при /? 0,90 « = 0,833/?, (1.40)
Влияние профиля трассы на перепад давления при движении нефтегазовых смесей
Среди довольно большого количества примеров практического приложения вопросов технической гидромеханики немаловажную роль занимают вопросы совместного движения газожидкостных смесей по трубопроводам. Примером такого движения может служить транспорт извлеченной на земную поверхность газонефтяной смеси от устья скважины до пунктов сепарации и подготовки нефти. Данный процесс осуществляется за счет использования природной энергии пласта. Большое значение при этом уделяется изучению явлений, происходящих в трубопроводе, а особенно - исследованию гидравлических сопротивлений от трения при движении смеси.
В этом направлении можно назвать исследования В. Шугаева, С. Сорокина [194, 167], СИ. Костерина [85 -90], А.А. Арманда [7 - 10], Ю.А. Толасова [175], С.Г. Телетова [171 - 174], Н.Н. Константинова [82, 83], В.А. Архангельского [11, 12, 13], С.С. Кутателадзе и М.А. Стыриковича [124], А.И. Гужова [52 - 57], В.А. Мамаева, Г.Э Одишария и др. [137], И.М. Муравьева и Н.Н. Репина [138,139] и др.
К наиболее крупным работам, выполненным за рубежом, следует отнести, например, исследования Р.У. Локкарта и Р.К. Мартинелли [227], П.Д. Уайта и Р.Л. Хантигтона [226], О. Бейкера [203, 204], И.А. Чейвеза [212], Г. Уолли-са [180], Тонга [176], Coy [168] и др.
Анализ вышеперечисленных основных работ показывает, что многие авторы допускают одномерное движение смеси без наличия относительной скорости фаз. Такое допущение противоречит физической сущности процесса течения и вносит существенные ошибки при определении плотности смеси, сил сопротивления и других параметров. А если и предлагаются приемы расчета движения смеси с учетом относительной скорости, то в отношении последней выдвигаются гипотезы чисто логического характера, без подтверждения их экспериментами за исключением [8, 145, 50, 133]. Поэтому правильным на правлением, на наш взгляд, является направление более тонкого экспериментального исследования гидравлики совместного транспорта нефти и газа с учетом широкого изменения физико-химических свойств фаз смеси. Решение данной задачи может найти применение при эксплуатации газо-конденсатных месторождений.
Когда две фазы (газ и жидкость) движутся совместно по одной трубе, распределение их по поперечному сечению весьма разнообразно. Экспериментально установлено, что образование той или иной формы течения газожидкостной смеси, а отсюда и величина сопротивления зависят в основном от доли свободного газа, двигающегося в общем объеме смеси, от диаметра трубопровода, физических свойств компонентов и от угла наклона трубопровода.
При определенных условиях в горизонтальных трубах при /? 0, можно наблюдать полное разделение обеих фаз. Жидкость движется в нижней части трубы, а газ - в верхней. Жидкость смачивает только нижнюю часть периметра сечения трубы. Такой режим известен под названием «лоткового» течения [8]. Границу раздела в первом приближении можно считать плоской.
При данной модели двухфазного потока задача по определению перепада давления будет сводиться к нахождению потерь напора на трение для канала, который будет занимать каждая из перемещающихся фаз. Их площади, смоченные периметры и другие характерные величины в этом случае могут быть выражены через угол охвата одной из фаз, например, газовой фазы. Обозначим угол охвата газовой фазы через 2 р, тогда на долю жидкой фазы остается угол, равный 2(ж - (р). Площадь сечения трубы, занятая газовой фазой (F"), в этом случае будет равна F" = FceKTOpa - FA Оле = Д2(ф - Sin(pCos(p). (2.1) J7" = I сектора На долю жидкости будет приходиться площадь 7? = F-F" = TIR2- Л2((р - SincpCoscp) = R(% - ер + SincpCoscp), (2.2) где F - площадь поперечного сечения трубы. Смоченные периметры газовой и жидкой фазы будут соответственно равны: X" = 2cpR + 2Rsincp = 2R(cp + sirup), (2.3) X = 2KR - 2(pR + 2Rsin(p = 2R(iz - p + sincp). (2.4) При принятом обозначении гидравлические радиусы газовой и жидкой фаз можно представить в виде: Х" 2 # + sin# r, _ F = R я- р + Sin(pCos p % 2 л: -q + Sincp При установившемся режиме течения весовое количество двигающейся по трубопроводу смеси будет постоянным, и оно будет состоять из веса свободного газа и веса жидкости с растворенным при данном давлении газом GCM = G"+G = Const. (2.7)
Большинство опытных данных и полученных зависимостей относится к таким случаям двухфазного движения, при которых соотношение фаз вдоль трубы остается постоянным (как это имеет место при движении воды и воздуха). Однако общие выводы могут быть распространены и на случай движения растворимых смесей. Дело в том, что при движении растворимых газожидкостных смесей по мере понижения давления растворенный в жидкой фазе газ по стоянно выделяется в свободное состояние. В различных сечениях по длине трубопровода вес газа G" и вес жидкости G имеют свои значения.
Определение составляющих перепада давления при раздельно-волновой структуре движения газожидкостных смесей
Опыты проводились при различных условиях расположения труб на стенде. Сначала при заданном расходе жидкой фазы и расходном газосодержании смеси внутри одной серии газожидкостная смесь перемещалась по трубопроводу при его горизонтальном положении. Затем такой же опыт проводили при создании на трубопроводе без изменения его длины двух подъемных и двух нисходящих участков. Углы наклона участков подъема и спуска изменяли от нуля до шести градусов и интервалом в два градуса. Отметим, что особенности трубопроводного стенда при проведении этой серии опытов давали возможность получить только симметричные профили трассы, т.е. сохранялось равенство углов участков подъема и спуска, а также их длин. Длина каждого участка в отдельности равнялась 27,5 м.
Экспериментальные данные, полученные на смеси нефти с попутным нефтяным газом позволили установить, что закономерности по изменению перепада давления на восходящих, нисходящих участках трубопровода при различных углах наклона их к горизонту, в целом остаются такими же, как и на смеси «вода - нефтяной газ». Следовательно, расход энергии на таких участках определяется соотношением фаз (структурными формами потока) или расходным газосодержанием смеси (3, физическими свойствами фаз (вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением на границе раздела фаз), значением углов наклона "рельефных" участков трубопровода к горизонту. Или же обобщая вышесказанное, расход энергии при транспорте нефтегазовой смеси по трубопроводу с наличием на нем таких участков определяется взаимодействием силы трения, связанной с силой инерции, силой тяжести и подъемной силой, которые в свою очередь характеризуются расходным соотношением фаз.
Наиболее общим является график, характеризующий изменение перепада давления между 1 и 36 манометрами APl_36 (L= 333,2 м) в зависимости от изменения /? при фиксированных значениях углов наклона подъемных участков к горизонту, приведенный на рисунке 2.11.
Данные, приведенные на рисунке 2.11, получены на трубопроводе с внутренним диаметром 0,1 м на нефтегазовой смеси. Из него следует, что в общем случае можно судить о влиянии рельефа местности на расход энергии при движении нефтегазовой смеси в сравнении с относительно равнинной местностью. Поскольку расход жидкой фазы Q в опытах был зафиксирован, то при значении /? = 0 независимо от изменения 0 кривые в координатах АР].3б + /?, выходят из одной точки АР].36 - 0,039 МПа. С увеличением угла наклона подъемных участков трубопровода по сравнению с его горизонтальным расположением (0=0) перепад давления между 1 и 36 манометрами (при /? =Const) растет. л/Зв
Продольный профиль трассы трубопровода д FJ-3610 МПа JSu? Изменение перепада давления между 1 и 36 манометрами АР}_І6 (L = 333,2 м) в зависимости от изменения /3 при фиксированных значениях углов наклона подъемных участков в к горизонту
Характер изменения АРі-зв = f (/0 лучше всего прослеживается через разность в перепадах давления между 1 и36 манометрами с наличием на трубопроводе искусственно создаваемых "рельефных" участков местности и без них, т.е. через разность АРрел і-зв АРгор і-зв =АР =/Ф) при фиксированных углах наклона подъемных участков 0. Такие данные приведены на рисунке 2.12.
Из графика, приведенного на рисунке 2.12, следует, что при всех значениях 0 до некоторой области по значению /? эта разница увеличивается, а затем начинает падать. При значениях /? =0 и /? = 1,0 АР = 0. Это говорит о том, что при равенстве отметок начала и конца трубопровода при движении по трубопроводу только жидкости (р = 0) или только газовой фазы (/? = 1,0) профиль трассы трубопровода (наличие восходящих или нисходящих участков) на расход энергии влияния не оказывает. Областью, при которой начинается уменьшение АР , можно считать окрестность со значением/? = 0,70;
Изменение разницы в перепадах давления в зависимости от изменения р на длине опытного трубопровода (Z = 333,2 м) при наличии на нем "рельефных" участков и без них
Добиваясь раскрытия влияния на расход энергии при движении двухфазных газожидкостных потоков по трубопроводам рельефа местности с получением зависимостей для расчета таких трубопроводов обработка экспериментальных данных, полученных на компонентах "нефть - нефтяной газ" и для смеси с компонентами "вода - нефтяной газ", велась через график APj_36 + 0 и Как и для компонент "вода - нефтяной газ", для всех фиксированных значений ft изменение АР]_36 на смеси "нефть - нефтяной газ" пропорционально углу наклона подъемных участков 0 или пропорционально изменению площади F, занятой под "рельефными участками". Наклон линий АР}_36 =J{0) непо стоянен, а зависит от значения /? , что раскрыто при описании графика, приведенного на рисунке 2.13.
Изменение ЛР,_36 (L = 333,2 м) в зависимости от угла подъема наклонных участков в при фиксированном значении (3 (нефть - нефтяной газ) АР реЛ _ _ Аналогичную картину можно наблюдать по изменению эксперименталь F, приведен АР гор ных данных, полученных на нефти с газом, в координатах ных на рисунке 2.14.
Расчет величины давления в начальном и конечном пунктах при сборе и транспорте газонефтяных смесей
Разрушение волн (перемычек), перекрывающих сечение канала газа, проистекает при сильном распиливании жидкости, ее вспенивании и сопровождается ударным шумовым эффектом. С ростом /?, вплоть до перехода в полукольцевой (стержневой) режим, с уменьшением частоты перекрытий наблюдается увеличение величины удара, шумового эффекта и процесс сопровождается вибрацией трубы.
"Захлебывание" трубопровода и разрушение волн перекрытия способствуют ускорению инверсии фаз. С наступлением полукольцевого режима течения значительное количество жидкой фазы оказывается в распыленном состоянии.
Автор работы [52] на основании опытных данных и физической сущности пульсации давления при таком течении выделяет два вида пульсаций: высокочастотные и низкочастотные микропульсации. Существование высокочастотных пульсаций он увязывает со структурой двухфазного потока. В частности, при пробковой структуре пульсация давления возникает в результате образования области пониженного давления за газовой пробкой при обтекании ее жидкостью. В этой связи, по его мнению, амплитуда и частота пульсации давления должны быть связаны с относительной скоростью газовых пробок и частотой их прохождения в данном сечении.
"Возникновение низкочастотных микропульсаций обусловлено совершенно иными физическими явлениями. Существование таких пульсаций отмечается во всех экспериментальных исследованиях вне зависимости от размеров и геометрии опытных установок вплоть до промысловых трубопроводов". Он говорит, что "в настоящее время трудно объяснить природу и причины появления таких пульсаций давления. Наблюдения за движением газонефтяных смесей показывают, что они связаны с накоплением жидкости в трубопроводе и периодическим ее выбросом потоком газа. Механизм накопления жидкости в трубопроводе весьма сложен и не имеет еще удовлетворительного объяснения". Далее автор работы [52] отмечает, что "при раздельной структуре потока с гладкой границей раздела фаз микропульсации отсутствуют. Заметные микропульсации возникают при раздельно-волновой структуре, которые довольно четко прослеживаются на фоне высокочастотных колебаний, причем с увеличением FrCM амплитуда пульсаций возрастает. Максимальные по амплитуде микропульсации наблюдаются в области пробково-диспергированной структуры при значениях 0=0,7 + 0,95...".
Как будет показано ниже, автор работы [52] довольно близко подошел к причине возникновения пульсации давления, а данные по области существовния таких пульсаций совпадают с нашими экспериментальными данными. Аналитический подход к раскрытию зависимостей, позволяющих оценить затраты энергии в названной области существования таких пульсаций, оценка влияния волновых характеристик на величину потерь напора в работе [52] и других упомянутых работах отсутствуют.
В предлагаемом разделе делается попытка с использованием аналитического метода, экспериментальных данных, с учетом физической модели движения в области существования микропульсаций получить расчетные зависимости и оценить расход энергии при существовании такого течения.
Однонаправленное совместное движение газа и жидкости по трубопроводу является нестационарным, неустойчивым потоком. Явления неустойчивости связаны как с гидродинамическими, так и с термодинамическими характеристиками системы и вызываются большим изменением количества движения. При небольшой нагрузке по газовой фазе неустойчивость проявляется в виде колебаний течения с незначительной и относительно постоянной по величине амплитудой. С увеличением нагрузки по газовой фазе амплитуда увеличивается, и течение приобретает все более неустойчивый характер. Неустойчивость таких течений проявляется через образование различных структур потока.
Выше показан процесс перехода и область существования некоторых структур потока в зависимости от расходного газосодержания смеси /? и критерия Фруда. С увеличением нагрузки по газу при таком движении наблюдается инверсия фаз. Так, прослеживание за движением газожидкостных смесей при постоянном увеличении нагрузки по газовой фазе позволяет выявить переход от пузырьковой структуры, когда жидкость представляет сплошную фазу с наличием в ней газовых пузырьков, через пробковую (снарядную), расслоенную с плоской границей раздела, расслоенную с образованием шквальных волн, кольцевую (полукольцевую) в дисперсную (пленочно-дисперсную) структуру. В последней структуре газ становится сплошной фазой, а жидкость диспергируется в нем.
В общем случае при движении газожидкостной смеси по реальному трубопроводу расход энергии обусловлен потерями на преодоление сопротивления движению, потерями на ускорение, преодолением статического давления столба смеси, преодолением архимедовой силы на проталкивание жидкостью газовых пузырьков, полупробок на спускных участках трубы и прорывом газа через сужения в канале, захватом объема жидкости из-за скопления последней в пониженных местах и в начале подъемных участков и т.д. Обращают на себя внимание также потери, вызванные инерционными колебаниями объема газожидкостной смеси из-за разрыва потока жидкости газовыми пробками, действия упругих сил при расширении последних. С точки зрения подхода к определению затрат энергии при таком движении по горизонтальным и наклонным трубопроводам наиболее сложной структурой, на наш взгляд, является пробковая (снарядная) структура. Это такая структура, когда по низу трубы с определенным заполнением сплошным потоком движется жидкая фаза, а в верхней части сечения трубы последовательно друг за другом движутся газовые пузыри (полупробки) с расположенными между ними жидкостными перемычками. В тоже время названная структура по изменению расходного газосодержания занимает более обширную область.
Схематично пробковая структура при движении газожидкостных смесей приведена на рисунке 3.6. При наличии данных о линейных размерах газовых полупробок (диаметре и длине), частоте их смены в зависимости от других величин, характеризующих движение газожидкостных потоков, можно будет по расходу газовой фазы определить как скорости движения самих газовых полупробок, так и перемычек жидкости, расположенных между ними.
