Типы газожидкостных структур.

Движение газожидкостных смесей по вертикальным трубам изу­чалось многими исследователями. Все они условно выделяют су­ществование трех структур при движении газожидкостной смеси с плавными переходами между ними. Установлено, что структура га­зожидкостной смеси зависит от объемных расходов жидкой q и га­зовой V фаз, от газосодержания, диаметра лифта, физико-хими­ческих свойств фаз и т.д.

а)         Эмульсионная (пенная, пузырьковая) структура — 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 не создается искусственно) и характеризуется существованием ма­лых относительных скоростей газа в жидкости при их значитель­ном изменении.

Необходимо отме­тить, что на сохранение эмульсионной структуры и ее стабильность влияет физико-химический состав жидкости и газа.

б)         Неточная (пробковая) 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.

в) Стержневая структура образуется при значительном увели­чении газосодержания 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.

Паспортная харак-ка пцн. Каким условиям должна удовлетворять харак-ка подбираемого типоразмера насоса, устанавливаемого в скважине? Как учитывается влияние вязкости на основные характеристики насоса?

Р ис. 11.2. Типичная характеристика погружного центробежного насоса

Все типы насосов имеют паспортную рабочую характеристику в виде кривых зависимостей Н(Q) (напор, подача), η(Q) (к. п. д., подача), N(Q) (потребляемая мощность, подача). Обычно эти зависимости даются в диапазоне рабочих значений расходов или в несколько большем интервале (рис. 11.2).Всякий центробежный насос, в том числе и ПЦЭН, может работать при закрытой выкидной задвижке (точка А: Q = 0; Н = Нmax) и без противодавления на выкиде (точка В: Q = Qmax; H = 0). Поскольку полезная работа насоса пропорциональна произведению подачи на напор, то для этих двух крайних режимов работы насоса полезная работа будет равна нулю, а следовательно, и к. п. д. будет равен нулю. При определенном соотношении (Q и Н), обусловленном минимальными внутренними потерями насоса, к. п. д. достигает максимального значения, равного примерно 0,5 - 0,6. Обычно насосы с малой подачей и малым диаметром рабочих колес, а также с большим числом ступеней имеют пониженный к. п. д. Подача и напор, соответствующие максимальному к. п. д., называются оптимальным режимом работы насоса. Зависимость η(Q) около своего максимума уменьшается плавно, поэтому вполне допустима работа ПЦЭН при режимах, отличающихся от оптимального в ту и другую сторону на некоторую величину. Пределы этих отклонений зависят от конкретной характеристики ПЦЭН и должны соответствовать разумному снижению к. п. Д. насоса (на 3 - 5%). Это обусловливает целую область возможных режимов работы ПЦЭН, которая называется рекомендованной областью (см. рис. 11.2, штриховка). Подбор насоса к скважинам по существу сводится к выбору такого типоразмера ПЦЭН, чтобы он, будучи спущен в скважину, работал в условиях оптимального или рекомендованного режима при откачке заданного дебита скважины с данной глубины.

В ходе экспериментов установлены общие закономерности для некоторых типов ступеней, в частности падение КПД ступеней сильнее c уменьшением быстроходности, что согласуется с результатами. К примеру, при увеличении вязкости от 1 до 40 сСт КПД ступени ЭЦН 5А-225 снизился лишь в 2,7 раза (рис. 5). Установлено, что вязкость не оказывает влияния на вихревой эффект в центробежно-вихревых ступенях погружных насосов, рассчитанных на малые и средние подачи. В результате экспериментов выведены полиномиальные зависимости характеристик каждой насосной ступени от вязкости жидкости, что позволяет оценить рабочие параметры ступеней погружных насосов, такие как развиваемый напор, подача и потребляемая мощность, при перекачке пластовой жидкости в широком диапазоне вязкостей (от 1 до 400 сСт). Подтверждено, что законы подобия сохраняют силу при перекачке жидкостей любой вязкости, но с меньшей степенью точности, чем для воды. Методика учета вязкости при подборе УЭЦН к скважине При добыче нефть нагревается в насосе, ее вязкость падает, поэтому рабочие характеристики одинаковых ступеней изменяются по длине насоса. Для определения суммарного напора и энергопотребления всей насосной установки необходимо произвести расчет рабочих характеристик каждой ступени. Входными параметрами для расчета являются:

• характеристики центробежных ступеней, полученные из испытаний на высоковязкой жидкости, представленные в виде зависимостей H = ƒ(Q,ν,m), N = ƒ(Q,ν,m), где H – напор, Q – подача, ν – вязкость перекачиваемой жидкости, N – мощность, приходящаяся на одну ступень, m – частота вращения вала насоса во время испытаний;

• зависимость вязкости пластовой жидкости ν от температуры: ν = ν(T);

• зависимость плотности пластовой жидкости ρ и теплоемкости C от температуры: ρ = ρ (T), C = C(T) (зависимость от температуры слабая: при ΔT = 40°C: Δρ/ρ = 0,02, δC/C = 0,06;

• температура пластовой жидкости T1 на приеме насоса.

Порядок расчета параметров насоса с z ступенями, работающего на высоковязкой жидкости с частотой n:  1. Определяем вязкость жидкости в первой ступени:

2. Определяем температуру жидкости в каждой ступени:

3. Рассчитываем вязкость жидкости в каждой ступени по известной зависимости:

4. Определяем суммарные характеристики всего насоса, с учетом напора и мощности каждой ступени:

В табл. 3 приведен пример расчета по приведенной методике характеристик насоса ЭЦН5А-225, состоящего из 200 ступеней, работающего на глицерине (ρ = 1250 кг/м³), вязкостью 212 сСт, теплоемкостью 2430 Дж/(кг*К) и температуре 30°С при подаче 100 м³/сут. Развиваемый напор такого насоса составляет 880 м.

Табл. 3. Расчетные характеристики ступеней насоса ЭЦН5А-225 при перекачке высоковязкой жидкости

Согласно расчетным данным, потребляемые мощности и напоры первой и последней ступеней насоса могут различаться в несколько раз. Поэтому для объективной оценки работы погружного насоса на высоковязкой жидкости необходимо рассчитывать параметры работы в каждой ступени.