Лабораторная работа №1. «Определение структуры газожидкостного потока»
Цель работы – научиться визуально различать основные структуры газожидкостного потока, а также исследовать взаимосвязь между технологическими параметрами, характеризующими газожидкостный поток.
2.1 Основные теоретические положения
Естественное появление свободного газа (разгазирование нефти) или искусственный ввод газа в продукцию скважины оказывает исключительно большое значение на процессы подъема нефти по скважинам.
Отличительные особенности газожидкостных смесей
Движение жидкостей и газа по трубам характеризуется параметрами, отражающими кинематику и динамику потока, физико-химические свойства фаз и геометрию трубы. Число параметров, характеризующих многофазный поток, увеличивается по мере роста количества фаз и компонентов потока. Основные кинематические параметры двухфазного газожидкостного потока приведены ниже.
Расходное газосодержание потока
-
определяется отношением расхода газа
к сумме расходов жидкости и газа (
)
в выделенном геометрическом объеме при
данных термобарических условиях (Р,Т):
|
(2.1) |
Истинное газосодержание φ -определяется как отношение площади поперечного сечения трубы, занятой свободным газом fг, к площади живого сечения трубы f:
|
(2.2) |
Из определений (2.1) и (2.2) следует, что их изменение лежит в пределах от 0 до 1.
Соотношение между расходным газосодержанием и истинным газосодержанием является одним из основных в гидродинамике газожидкостных подъемников. Из-за скольжения газа имеет место следующее неравенство:
|
(2.3) |
Относительная скорость потока
υ0= υг- υж |
(2.4) |
Под относительной скоростью движения (подъема) газа υОТН понимается разность между истинной скоростью движения газа υГ и истинной скоростью движения жидкости υЖ.
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, газа и ГЖС (υпж, υпг, υпгжс):
|
(2.5) |
,
,
Дисперсностью газа в жидкости называется степень дробления газовой фазы, характеризующаяся размерами пузырьков газа, распределенных в объеме жидкости. Обычно дисперсностью характеризуются газожидкостные смеси только эмульсионной (пузырьковой) структуры (структуры движения ГЖС будут рассмотрены ниже). В зависимости от объемного соотношения газа и жидкости дисперсионной средой может являться жидкость (пузырьки газа распределены в объеме жидкости) и газ (капельки жидкости распределены в объеме газа). В первом случае дисперсной фазой является газ, во втором — жидкость.
Необходимо отметить, что изменение условий движения ГЖС может привести к изменению дисперсности, в частности, газовых пузырьков. Возможны два случая изменения их дисперсности: укрупнение газовых пузырьков в результате их слияния — коалесценция и дробление их на более мелкие — диспергирование. Таким образом, диспергирование — процесс, обратный коалесценции.
Процесс коалесценции и диспергирования характеризуется скоростью и зависит от газосодержания, неоднородности размеров включений газовой фазы, толщины и прочности (эластичности) пленки поверхности раздела фаз, поверхностного натяжения и др.
Поверхностное натяжение между фазами характеризует энергетические затраты на создание единицы длины границы раздела и на увеличение этой границы, т.е. на увеличение дисперсности газовой фазы. Изменения свойств поверхности раздела фаз можно достигнуть введением в смесь поверхностно-активных веществ.
Так как в процессе движения ГЖС от забоя до устья скважины происходит изменение давления и температуры, выделение и расширение газа, то очевидно, что параметры ГЖС изменяются.
Это обстоятельство чрезвычайно усложняет исследование закономерностей движения газожидкостных смесей. Наиболее сложными для исследования являются газожидкостные смеси, состоящие из газа, нефти и воды (случай эксплуатации обводненных скважин).
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. Схематично структуры газожидкостных смесей показаны на рис. 2.1.
Эмульсионная- характеризуется движением газа в виде отдельных пузырьков отдельного малого по сравнению с диаметром трубы размера, сравнительно равномерно распределенных в сплошном потоке жидкости. Форма и размеры пузырьков определяются соотношениями между силами сопротивлениями при их относительном движении в жидкости и силой поверхностного натяжения. 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. Такая структура характерна для фонтанных скважин, когда давление в потоке ГЖС незначительно понижено относительно величины давления насыщения нефти газом.
Рис. 2.1 – Схематическое изображение основных структур восходящего газожидкостного потока
а – эмульсионная (пузырьковая, пенная); б – снарядная (пробковая, четочная); в – стержневая (кольцевая, туманная).
Снарядная структура. С ростом газосодержания количество пузырьков в потоке возрастает, их взаимодействие усиливается, они начинают теснить и сдавливать друг друга. При определенных свойствах газа и жидкости происходит их коалесценция и образуются пузыри, диаметр которых соизмерим с диаметром трубы, а длина может быть намного больше. Эта структура характеризуется периодичским прохождением крупных пузырей, между которыми движутся жидкостные пробки. Средняя величина относительной скорости колеблется от 40 до 120 см/с. Такая структура характерна для газлифтного способа эксплуатации скважин, когда газ вводится в жидкость без специальных диспергирующих устройств.
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.
Рассмотренные различные структуры газожидкостных потоков могут оказывать существенное количественное влияние на эффективность подъема жидкости. При прочих равных условиях газлифтный эффект (высота, на которую поднимается жидкость) будет выше в случае эмульсионной структуры.