Сбор и подготовка нефти газа и воды к транспорту

Подставляя данное уравнение в формулу (ГУ.20) и решая ее отно­ сительно скорости осаждения w4, получим формулу Аллена:

При значениях числа Рейнольдса >500 коэффициент сопроти­ вления £ для шарообразной частицы становится постоянным и рав­ ным 0,44. Подставляя это значение в формулу (IV.20), получим уравнение Ньютона — Ритингера:

Уравнение (IV.18) можно представить также в следующем виде:

где ф — коэффициент сопротивления среды,

Величина ф представляет собой критерий Эйлера:

который зависит в свою очередь от критерия Рейнольдса Re и без­ размерного отношения l/d, т. е. Eu = / (Re, l/d).

При движении шарообразных частиц зависимость ф = / (Re) мо­ жет быть представлена следующими уравнениями:

Для осаждения твердых частиц из жидкости или газа необхо­ димо, чтобы действующая сила Р (сила тяжести, центробежная сила) была равна или больше силы сопротивления среды Ri

P ^ R .

Скорость осаждения может быть определена помимо формул (IV.21), (IV.23), (ГУ.24) также из уравнения (ГУ.26) путем замрчы в нем R на Р. Тогда

141

Коэффициент сопротивления ф, как было показано выше, зависит от критерия Re, в который входит искомая скорость осаждения w4 (Re = w4d/vr). Поэтому уравнение (IV.28) можно решать только подбором: принимая произвольно величину Re, определяют ф и по формуле (IV.28) находят шч, после чего рассчитывают действитель­ ное значение Re. Расчет повторяют до совпадения расчетной вели­ чины Re с предварительно принятой.

Расчет можно упростить, если исключить искомую скорость w4 из выражения (IY.25), умножив обе его части на рг/ц?. Тогда, замеменяя R на Р , получим

Подставив в (IV.29) вместо Р его значение из формулы (IV.17),

Подставляя в уравнение (IV.30) значения ф, полученные по фор­ мулам Стокса, Аллена или Ньютона, и решая полученные выраже­ ния относительно Re, найдем:

Определив критерий Re по одной из приведенных формул(в зави­ симости от величины Аг), можно легко найти скорость осаждения частицы:

Скорость осаждения нешарообразных частиц меньше,чем шаро­ образных, и ее обычно определяют экспериментальным путем.

Обычно за величину допустимой скорости движения газа в грави­ тационном сепараторе принимают скорость «витания» частицы, кото­ рая определяется из формулы (IV.35).

На основании приведенных формул могут быть определены ско­ рости «витания» капель в газовом пространстве сепаратора в зависи­

142

мости от их диаметра и давления газа, значение которого в неявном виде входит в значение плотности газа.

Таким образом, зная скорость «витания» частицы и полагая, что допустимая скорость движения газа равна скорости «витания» частицы, можно определить пропускную способность V (в м3/сутки) вертикального гравитационного сепаратора по формуле

где рг и р0 — соответственно рабочее давление в сепараторе и давле­ ние при нормальных условиях в Н/м2; Т 0 и Г * — абсолютные тем­

дения частиц, определяемая по формуле (IV.35), в м/сек.

Однако использование приведенных выше формул для практи­ ческих расчетов гравитационных сепараторов по скорости «витания» частиц обычно осложняется тем, что возникает необходимость обос­ нования выбора минимального диаметра частиц, которые должны оседать в сепараторе. Это обоснование должно базироваться на изуче­ нии дисперсного состава капельной взвеси, поступающей с потоком газа и образующейся в гравитационном сепараторе. Причем выбор минимального диаметра частиц обычно связывают с уносом капель­ ной взвеси из сепаратора (рис. 51, б), который не должен превышать допустимых норм, а нормы эти пока точно не установлены. Крите­ рием допустимых норм уноса капельной взвеси из сепараторов дол­ жен быть технико-экономический расчет пропускной способности газопровода в зависимости от числа сепараторов.

Таким образом, в настоящее время основное требование при вы­ боре минимального диаметра осаждающихся частиц практически не выполнимо, так как отсутствуют надежные данные о дисперсности капельной взвеси, образующейся в сепараторе, и не установлены еще технико-экономические критерии норм уноса. Вследствие изло­ женных трудностей в определении пропускной способности гравита­ ционных сепараторов при выборе оптимальных скоростей газа стали исходить из практических данных. Практикой установлено, напри­ мер, что существует некоторая оптимальная скорость газа, при кото­ рой эффективность сепарации составляет 75—85%. Дальнейшее уменьшение скорости газа в гравитационных сепараторах не создает заметного увеличения эффективности сепарации, но вместе с тем приводит к необходимости существенно увеличивать площадь сепа­ раторов, а следовательно, и их массу. Практика эксплуатации гра­ витационных сепараторов показала, что оптимальной скоростью газа wQявляется 0,1 м/сек при давлении 5,87 МН/м2 (60 кГ/см2). Учиты­ вая это обстоятельство, можно построить график зависимости

143

скорости газа в гравитационном сепараторе от величины давления, используя для этого следующую зависимость:

(IV. 38)

Результаты расчета по формуле (IV.38) [при p i = 5,87 МН/м2 (60 кГ/см2) и w0— 0,1 м/сек] цриведены в виде кривой на рис. 51, а.

Лавление Н/мг иГ/смг

Рис. 51. Характерные кривые работы гравита­ ционных сепараторов.

а — оптимальные скоро­ сти движения газа; б — а степень очистки газа от жидкости и твердых ча­ стиц в зависимости от скорости и давления

газа.

6

Таким образом, пропускная способность гравитационного сепа­ ратора при известной оптимальной скорости газа шопт определяется из формулы (IV.36) путем замены в ней скорости w4 на wQпт.

2.Расчет жалюзийных сепараторов. Выше было отмечено, что

гравитационные сепараторы недостаточно эффективны и поэтому не могут обеспечить надежного отделения газа от жидкости. Кроме того, гравитационные сепараторы весьма чувствительны к измене­ нию давления и скорости газа в них, что видно из рис. 51, а и б, т. е. они могут работать только на расчетных режимах, обеспечить которые в реальных условиях не представляется возможным.

Сепараторы с жалюзийными насадками не имеют недостатков, присущих гравитационным сепараторам. Сепараторы с жалюзий­

144

ными насадками могут эффективно работать при значительных от­ клонениях от расчетных режимов, что имеет исключительно большое значение для нефтегазодобывающих предприятий, когда дебиты нефти и газа могут изменяться в широких пределах.

Основной задачей при исследовании процесса сепарации в жалю­ зийной насадке является правильный рйсчет предельно допустимых нагрузок по газу и жидкости, чтобы предупредить возникновение кризисных явлений в сепарационном элементе. Кризисные явления в жалюзийной насадке, характеризующиеся срывом капелек с по­ верхности пленки отсепарированной жидкости, существенно ухуд­ шают работу таких сепараторов. Срыв капелек с поверхности отсе­ парированной жидкости сопровождается уносом их за пределы^ сепаратора. Критические скорости, при которых происходит срыв капель, зависят от целого ряда факторов, прежде всего от физиче­ ских свойств жидкости и газа и формы сепарирующих элементов и определяются взаимодействием сил инерции, тяжести, поверхност­ ного натяжения и трения.

Унос жидкости за пределы сепаратора любого типа характери­

где G'2 — массовый расход жидкости после сепаратора в кг/ч; G" — массовый расход газа, прошедшего через сепаратор, в кг/ч.

Было установлено, что на величину коэффициента уноса, харак­ теризующего степень интенсивности кризисного явления, влияют три критерия: Фруда Fr, Вебера We и Рейнольдса Re:

где w — скорость потока газа в м/сек; g — ускорение силы тяжести

вм/сек2; I — характерный размер в м; а — поверхностное натяжение

вН/м (Н = кг-м/сек2); р — плотность в кг/м3; р — абсолютная вязкость в кг/м -сек.

Обработка экспериментального материала по исследованию жа­

люзийных насадок показала, что коэффициент уноса капельной взвеси К у в интервале от 0,0001 до 10% (рис. 52) характеризуется следующим выражением:

Подставляя в данную формулу значения Fr и We из (IV.40), получим

где Pi и р2 — соответственно плотность газа и жидкости в условиях

сепаратора.

Принимая коэффициент уноса по кривым рис. 52, можно опре­ делить допустимую скорость набегания газа на жалюзи w. Подста­ вляя значение этой скорости в формулу (IV.36)

VTI PQZ

(IV.44)

86 400 ТQP±W *

можно определить площадь любого сечения жалюзийной насадки F при известном расходе газа V.

3.Расчет гидроциклонных сепараторов. Работа гидроциклонпых

сепараторов основана на принципе использования силы инерции; в них происходит очистка нефти как от пузырьков газа, так и от твер­ дых частиц. Нефтегазовая смесь, поступая в сепаратор (см. рис. 49) по касательной, движется в нем по спирали. Если окружную скорость частицы обозначить w, массу частицы т, а радиус кривизны спирали г, то сила инерции, действующая на частицу в направлении радиуса, выразится в виде:

Ускорение силы инерции w2/r может быть во много раз больше ускорения силы тяжести g, поэтому очистка в гидроциклоне нефти от газа и твердых частиц в принципе должна быть более эффективна, чем в гравитационных сепараторах.

Силе инерции Р противодействует сила сопротивления среды, возникающая при движении твердой частицы или пузырька газа, которая по закону Стокса равна

Знак плюс в уравнении (IV.46) показывает, что твердые частицы направлены по радиусу к стенке и совпадают с направлением силы инерции Р, а знак минус характеризует движение пузырька газа в противоположном направлении относительно силы инерции, т. е. к оси циклона.

Сила сопротивления среды R получается из формулы (IV. 18) путем подстановки в нее вместо / значения л<22/4 и вместо коэффи­

Приравняв формулы (IV.45) и (IV.46) и заменив массу частицы (газа, твердого вещества) в формуле (IV.45) произведением ее объема Jid3/6 на плотность рч, получим составляющую скорости движения частицы, направленную по радиусу к оси циклона (для газа) и к стенке циклона (для твердого вещества):

Из формулы (IV.47) видно, что чем меньше радиус циклона, тем больше скорость ю, при одной и тон же производительности сква­ жины, и тем эффективнее очистка нефти от газа и твердых частиц.

Однако уменьшение радиуса циклона приводит к увеличению сопротивления циклона, которое определяется из следующей фор­ мулы:

АР = Н/м1, (ГУ.48)

где к — коэффициент сопротивления циклона, принимаемый на осно­ вании опытных: данных НИИОгаза1 равным 60 180; рх — плот­ ность нефти, проходящей через циклон, в кг/м3.

Диаметр циклонной головки D определяют по условной скорости нефтегазовой смеси ©, отнесенной к полному поперечному сечению цилиндрической части циклона:

где F — расход, нефтегазовой смеси, проходящей через циклоп, в мз/еек.

Гдщрощиклошные сепараторы, как отмечалось в § 2 данной главы, работают с низкой эффективностью, хотя они должны работать зна­ чительно лучшие, чем гравитационные сепараторы. К объяснению ®в®®к®й эффекпившисти работы циклонного сепаратора, частично дан­ ному в §2 этой главы, можно добавить, что аппараты такого типа должны работать на строго расчетном режиме. В частности, уменьше­ ние входной скорости смеси может существенно снизить эффектив­ ность отделения нефти от газа, так как значение скорости входит

врасчетные уравнения (IV.45J н (IV.47) в квадрате.

§4 РАСЧЕТ СЕПАРАТОРОВ НА ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ

ПО ЖИДКОСТИ

Как указывалось выше, пропускную способность промысловых сепараторов обычно определяют но количеству газа, прошедшего через шах, ж величине допустимого коэффициента уноса капельной жидкости Однако в ряде случаев появляется необходимость рас­ чета сепараторов но количеству поступающей в них нефти. Контроль прошускной способности сеппарахоров но нефти вызывается необходи­ мостью существенного уменьшении или сведения к нулю количества пузырьков таза, увлекаемых из сепаратора нефтью. Количество увлекаемых пузырьков таза зависит от трех факторов: 1) вязкости нефти; 2)) д&вшшпя в сепараторе и 3) скорости подъема уровня нефти в сшараторе, иными словами, — от времени пребывании этой шефш в сепараторе. Мри одновременном увеличении вязкости нефти, шшгупашвдш в сешыратор, скорости ее подъема и давления в сепара­ торе, количество ушишмых нефтью шузырьков газа из сепаратора

11Щткшвгшш ШШНШтт. В&ягомймг № 22A, ML, Югжхтивддааг, 1961.

Ш

будет увеличиваться. Естественно, встает вопрос, какими способами можно определить количество, уносимого нефтью газа и каковы должны быть пути коренного усовершенствования конструкций сепараторов, обеспечивающих минимальный унос газа.

Для контроля за количеством газа, уносимого из сепаратора нефтью, обычно применяется метод сопоставления газовых факторов, получающихся при разгазировании в лабораторных условиях пробы нефти, прошедшей через сепаратор, и глубинной пробы. Сопоставле­ ние газовых факторов должно производиться при одинаковых усло­ виях, т. е. при одних и тех же температуре и давлении. Например, если в пробе нефти, прошедшей сепаратор, газовый фактор оказался больше, чем при разгазировании глубинной пробы при одних и тех же условиях, то это указывает на унос газовых пузырьков нефтью. Если же газовые факторы оказываются равными, следовательно, разгазирование в сепараторе происходит при равновесных условиях

ипузырьки газа не уносятся жидкостью.

Вусловиях нефтеносных площадей вязкость поступающей в се­ паратор нефти может изменяться в широких пределах в зависимости от температуры окружающей среды и дебита скважин. Большую вязкость может иметь нефть в зимний период и при работе скважины с низкими дебитами. В зимний период сепараторы могут работать неудовлетворительно из-за большого уноса газа жидкостью. Улучше­ ние эффективности выделения пузырьков газа из нефти путем сниже­ ния ее вязкости вызывает большие трудности, связанные с подводом в сепаратор теплоносителя. Поэтому для достаточно полного выделе­ ния захваченных нефтью пузырьков газа в сепараторе остается один весьма неэффективный способ — увеличение времени пребывания нефти в сепараторе, или, что одно и то же, снижение скорости ее подъема. Неэффективность этого способа обусловлена необходимо­ стью иметь большое число сепараторов для отделения газа от нефти. Идти по этому направлению при разработке новых типов сепарато­ ров, естественно, невыгодно. Поэтому при всех прочих равных усло­ виях необходимо стремиться к тому, чтобы безводная нефть вводи­ лась в сепараторы в высокодисперсном состоянии и движение ее в се­ параторе происходило тонким слоем по длинному пути для лучшего выделения окклюдированных пузырьков газа. Всплывание пузырь­ ков газа из нефти в сепараторе в основном происходит за счет раз­ ницы в плотностях этих фаз и определяется формулой Стокса (IV.21)1.

Для гравитационных сепараторов необходимым условием эффек­ тивного отделения нефти от газа в секции сбора нефти является сле­ дующее соотношение:

где ун — скорость подъема уровня нефти в пределах секции сбора

149

При этом соотношении пропускная способность по жидкости для различных по положению в пространстве сепараторов будет опре­ деляться следующими формулами:

1) для вертикальных сепараторов

после подстановки в данную формулу значения F = n D 2/ 4 и замены g получим

<?<36650Д> <<г(р*^ Рг> ; (IV.52)

2) для горизонтальных сепараторов

tin где F — площадь зеркала нефти, яв­

ляющаяся функцией уровня нефти в сепараторе, в м2; jiH— динамическая вязкость нефти в кг/м-сек; d — диа­ метр окклюдйрованных пузырьков газа в м; рн и рг — плотность нефти и газа

вусловиях сепаратора в кг/м3.

Всепараторах, имеющих развитые поверхности, по которым тонким слоем

нения которой поддерживаются регулятором уровня жидкости. Кроме того, необходимо знать истинную скорость подъема уровня шфш ©у, которая подобно площади зеркала F может изменяться в широких пределах.

Закон изменения параметров F ж а также площади сегмента сепаратора #, определяющего уровень жидкости в сепараторе, шрпдеден па рис. S3, С

Одюажо при расчете горизонтальных сепараторов важно зпиалпь

также средневзвешенную скорость подъема уровня жидкости которая не должна превмшшать скорости подъема пузырьков газа до-

fSffl