Сбор и подготовка нефти газа и воды к транспорту

из формулы (III.13).

На нефтегазодобывающих предприятиях сравнительно часто приходится рассчитывать такие трубопроводы, в которых пефть или нефтяная эмульсия расходуются равномерно по длине коллек­ тора в нескольких пунктах (отстойниках, сепараторах, резервуарах и т. д.). При расчете такого трубопровода можно с достаточной

.для практики точностью принять, что расход нефти или нефтяной эмульсии в пути происходит равномерно и непрерывно с интенсив­ ностью q л/сек на 1 м длины.

При решении такой задачи обычно исходят из понятия о двух расходах жидкости: путевом расходе Qп, который равномерно отби­

что коэффициент гидравлического сопротивления А, остается постоян­ ным по всей длине коллектора.

В сечении N , взятом на произвольном расстоянии х от начала участка. А — С, расход QN будет меньше расхода Qn в начале уча­ стка на величину уже распределенного расхода по пути х , т. е.

Однако в сечении N трубопровода расход жидкости должен быть достаточным для раздачи на остающемся до конца участка пути

Для определения потерь напора на участке I воспользуемся формулой Дарси — Вейсбаха, преобразовав ее следующим образом:

ЛтР “ Л d 2g Л d 2gJl2d* ~ L n2gd,b •

В последнем выражении величину л:2gd5/8X обозначим через К 2. Тогда можно записать

. ^1тр Q2

61

Ниже приводятся основные понятия и определения, относящиеся к двухфазным потокам, а также методика расчета нефтепроводов, транспортирующих двухфазную смесь.

Изучение и расчет движения двухфазных потоков как в вертикаль­ ных, так и в горизонтальных трубах исключительно сложны. Основ­ ная сложность заключается в том, что в^газожидкостном потоке происходит относительное движение фаз, обусловленное их раз­ ными плотностью и вязкостью.

Изучением движения двухфазных потоков в трубах занимались многие исследователи у нас и за рубежом. Большие исследования были посвящены визуальному изучению структуры потока. Визуаль­ ные наблюдения и киносъемки движения воздухо-водяных смесей

в горизонтальных стеклянных трубах позволили разделить все наблюдаемые в процессе экспериментов структуры на следующие типы (рис. 24):

1)- поток с отдельными пузырьками газа, которые движутся вдоль верхней образующей со скоростью, приблизительно равной скорости течения жидкости, а иногда и меньше ее;

2)поток с пробками газа, при котором в верхней части трубы

внижней части трубы;

4)волновой поток аналогичен расслоенному, но скорость дви­ жения газа больше скорости жидкости, в результате чего на поверх­ ности раздела образуются волны, перемещающиеся в направлении потока;

5)пробковое течение — течение с жидкостными пробками, дви­

жущимися с большой скоростью; 6) эмульсионный (пенистый, сотовый) поток, при котором газо­

63

7)пленочный поток — часть жидкости в виде капель находится

впотоке газа во взвешенном состоянии, а более значительная^часть этой жидкости движется но стенкам трубопровода в виде пленки.

Последовательность образования указанных выше структур полу­ чается в результате постепенного увеличения газовой фазы в потоке газожидкостной смеси.

Большое число структур течения значительно усложняет изу­ чение вопросов гидродинамики газожидкостных смесей.

Основной задачей, возникающей при гидравлическом расчете нефтепроводов, транспортирующих газожидкостную смесь, является ^определение перепадов давления. Поскольку потерн давления за­ висят от плотности смеси рм и коэффициента гидравлического сопротивления &, то все исследователи пытались установить законо­ мерность между этими величинами в функции расхода газа и жидко­ сти, их физических свойств и геометрических характеристик трубы. Расходными параметрами при этом являются средняя скорость смеси ^ и объемное расходное газосодержаине р.

Средняя скорость движения смеси двухфазного потока опреде­ ляется так:

где Qaf, nQr — объемный расход жидкости и газа,при среднем давле­ нии н температуре в трубопроводе; F — площадь поперечного сече­ ния трубопровода.

Отношение объемного расхода газа и жидкости при среднем давлении и температуре в трубопроводе к площади сечения послед­ него называется приведенной скоростью данной фазы:

Величина, характеризующая отношение объемного расхода газа Q T к сумме объемных расходов газа и жидкости, называется расход­ ным объемным газосодержанпем двухфазного потока:

Истинное газосодержаине <$>, учитывающее относительное дви­ жение фаз (скольжение), определяется как отншренпе мгновенной площади сечения потока, занятого газовой фазой к полному поперечному сечению потока F, т. е.

Доля сечения потока, занятая жидкой фазой, соответственно составит

ш

Таким образом, в отличие от коэффициента р, который зависит только от соотношения расходов газовой и жидкой фаз, ф является сложной функцией, зависящей от: 1) физических свойств жидкости

игаза; 2) диаметра и наклона трубопровода; 3) расходов жидкости

игаза.

Закономерности изменения истинного газосодержания от ука­

Изучение истинного газосодержания при помощи отсечек в гори­ зонтальных трубах проводилось А. И. Гужовым, В. Г. Титовым, В. А. Мамаевым и Г. Э. Одишария, в вертикальных тру­ бах — А. П. Крыловым и Г. С. Лутошкиным. Гаммапросвечивание газожидко­ стных смесей с целью изу­ чения истинного газосодер­ жания проводилось А. А. Точигиным.

Скорость газа и жидкости в зависимости от истинного газосодержания определяется из следующих соотношений:

При шотн = 0

ф= Р = * . (III.22)

Г”г+ *>ж

Вреальных условиях при движении смеси в горизонтальных трубах обычно ф < р, т. е. относительная скорость положительна — wr > а условие, когда ф = (5 или ф >(5, может наблюдаться только при очень малом газосодержании и низкой скорости движе­ ния смеси. На рис. 25 приведена зависимость истинного газосодер­ жания ф от расходного газосодержания р и числа Фруда Fr (см. формулу III.29) при течении смеси в горизонтальном трубопроводе,

заимствованная из работы В. А. Мамаева и Г Э. Одишария. Из этого рисунка видно, что практически па всем диапазоне изме­ нения (5ф <р. Пунктирные линии на рис. 25 относятся к расслоен­ ному течению (см. рис. 24, 3).

Оспоено© дифференциальное уравнение для определения гра­ диента давления при установившемся движении газожидкостной ©мсса в горизонтальном трубопроводе запишется в следующем виде:

— Ш ■“'эдГ IWr1®? 'f (1 — ф) Ржшж] +

иди, ш в ввести в данное уравнение значения скорости смеси иСЪ11 йлотиосш смеси рш„ разности отметок начала и конца трубопровода Аз н ареиебречв» ввиду малости, инерционным (последним) членом, тс еже вереоишетея в виде:

Д зг ж р р ш м плотности смеси используется уравнение

где рж ж — плотность жидкости и газа при среднем давлении

жсредней температуре смеси в трубопроводе.

Вправей части уравнения (1Ю 4) знак плюс принимается при вошаррвдем истоке тазешидкостноп смеси, злак минус — при ни-

схедацш ш л е т .

Йри тервшшшшяом даижедаш газожидкостной смеси, когда

трарршт д а ш т <шредрляеяея только сопротивлением треншя, уравнение ЩЦЩ примет вид;

объемного газосодержания j3, отношения вязкостей жидкости и газа

р, отношения плотностей жидкости и газа р.

Опытами было установлено, что приведенный коэффициент сопро­ тивления ф зависит в основном от расходного газосодержания Р и числа Фруда, что иллюстрируется кривыми на рис. 26, показыва­ ющими, что интенсивный рост ф происходит в зоне большого газо­

Число Рейнольдса для смеси определяется как

(П1.33)

'см

Общий перепад давления в линии, обусловленный гравитацион­ ными силами, определяется из уравнения

где hB, hH— высоты отдельных восходящих и нисходящих участков трубопровода в м; рв, рн — истинная плотность смеси соответственно на восходящем и нисходящем участках, определяемая по истинному объемному газосодержанию:

Рв = Рж (1 Фв) Т РгФш

Рн = Рж(1 — ФнН- РгФн-.

Согласно работе [15], при восходящем потоке

Данное уравнение является основным расчетным уравнением при проектировании нефтепроводов, работающих при неполном заполнении сечения трубы нефтью.

В работе [15] даются графики и номограммы по определению коэффициента гидравлического сопротивления смеси Хсы, приведен­ ного коэффициента ф, истинного газосодержания ср и потерь давле­ ния на трение, существенно облегчающие расчеты таких нефтепро­ водов.

§ 5. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ

Под реологическими свойствами нефти будем понимать взаимо­ связь между внешними силами, действующими на нефть, и деформа­ циями, вызываемыми этими силами, или, иными словами, — зависп-

68

мость вязкости нефти р, от изменения градиента скорости в трубе clw/dr и напряжения сдвига т.

Установим основные соотношения между внешними силами и де­ формациями в нефти, вызываемыми этими силами, при движении нефти по трубе.

Согласно закону Ньютона, сила внутреннего трения F, равная по величине, но обратная по направлению силе, приложенной извне, пропорциональна площади S сдвига, к которому приложена эта

тельно малых скоростях течения. При больших скоростях лами­ нарный характер течения переходит в турбулентный, характери­ зующийся возникновением в движущейся жидкости завихрений. Если применять к такому течению уравнения Ньютона и Пуазейля, то коэффициент вязкости р, теряет свой обычный смысл, так как его значение перестает зависеть только от природы жидкости и он ста­ новится функцией скорости движения жидкости. В этом случае можно говорить лишь о кажущейся вязкости, понимая под послед­ ней условную величину, определенную для данной скорости по урав­ нениям Ньютона или Пуазейля.

Напишем условие равновесия внешних и внутренних сил для стенки нефтепровода (рис. 27, а):

я R2p = 2лШт0,

69