А заполнение сечения трубы произойдет пропорционально плотности

, (6.11)

где Q_гнв – плотность газонефтяной смеси.

(6.12)

6.2.Структура газожидкостных смесей

Структура ГЖС есть взаимное расположение образующих смесь фаз при движении в вертикальной трубе. Исследованиями выделены три характерных структуры (рис.6.2.), которые зависят от объемных расходов жидкой q_ж и газовой V фаз, от газосодержания, диаметра лифта, физико-химических свойств фаз и т.д.

Эмульсионная структура – равномерное распределение пузырьков газа в жидкости. Диаметры газовых пузырьков составляют 0,1…0,3мм, а относительная скорость их всплывания 1…40 см/с. Такие структуры характерны для фонтанных скважин с малой газонасыщенностью и малых относительных скоростей.

Четочная (пробковая ) структура характеризуется образованием газовых четок (пробок), в которых распределены капельки жидкости. Четки могут перекрывать все сечение трубы, образуются при относительных скоростях газа 40...120 см/с.

Стержневая структура образуется при интенсивном газоотделении на забое. Газ при этом движется внутри трубы, образуя своеобразный стержень и оттесняя жидкость к стенкам трубы. Резкой границы раздела структур нет, возможно одновременное их существование.

При наличии трехкомпонентной структуры – нефти, газа, воды механизм взаимодействия фаз носит несколько другой вид. (рис.6.3.)

6.2.Физическая сущность процесса подъема жидкости

Чтобы представить наглядно процесс подъема жидкости за счет газа, соберем экспериментальную установку по схеме, предложенной на рис.6.4. Трубу 1, иммитирующую лифт, опустим в жидкость на глубину L,и в ней установится столб жидкости высотойh, а давлениеР₁ = gh. По трубе 2 подаем к концу трубы1 (башмак) газ, который вызовет разгазирование жидкости (уменьшение ее плотности) и подъем столба на высотуH. Давление у башмака мы не изменили. Тогда

gh=_сgh(6.13)

, (6.14)

где _с– плотность смеси.

Увеличивая расход газа, мы можем добиться подъема смеси до высоты L и ее перелива, а затем и подъема только газа.

Таким образом, возможны следующие условия:

а) при V<V₁,q=0 (H<L)

б) при V=V₁,q=0 (H=L) - начало подачи;

в) при V₁<V<V₂, 0<q<Q_max, (H>L) - подача;

г) при V=V₂,q=Q_{max -} точка максимальной подачи;

д) при V₂<V<V₃,q_max>q>0 - уменьшение подачи;

е) при V=V₃,q=0 - точка срыва подачи.

Здесь V- расход газа , при котором высота подъема смеси равнаН, - приV₁ H=L;V₂–расход при котором объем поступающей на поверхность жидкости достигнетQ_max; V₃– расход, при котором подъема жидкости не будет: поднимается только газ.

Зависимость VиQв подъемнике изображены на рис.6.5. Установлено, чем больше, тем большеQдля одного и того же расхода газа ( =h/l–относительное погружение). Получены также зависимостиQ=f(V)для подъемников различных диаметров (рис. 6.6).

На каждой кривой Q=f(V)можно выделить область предпочтительной работы подъемника (оптимальный режим), примыкающую к точке максимальногоQ.

Известно, что коэффициент полезного действия равен

, (6.15)

где W_п– полезная работа;W_з– затраченная работа:

W_п=qg(L-h) (6.16)

W_з=VP₀ln(6.17)

Затраченная работа рассчитана из изотермического процесса расширения газа объемом V, приведенного к реальным условиям.

Р₁+Р₀– абсолютное давление у башмака;Р₂+Р₀– на устье;Р₀– атмосферное давление

(6.18)

В формуле (5.18) все величины, кроме qиVпостоянны, поэтому

(6.19)

Но ( на кривой рис 6.6.). Следовательно, проводя касательную из начала координат с кривойQ=V(t),получим точку оптимального расхода жидкости.

Удельный расход газа R– отношение объемного расхода газаV к объему жидкостиQ. ЗависимостиQ=f(V)иR=f(V)и их взаимосвязь приведены на рис. 6.7. ЗдесьQ_max и R_maxиR_опт – соответственно максимальное и оптимальные значения жидкости и удельного расхода газа.

Заканчивая этот раздел, необходимо проанализировать существующие точки зрения на процессе подъема жидкости в вертикальной трубе.

а) Подъем жидкости за счет энергии расширяющегося газа

Ученый Д. Вирслюис (1930г) объясняет подъем жидкости расширением газа , сжатого предварительно с затраченной энергией W_3.Освобождающаяся энергия вызывает расширение газа. Значит, если нет расширяющегося газа то и нет эффекта подъема жидкости по Д. Вирслюису. Так ли это? А если ввести в трубу не расширяющийся момент, по плотности меньший, чем плотность поднимаемой жидкости , чтобы было ее всплытие, будет подъем жидкости? Да будет. Оказывается можно ввести подъем и подачей твердого агента, например, подачей полиэтиленовых шариков. Следовательно, эта теория не объясняет причину подъема.

б) Подъем жидкости за счет относительной скорости движения фаз с различными плотностями.

Автор Г.И. Белдворцев (1939) считал, что «Скольжение следует считать первоисточником движения газожидкостной смеси.» Согласно этой теории подъем жидкости невозможен за счет подачи жидкости, растворяющейся в поднимаемой и имеющей меньшую плотность. Однако путем подачиспирта в поднимаемую жидкость был осуществлен подъем воды.

в) Подъем происходит за счет газовых пузырей, работающих как негерметичный поршень.

В.Г.Багдасаров(1947) считал, что «комплекс газовых пузырей необходимо рассматривать как поршень, а сам аргазлифт как поршневой насос». Анализ этой гипотезы показал , что таким образом подъем может быть осуществлен при четочной структуре, т.е. когда диаметр газовых пузырей равен внутреннему диаметру трубы, но, поскольку пузыри деформируются в процессе движения, то поршень будет негерметичным и возможны очень большие потери поднимаемой жидкости. Мелкие пузырьки работать как поршень не могут. Значит, и это объяснение явления подъема не является вполне корректным.

г) Подъем происходит за счет снижения плотности смеси а подъемнике подачей любого агента меньшей плотности.

В.С.Меликов (1923) считал, что «если в одном из сообщающихся сосудов, содержащих какую-либо однородную жидкость , мы искусственно уменьшим удельный вес находящейся в нем жидкости, то уровень ее может достигнуть устья сосуда и даже вылиться из него…»

Если сосуд диаметром d, высотойhзаполним жидкостью плотностью_ж, то объем жидкости в сосуде составит

(6.20)

Введем в этот сосуд рабочий агент – шар плотностью _а(агент может быть жидким, газообразным, твердым), то из сосуда вытеснится жидкость объемомV_а и поднимается на высотуh

(6.21)

Объем системы V_cсоставит

V_c = V_ж+V_а(6.22)

Плотность смеси «жидкость +рабочий агент» определится так

(6.23)

Таким образом, введя рабочий агент в подъемник, мы добиваемся увеличения объема жидкости в нем. Но, вводя агент меньшей плотности, чем поднимаемая жидкость, мы осуществляем и самоподъем агента для его повторного использования. Эта гипотеза наиболее верно отражает существо процессов подъема.