Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Трубопроводный транспорт газонасыщенных нефтей. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Трубопроводный транспорт»
Л.А. ШАЦКАЯ
Г.М. ОРЛОВА
Ю.В. ВЕЛИКАНОВА
ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ
ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ НЕФТЕЙ
Учебное пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2021
1
Печатается по решению методического совета института нефтегазовых
технологий СамГТУ (протокол № 10 от 20.10.2021 г.).
УДК 621.64(075.8)
ББК 39.77 я73
Ш 326
Шацкая Л.А.
Трубопроводный транспорт газонасыщенных нефтей: учеб. пособ. /
Л.А. Шацкая, Г.М. Орлова, Ю.В. Великанова. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т,
2021. – 65 с.
Рассмотрены основные характеристики газонасыщенных эмульсий и методика гидравлического расчета трубопроводов, транспортирующих газонасыщенные нефтяные эмульсии.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 21.04.01
«Трубопроводный транспорт углеводородов» и 21.05.05 «Физические процессы
горного или нефтегазового производства»
Ре ц е н з е н т ы : д-р техн. наук, профессор Е.В. Стефанюк,
д-р техн. наук, профессор И.В. Кудинов
УДК 621.64(075.8)
ББК 39.77 я73
Ш 326
© Л.А. Шацкая, Г.М. Орлова,
Ю.В. Великанова, 2021
© Самарский государственный
технический университет, 2021
2
ВВЕДЕНИЕ
Высокие темпы развития нефтедобычи, большая капиталоемкость строительства объектов нефтяных промыслов требуют поиска
путей повышения эффективности капиталовложений. Это возможно
при внедрении современных технологий в систему сбора и подготовки нефти. Снижение капитальных затрат и потерь нефтяного газа реализуется в системах совместного сбора и транспорта нефти и газа.
Применение этих систем обеспечивает максимальное использование
энергии пласта для транспортирования продукта и упрощает схемы
нефтегазосбора отдельных промыслов.
В настоящее время более 70 % скважин имеют различную степень обводненности. При этом в нефтесборных коллекторах систем
совместного сбора продукции скважин движется смесь «нефть – газ –
вода». Эта многофазная смесь является неустойчивой и имеет ряд
важных особенностей, знание которых необходимо для правильного
решения проблемы повышения эффективности совместного сбора
нефти, газа и воды. Например, в турбулентном потоке, слияние капель эмульсии приводит к гашению турбулентности и, как следствие,
снижению гидравлического сопротивления. Приведенная в пособии
методика гидравлического расчета Медведева для газоэмульсионных
смесей учитывает эти явления.
Пособие содержит пять частей, две из которых являются теоретическими и рассматривают основные положения моделирования
многофазных потоков и свойства газонасыщенных нефтей. В третьей
части приведена методика гидравлического расчета газонасыщенных
нефтяных эмульсий. Четвертая часть – пример расчета выкидного
трубопровода Алексеевского месторождения. Пятая – задание
для самостоятельной работы по вариантам.
3
Перевод физических величин
Вязкость 1 Пз = 0,1 Па∙с; 1 сПз = 0,001 Па∙с
Производительность 1 м3/сут = 1/24∙3600 м3/с
4
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
МНОГОФАЗНЫХ СРЕД
1.1. ОСНОВНЫЕ ДОПУЩЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ
МНОГОФАЗНЫХ СРЕД
При математическом описании многофазных сред обычно предполагают, что такие среды можно изучать, используя представления
механики взаимопроникающих взаимодействующих сплошных сред
(континуумов), которые и представляют собой многофазный кон-
тинуум. При этом предполагают, что выполнены следующие два ос-
новных условия.
1. Размер неоднородностей, в частности включений, в среде
много больше молекулярно-кинетических размеров (средних длин
свободного пробега молекул и т. п.), то есть неоднородности содержат очень большое число молекул.
2. Размер неоднородностей много меньше расстояний, на кото-
рых макроскопические или осредненные параметры многофазной
среды существенно изменяются.
Выполнение первого условия позволяет проводить исследование
движения отдельных включений и окружающей их среды на основе
обычных уравнений и методов механики сплошной среды. Выполнение второго условия позволяет описывать изменение осредненных
(макроскопических) параметров многофазной среды.
Объектом изучения в данном пособии является газонасыщенная
эмульсия (ГНЭ). ГНЭ – многофазная среда, состоящая из совокупности трех континуумов: нефти, воды и газа.
Водонефтяные эмульсии представляют собой высокодисперсные
коллоидные системы двух нерастворимых жидкостей: нефть в воде
или вода в нефти с размерами включений дисперсной фазы порядка
10-5–10-7 м. При рассмотрении макроскопического движения можно
считать, что дисперсионная фаза равномерно распределена в дисперсной фазе.
5
Поэтому движение водонефтяных смесей, образующих эмульсию,
г
г
г н в
β
Q
Q Q Q
внг
и, QQQ
2
см см см
см cм см
2
ж г см
ρ
σ
, , Re ,
ρ ρ μ
w w d
Fr We
g d g d
в теории многофазных течений можно рассматривать как жидкую фазу
с некими усредненными значениями характеристик. Соответственно
ГНЭ можно рассматривать как двухфазный поток «жидкость – газ».
1.2. СТРУКТУРНЫЕ ФОРМЫ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ
При движении двухфазного потока, абсолютные скорости жидкой и паровой фазы не равны друг другу. На горизонтальных и восходящих участках трассы скорость газовой фазы выше, чем у жидкой, а на нисходящих – наоборот [1]. Соотношение долей жидкой и
паровой фаз газа характеризуется расходным газосодержанием βг:
,
где
– объемный расход газа, нефти и воды соответ-
ственно.
Для характеристики закономерностей течения газожидкостных
смесей используют безразмерные критерии:
– число Рейнольдса – представляет собой меру отношения инерционной силы к силе внутреннего трения. Характеризует гидродинамический режим течения;
– число Вебера – отражает соотношение между силой поверхностного натяжения и силой инерции. Оно характеризует способность границы раздела «жидкость – газ» к деформации и определяет
процессы дробления дисперсной фазы;
– число Фруда – характеризует соотношение сил инерции и силы тяжести. Сила инерции вызывает возмущение в потоке, приводящее к перемешиванию фаз, а сила тяжести, наоборот, стремится
вызвать их расслоение.
Критерии подобия для смеси определяются выражениями
где ρсм, μсм и wсм – плотность, динамическая вязкость и скорость смеси;
6
d – внутренний диаметр трубопровода;
г
β
σ – межфазное натяжение на границе «нефть – вода»;
g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
Основной характеристикой многофазного потока, оказывающей
значительное влияние на его гидродинамические параметры, является
структурная форма течения. Структурная форма потока определяется
визуально и связана с характером распределения газа в жидкости
при их совместном движении в трубопроводе.
Структурные формы потока зависят от четырех параметров:
1) скорости смеси;
2) расходного газосодержания;
3) физических свойств газовой и жидкой фаз;
4) диаметра и угла наклона трубопровода.
Основные структуры:
– пузырьковая – характеризуется движением отдельных пузырьков газа вдоль верхней образующей трубы (рис. 1, в). Такой тип
структуры наблюдается при малых газосодержаниях
и небольших
скоростях;
– эмульсионная (диспергированная) (рис. 1, е) – возникает
при скоростях, больших 2 м/с, и малом газосодержании. Пузырьки
начинают дробиться, перемешиваться и равномерно распределяются
по всему объему жидкости (рис. 2 – IV зона);
– расслоенная, характеризующаяся послойным движением газа
и жидкости с четкой гладкой или волновой поверхностью раздела
(рис. 1, а). Такой тип структуры реализуется при скорости смеси
меньше 0,2 м/с и больших газосодержаниях на горизонтальных и
нисходящих участках трубопровода. При увеличении скорости потока на границе раздела фаз образуются небольшие волны, за счет разности скоростей жидкости и газа (рис. 1, б). На рис. 2 этой структуре
соответствует I зона;
– пробковая (снарядная, пробково-дисперсная), характеризующаяся чередованием жидкостных и газовых пробок различных размеров (рис. 1, г). Такой тип структуры возникает при дальнейшем
7
увеличении скорости потока и с ростом газосодержания. На рис. 2
этой структуре соответствует зона II. Кроме того, такой тип структуры характерен для труб с углом наклона более 2°;
– кольцевая (пленочная, пленочно-дисперсная), характеризующаяся течением основной массы жидкости по стенке трубы в виде
жидкостного кольца, внутри которого с высокой скоростью движется
газ, содержащий капли жидкости (рис. 1, д). Такой тип структуры реализуется в основном в вертикальных трубах. На рис. 2 этой структуре соответствует зона III.
Рис. 1. Структурные формы газожидкостных потоков:
а – расслоенная с плоской границей раздела;
б – расслоенная с криволинейной границей раздела;
в – пузырьковая; г – пробковая; д – кольцевая; е – эмульсионная
Для идентификации режима течения двухфазных потоков в горизонтальных трубах применяют фазовые диаграммы режимов течения.
Фазовая диаграмма отображает границы переходов от одного режима
течения к другому в логарифмических координатах. Существует несколько диаграмм, наиболее распространенными являются диаграмма
Бейкера (1954 г.), Мандхейна (1974 г.), диаграмма Дуклера (1976 г.) и
другие. На рис. 2 изображена аппроксимация диаграммы Бейкера
в среде Mathcad. Здесь по горизонтальной оси отложен массовый расход жидкости, а по вертикальной – расход паровой фазы.
8
воздуха воды
ρ
ρ
λ
ρρ
g
L
1
2
3
воды воды
воды
σρ
μ
ψ
σ μ ρ
L
L
Рис. 2. Аппроксимация диаграммы Бейкера в среде Mathcad:
(цифрами на диаграмме обозначены области реализации режимов течения)
1 – расслоенный, 2 – расслоено-волновой, 3 – расслоено-волновой с перемычками,
4 – снарядный, 5 – пузырьковый и эмульсионный,
6 – кольцевой и дисперсно-кольцевой
Изначально диаграмма построена для воды и воздуха. ψ и λ – поправочные множители для жидкой и газовой фазы соответственно [2].
– для газовой фазы,
– для жидкой фазы.
Тип структуры определяется всеми четырьмя параметрами.
На карте структурного потока представлена качественная зависи-
мость типа двухфазного потока от скорости смеси и газосодержания
(рис. 3).
9
*
см
Fr
г
2,5β
*
см
2
ж
г
2 sinα
Fr 0,2
λ
1 β
е
Рис. 3. Карта структурных форм
газожидкостного потока (по А.И. Гужову):
I – раздельно-волновая; II – пробково-эмульсионная;
III – кольцевая; IV – эмульсионная
Карта приведена для горизонтальных и наклонных труб
диаметром 0,05–0,3 м.
Расслоенная структура имеет место только при горизонтальном и
нисходящем течении, а область ее существования расширяется
по мере увеличения расходного газосодержания и угла наклона
трубопровода [1].
Для практического расчета объединяют структурные формы
потока в три группы:
1) расслоенная;
2) пробковая;
новение всех трех групп потоков. Если участок восходящий, то только пробковая и кольцевая.
чае, если число Фруда превышает критическое значение
3) кольцевая.
В слабонаклоненных и горизонтальных трубах возможно возник-
Смена расслоенной структуры пробковой происходит в том слу-
,
,
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]