Гидравлические расчеты сложных трубопроводов при изотермическом движении по ним нефтяного газа.

Запишем систему уравнений для потока нефтяного газа в трубопроводе:

1.

2.

3.

В практических расчетах можно пренебречь влиянием разности отметок крайних точек газопровода и изменением линейной скорости газа.

Потери на трение определяются по уравнению Дарси-Вейсбаха:

Тогда получим:

Т.к. , подставляя это выражение в предыдущее, получим:

Т.к. , подставляя в предыдущее, получим дифференциальное уравнение связи всех интересующих нас параметров:

Интегрируя полученное выражение получим:

Значение коэффициента гидравлического сопротивления рассчитывают в зависимости от режима движения газа и шероховатости труб.

Одной из формул типа , получившей широкое распространение, является формула Веймаута:

Формулу Веймаута можно использовать при ориентировочных расчетах диаметра или пропускной способности простого газопровода. В этом случае расчетные формулы имеют вид:

Иногда для увеличения надежности работы газосборной сети прокладывают две или несколько параллельных ниток.

Пропускная способность всей серии газопроводов:

Пропускная способность газопровода переменного диаметра:

Существуют газовые коллекторы трех типов: линейный, лучевой и кольцевой. Линейный и каждую нитку лучевого коллектора рассчитывают следующим образом:

Если газопровод на всех участках выполнен из труб одного диаметра, то расчетная формула имеет вид:

9. Распределение температуры по длине неизотермического трубопровода. Вывод формулы Шухова в. Г.

Пусть по трубопроводу диаметром D движется однофазная продук­ция с массовым расходом q. Температура продукции на входе в трубо­провод t_H. Температура окружающей среды t_o. Поток стационарный, то есть распределение температуры по длине трубопровода во време­ни не меняется. Из этого следует, что все тепло, которое выделяется при охлаждении продукции уходит в окружающую среду. Удельная теплоемкость потока с_р и коэффициент теплоотдачи К_оТ. Трубопро­вод горизонтальный. Введем систему координат, ось х. Составим ба­ланс тепловой энергии на элементе трубопровода dx.

Где — количество тепловой энергии выделяющееся при охлаждения потока в рассматриваемом элементе, Вт;

— количество тепловой энергии рассеивающе­еся в окружающуюся среду с поверхности рассматриваемого элемен­та трубопровода, Вт.

Следовательно

Проинтегрируем полученное уравнение:

откуда

Обозначим

Тогда следует формула ВТ. Шухова для расчета распределения температуры по длине трубопровода

10. Типичные структуры газонефтяных потоков в горизонтальных и наклонных трубопроводах [по Гужову а.И. - ?]

Структурная форма газожидкостного потока — это пространствен­ное распределение потоков жидкой и газовой фаз в трубопроводе.

В зависимости от формирующейся в трубопроводе структуры пото­ка меняется его гидравлическое сопротивление из-за изменений:

• формы поверхности раздела фаз,

• характера взаимодействия фаз между собой и стенками трубопро­вода и, как следствие,

• относительной скорости движения сосуществующих фаз.

Структурные формы газожидкостных потоков весьма разнообразны и зависят от:

• скорости движения смеси;

• объемного соотношения фаз в трубопроводе;

• физических свойств жидкой и газовой фаз;

• межфазного поверхностного натяжения;

• диаметра и угла наклона трубопровода;

• направления потока в отдельных участках рельефного трубопровода.

А.И. Гужовым и учениками его школы в Грозненском нефтяном институте были выделены следующие шесть структурных форм движе­ния воздуховодяной смеси (рис. 3.2).

При раздельно-волновой форме потока с ростом скорости движения газожидкостной смеси на поверхности жидкости развиваются гравита­ционные волны в направлении движения смеси, что вызывает некото­рую пульсацию давления в трубопроводе. Размеры волн и пульсация дав­ления с увеличением скорости смеси возрастают и раздельно-волновая структура потока переходит в пробковую.

Пузырьковая форма газожидкостного потока наблюдается при не­больших газосодержаниях и характеризуется движением окклюдирован­ного газа в виде пузырей в верхней части сечения трубы при почти пол­ном отсутствии пульсации давления. Размеры основного числа пузырей примерно одинаковы, а скорость их движения не больше средней ско­рости смеси. С увеличением скорости смеси происходит дробление пу­зырей, а при скорости более 0,2 м/с окклюдированные газовые пузырь­ки равномерно распределяются в жидкости. Рост газосодержания в смеси при прочих равных условиях вызывает коалесценцию (слияние) пузырь­ков газа, приводя к возникновению более крупных газовых скоплений. При скоростях менее 0,2 м/с слияние пузырьков газа приводит к образованию непрерывной газовой фазы, т.е. формированию раздельной структуры потока. При более высоких скоростях газожидкостной смеси коалесценция пузырей газа приводит к образованию газовых пробок.

Пробковая структура газожидкостного потока характеризуется пос­ледовательным чередованием газовых и жидкостных пробок. С увели­чением газосодержания размеры газовых пробок увеличиваются, а жид­костных уменьшаются. При дальнейшем увеличении газосодержания жидкостные пробки переходят в волны и поток становится раздельно-волновым.

С увеличением скорости происходит разрушение (в зависимости от газосодержания) газовых или жидкостных пробок. При низких объем­ных расходных газосодержаниях 30% об. и меньше разрушаются газо­вые пробки с образованием вначале пузырей, затем эмульсионной од­нородной структуры. При более высоких газосодержаниях происходит разрушение верхней части жидкостных пробок с обильным образова­нием пены с последующей сменой структурной формы потока на проб-ково-диспергированную, для которой характерно пульсирующее дви­жение газовых пробок, разделенных небольшими диспергированными жидкостными перемычками. Такой режим течения характеризуется наибольшими пульсаииями давления с периодическим затормаживанием по­тока, прорывом и слиянием газовых скоплений. Увеличение скорости смеси приводит к уменьшению высоты волн, увеличению распыленной жидкости из-за разрушения пены и сопровождается уменьшением пуль­сации давления. Дальнейшее увеличение скорости еще больше разру­шает газовые и жидкостные скопления. При объемных расходных газо­содержаниях до 70% наиболее интенсивно разрушаются газовые скоп­ления, и поток переходит в эмульсионную форму. При более высоких газосодержаниях преимущественно разрушаются волновые жидкостные скопления с образованием жидкой дисперсионной среды. На стенках трубопровода по всему его периметру образуется устойчивый слой жид­кости, то есть возникает новая пленочно-диспергированная (кольцевая) форма газожидкостного потока.

В пленочно-диспергированном состоянии часть жидкости движет­ся в виде мельчайших капель в ядре потока, остальная часть в виде плен­ки на стенке трубы, образуя кольцо, толщина которого в нижней части больше, чем в верхней. При очень больших расходах газа практически вся жидкость переходит в распыленное состояние, и поток становится ярко выраженным диспергированным.

При газосодержаниях более 95—98% об. раздельно-волновая струк­тура потока непосредственно переходит в пробково-диспергированную или пленочно-диспергированную. При небольшом содержании жидко­сти в потоке жидкостные пробки не возникают. Образующиеся волны разрушаются, не успевая перекрыть сечение трубы.

Области существования структурных форм потока в значительной мере зависят от:

• направления потока и

• угла наклона трубы.

Например, при восходящем течении отсутствует раздельно-волновая структура и, как следствие, значительно расширяется область пробко­вой структуры газожидкостного потока.

При нисходящем движении наблюдаются такие же структурные фор­мы течения газожидкостной смеси, как и при горизонтальном, но гра­ница перехода раздельно-волновой формы потока в пробковую смеща­ется в сторону больших скоростей смеси с увеличением угла наклона трубы.

Основными факторами, определяющими границы существования структурных форм являются:

• скорость смеси и

• объемное расходное газосодержание в ней.

С увеличением диаметра трубопровода область раздельно-волновой формы потока расширяется, а пузырьково-пробковой сокращается. Ос­тальные структурные формы потока по существу не зависят от диаметра трубопровода.

Существенное влияние на структурные формы потока оказывают свойства жидкости. Повышение вязкости жидкости и снижение меж­фазного поверхностного натяжения вызывает более интенсивное дроб­ление газовых пузырей и пенообразование при одновременном уменьшении относительной скорости фаз и затухании волн. Поток ста­новится более однородным независимо от его структуры. Повышение разности плотностей жидкости и газовой фазы увеличивает их грави­тационное разделение.

Таким образом, структурные формы газонефтяных потоков и границы их существования могут существенно отличатся от таковых для водовоздушных смесей.

Экспериментальные промысловые исследования на месторождениях Чечено-Ингушетии позволили установить следующие структурные фор­мы течения газонефтяной смеси в горизонтальных и наклонных трубах:

1. раздельно-волновая (раздельная);

2. пробково-эмульсионная (пробковая);

3. пленочно-диспергированная и

4. эмульсионная.

В отличие от движения водовоздушных смесей газонефтяные потоки скважинной продукции имеютследующие специфические особенности:

• При снижении давления по длине трубопровода происходит непре­рывное образование газовой фазы в нефти в виде мельчайших пу­зырьков.

• Устойчивость образующейся газонефтяной эмульсии благодаря ес­тественным ПАВ, содержащимся в нефти, и высокое газосодержа­ние нефти, непрерывно увеличивающееся с возрастанием скорос­ти смеси.

• Образование устойчивых пен, способствующих насыщению газовой фазы нефтью. В определенных условиях пенная структура потокаможет иметь преобладающее значение.

• В газонефтяных потоках не происходит полного гравитационного разделения фаз, что обуславливает особенности структурных форм и закономерностей изменения:

• истинного газосодержания потока,

• пульсаций давления и

• других гидравлических характеристик потока.

• В промысловых трубопроводах могут одновременно сосуществовать различного характера эмульсии и пены.

• Влияние диаметра труб проявляется в том, что с его увеличением граница перехода раздельной структуры в пробковую смещается в сторону больших скоростей. Однако темп этого изменения умень­шается и в трубах относительно большого диаметра (более 0,2 м) ста­ новится практически мало заметным.

• С увеличением давления и снижением межфазного поверхностного натяжения величина скорости смеси, при которой раздельное тече­ние переходит в пробковое уменьшается.

• Наибольшую область распространения как по скорости смеси, так и по газосодержанию имеют пробковая и эмульсионная структуры потока.

• Область пленочно-диспергированного (кольцевого) течения суще­ствует при скоростях более 8-10 м/с и объемном расходном газосо­держании более 85%.

• Границы существования пленочно-диспергированной и эмульсион­ной структур потока мало зависят от диаметра труб и определяются в основном степенью турбулизации потока и свойствами сосуществу­ющих фаз.

• Области существования пленочно-диспергированной и эмульсион­ной форм как в восходящем, так и нисходящем потоке примерно такие же, как при горизонтальном течении.

• Для промысловых нефтегазопроводов пробковая и эмульсионная структуры являются наиболее распространенными формами тече­ния смеси.

• Между отдельными формами газонефтяного потока фактически нет четких границ раздела — имеются сравнительно широкие переход­ные зоны как по скорости, так и по газосодержанию.

В промысловых трубопроводах под влиянием рельефа местности обуславливается сравнительно частое изменение направления пото­ка и, как следствие, изменение структурных форм потока.