Основы теории подъема ГЖС ТЕОРИЯ ПОДЪЕМА ЖИДКОСТИ

Основы теории подъема ГЖС

ТЕОРИЯ ПОДЪЕМА ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНЕ • Подъем жидкости из скважин всегда сопровождается выделением газа • Для понимания процессов подъема жидкости из скважин, умения проектировать установки для подъема и выбирать необходимое оборудование, надо знать законы движения ГЖС в трубах • При всех способах добычи нефти приходится иметь дело с движением ГЖС либо на всем пути от забоя до устья, либо на большей части этого пути

Движение ГЖС в вертикальной трубе

Плотность смеси ρ в трубке зависит от расхода газа с • Чем больше расход V, тем меньше плотность ρс • Изменяя расход газа V, можно регулировать высоту Н подъема ГЖС в трубке ρgh=ρс g. H → H=h∙ρ/ρс q(V) • Зависимость подачи ГЖП от расхода (левая ветвь кривой крутая, правая -пологая) • Для всех точек кривой постоянным является Р 1, так как погружение h не изменяется. Для данной кривой её параметром является относительное погружение Ɛ =h/L

ГЖП характеризуется семейством кривых q(V), имеющих параметр Ɛ

Зависимость положения кривых q(V) от диаметра трубы Увеличение диаметра требует большего расхода газа, так как объем жидкости, который необходимо разгазировать для достижения заданной величины ρс, возрастает пропорционально квадрату диаметра

К. п. д. процесса движения ГЖС К. п. д. будет иметь максимальное значение в той точке, в которой отношение q/V максимально. Но q/V= tgφ. Только для касательной tgφ будет иметь максимальное значение. В точке касания получают оптимальный дебит q опт Удельный расход газа V/q=R обращается в бесконечность для точек начала и срыва подачи. Для режима оптимальной подачи при максимальном к. п. д. R минимально

Наибольшая величина q опт достигается при Ɛ=0, 5 -0, 6 Для достижения наибольшей эффективности работы ГЖП, необходимо осуществить погружение подъемной трубы под уровень жидкости на 50 -60% от всей длины трубы. В реальных условиях это не всегда может быть выполнено: §Из-за низкого динамического уровня §Из-за ограниченного давления газа, используемого для этой цели

Структура потока ГЖС в вертикальной трубе Пузырьковая (тонкодисперсная структура) На участке НКТ, где Р<Рнас, газовые пузырьки, выделяющиеся из нефти, более или менее равномерно пронизывают массу нефти. Газовые пузырьки очень маленькие и имеют большую плотность, поэтому архимедова сила мала. Такая незначительная скорость всплытия в расчетах может не учитываться Пробковая – в результате снижения давления при движении смеси вверх по трубе, газовые пузырьки расширяются, увеличивают объемное газосодержание потока до 20 -25%. В дальнейшем при поступлении новых количеств газа, пузырьки газа сливаются, образуя глобулы больших размеров (несколько см), скорость всплытия – десятки см/с. Это ухудшает энергетические показатели подъема Кольцевая – газ с распыленными в нем каплями жидкости движется непрерывным потоком, увлекая по стенкам трубы пленку жидкости. Скорость газа по отношению к жидкости несколько м/с На возникновение той или иной структуры оказывает влияние: вязкость нефти, наличие в ней различных ПАВ, способствующих диспергации газа в потоке.

Уравнение баланса давлений • При проектировании установок для подъема жидкости из скважин, когда по НКТ движется ГЖС, основным вопросом является определение потерь давления • • р1—давление в нижней части трубы рс — давление, уравновешивающее гидростатическое давление столба ГЖС ртр — потери давления на преодоление сил трения при движении ГЖС рус — потери давления на создание ускорения потока ГЖС, так как его скорость при движении в сторону меньших давлений увеличивается из-за расширения газа р2— противодавление на верхнем конце трубы Уравнение справедливо для всех случаев: короткой и длинной трубы, вертикальной и наклонной и является основным при расчете потерь давления и их составляющих

При практических расчетах можно решить Прямые задачи • известно давление вверху р2 и требуется определить давление внизу р1 или наоборот При этом все другие условия (длина трубы, ее диаметр, расход поднимаемой жидкости, свойства жидкости и газа) должны быть известны Обратные задачи • определить расход поднимаемой жидкости q при заданном перепаде давления р1 -р2. • определить необходимое количество газа Г 0 для подъема заданного количества жидкости q при заданном перепаде давления р1 -р2 Во всех случаях необходимо знать слагаемые, входящие в уравнение баланса давления

Решение задач • сводится к расчету потерь давления на участках подъемника при заданных параметрах движения (q, d, Г, ρ) и последующем их суммировании. Чем больше n, тем точнее будет такое решение, при n=10 -15 достигается достаточная точность • Если известно давление вверху р2 • Если известно давление внизу р1

Через данное сечение трубы при движении ГЖС проходит некоторое количество газа и жидкости. Все газовые пузырьки занимают в сечении трубы суммарную площадь fг, а жидкость — остающуюся площадь в том же сечении fж, так что fг+fж=f

• Плотность ГЖС определится как средневзвешенная • Истинное газосодержание • Тогда • Обозначим V — объемный расход газа; q — объемный расход жидкости; сг — линейная скорость движения газа относительно стенки трубы; сж — линейная скорость движения жидкости относительно стенки трубы. • Тогда можно записать следующие соотношения • и • После подставления в формулу средневзвешенной плотности ГЖС, выполняя сокращения, получим (*)

В восходящем потоке газ движется быстрее жидкости, так как на него действует архимедова сила выталкивания • Обозначим r- газовый фактор, приведенный к условиям рассматриваемого сечения • Разделив числитель и знаменатель (*) на q и вводя новые обозначения, получим • При • Этот случай соответствует идеальным условиям, при которых образуется идеальная смесь плотностью

• Относительная скорость газа (по отношению к жидкости) или • Поэтому • Увеличение скорости газа при неизменном объемном расходе V уменьшает fг и, следовательно, увеличивает fж. В результате плотность смеси увеличивается • Явление скольжения газа (а>0) при неизменных объемных расходах q u V приводит к утяжелению смеси по сравнению с идеальным случаем • чем больше а, тем больше потребуется давление на забое для поднятия данного количества жидкости

Плотность реальной смеси увеличение плотности смеси, обусловленное скольжением Заштрихованная часть графика показывает увеличение плотности ГЖС за счет скольжения газа При одной и той же относительной скорости газа (а = const) b уменьшается при увеличении расхода жидкости Вывод — переход на трубы малого диаметра при определенных условиях за счет увеличения сж уменьшит величину b, а это в свою очередь повлечет уменьшение Поэтому подъем ГЖС может быть осуществлен при меньшем забойном давлении. Однако целесообразность перехода на трубы меньшего диаметра должна быть проверена расчетом, так как при этом возрастут потери давления на трение

Расходное и истинное газосодержание • плотность идеальной смеси определяется расходным газосодержанием β, а плотность реальной смеси—истинным φ • Расходное газосодержание потока ГЖС определяется как отношение объемного расхода газа V к общему расходу смеси V+q: • Истинное газосодержание потока ГЖС учитывает скольжение газа и поэтому является отношением площади, занятой газом fг, ко всему сечению трубы f

При движении ГЖС возможны два предельных случая 1. по трубе движется одна жидкость fг=0, следовательно, φ= fг/f =0 2. по трубе движется один газ fж=0, β=0 Физически возможные пределы изменения φ и β 0<φ<1 0<β<1 При отсутствии скольжения газа относительная его скорость равна нулю (а=0), следовательно, сг<сж, b=1 и φ= β Чем больше скольжение, т. е. чем больше а, тем ниже пройдет линия φ(β) для идеального подъемника будет являться прямой в виде диагонали квадрата (линия 1) Во всех других случаях при b>1. т. е. при а>0 (сг> сж), получим φ<β (линия 2)

Относительная скорость газа а зависит от: • дисперсности газовых пузырьков и структуры движения ГЖС • вязкости жидкой фазы • разности плотностей газа и жидкости, которой зависит подъемная сила • диаметра трубы • газонасыщенности потока ГЖС от

оценка относительной скорости газа • Проводится экспериментально и составляет основной предмет исследований • рекомендуется принять φ= 0, 833β во всем диапазоне значений β, представляющем практический интерес • Величина β всегда известна, так как расходами V и q либо задаются, либо вычисляют для заданных термодинамических условий

Гидродинамический расчет движения многофазного потока продукции скважины в НКТ позволяет • Определить и установить рациональный способ извлечения продукции на поверхность • Определить оптимальный режим работы скважин • Выбрать необходимое оборудование для обеспечения оптимального режима работы скважин

Гидродинамический расчет движения многофазного потока продукции скважины в НКТ сводится • к построению профиля давления в работающей скважине Р=f(Н), который позволяет определить давление на забое и в любой точке колонны подъемных труб

В общем виде движение ГЖС в скважине сводится к решению системы уравнений: 1) Уравнение движения смеси 2) Уравнение неразрывности потока, характеризующее постоянство массового расхода при установившемся ее течении 3) Уравнение теплопроводности, решение которого позволяет получить распределение температуры в колонне подъемных труб 4) Уравнение состояния для расчета фазовых переходов, физических и расходных характеристик фаз 5) Соотношения для истинной объемной доли газа в смеси и коэффициента гидравлического сопротивления, конкретный вид которых определяется структурной формой потока

Успешное решение технологических задач • зависит от правильности использования расчетных зависимостей, учитывающих особенности реального газожидкостного потока • Одной из особенностей потока является многообразие его структурных форм (пузырьковая, пробковая и кольцевая)

Устойчивость газожидкостного потока • • к структурообразованию определяется динамическим напором поверхностным натяжением на границе фаз вязкостью и плотностью фаз геометрией канала

Каждая структура • имеет свои особенности изменения основных гидродинамических характеристик потока, коэффициента гидравлического трения λ и истинной объемной доли в смеси газа φ • Структура и гидродинамика потока определяют интенсивность теплоотдачи, устойчивость течения, степень термической неравновесности • В целом движение газожидкостного потока — сложный термогидродинамический процесс, аналитическое описание которого возможно только на основе упрощенных моделей его представления, дополненное результатами промысловых и лабораторных экспериментов

основные модели течения 1. Гомогенная модель 2. модель со скольжением (относительной скоростью) фаз все существующие методы расчета газожидкостного потока классифицируются по особенностям модели

Методы, основанные на гомогенной модели течения • Особенность модели термодинамическое равновесие и равенство линейных скоростей фаз. Обе фазы рассматриваются как одна гомогенная, обладающая усредненной (по принципу аддитивности) плотностью без учета относительной скорости • Необратимые потери давления, обусловленные трением и относительной скоростью, рассчитывают по аналогии однофазного потока на основе экспериментально полученной зависимости «коэффициент корреляции—число Рейнольдса» • Метод Поэтмана—Карпентера —для газожидкостных потоков в вертикальных трубах круглого сечения • Метод П. Баксендела— для газожидкостных потоков в вертикальных кольцевых каналах

Методы, основанные на модели течения со скольжением • Существует несколько разновидностей данной модели в зависимости от структурных форм потока и характера распределения газовой фазы в потоке непрерывной жидкой фазы • Общая особенность - конкретизация структурных форм потока на основе параметров, определяющих область их существования, определение необратимых потерь давления, обусловленных трением, скольжением и ускорением, с учетом влияния на них относительной скорости • метод А. П. Крылова и Г. С. Лутошкина • метод Ж. Оркишевского • метод ВНИИгаза

Последовательность гидравлического расчета движения ГЖС 1. 2. 3. 4. 5. 6. Подготовка исходных данных, характеризующих режим работы скважины и физические свойства флюидов Составление ряда последовательных значений давления в сечениях колонны, для чего разбивают общий диапазон изменения давления на равные интервалы Рассчитывают температурный градиент потока и температуру на устье скважины Определяют температуру потока, соответствующую заданным давлениям Определяют физические свойства Н, Г, В и водонефтяной смеси при соответствующих термодинамических условиях (Р, Т) Рассчитывают расходные параметры газожидкостного потока при соответствующих термодинамических условиях (Р, Т)

Последовательность гидравлического расчета движения ГЖС 7. Вычисляют приведенные скорости жидкой и газовой фаз, а также скорости потока ГЖС 8. Оценивают параметры для определения структуры потока (если предусмотрено методикой расчета) – безразмерные скорости газа и жидкости, критерий Рейнольдса смеси, критерий Фруда смеси, расходную объемную концентрацию газа в смеси 9. Согласно структуре потока выбирают систему уравнений, описывающих движение смеси и вычисляют градиент давления на устье скважины и в точках с заданными давлением и температурой 10. Рассчитывают величины, обратные градиентам давления 11. Вычисляют длину участков колонны НКТ, на которых движется ГЖС в диапазоне соответствующего изменения давления 12. По результатам расчета строят профиль давления в колонне НКТ на участке движения ГЖС