Схема емкостного датчика

1 – сварной корпус, 2 – стеклянная труба, 3 – электрод, 4 – регулятор длины электрода (шток), 5 – штурвал, 6 и 10 – верхний и нижний фланцы соответственно, 7 – стальная труба, 8 – кольцо для крепления стеклянной трубы, 9 – металлический цилиндрик.

На верхнем фланце 6 монтируется внутренний элек­трод 3, особенностью которого является наличие регулятора его длины, действующего при помощи вращающегося штока. Роль изолятора выполняет стеклянная труба 2, которая при помощи специального кольца 8 и стального патрубка 7 крепится к верх­нему фланцу 6. Внутри стеклянной трубы на длине 200 мм нано­сится распылением слой серебра, являющегося внутренним элек­тродом 3 датчика. Вращая штурвал 5 вместе со штоком, можно выдвигать из электрода на требуемую длину металлический ци­линдрик 9, контактирующий с серебряным покрытием, таким образом, настраивать влагомер на измерение различных сортов нефти с различной обводненностью. Шкала влагомера, находя­щаяся на верхнем фланце, отрегулирована в процентах объемного содержания воды. На точность измерения этим прибором коли­чества пластовой воды и нефти значительное влияние оказывают:

1) изменение температуры нефтеводяной смеси;

2) степень одно­родности смеси;

3) содержание пузырьков газа в потоке жид­кости;

4) напряженность электрического поля в датчике.

6. Классификация промысловых трубопроводов. Гидравлический расчет простых трубопроводов.

Трубопроводы, применяемые на нефтяных месторождениях, подразделяются на несколько видов:

1. по назначению – нефтепроводы, газопроводы, нефтегазопроводы, водопроводы. В нефтепроводах и нефтегазопроводах наряду с нефтью и газом может двигаться и пластовая вода.

2. по функции - выкидные линии и коллекторы. Выкидные линии-трубопроводы от устья скважины до ГЗУ. Коллекторы-трубопроводы, собирающие продукцию скважин от групповых установок к сборным пунктам.

3. по величине рабочего давления – низкого (до 1,6МПа), среднего (от 1,6 до 2,5 МПа) и высокого (выше 2,5МПа).

Трубопроводы среднего и высокого давления – напорные. Трубопроводы низкого давления могут быть напорными и самотечными.

Если в самотечных трубопроводах движение жидкости происходит при полном заполнении ею объема трубы, то движение напорно-самотечное, если заполнение не полное, то движение характеризуется как свободно-самотечное.

4. по гидравлической схеме работы - простые и сложные.

Простые - трубопроводы, имеющие неизменный диаметр и массовый расход транспортируемой среды по всей длине.

Сложные - трубопроводы, имеющие различные ответвления или изменяющийся по длине диаметр. Сложные трубопроводы можно разбить на участки, каждый из которых является простым трубопроводом.

5. По способам прокладки:

-подземные,

- наземные,

- подводные,

-подвесные.

Гидравлический расчет простых трубопроводов.

Простой трубопровод имеет постоянный диаметр по всей длине и не имеет никаких отводов. Гидравлический расчет его сводится к определению одного из следующих параметров.

Пропускная способность трубопровода Q при заданных величинах: диаметра D и длины l трубопровода, физических свойств перекачиваемой жидкости (r_ж и v_ж), геометрических отметках начала и конца трубопровода (Dz = z₁ - z₂) и перепада давления (р₁ - р₂) или напора (Н₁ - Н₂).

Необходимый начальный напор Н₁ или давление р₁ при задан­ных величинах: конечного напора H₂ или давления p₂, длины трубопровода l, физических свойств перекачиваемой жидкости (r_ж и v_ж), диаметра трубопровода D, разности геометрических высот Dz и количества перекачиваемой жидкости Q_ж.

Диаметр трубопровода D, способного пропустить заданный расход Q_ж при тех же известных, что и в первых двух случаях.

Рассмотрим принципы решения перечисленных задач.

В задачах первого типа искомым является пропускная спо­собность Q_ж трубопровода. Коэффициент гидравлического со­противления l зависит от числа Рейнольдса, а следовательно, и от неизвестного расхода Q_ж. Поэтому задачу решают графо-аналитическим методом, сущность которого сводится к следующему.

В начале задаются несколькими произвольными значениями расхода жидкости Q_i, после чего определяют скорость потока . Затем рассчитывают режим движения и в зависимости от него определяют коэффициент гидравлического сопротивления l. После чего, подставляя все известные данные в формулу Дарси-Вейсбаха , находят для данного расхода потери напора в трубопроводе H_i и строят по найденным величинам зависимость H_i = f (Q_i) (рис.1, а). После этого по заданному напору H₀ находят иско­мую производительность трубопровода Q₀. При решении этой задачи за заданный напор Н₀, определяемый из уравнения Бернулли обычно принимают разность значений удельной потенциальной энергии (Dz и Dр):

В задачах второго типа в зависимости от числа Рейнольдса, которое в данном случае легко определить по известным диаметру трубопровода D и расходу жидкости Q_ж, находят коэффициент гидравлического сопротивления l, затем решают уравнение -формула Лейбензона (*) - относительно искомого начального давления.

В задачах третьего типа искомым является диаметр нефтепро­вода при известном расходе жидкости Q_ж, перепаде давлений p₁ - р₂, плотности r_ж и вязкости v_ж жидкости, а также длине трубопровода l.

Здесь, как и в задаче первого типа, коэффициент гидравличе­ского сопротивления l зависит как от режима движения, т. е. от числа Рейнольдса, так и от неизвестного диаметра D, входя­щего в число Re. Поэтому данная задача решается графо-аналитическим методом. Для этого задаются различными значениями диаметра трубопровода D_i, определяют соответствующие им по­тери H_i и строят зависимость H_i = f (D_i).

Необходимый диаметр трубопровода определяют по кривой рис. 1 по заданному напору H₀.

7. Классификация промысловых трубопроводов. Гидравлический расчет сложных трубопроводов. Расчет сборного и раздаточного коллекторов.

Трубопроводы, применяемые на нефтяных месторождениях, подразделяются на несколько видов:

1. по назначению – нефтепроводы, газопроводы, нефтегазопроводы, водопроводы. В нефтепроводах и нефтегазопроводах наряду с нефтью и газом может двигаться и пластовая вода.

2. по функции - выкидные линии и коллекторы. Выкидные линии-трубопроводы от устья скважины до ГЗУ. Коллекторы-трубопроводы, собирающие продукцию скважин от групповых установок к сборным пунктам.

3. по величине рабочего давления – низкого (до 1,6МПа), среднего (от 1,6 до 2,5 МПа) и высокого (выше 2,5МПа).

Трубопроводы среднего и высокого давления – напорные. Трубопроводы низкого давления могут быть напорными и самотечными.

Если в самотечных трубопроводах движение жидкости происходит при полном заполнении ею объема трубы, то движение напорно-самотечное, если заполнение не полное, то движение характеризуется как свободно-самотечное.

4. по гидравлической схеме работы - простые и сложные.

Простые - трубопроводы, имеющие неизменный диаметр и массовый расход транспортируемой среды по всей длине.

Сложные - трубопроводы, имеющие различные ответвления или изменяющийся по длине диаметр. Сложные трубопроводы можно разбить на участки, каждый из которых является простым трубопроводом.

5. По способам прокладки:

-подземные,

- наземные,

- подводные,

-подвесные.

Сложный трубопровод может иметь различные диаметры по длине и отводы.

При гидравлическом расчете их практический интерес пред­ставляет четыре случая, часто встречающихся в промысловых условиях:

1) жидкость из раздаточного коллектора, имеющего постоян­ный диаметр, равномерно или неравномерно отбирается;

2) жидкость равномерно или неравномерно поступает в сбор­ный коллектор, имеющий по длине разный диаметр;

3) общий сборный коллектор образует параллельные трубо­проводы (лупинги);

4) общий сборный (раздаточный) коллектор имеет форму кольца (магистральный водовод).

Рассмотрим решение задач для каждого случая при условии установившегося течения.

Уравнение материального баланса для первого случая (см. рис.1) - раздаточного коллектора

где Q - объемный расход жидкости в произвольном сечении; Q_T - транзитный расход жидкости, т. е. расход, который транс­портируется за пределы указанных участков; Q_П - путевой расход жидкости; q₁, q₂, …., q_i - равные или неравные объемные расходы жидкости в ответвлениях, отстоящих на расстоянии l₁, l₂, …., l_i от начала трубопровода.

Расход жидкости на участках:

l₁ = О_T + Q_П;

l₂ = О_T + Q_П - q₁;

l₃ = О_T + Q_П - (q₁ + q₂);

l_n = О_T + Q_П - (q₁ + q₂ + ….. + q_{n - 1}).

Поскольку диаметр раздаточного коллектора одинаков на всем протяжении, а расходы жидкости на различных участках, в связи с ее отбором, разные, то режимы течения на каждом уча­стке l₁, l₂, …., l_П также будут разными.

Определим перепад давления на каждом участке горизонтального трубопровода по формуле Лейбензона . На первом участке

На втором участке

На третьем участке

на n-м участке

Сложив перепады на каждом участке, найдем общий перепад на всей длине рассматриваемого раздаточного коллектора:

Если транзитный расход в раздаточном коллекторе равен нулю, т. е. Q_T = 0, величины отборов одинаковы (q₁ = q₂ = q₃ = ….. q_n), расстояния между отборами равны между собой (l₁ = l₂ = …. L_n), то

С учетом рельефа местности формула примет вид

Для каждого участка трубопровода определяется режим дви­жения жидкости и по формуле

Уравнение материального баланса для второго случая - сборного коллектора

Расход жидкости на участках

l₁ = О₀;

l₂ = О₀ + q₁;

l₃ = О₀ + q₁ + q₂ и т. д.

Определим перепад давления на каждом участке по аналогии с предыдущим.

Рис. 2. Расчетная схема сложного нефтепровода, имеющего по длине разные диаме­тры, с сосредоточен­ным поступлением нефти

На первом участке

На втором участке

На третьем участке

На n-м участке

Как и в первом случае, сложив перепады давлений на каждом участке, найдем общий перепад на всей длине рассматриваемого сборного коллектора:

Для каждого участка сборного коллектора определяют режим движения жидкости и определяют перепад давления на каждом участке. Затем производится сложение этих перепадов, в результате чего получается общий перепад.

Расчет параллельных и кольцевых трубопроводов.

Сложный трубопровод может иметь различные диаметры по длине и отводы.

При гидравлическом расчете их практический интерес пред­ставляет четыре случая, часто встречающихся в промысловых условиях:

1) жидкость из раздаточного коллектора, имеющего постоянный диаметр, равномерно или неравномерно отбирается;

2) жидкость равномерно или неравномерно поступает в сборный коллектор, имеющий по длине разный диаметр;

3) общий сборный коллектор образует параллельные ТП (лупинги);

4) общий сборный (раздаточный) коллектор имеет форму кольца (магистральный водовод).

Параллельные ТП, или лупинги, прокладывают обычно для увеличения их пропускной способности при сохране­нии того же перепада давления на конечных участках или умень­шении его.

Рис. 3. Расчетная схема параллель­ных трубопроводов (с лупингом)

На рис. 3 приведена схема трубопровода с лупингом.

Из баланса количества жидкости имеем

где Q₀ - расход жидкости в основном трубопроводе до сечения А и после сечения В; Q₁ - расход жидкости в трубопроводе на участке АВ; Q₂ - расход жидкости в лупинге.

Очевидно, потери напора на участке трубопровода АВ равны потери напора в лупинге (параллельной трубе), т. е. Dh₁ = Dh₂ или, можем записать:

где l₀ - длина участка трубопровода, равная длине лупинга; D₁, D₂ - диаметры трубопровода и лупинга соответственно.

Из равенства потерь напора на участке трубопровода А - В следует

откуда найдем расход в трубопроводе Q₁ на участке AВ, выра­женный через расход Q₀ до разветвления:

Формула (7) позволяет определить расход жидкости в сдво­енном трубопроводе по известному суммарному расходу Q₀ и заданным отношениям диаметров лупинга и трубопровода.

Гидравлический уклон до участка АВ и после него

Гидравлический уклон на участке АВ и в лупинге одинаков и будет равен с учетом выражения (7)

Выражая гидравлический уклон на сдвоенном участке через гидравлический уклон основного трубопровода, получим

Если диаметр основного трубопровода D₁ и диаметр лупинга D₂ равны между собой, то

В этом случае при ламинарном режиме n = 0,5, при турбу­лентном режиме в зоне справедливой для формулы Блазиуса n = 0,297, для зоны с квадратичной характеристикой n = 0,25.

Кольцевые трубопроводы сравнительно широко применяют в промысловых условиях при подаче воды от мест водозабора до кустовых насосных станций (КНС).

Кольцевые трубопроводы рассчитывают по той же схеме, что и при параллельном соединении (с лупингом).

Однако задача значительно усложняется тем, что здесь имеется несколько расходных пунктов Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ (рис. 4), и рас­чет проводят до тех пор, пока изменением расхода жидкости и направлением ее движения не будет достигнуто равенство потерь напора в ветвях ВСДЕ и ВМКЕ.

Рис. 4. Расчетная схема кольцевого трубопровода

При проектировании кольцевой системы водоводов вначале задаются величинами расходов Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ и, зная диаметры отдельных ветвей, определяют значения потерь напора от общей точки разветвления В до расходных пунктов СDЕ и МКЕ. Рас­ходы считаются заданными правильно, если алгебраическая сумма потерь напора в кольце равна нулю, т. е.

или

Если это условие не соблюдается, то следует повторить рас­четы при измененных величинах расходов жидкости в трубах:

Q₁ + Q₂ + Q₅ = Q₃ + Q₄ + Q₅ ± DQ.

Поправка DQ при этом выбирается удовлетворяющей уравне­нию

Если в процессе эксплуатации кольцевого трубопровода на линиях-отводах Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ и Q₅ изменяется сопротивление (закрывается задвижка), то соответственно этому сопротивлению происходит перераспределение расходов жидкости в отдельных отводах.

8.Неизотермическое течение жидкостей в трубопроводе. Расчет трубопроводов при неизотермическом течении жидкости

1 – изотермическое ламинарное течение; 2 – нагревание вязкой нефти; 3 – охлаждение вязкой нефти.

жидкости по длине трубопровода получен Жуковым в 1883 г., в основу которого заложена потеря теплоты от элементарного участка dx в единицу времени в ОС: (1), где - поверхность охлаждения элементарного участка, м³, - полный коэффициент теплоотдачи от жидкости в ОС, Вт/м²*⁰С, t – текущая температура жидкости.

При движении жидкости через рассматриваемый участок dx, жидкость охлаждается на dt ⁰С и теряет количество теплоты: (2), где - теплоемкость, Дж/кг*⁰С, G – массовый расход, кг/с. (1)=(2): - уравнение Шухова (закон распределения температуры жидкости по длине трубопровода).

В 1923 г. Лейбензон внес поправку в эту формулу, учтя работу трения потока жидкости, превращающуюся в теплоту, участвующую в тепловом балансе трубопровода: ; - поправка Лейбензона, - средний гидравлический уклон; Е – механический эквивалент теплоты (1 ккал=427 кгс*м=427*9,81 Н*м).

Закон изменения температуры на участке трубопровода, где происходит кристаллизация парафина, описывается формулой Черникина: ; - расстояние, на котором температура падает от t_н до t_п, - количество парафина, выделяющегося из нефти при понижении температуры от t_п до t (доли единицы); - любая температура, для которой известно ; x – скрытая теплота кристаллизации парафина.

9.Гидравлический расчет трубопроводов, транспортирующих вязкопластичные жидкости.

распреде­ление скоростей и напряжений в структурированном потоке.

Согласно закону Ньютона о вязкостном трении при движении жидкости в круглой трубе, уравнение касательного напряжения сдвига t записывается в следующем виде:

Парафинистые и застывающие нефти при понижении температуры приобретают вязкопластичные свойства вследствие образования в них пространственной структуры. В этом случае течение нефтей не начнется до тех пор, пока не будет достигнуто предельное напряжение сдвига, необходимое для разрушения пространственной структуры, и только после начала течения наблюдается пропорциональность между градиентом скорости и разностью напряжения τ-τ₀.

Таким образом, поведение вязкопластичных жидкостей отклоняется от закона Ньютона и описывается уравнением Шведова-Бингама: τ= τ₀+μ_{пл ,} где τ₀-предельное напряжение сдвига, μ_пл-пластичная вязкость; du/dn-градиент скорости сдвига.

Профиль скоростей при движении вязкопластичной жидкости в круглой трубе существенно отличается от профиля скорости ньютоновской жидкости. Так как напряжение сдвига убывает от стенки трубы и оси, на некотором радиусе r₀ напряжение сдвига становится равным предельному напряжению сдвига τ₀, и жидкость в цилиндре радиусом r₀ движется в виде «ядра», внутри которого скорость по сечению не изменяется. Радиус цилиндрического ядра r₀ определяют по формуле: r₀ = τ₀ . При ламинарном течении вязкопластичных жидкостей в трубах расход определяют по уравнению Букингема:

,

которое также можно записать

.

Для упрощения расчетов применяют формулу Стокса: λ=64/Re_*, где Re_* - обобщенный параметр Рейнольдса, который вводится с использованием уравнения Букингема в виде: ,,

.

При турбулентном движении парафинистых нефтей, являющихся вязкопластичными жидкостями, λ не зависит от Re. Численное значение λ в турбулентном режиме в зависимости от содержания парафина изменяется от 0,028 до 0,038, причем λ возрастает с ростом концентрации твердого парафина.

10.Гидравлический расчет трубопроводов для нефтяных эмульсий

Устойчивые высокодисперсные эмульсии ведут себя как однородные жидкости, и поэтому гидравлический расчет трубопроводов в этом случае не отличается от гидравлического расчета простого нефтепровода. Различие гидродинамического поведения неустойчивых и устойчивых эмульсий проявляется в эффекте гашения турбулентных пульсаций дисперсионной среды каплями дисперсной фазы. С учетом этого эффекта λ неустойчивых эмульсий определяется:

λ_э=64/Re_*э,Re<=2320,

,

2320< Re_*э<10⁵,

где Re_{*э-число} Рейнольдса, определяемое по формуле:

,

где γ₀ указывает, является ли неустойчивая эмульсия ньютоновской или неньютоновской жидкостью, ее определяют по выражению:

,

1-ньютоновская

2- неньютоновская

-параметр пластичности,

w-средняя скорость течения, ρ_э, μ_э-плотность и вязкость эмульсии; D-внутренний диаметр трубопроводада; τ₀- дополнительное напряжение сдвига плотной эмульсии: τ₀=(0,195φ_ф-0,102)σ/d, где σ-межфазное натяжение; d-диаметр капель; φ_ф-содержание дисперсной фазы и эмульсии.

Плотная (устойчивая) эм-ия сущ-т при 0,524<φ_ф<0,741

Множитель (1+1,125*γ₁ *φ_ф)^-1 учитывает эффект гашения турбулентности.

Символ γ₁ указывает, проявляется ли в потоке неустойчивой эмульсии эффект гашения турбулентности, и определяется:

,

где d-средний объемно-поверхностный диаметр капель неустойчивой эмульсии; d=1,4Dwe^0.6; We=σ/ρ_с число Вебера; ρ_с и ρ_ф-плотность дисперсной среды и дисперсной фазы.

Снижение давления при преодолении гидродинамического сопротивления при турбулентном течении неустойчивых эмульсий в промысловых трубопроводах зависит от содержания дисперсной фазы в неустойчивой эмульсии.

Содержание дисперсной фазы в эмульсии, при котором потери давления будут минимальны, является оптимальным.

1) Потери Р минимальны.

Оптимальное содержание дисперсной фазы в неустойчивой эмульсии определяют по формуле:

φ_ф0=0,68-0,4ρ_ф/ρ_с, 0,6< ρ_ф<1.4.

2) Потери Р для эм-ии не превышают потерь Р для нефти.

Важное значение для нефтепромысловой практики имеет определение области, в которой перепад давления при течении эмульсии не превышает перепада давления при течении нефти с той же скоростью. Эта область при 1< ρ_ф/ ρ_c<1.4 описывается формулой: φ_ф*=1,2-0,7 ρ_ф/ ρ_с.

3) Потери Р для эм-ии меньше чем потери Р для нефти.

Т.о., при 0< φ_ф< φ_ф* перепад давления в труб-де меньше, чем для чистой нефти. За пределами этой области перепад давления для эмульсии превышает перепад давления для чистой нефти.