Расширяющегося газа

Большинство фонтанных скважин работает за счет энергии газа и гидростатического напора жидкости одновременно. В таких сква­жинах Ру <С.Р_нас "СРзаб- Таким образом, в нижней части колонны труб перемещается одна фаза (жидкость), а на глубине, где давление равно р_вас, начинается выделение газа из нефти, и в верхней части колонны движется двухфазный поток (жидкость и газ).

Рис. 49. Структура газо­жидкостной смеси при движении ее в подъем­нике.

При эксплуатации скважин встречаются также случаи, когда имеет место неравенство р_заб <^р_яас. Тогда по всей длине колонны труб в скважине движется двухфазный поток.

Состояние смеси жидкости и газа при движении по колонне подъемных труб изменяется в зависимости от соотношения объемных расходов обеих фаз (жидкой и газообразной), от средней скорости движения смеси и от диаметра подъемных труб. В соответствии с этим различают три режима такого движения газожидкостной смеси (рис. 49), между которыми имеются плавные переходы.

9*

Первый режим (рис. 49, а) характерен при движении жидкости, пронизанной пузырьками газа высокого давления (режим «пены»); второй (рис. 49, б) — «четочный» — создается, когда расширяю­щийся газ образует более или менее крупные патронные пробки, движущиеся в жидкости в виде «четок»; третий режим (рис. 49, в) характерен для больших отношений газ/жидкость, когда газ дви­жется сплошной массой по центру трубы, увлекая за собой капли жидкости (режим «тумана»). Наряду с этими режимами существуют и другие, промежуточные.

Особенностью «четочного» режима является то, что характер
движения смеси изменяется во времени. Через данное сечение не­
которое время проходит газовый «снаряд», а затем образуется жид­
костная перемычка. В связи с этим при движении смеси по второму
режиму отсутствует установившийся режим течения и возникает
пульсация потока. _к

На практике встречаются все три режима, причем они могут оыть одновременно в одной и той же колонне: в нижней части — первый режим, в средней — второй и в верхней — третий режим.

Наиболее распространен в практических условиях второй режим. Первый режим по характеру движения близок ко второму; третий режим встречается только в самой верхней части колонны и при очень большом соотношении газа и жидкости.

Перепад давлений, необходимый для подъема жидкости по ко­лонне подъемных труб, обусловливается полезной работой по подъему смеси и суммой потерь: 1) на преодоление трения жидкости и газа о стенки труб; 2) потерь, возникающих вследствие разных скоростей движения газа и жидкости (при этом газ движется быстрее и про­скальзывает через жидкость), — потерь скольжения; 3) потерь вслед­ствие ускорения движения жидкости и газа, а также вследствие изменения скорости движения при входе жидкости в башмак подъ­емных,труб. Потери последнего вида весьма малы, поэтому ими можно пренебречь.

Исходя из этого, перепад давлений между башмаком и устьем колонны можно определить в метрах столба жидкости из равенства

где Н — напор, необходимый для выполнения полезной работы;
Н_ск —"напор, обусловленный скольжением газа; Л,_р — напор, рас­
ходуемый на преодоление сил трения. _а

Потери относительного движения находятся в обратной зависи­мости от скорости движения, силы же трения возрастают от повы­шения скорости движения.

Оценка потерь трения и потерь скольжения вследствие сложного движения смеси представляет для теоретического обоснования весьма

трудную _к^за^У_{ым в б< гини провед}ены экспериментальные работы, в результате которых получен ряд зависимостей; некоторые из них

^ПРИЗа№Симост^Ии^Жесуммы потерь полезного напора и скольжения Ъпол + />ск и потерь трения й_тр на 1 м длины труб «т объемного расхода газа V (в л/с) при диаметре подъемника й_у = 73 мм и по­стоянном расходе жидкости д = 2,4 л/с приведены в виде кривых на рис 50 Эти кривые показывают, что при одном и том же расходе жидкости сумма потерь Н_поя + Н_ск будет тем меньше, ^м больше газа %_Г ^ходить через^рубу Д-о^диаметр^П^и Г^О

с "увеличением' количества пропускаемого газа, наоборот, будут 132

увеличиваться. При V = 0 потери трения (см. на рисунке прямую линию) также равны нулю.

Кривые зависимости потерь от диаметра подъемных труб при постоянных расходах газа и жидкости (V = сопз!; и д = сопв*) приведены на рис. 51. Здесь также потери Н_аол + Н_ск и Н_тр приняты

Рис. 50. Зависимость по­терь полезного напора и скольжения, а также тре­ния (йп₀л+ й_ск + игр) на 1 м длины трубы от объем­ного расхода газа V при постоянном диаметре Л подъемных труб и постоян­ном расходе жидкости ^.

в м на 1 м длины трубы. Диаметры подъемных труб <3_у приняты от 33 до 114 мм при постоянных объемных расходах газа V =•• 15 л/с и жидкости д — 1,6 л/с.

Рис. 51. Зависимость по­терь напора апол+ ^йск. й_тр и А от диаметра и подъем­ных труб при постоянных объемных расходах газа V и жидкости д.

На рис. 50 и 51 пунктирные кривые показывают полные напоры А, получаемые в результате суммирования кривых Н_пол + Н_ск и пря­мых /&_тр. По такой кривой на рис. 51 видно, что наименьшие полные потери на 1 м длины трубы при принятом расходе жидкости и газа составляют 0,3 при трубах условным диаметром 73 мм.

А. П. Крылов в результате проведения экспериментальных работ главным образом по второму режиму движения смеси, построил кривые изменения объемного расхода жидкости в зависимости от объемного расхода газа для подъемников различных диаметров при постоянных перепадах давления на единицу длину подъемника.

подача уменьшаться. Эта точка начала увеличения суммарных по­терь и снижения подачи соответствует минимальным суммарным потерям и максимальной подаче. Расход газа, обусловливающий та­кой режим, бывает различным в зависимости от перепада давления и диаметра подъемных труб.

Продолжающееся повышение расхода газа еще больше замедляет уменьшение потерь скольжения и сильнее увеличивает потери трения, в результате чего суммарные потери возрастают и подача снижается. Потери трения в этой области движения смеси, соответ­ствующей правой ветви кривой рис. 52, будут иметь преоблада­ющее значение.

Таким образом, точки пере­гиба кривых будут соответство­вать максимальной подаче.

Отношение полезной работы по подъему жидкости ко всей

затраченной работе (отношение

№_п к \У₃) представляет собой

коэффициент полезного действия

(к. п. д.) подъемника. Для оп­ределения точки какой-либо

кривой, соответствующей работе

газа при максимальном к. п. д.,

надо из начала координат про-

А,,---- — - - —»_[* v

Рис. 52. Зависимость между дебитом жидкости и расходом газа при | = йопз!; для элементарного под----- = 73 мм.

подъемника йу =

вести прямую, касательную к данной кривой (рис. 52, каса­тельная к кривой, соответству­ющей | — 0,30). Эта прямая в точке касания с кривой дает

наибольшее значение отношения Ж_п к Ж,, т. е. это и будет соответ­ствовать максимальному значению к. п. д., или оптимальному дебиту для данного подъемника при данных условиях его работы.

На рис. 52 точки максимальной подачи жидкости и точки ма­ксимальных значений к. п. д. (оптимальных дебитов) кривых соеди­нены пунктирными линиями.

Для длинных подъемников зависимость между количеством про­ходящего газа и количеством поднимаемой жидкости при постоянном давлении у башмака подъемных труб выражается кривой такого же характера, как и в рассмотренном выше элементарном участке трубы.

На рис. 53 приведена кривая зависимости дебита жидкости от расхода газа в единицу времени. На этой кривой имеется несколько характерных точек — точки начала подачи подъемника (выброса жидкости при малых количествах газа), максимального к. п. д., максимального дебита и прекращения подачи; последняя точка соответствует условию очень больших расходов газа, при которых потери трения газа в подъемной трубе превышают давление у баш­мака подъемных труб.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 € Рис. 54. Изменение <?макс и <?0пт от относительного погружения.

где р — давление на расстоянии I от устья; р₁ и р₂ — давления у бапшака и у устья соответственно; Ь — длина колонны;

3) движение смеси происходит по второму режиму («четочному»).

Среднее значение суммарного напора, расходуемого на единицу длины подъемника, представляется выражением (100)

где р! и р ₂ — давления у башмака и у устья скважины; Ь — длина

подъемника.

Средний объемный расход газа по длине подъемника в предпо­ложении об изотермическом расширении его с изменением давления по формуле (102) можно получить в виде:

(103)

где V» — объемный расход газа при средней температуре в стволе скважины и атмосферном давлении р₀.

С учетом принятых допущений условия работы длинного подъем­ника определяются по следующим формулам.

В этих формулах: (} — в т/сут; А — в мм; р — в кг/м "; р — в Па; Ь — в м; К — в мут;

На рис. 54 показано изменение (?_макс

и (?_опт в зависимости от изменения величины | для подъемника внутренним диаметром 62 мм (<1_у = 73 мм) и плотности жидкости р = 900 кг/м³.

Из графика видно, что с увеличением | возрастает максимальная пропускная способность подъемника. При оптимальном же режиме работы подъемника наблюдается максимум, соответствующий при­мерно 200 т/сут, при | = 0,6. Это значит, что для обеспечения ма­ксимального дебита подъемника, работающего на оптимальном режиме, необходимо, чтобы ^ = 0,6.