Кривая лифтирования, практическое ее применение

Подъем жидкости из скважин нефтяных месторождений практически всегда сопровождается выделением газа. Поэтому для понимания процессов подъема жидкости из скважин, умения проектировать установки для подъема и выбирать необходимое оборудование, надо знать законы движения газожидкостных смесей (ГЖС) в трубах. При всех известных способах добычи нефти приходится иметь дело с движением газожидкостных смесей либо на всем пути от забоя до устья, либо на большей части этого пути. Эти законы сложнее законов движения однородных жидкостей в трубах и изучены хуже. Если при движении однофазного потока приходится иметь дело с одним опытным коэффициентом ?, (коэффициент трения), то при движении двухфазного потока — газожидкостных смесей приходится прибегать по меньшей мере к двум опытным характеристикам потока, которые в свою очередь зависят от многих других параметров процесса и условий движения, многообразие которых чрезвычайно велико.

Зависимость подачи жидкости от расхода газа.

Качественную характеристику процесса движения газожидкостной смеси (ГЖС) в вертикальной трубе легче уяснить из следующего простого опыта (рис. 1). Представим, что трубка 1 длиною L погружена под уровень жидкости неограниченного водоема на глубину h.

К нижнему открытому концу трубки, который по аналогии с промысловой терминологией будем называть башмаком, подведена другая трубка 2 для подачи с поверхности сжатого газа. На трубке имеется регулятор расхода 3, с помощью которого можно установить желаемый расход газа.

Рис. 1 Принципиальная схема газожидкостного подъемника

Давление у башмака подъемной трубки 1 будет равно гидростатическому на глубине h — p1 = ?gh и, очевидно, не будет изменяться от того, много или мало газа подается к башмаку.

По трубке 2 подается газ, и в трубке 1 создается газожидкостная смесь средней плотности рс, которая поднимается на некоторую высоту Н. Поскольку внутренняя полость трубки 1 и наружная область являются сообщающимися сосудами, имеющими на уровне башмака одинаковые давления, то можно написать равенство.

?gh=?cgH.

откуда.

H = h *? / ?c.

Плотность смеси в трубке рс зависит от расхода газа V. Чем больше V, тем меньше рс. Следовательно, изменяя V, можно регулировать Н. При некотором расходе V — V величина Я может достигнуть L. При VL и наступит перелив жидкости через верхний конец трубки 1. При дальнейшем увеличении V расход поступающей на поверхность жидкости q увеличится.

Однако при непрерывном увеличении V расход жидкости не будет увеличиваться непрерывно, так как под воздействием неизменяющегося перепада давления? р = р1 — р2 (р1 =const, так как h =const), труба определенной длины L и диаметра d должна пропускать конечное количество жидкости, газа или газожидкостной смеси. Таким образом, при некотором расходе газа V=V2 дебит достигнет максимума q = g mах.

Можно представить другой крайний случай, когда к башмаку подъемной трубы подводится так много газа, что при постоянном перепаде давления? p = p1 — р2 будет идти только газ, и? p будет расходоваться на преодоление всех сопротивлений, занных движением по трубе чистого газа. Расход этого газа пусть будет V=V3. Если к башмаку подать еще больший ход (V>V3), то излишек газа не сможет пройти через подъемную трубу, так как ее пропускная способность при данных условиях (L, d, ?р) равна только V3, и устремится мимо трубы, оттесняя от башмака жидкость. Очевидно, при этом расход жидкосги будет равен нулю (q = 0). Таким образом, из этого можно сделать следующий вывод.

• 1. При V < V1 q = 0 (H < L)
• 2. При V=V1 q=0 (H=L) (начало подачи)
• 3. V1 < V < V2 0 < q L)
• 4. При V = V2 q = qmax

V2 0.

V =V3 q = 0.

Обычно правая ветвь кривой q (V) пологая, левая крутая (рис. 2). Для всех точек кривой постоянным является давление Р1, так как погружение h в процессе опыта не изменялось. Существует понятие — относительное погружение? = hL.

Таким образом, для данной кривой ее параметром будет величина относительного погружения ?.

Рис. 2 Зависимость подачи q газожидкостного подъемника от расхода газаV.

Зависимость положения кривых q (V) от погружения.

При любых ?, лежащих в пределах 0 <? < 1, вид соответствующих кривых q (V)т одинаковый. При увеличении? новые кривые q (V) обогнут прежнюю, так как с ростом h потребуется меньший расход газа для наступления перелива. По тем же причинам возрастет q max, а точка срыва подачи на соответствующих кривых сместится вправо. При уменьшении? все произойдет наоборот. Новые кривые q (V) расположатся внутри прежних и при? = 0 кривая q (V) выродится в точку. Другой предельный случай —? = 1 (h = L; 100% погружения). В этом случае при бесконечно малом расходе газа немедленно произойдет перелив. Точка начала подачи сместится в начало координат. Кривая q (V) для? = 1 начнется в начале координат и обогнет все семейство кривых. Таким образом, каждый газожидкостный подъемник характеризуется семейством кривых q (V), каждая из которых будет иметь свой параметр? (рис. 3).

Рис. 3.Семейство кривых q (V)для газожидкостного подъемника данного диаметра

Зависимость положения кривых q (V) от диаметра трубы.

В наших рассуждениях никаких ограничений на диаметр подъемной трубы и на ее длину не накладывется. Поэтому аналогичное семейство кривых q (V) должно существовать для подъемников любого диаметра и любой длины. Однако возникает вопрос, как располагать новое семейство кривых для трубы диаметром d2 > d1 по отношению к прежним кривым. Увеличение диаметра потребует большого расхода газа, так как объем жидкости, который необходимо разгазировать для достижения данной величины? с, при прочих равных условиях (h = const, L = const) возрастает пропорционально d2. Пропускная способность трубы по жидкости, газу или газожидкостной смеси (ГЖС) также возрастет. Поэтому для увеличенного диаметра будет существовать также семейство кривых q (V), все точки которого будут смещены вправо, в сторону увеличенных объемов, кроме одной точки, совпабающей с началом координат для кривой q (V) при? = 1 (рис. 4.) В каждом из этих семейств и любых других, кривые q (V) при значениях ?, близких к единице и к нулю, не имеют практического значения, так как они либо неосуществимы (? = 0), либо бессмысленны (? = 1), и введены в рассуждения только для понимания физики процессов, происходящих при движении ГЖС в трубах.

Рис. 4. Семейство кривых q (V) для двух газожидкостных подъемников различных диаметров