Кононенко Анатолий Петрович
Email: bomgua@mail.ru
Общие сведения
Область применения эрлифтов
Актуальность темы
Цель работы
Научная новизна работы
Обзор состояния вопроса на сегодняшний день
Основные результаты и выводы
Перечень литературы
Одним из направлений технического прогресса в транспорте является развитие трубопроводного транспорта. Наиболее перспективным является гидравлический транспорт, при котором потоки воды или смеси несут с собой по трубам сыпучие материалы либо переносится с помощью нагнетателя гомогенная среда. Благодаря известным достоинствам эти виды транспорта находят применение при перемещении: полезных ископаемых (угля, песка, гравия, нефти, растворов солей и многое другое) от места добычи к потребителю; отходов обогатительных фабрик; золы и шлака тепловых электростанций в отвалы; пустой породы к месту складирования и др.Во многих схемах гидротранспорта имеются вертикальные или наклонные участки, например, подъем твердого материала из подземных выработок или со дна различных водоемов при добыче полезных ископаемых; подъем капельной жидкости (воды, нефти и др.) на дневную поверхность. Как показали теоретические и экспериментальные исследования Донецкого национального технического университета и других научных центров, а также опыты эксплуатации созданных ими гидросистем, иногда весьма целесообразно использовать эрлифтные установки.
Эрлифт - это устройство, предназначенное для подъема жидкости с некоторой глубины на определенную высоту при помощи сжатого воздуха. Принцип работы эрлифта состоит в следующем. Если в нижнюю часть трубы, опущенной в воду, вводить воздух под достаточным давлением, то образовавшаяся в трубе воздушная эмульсия (смесь воды и пузырьков воздуха) будет подниматься благодаря разности удельных масс эмульсии в трубе и воды в скважине. Естественно, что эмульсия тем легче, чем в ней больше пузырьков воздуха, но при этом существует критический предел подаваемого объема газа, при котором подача жидкости вовсе прекращается.
Эрлифты различной производительности применяются:
1) для подачи активного циркуляционного ила и подъема сточной жидкости на небольшую высоту на канализационных очистных сооружениях;
2) для подачи химических реагентов на водопроводных очистных сооружениях;
3) для подачи воды из скважин.
Опыт показал, что наряду с некоторыми недостатками (сравнительно малый кпд, невозможность подъема жидкости с малой глубины), эрлифты обладают рядом достоинств, которые наиболее заметны при эксплуатации на очистных сооружениях:
• простота устройства;
• отсутствие движущихся частей;
• допустимо содержание взвеси в неограниченном количестве в транспортируемой жидкости;
• источником энергии служит сжатый воздух, поступающий от воздуходувок.
Но наиболее важной отраслью применения эрлифтов является нефтедобывающая. После того как скважина пробурена и освоена, необходимо начать добывать из нее нефть. Хотя нужно отметить, что не из всех даже эксплуатационных скважин добывается нефть. Нефть находится под землей под таким давлением, что при прокладке к ней пути в виде скважины она устремляется на поверхность. Как правило, фонтанируют скважины только в начале своего жизненного цикла, т.е. сразу после бурения. Через некоторое время давление в пласте снижается и фонтан иссякает. Конечно, если бы на этом прекращалась эксплуатация скважины, то под землей оставалось бы более 80% нефти. В процессе освоения скважины в нее опускается колонна насосно-компрессорных труб (НКТ). Если скважина эксплуатируется фонтанным способом, то на поверхности устанавливают специальное оборудование – фонтанную арматуру. После прекращения фонтанирования из-за нехватки пластовой энергии переходят на механизированный способ эксплуатации скважин, при котором вводят дополнительную энергию извне (с поверхности). Одним из таких способов, при котором вводят энергию в виде сжатого газа, является газлифт.
Газлифт (эрлифт) — система, состоящая из эксплуатационной (обсадной) колонны труб и опущенных в нее НКТ, в которой подъем жидкости осуществляется с помощью сжатого газа (воздуха). Иногда эту систему называют газовый (воздушный) подъемник. Способ эксплуатации скважин при этом называется газлифтным. Принцип разгазирования столба жидкости для её подъёма на поверхность впервые был использован в Венгрии в 18 в. для откачки эрлифтом воды из обводнённых шахт. Открытие эрлифтного водоподъема относится к 1797 г. и принадлежит германскому горному инженеру Карлу Лошеру. В 60-е гг. 19 в. компрессорная эрлифтная нефтедобыча применялась в небольших масштабах на нефтепромыслах Пенсильвании (США). Впервые промышленное применение в больших масштабах К. д. н. получила в 1894 на бакинских промыслах, по предложению В. Г. Шухова. По схеме подачи от вида источника рабочего агента — газа (воздуха) различают компрессорный и безкомпрессорный газлифт, а по схеме действия — непрерывный и периодический газлифт.
Рисунок 1-Конструкции газлифтных подъемников
В затрубное пространство нагнетают газ высокого давления, в результате чего уровень жидкости в нем будет понижаться, а в НКТ — повышаться. Когда уровень жидкости понизится до нижнего конца НКТ, сжатый газ начнет поступать в НКТ и перемешиваться с жидкостью. В результате плотность такой газожидкостной смеси становится ниже плотности жидкости, поступающей из пласта, а уровень в НКТ будет повышаться. Чем больше будет введено газа, тем меньше будет плотность смеси и тем на большую высоту она поднимется, но максимальный объем газа ограничен так как подача может вовсе прекратиться . При непрерывной подаче газа в скважину жидкость (смесь) поднимается до устья и изливается на поверхность, а из пласта постоянно поступает в скважину новая порция жидкости. Дебит газлифтной скважины зависит от количества и давления нагнетаемого газа, глубины погружения НКТ в жидкость, их диаметра, вязкости жидкости и т.п. Конструкции газлифтных подъемников определяются в зависимости от числа рядов насосно-компрессорных труб, спускаемых в скважину, и направления движения сжатого газа. По числу спускаемых рядов труб подъемники бывают одно- и двухрядными, а по направлению нагнетания газа — кольцевыми и центральными (см. рис. 1). При однорядном подъемнике в скважину спускают один ряд НКТ. Сжатый газ нагнетается в кольцевое пространство между обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами, а газожидкостная смесь поднимается по НКТ, или газ нагнетается по насосно-компрессорным трубам, а газожидкостная смесь поднимается по кольцевому пространству. В первом случае имеем однорядный подъемник кольцевой системы (см. рис. 1,а), а во втором — однорядный подъемник центральной системы (см. рис. 1,б). При двухрядном подъемнике в скважину спускают два ряда концентрически расположенных труб. Если сжатый газ направляется в кольцевое пространство между двумя колоннами НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по внутренним подъемным трубам, то такой подъемник называется двухрядным кольцевой системы (см. рис. 1,в). Наружный ряд насосно-компрессорных труб обычно спускают до фильтра скважины. При двухрядном ступенчатом подъемнике кольцевой системы в скважину спускают два ряда насосно-компрессорных труб, один из которых (наружный ряд) ступенчатый; в верхней части — трубы большего диаметра, а в нижней — меньшего диаметра. Сжатый газ нагнетают в кольцевое пространство между внутренним и наружным рядами НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по внутреннему ряду. Если сжатый газ подается по внутренним НКТ, а газожидкостная смесь поднимается по кольцевому пространству между двумя рядами насосно-компрессорных труб, то такой подъемник называется двухрядным центральной системы (см. рис. 1,г). В практике нефтедобывающих предприятий более широко распространен третий вариант кольцевой системы — полуторарядный подъемник (см. рис. 1,д), который имеет преимущества двухрядного при меньшей его стоимости.
Использование газлифтного способа эксплуатации скважин в общем виде определяется его преимуществами:
1. Возможность отбора больших объемов жидкости практически при всех диаметрах эксплуатационных колонн и форсированного отбора сильнообводненных скважин.
2. Эксплуатация скважин с большим газовым фактором, т.е. использование энергии пластового газа.
З. Малое влияние профиля ствола скважины на эффективность работы газлифта, что особенно важно для наклонно-направленных скважин, т.е. для условий морских месторождений и районов освоения Севера и Сибири.
4. Отсутствие влияния высоких давлений и температуры продукции скважин, а также наличия в ней мехпримесей (песка) на работу скважин.
5. Гибкость и сравнительная простота регулирования режима работы скважин по дебиту.
6. Простота обслуживания и ремонта газлифтных скважин и большой межремонтный период их работы при использовании современного оборудования.
7. Возможность применения одновременной раздельной эксплуатации, эффективной борьбы с коррозией, отложениями солей и парафина, а также простота исследования скважин.
Указанным преимуществам могут быть противопоставлены недостатки:
1. Большие начальные капитальные вложения в строительство компрессорных станций
2. Сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) газлифтной системы.
З. Возможность образования стойких эмульсий в процессе подъема продукции скважин.
Исходя из указанного выше, газлифтный (компрессорный) способ эксплуатации скважин, в первую очередь, выгодно использовать на крупных месторождениях при наличии скважин с большими дебитами и высокими забойными давлениями после периода фонтанирования. При наличии вблизи газовых месторождений (или скважин) с достаточными запасами и необходимым давлением используют безкомпрессорный газлифт для добычи нефти. Эта система может быть временной мерой — до окончания строительства компрессорной станции. В данном случае система газлифта остается практически одинаковой с компрессорным газлифтом и отличается только иным источником газа высокого давления. Газлифтная эксплуатация может быть непрерывной или периодической. Периодический газлифт применяется на скважинах с дебитами до 40—60 т/сут или с низкими пластовыми давлениями. Высота подъема жидкости при газлифте зависит от возможного давления ввода газа и глубины погружения колонны НКТ под уровень жидкости. Сейчас выпускаются эрлифты различной производительности из пластика, которые обладают дополнительными преимуществами - легкостью, коррозионноустойчивостью и простотой сборки. При необходимости эрлифт можно переносить с места на место. Эксплуатация стеклопластиковых эрлифтов с 1997 г. на ХФОС г. Щелкино (Крым) показала, что они эффективнее стальных ( не ржавеют, быстрее запускаются, меньше засоряются).
Многообразие схемных и конструктивных решений эрлифтов позволяет использовать их в разных отраслях производства. Общими гидравлическими элементами аппарата, которые реализуют процесс подъема жидкости сжатым газом, есть (рис. 1.1): всасывающее устройство 1, предназначенное для обеспечения равномерной и дозированной подачи материала в трубу, которая подводит смесь 2; смеситель 3, предназначенный для смешивания жидкости и сжатого воздуха; поднимающая труба 4, предназначенная для перемещения двухфазной (трехфазной) гидросмеси (воды, воздуха, твердого материала) от смесителя 3 к воздухоотделителю 5; воздухоотделитель 5, предназначенный для деления гидросмеси на отдельные фазы (воздух, пульпа), при этом пульпа направляется в сливной трубопровод 6, а воздух - в атмосферу; воздухоподающий трубопровод 7, предназначенный для подачи сжатого воздуха от компрессора 8 к смесителю 3. Процесс движения газожидкостной смеси в поднимающей трубе эрлифта имеет сложный характер, для описания которого используют параметры: средняя скорость потока, его плотность, соотношение объемов заполненных жидкостью и газом, скорость фаз и другие. Существенную роль играет также режим течения или структура газожидкостного потока.
Рисунок 2 - Гидравлическая схема эрлифта
Для нормальной работы эрлифта необходимо некоторое геометрическое погружение h смесителя (расстояние от уровня воды в зумпфе к месту входа сжатого воздуха в смеситель), величина которого зависит от высоты подъема H (расстояние от уровня воды в зумпфе к месту слива пульпы из воздухоотделителя) гидросмеси и колеблется от нескольких метров к десяткам и сотням метров.
Водо - воздушная смесь представляет собой объект, обладающий уникальными физическими свойствами: переменной вязкостью, наличием растворенного в ней газа, выделяющимся при подъеме, сложными физико-химическими превращениями. При подъеме смеси по каналу в результате падения давления происходит изменение структуры потока от гомогенной жидкости до газовзвеси, сопровождающееся нуклеацией, ростом пузырьков, их частичным слиянием и разрушением образовавшейся пены. Построенные модели рассматривали движение потока смеси в сильно упрощенной постановке, не учитывая важных физических процессов. Результаты исследований не позволили объяснить широкий спектр наблюдаемых явлений. Таким образом, актуальность работы связана с необходимостью определения более точных гидро - динамических параметров потока двухфазной смеси в подъемной трубе эрлифта.
• Построение гидродинамической модели течения двухфазной ( водо-воздушной ) смеси с учетом современных данных о её свойствах , механизмах фазовых переходов и геометрии трубы эрлифта.
• Численное и аналитическое исследование динамики процесса с выявлением роли определяющих параметров.
• Определение адекватности данной модели для конкретных условий.
• Оценка параметров эрлифтов, не поддающихся непосредственному измерению.
Процессы, протекающие в подъемной трубе эрлифта представляют совокупность связанных между собой процессов гидродинамики, теплообмена и физико - химического взаимодействия воздуха и воды с примесями. Каждый процесс является сложным, что затрудняет его описание. Для распространения положений гидравлики однофазных потоков на область гидродинамических расчетов двухфазных потоков нет никаких оснований. В связи с этим были построены специальные уравнения гидродинамики двухфазной жидкости и разработана методология решения экспериментально-теоретических задач в этой области. Законы изменения основных гидравлических характеристик - общего перепада давления, коэффициента сопротивления, скорости, величины пульсации потока и ее частоты - зависят от режима работы установки и от формы течения двухфазной жидкости. Вопрос о взаимосвязи режимов и форм движения газожидкостных смесей в трубах и об условиях их существования в настоящее время еще мало изучен[2]. До настоящего времени еще не создана теории, описывающей хотя бы приближенно процессы движения двухфазных потоков, поэтому изучение этих процессов и их закономерностей идет по пути накопления экспериментального материала. Математическое моделирование двухфазных потоков предполагает определенность с их структурами. Для теоретического описания процесса движения водо - воздушной смеси в трубах необходимо знать структуру потока при различных режимах работы эрлифтной установки. Изучением закономерностей образования структур водо-воздушной смеси занимались Козлов Б. К. [2], Хьюитт и Робертс [3], Гриффитс и Уоллис[4] и другие исследователи. Течения водо-воздушных смесей в вертикальных трубах имеют весьма различный характер в зависимости от расходов, физических свойств и т.д. При движении водо-воздушной смеси в вертикальной трубе предложено выделять шесть форм течения потока: пузырьковая, пробковая, пробково-диспергированная, эмульсионная, пленочно-эмульсионная, капельная. Из числа которых в подъемных трубах эрлифтов преимущественно реализуются снарядная, эмульсионная или кольцевая [1]. Структура газожидкостного потока и его характеристики во многом определяются конструктивными и технологическими параметрами эрлифта. Количественная определенность границ структур водовоздушных смесей позволяет разработать математические модели рабочих процессов эрлифтов. Поэтому в данной работе принята и рассмотрена определенная (эмульсионная) структура потока и выведено уравнение характеризующее движения смеси по вертикальному трубопроводу.
Основные трудности при изучении движения газожидкостной смеси заключается в многообразии параметров, а также в сложности экспериментального исследования течения вследствие пульсации измеряемых величин ( давления, скорости, относительного содержания компонентов и др.). Абсолютная величина этих пульсаций значительно больше пульсаций аналогичных параметров в турбулентном потоке однородной жидкости. В настоящее время накоплен большой опыт эффективного промышленного применения эрлифтных установок, собран значительный экспериментальный материал, развиты разносторонние представления о существенных сторонах протекания процесса. Многообразие режимов движения, большое количество переменных, определяющих движение газожидкостной смеси, наличие сложной связи между заданными и отвечающими условиям движения параметрами ставит перед исследователями весьма трудные задачи. Поэтому каждый исследователь предлагает свою систему обработки, которая существенно отличается от других [1]. При решении вопросов, связанных с течением газожидкостных смесей в вертикальных трубах, необходимо располагать подробными сведениями о механизме этого процесса.
• Построена гидродинамическая (гомогенная) модель течения двухфазной смеси для эмульсионного (пенного) режима движения.
• Развита теория течений многофазных сред для описания класса течений среды с такими свойствами свойствами: сильнопеременной вязкостью, сложными физико-химическими превращениями, большими перепадами давлений.
• Решены стационарные краевые и нестационарные задачи определения расхода смеси при заданных параметрах на входе и на выходе из подъемной трубы эрлифта.
• Исследованы переходные процессы между стационарными режимами.
• Исследовано влияние определяющих параметров на динамику движения.
• Показано сильное влияние интенсивности массообмена и механизма фрагментации на динамику потока на выходе из трубы эрлифта.
• Выведено уравнение движения смеси
где
-массовый расход смеси;
-плотность гидросмеси;
-скорость движения гидросмеси;
-площадь поперечного сечения подъемной трубы;
- плотность воды ;
-плотность воздуха ;
-массовое воздухосодержание;
Решение полученного уравнения позволит определить значения гидродинамических параметров водовоздушной смеси в заданных сечениях подъемной трубы эрлифта в зависимости от расхода воздуха. Таким образом, в представленном исследовании проведено последовательное применении методов механики сплошных сред к моделированию движения потока водо – воздушной смеси , дано объяснение параметров смеси при эмульсионном (пенном) режиме движения.
1.Бурдуков А.П. и др. «Касательное напряжение двухфазного потока на стенке вертикальной трубы » , Изв. СО АН СССР, сер.техн. , 1973 г., вып.3, №1.
2.Нигматулин Б.И. «Динамика многофазных сред» , М: Наука, 1987 г.