Email: bomgua@mail.ru
Вступ
Область застосування ерліфтов
Актуальність теми
Мета роботи
Наукова новизна роботи
Огляд стану питання на сьогоднішній день
Основні результати і висновки
Перелік літератури
Одним з напрямів технічного прогресу в транспорті є розвиток трубопровідного транспорту. Найбільш перспективним є гідравлічний транспорт, при якому потоки води або суміші несуть з собою по трубах сипкі матеріали або переноситься за допомогою нагнітача гомогенне середовище. Завдяки відомим достоїнствам ці види транспорту знаходять застосування при переміщенні: корисних (вугілля, піску, гравію, нафти, розчинів солей і багато що інше) копалини від місця здобичі до споживача; відходів збагачувальних фабрик; золи і шлаку теплових електростанцій у відвали; порожньої породи до місця складування і др.У багатьох схемах гідротранспорту є вертикальні або похилі ділянки, наприклад, підйом твердого матеріалу з підземних вироблень або з дна різних водоймищ при видобутку корисних копалин; підйом краплинної рідини (води, нафти і ін.) на денну поверхню. Як показали теоретичні і експериментальні дослідження Донецького національного технічного університету і інших наукових центрів, а також досліди експлуатації створених ними гідросистем, іноді вельми доцільно використовувати ерліфтні установки.
.Ерліфт - це пристрій, призначений для підйому рідини з деякої глибини на певну висоту за допомогою стислого повітря. Принцип роботи ерліфта полягає в наступному. Якщо в нижню частину труби, опущеної у воду, вводити повітря під достатнім тиском, то повітряна емульсія (суміш води і бульбашок повітря) , що утворилася в трубі, підніматиметься завдяки різниці питомих мас емульсії в трубі і води в свердловині. Природно, що емульсія тим легше, чим в ній більше бульбашок повітря, але при цьому існує критична межа об'єму газу, при якому подача рідини зовсім припиняється, що подається.
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 пристрою ;
• відсутність рухомих частин ;
• допустимо вміст суспензії в необмеженій кількості в рідині, що транспортується ;
• джерелом енергії служить стисле повітря, що поступає від повітродувок .
Але найбільш важливою галуззю застосування ерліфтов є нафтовидобувна. Після того, як свердловина пробурена і освоєна, необхідно почати здобувати з неї нафту. Хоча потрібно відзначити, що не зі всіх навіть експлуатаційних свердловин здобувається нафта. Нафта знаходиться під землею під таким тиском, що при прокладці до неї шляхи у вигляді свердловини вона спрямовується на поверхню. Як правило, фонтанують свердловини тільки на початку свого життєвого циклу, тобто відразу після буріння. Через деякий час тиск в пласті знижується і фонтан вичерпується. Звичайно, якби на цьому припинялася експлуатація свердловини, то під землею залишалося б більше 80% нафти. В процесі освоєння свердловини в неї опускається колона насосно-компресорних труб (НКТ). Якщо свердловина експлуатується способом фонтану, то на поверхні встановлюють спеціальне устаткування - арматуру фонтану. Після припинення фонтанування із-за браку енергії пласта переходять на механізований спосіб експлуатації свердловин, при якому вводять додаткову енергію ззовні (з поверхні). Одним з таких способів, при якому вводять енергію у вигляді стислого газу, є газліфт.
Газліфт (ерліфт) - система, що складається з експлуатаційної (обсадною) колони труб і опущених в неї НКТ, в якій під'їм рідини здійснюється за допомогою стислого газу (повітря). Іноді цю систему називають газовий (повітря) підйомник. Спосіб експлуатації свердловин при цьому називається газліфтним. Принцип разгазірованія стовпа рідини для її підйому на поверхню вперше був використаний в Угорщині в 18 в. для відкачування ерліфтом води з обводнюючих шахт. Відкриття ерліфтного водопідйому відноситься до 1797 р. і належить німецькому гірському інженерові Карлу Лошеру. У 60-і рр. 19 в. компресорний ерліфтная нафтовидобуток застосовувався в невеликих масштабах на нафтопромислах Пенсільванії (США). Вперше промислове застосування у великих масштабах До. д. н. одержала в 1894 на бакинських промислах, по пропозиції В. Р. Шухова. По схемі подачі від вигляду джерела робочого агента - газу (повітря) розрізняють компресорний і безкомпрессорний газліфт, а по схемі дії - безперервний і періодичний газліфт.
Рисунок 1-Конструкції газліфтних підйомників
У затрубний простір нагнітають газ високого тиску, внаслідок чого рівень рідини в нім знижуватиметься, а в НКТ - підвищуватися. Коли рівень рідини знизиться до нижнього кінця НКТ, стислий газ почне поступати в НКТ і перемішуватися з рідиною. В результаті щільність такої газорідинної суміші стає нижчою за щільність рідини, що поступає з пласта, а рівень в НКТ підвищуватиметься. Чим більше буде введено газу, тим менше буде щільність змішай і тим на велику висоту вона підніметься, але максимальний об'єм газу обмежений оскільки подача може зовсім припинитися . При безперервній подачі газу в свердловину рідина (суміш) піднімається до гирла і виливається на поверхню, а з пласта постійно поступає в свердловину нова порція рідини. Дебіт газліфтной свердловини залежить від кількості і тиску газу, що нагнітається, глибини занурення НКТ в рідину, їх діаметру, в'язкості рідини і т.п. Конструкції газліфтних підйомників визначаються залежно від числа рядів насосно-компресорних труб, що спускаються в свердловину, і напрями руху стислого газу. По числу рядів труб , що спускаються, підйомники бувають одно- і дворядними, а по напряму нагнітання газу - кільцями і центральними (див. мал. 1). При однорядному підйомнику в свердловину спускають один ряд НКТ. Стислий газ нагнітається в кільцевий простір між обсадною колоною і насосно-компресорними трубами, а газорідинна суміш піднімається по НКТ, або газ нагнітається по насосно-компресорних трубах, а газорідинна суміш піднімається по кільцевому простору. У першому випадку маємо однорядний підйомник кільцевої системи (див. мал. 1,а), а в другому - однорядний підйомник центральної системи (див. мал. 1,б). При дворядному підйомнику в свердловину спускають два ряди концентрично розташованих труб. Якщо стислий газ прямує в кільцевий простір між двома колонами НКТ, а газорідинна суміш піднімається по внутрішніх підйомних трубах, то такий підйомник називається дворядним кільцевої системи (див. мал. 1,в). Зовнішній ряд насосно-компресорних труб зазвичай спускають до фільтру свердловини. При дворядному ступінчастому підйомнику кільцевої системи в свердловину спускають два ряди насосно-компресорних труб, один з яких (зовнішній ряд) ступінчастий; у верхній частині - труби більшого діаметру, а в ніжней - меншого діаметру. Стислий газ нагнітають в кільцевий простір між внутрішнім і зовнішнім рядами НКТ, а газорідинна суміш піднімається по внутрішньому ряду. Якщо стислий газ подається по внутрішніх НКТ, а газорідинна суміш піднімається по кільцевому простору між двома рядами насосно-компресорних труб, то такий підйомник називається дворядним центральної системи (див. мал. 1,г). У практиці нафтовидобувних підприємств ширше поширений третій варіант кільцевої системи - полуторарядний підйомник (див. мал. 1,д), який має переваги дворядного при меншій його вартості.
Використання газліфтного способу експлуатації свердловин в загальному вигляді визначається його перевагами :
1. Можливість відбору великих об'ємів рідини практично при всіх діаметрах експлуатаційних колон і форсованого відбору сильнообводненних свердловин. .
2. Експлуатація свердловин з великим газовим чинником, тобто використання енергії газу пласта .
З. Малий вплив профілю стовбура свердловини на ефективність роботи газліфта, що особливо важливе для похило-направлених свердловин, тобто для умов морських родовищ і районів освоєння Півночі і Сибіру.
4. Відсутність впливу високого тиску і температури продукції свердловин, а також наявність в ній мехпрімесей (піску) на роботу свердловин .
5. Гнучкість і порівняльна простота регулювання режиму роботи свердловин по дебіту .
6. Простота обслуговування і ремонту газліфтних свердловин і великий міжремонтний період їх роботи при використанні сучасного устаткування.
7. Можливість застосування одночасної роздільної експлуатації, ефективної боротьби з корозією, відкладеннями солей і парафіну, а також простота дослідження свердловин.
Вказаним перевагам можуть протиставити недоліки :
1. Великі початкові капітальні вкладення в будівництво компресорних станцій
2. Порівняно низький коефіцієнт корисної дії (ККД) газліфтной системи.
З. Можливість утворення стійких емульсій в процесі підйому продукції свердловин.
Виходячи з вказаного вище, газліфтний (компресорний) спосіб експлуатації свердловин, в першу чергу, вигідно використовувати на крупних родовищах за наявності свердловин з великими дебітами і високим забійним тиском після періоду фонтанування. За наявності поблизу газових родовищ (або свердловин) з достатніми запасами і необхідним тиском використовують безкомпрессорний газліфт для здобичі нафти. Ця система може бути тимчасовою мірою - до закінчення будівництва компресорної станції. В даному випадку система газліфта залишається практично однаковою з компресорним газліфтом і відрізняється тільки іншим джерелом газу високого тиску. Газліфтная експлуатація може бути безперервною або періодичною. Періодичний газліфт застосовується на свердловинах з дебітами до 40-60 т/сут або з низьким тиском пластів. Висота підйому рідини при газліфте залежить від можливого тиску введення газу і глибини занурення колони НКТ під рівень рідини. Зараз випускаються ерліфти різної продуктивності з пластика, які володіють додатковими перевагами - легкістю, коррозіонноустойчивостью і простотою збірки. При необхідності ерліфт можна переносити з місця на місце. Експлуатація стеклопластікових ерліфтов з 1997 р. на ХФОС р. Щелкино (Крим) показала, що вони ефективніше сталевих ( не іржавіють, швидше запускаються, менше засмічуються).
Різноманіття схемних і конструктивних рішень ерліфтов дозволяє використовувати їх в різних галузях виробництва. Загальними гідравлічними елементами апарату, які реалізують процес підйому рідини стислим газом, є (мал. 1.1): всмоктуючий пристрій 1, призначене для забезпечення рівномірної і дозованої подачі матеріалу в трубу, яка підводить суміш 2; змішувач 3, призначений для змішування рідини і стислого повітря; піднімаюча труба 4, призначена для переміщення двофазної (трифазною) гидросмеси (води, повітря, твердого матеріалу) від змішувача 3 до воздухоотделітелю 5; воздухоотделітель 5, призначений для ділення гидросмеси на окремі фази (повітря, пульпа), при цьому пульпа прямує в зливний трубопровід 6, а повітря - в атмосферу; воздухоподающий трубопровід 7, призначений для подачі стислого повітря від компресора 8 до змішувача 3. Процес руху газорідинної суміші в піднімаючій трубі ерліфта має складний характер, для опису якого використовують параметри: середня швидкість потоку, його щільність, співвідношення об'ємів заповнених рідиною і газом, швидкість фаз та інші. Істотну роль грає також режим течії або структура газорідинного потоку.
Рисунок 2 - Гідравлічна схема ерліфта
Для нормальної роботи ерліфта необхідне деяке геометричне занурення h змішувача (відстань від рівня води в зумпфе до місця входу стислого повітря в змішувач), величина якого залежить від висоти підйому H (відстань від рівня води в зумпфе до місця зливу пульпи з воздухоотделітеля) гидросмеси і коливається від декількох метрів до десяток і сотень метрів.
Водо - повітряна суміш є об'єктом, що володіє унікальними фізичними властивостями: змінною в'язкістю, наявністю розчиненого в ній газу, що виділяється при підйомі, складними физико-хімічними перетвореннями. При підйомі змішай по каналу в результаті падіння тиску відбувається зміна структури потоку від гомогенної рідини до газосуспензії, нуклеацией, що супроводжується, зростанням бульбашок, їх частковим злиттям і руйнуванням піни, що утворилася. Побудовані моделі розглядали рух потоку змішай в сильно спрощеній постановці, не враховуючи важливих фізичних процесів. Результати досліджень не дозволили пояснити широкий спектр спостережуваних явищ. Таким чином, актуальність роботи пов'язана з необхідністю визначення точніших гидро - динамічних параметрів потоку двофазної суміші в підйомній трубі ерліфта.
• Побудова гідродинамічної моделі перебігу двофазної ( водо-воздушной ) суміші з урахуванням сучасних даних про її властивості, механізми фазових переходів і геометрії труби ерліфта.
• Чисельне і аналітичне дослідження динаміки процесу з виявленням ролі визначальних параметрів.
• Визначення адекватності даної моделі для конкретних умов.
• Оцінка параметрів ерліфтов, непіддатливих безпосередньому вимірюванню.
Процеси, що протікають в підйомній трубі ерліфта представляють сукупність зв'язаних між собою процесів гідродинаміки, теплообміну і фізіко - хімічної взаємодії повітря і води з домішками. Кожен процес є складним, що утрудняє його опис. Для розповсюдження положень гідравліки однофазних потоків на область гідродинамічних розрахунків двофазних потоків не немає ніяких підстав. У зв'язку з цим були побудовані спеціальні рівняння гідродинаміки двофазної рідини і розроблена методологія рішення експериментально-теоретичних задач в цій області. Закони зміни основних гідравлічних характеристик - загального перепаду тиску, коефіцієнта опору, швидкості, величини пульсації потоку і її частоти - залежать від режиму роботи установки і від форми перебігу двофазної рідини. Питання про взаємозв'язок режимів і форм руху газорідинних сумішей в трубах і про умови їх існування в даний час ще мало вивчений[2]. До теперішнього часу ще не створена теорії, що описує хоч би приблизно процеси руху двофазних потоків, тому вивчення цих процесів і їх закономірностей йде по шляху накопичення експериментального матеріалу. Математичне моделювання двофазних потоків припускає визначеність з їх структурами. Для теоретичного опису процесу руху водо - повітряній суміші в трубах необхідно знати структуру потоку при різних режимах роботи ерліфтной установки. Вивченням закономірностей утворення структур водо-воздушной суміші займалися Козлів Би. До. [2], Хьюїтт і Робертс [3], Гріффітс і Уолліс[4] і інші дослідники. Перебіг водо-воздушних сумішей у вертикальних трубах має вельми різний характер залежно від витрат, фізичних властивостей і т.д. При русі водо-воздушной змішай у вертикальній трубі запропоновано виділяти шість форм перебігу потоку: бульбашкова, пробкова, пробково-діспергированная, емульсивна, плівковий-емульсивна, краплинна. З числа яких в підйомних трубах ерліфтов переважно реалізуються снарядна, емульсивна або кільце [1]. Структура газорідинного потоку і його характеристики багато в чому визначаються конструктивними і технологічними параметрами ерліфта. Кількісна визначеність меж структур водоповітряних сумішей дозволяє розробити математичні моделі робочих процесів ерліфтов. Тому в даній роботі прийнята і розглянута певна (емульсивна) структура потоку і виведено рівняння що характеризує рухи змішай по вертикальному трубопроводу.
Основні труднощі при вивченні руху газорідинної суміші полягає в різноманітті параметрів, а також в складності експериментального дослідження перебігу унаслідок пульсації вимірюваних величин ( тиску, швидкості, відносного змісту компонентів і ін.). Абсолютна величина цих пульсацій значно більше пульсацій аналогічних параметрів в турбулентному потоці однорідної рідини. В даний час накопичений великий досвід ефективного промислового застосування ерліфтних установок, зібраний значний експериментальний матеріал, розвинені різносторонні уявлення про істотні сторони протікання процесу. Різноманіття режимів руху, велика кількість змінних, що визначають рух газорідинної суміші, наявність складного зв'язку між заданими і такими, що відповідають умовам руху параметрами ставить перед дослідниками вельми важкі завдання. Тому кожен дослідник пропонує свою систему обробки, яка істотно відрізняється від інших [1]. При рішенні питань, пов'язаних з перебігом газорідинних сумішей у вертикальних трубах, необхідно мати в своєму розпорядженні докладні відомості про механізм цього процесу.
• Побудована гідродинамічна (гомогенна) модель перебігу двофазної суміші для емульсивного (пінного) режиму руху.
• Розвинена теорія перебігу багатофазних середовищ для опису класу перебігу середовища з такими властивостями властивостями: сильнопеременной в'язкістю, складними физико-хімічними перетвореннями, великими перепадами тиску.
• Вирішені стаціонарні краєві і нестаціонарні завдання визначення витрати змішай при заданих параметрах на вході і на виході з підйомної труби ерліфта.
• Досліджені перехідні процеси між стаціонарними режимами.
• Досліджений вплив визначальних параметрів на динаміку руху.
• Показаний сильний вплив інтенсивності масообміну і механізму фрагментації на динаміку потоку на виході з труби ерліфта.
• Виведено рівняння руху двофазного потоку
где
-масова витрата суміши
;
-щільність гидросуміши
;
-швидкість руху гидросуміши
;
-площа поперечного перетину підйомної труби
;
- щільність води
;
- щільність повітря
;
- масовий зміст повітря
;
Рішення одержаного рівняння дозволить визначити значення гідродинамічних параметрів водоповітряної суміші в заданих перетинах підйомної труби ерліфта залежно від витрати повітря. Таким чином, в представленому дослідженні проведено послідовне застосуванні методів механіки суцільних середовищ до моделювання руху потоку водо - повітряній суміші, дано пояснення параметрів змішай при емульсивному (пінному) режимі рухи.
1.Бурдуков А.П. и др. «Касательное напряжение двухфазного потока на стенке вертикальной трубы » , Изв. СО АН СССР, сер. техн., 1973г., вып.3, №1.
2.Нигматулин Б.И. «Динамика многофазных сред» , М: Наука, 1987 г.