Определение гидравлических сопротивлений газожидкостных потоков с учетом реальных свойств жидкости и газа для широкого диапазона газосодержания и различных структур потока тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ ц.

ГЛАВА I. Обзор и анализ ооновных работ, посвященных расчету сопротивления при движении двухфазных потоков в трубах .II

ГЛАВА 2. Образование водяных застойных зон в трубопроводах с положительным наклоном при течении водонефтяных смесей

2.1. Распределение скоростей в водяной застойной зоне.

2.2. Вывод предельных соотношений для определения степени заполнения водяной заотойной зоны и определение влияния степени её заполнения на величину гидравлических сопротивлений

ГЛАВА 3. Турбулентное течение газожидкоотных смесей в горизонтальных трубах

3.1. Кинематика смешанной структуры газированного потока

3.2. Динамика смешанной структуры газированного потока.

3.3. Некоторые упрощения расчета потерь давления при движении двухфазного потока в горизонтальном трубопроводе

ГЛАВА 4. Установившееся течение газожидкостного потока с большим расходным газосодержанием в горизонтальном трубопроводе

4.1. Качественное исследование дифференци

- 3 " Стр. ального уравнения, связывающего давление и температуру, и определение области, для которой допустимо использование формул изотермического течения

4.2. Точный метод расчета изменения давления и температуры по длине трубопровода

4.3. Определение теплоотдачи при течении двухфазной системы в горизонтальном тру бопроводе.

Одной из основных задач одиннадцатой пятилетки является развитие топливно-энергетического комплекса страны. Соглаоно директивам Ш1 съезда КПСС в 1985 году добыча нефти и газа должны составить соответственно 620-640 млн.т и 600-640 млрд.куб.м. Важное значение в решении указанной проблемы имеют вопросы трубопроводного транспорта нефти, газа и конденоата. Научно-обоснованный выбор оиотемы сбора и транспорта нефти, газа и конденсата предполагает наличие соответствующих расчетных методов, основанных на достижениях современной гидрогазодинамики.

Совместный транспорт флюидов ставит перед исследователями ряд задач, связанных с расчетом потерь напора при движении газожидкостных смесей в трубах. Отметим, что эти задачи изучались многими исследователями, однако решения их далеки до завершения.

Цель работы

Усовершенствование и разработка методов расчета потерь напора в горизонтальных и наклонных трубопроводах для различных значений расходного газосодержания.

В работе решены следующие задачи:

- предложена новая кинематика пробковой структуры с учетом пено-образования за кормой газовой пробки и в кольцевом зазоре между пробкой и стенкой трубы;

- выводится новая формула для определения коэффициента, связывающего расходное газосодержания с истинным (учитывается лобовое и кормовое сопротивление газового пузыря) при пробковом течении о пенообразованием за кормой пузыря;

- выводятся условия, при которых не происходит выноса водяных скоплений в трубопроводах с положительным наклоном;

- устанавливаются условия, при которых возможно определение потерь давления по формулам изотермического течения для газово-вого потока;

- построена серия графических зависимостей между "безразмерным" давлением и "безразмерной" температурой для газового потока, охватывающая весь диапазон условий;

- выводится формула для определения теплоотдачи при течении двухфазной системы с большим расходным газосодержанием в горизонтальном трубопроводе;

- приводится упрощение расчета потерь напора для,длинных трубопроводов путем соответствующей перестройки экспериментальных графических зависимостей приведенного коэффициента гидравлического сопротивления в функции расходного газосодержания и числа Фруда смеои.

Методы решения поставленных задач

При выводе кинематики и динамики пробкового потока использовался метод, основанный на структурной классификации. Решение задачи об изменении температуры и давления газового потока в горизонтальном трубопроводе проводилось с использованием ЭВМ и метода теории подобия.

Достоверность полученных результатов вытекала из того, что использовались точные уравнения движения, учитывающие реальные свойства газа, а ЭВМ давало точные результаты; при определении теплоотдачи использовались фактические данные.

Научная новизна

- проведено качественное исследование дифференциального уравнения, описывающего изменение температуры и давления газового потока;

- указаны области, для которых возможно вести расчет потерь напора по формулам изотермического течения; 1

- предложен новый метод определения изменения давления и температуры по длине трубопровода для общего случая, полученный с использованием ЭВМ.

Практическая ценность работы

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с планом научно-исследовательского и проектного института Гос.НИШ "Гипроморнефтегаз". Методы, предложенные в работе, можно использовать при проектировании и расчете морских и наземных трубопроводных оистем. Предложенные методы использовалиоь при составлении "Уточненного проекта разработки месторождения Сангачалы-море-Ду-ванный-море-о.Булла", "Авторского надзора за внедрением проектов разработки и анализа разработки нефтяных месторождений Каспийского моря" (заказ-наряд te 185). Методика по определению теплоотдачи при течении двухфазной системы в трубопроводе использовалась при составлении "Методичеокого руководства по обоснованию и выбору моделей при гидравлических и тепловых расчетах трубопроводов" (РД 39-30-857-83), утвержденного Миннефтепромом СССР в 1983 году.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались:

1. На X творческом семинаре молодых специалистов и молодых ученых, г.Ургенч, 1978г;

2. На конференции молодых специалистов НИПИ "Гипроморнефтегаз" посвященной вопросам обустройства морских нефтяных и газовых месторождений. г.Баку, 1979г;

3. На I научно-техничеокой конференции молодых специалистов ВПО "Каспморнефтегазпром" по вопросам освоения морских нефтегазовых месторождений. г.Баку, 1979г;

В НГДУ им. А.П.Серебровокого. Выездная научно-техническая кон-' ференция. Март, 1982г.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, насчитывающего 72 наименования и приложения,содержит 120 страниц машинописного текста, I таблицу, 23 рисунка.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Предложена новая кинематика для пробкового течения с пенооб-разованием за кормой пузыря и в зазоре между пузырем и стенкой трубы, основанная на структурном принципе и содержащая следующие параметры: ^ - расходное газосодержание; ¥ -среднее объёмное газосодержание; - объёмное газосодержание на участке газового пузыря; Ч^ - объёмное газосодержание на участке жидкого столбика за кормой газового пузыря.

2. На основании структурной кинематики предложена формула, определяющая коэффициент, связывающий расходное газосодержание с истинным; при этом учитывается эффект лобового и кормового сопротивлений.

3. Выведена формула для определения расхода нефти в трубопроводе с положительным наклоном, содержащем в пониженной своей части воду. Формула дает ответ на вопрос о том, при каком значении расхода нефти область воды является застойной, то есть расход воды в застойной области равен нулю.

4. В результате преобразования дифференциального уравнения течения реального газа в трубопроводе с дозвуковой скоростью к безразмерной форме показано, что процесс завиоит от двух безразмерных критериев: И и N . Решение этого уравнения на ЭВМ позволило выявить область для которой возможно вести расчет изменения давления по длине трубопровода по формуле изотермического течения а также определить изменение давления и температуры по длине трубопровода для неизотермического течения.

5. Анализ опытных данных по течению газожидкостной смеси с большим расходным газосодержанием по горизонтальному трубопроводу позволил выявить критериальную зависимость, которая в конечном счете дала возможность получить простую зависимость Критерия Нуссельта от числа Рейнольдса для диапазона значений Иа= 2 « 80; Пег = б • Ю4 -г б • Юб. 6. Предложена существенно более простая процедура определения потерь давления в длинных трубопроводах, базирующаяся на экспериментальных кривых зависимости приведенного коэффициента гидравлического сопротивления в функции расходного газосодержания и числа Фруда смеси.

1. АДОНИН А.Н. Процессы глубиннонасосной нефтедобычи. М., Недра, 1964. - 263с.

2. АЛЕСКЕРОВ A.C. Об одном приближённом методе эргазлифта. Нефть и газ, 1972, № 10, с.64-68.

3. АЛЕСКЕРОВ A.C., ПЕТРУ НЕВСКИЙ Е.И. Расчет установившегося движения газожидкостных потоков в подъёмных трубах. Нефтяное хозяйство, 1976, № 9, с.46-50.

4. АРМАНД A.A., НЕВСТРУЕВА Е.И. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе. в кн.: Изв. ВТИ, М., 1950, № 2, с.1-8.

5. АРМАНД A.A. Сопротивление при движении двухфазной системы по горизонтальным трубам. в кн.: Изв. ВТИ, М., 1946, te I,с. 16-23.

6. АРХАНГЕЛЬСКИЙ В.А. Движение газированных нефтей в системе скважина-пласт. М., АН СССР, 1958, - 92с.

7. БАЩАСАРОВ В.Г. Связь работы пласта о работой подъёмника в фонтанной скважине. Нефть и газ, 1958, № 4, с.55-60.

8. БАГДАСАРОВ В.Г. Теория, расчет и практика эргазлифтов. -М., Гостоптехиздат, 1947. 371с.

9. БИРКГОФ Г., САРАНТОНЕЛЛО Э. Струи, следы и каверны. М., Мир, 1964. - 466с.

10. БУРДУКОВ А.П., КАШИНСКИЙ О.Н., МАЛКОВ В.А., ОДНОРАЛ В.П. Диагностика основных турбулентных характеристик потока. Журнал прикладной механики и технической физики, 1979, № 4, с.65-73.

11. ВАСИЛЬЕВ Ю.Н., МАКСУТОВ P.A., БАШКИРОВ А.И. Экспериментальное изучение структуры нефтегазового потока в фонтанной скважине. Нефтяное хозяйство, 1961, № 4, с.41-44.

12. ВЕРСЛУИС Д. Математическая теория фонтанирования нефтяныхскважин. Нефтяное хозяйство, 1931, № 6, с.467-473.

13. ВИРНОВСКИЙ A.C., ШНМГАЗЙМОВ М.Г. Движение тел в фонтанной струе. в кн.: сб.научных тр. ВНИИ, М., 1971, ЬУП, с.165-177.

14. ВИРНОВСКИЙ A.C. Исследование работы газожидкостного подъёмника. Фонды АзНИПИнефти, отчет АзНИИ ДН, 1936, № 8, - с.36.

15. ГАЗЯН Г.С. Из опыта работы лабораторной промышленной установки по исследованию воздушного подъёмника. Нефтяное хозяйство, 1949, Ш 7, с.24-30.

16. ГАЛЛЯМОВ А.К. Исследования по повышению эффективности эксплуатации нефтегазопроводов. Автореф. Дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфимский нефтяной институт, 1973. - 39с.

17. ГУЖОВ А.И. Совместный сбор и транопорт нефти и газа. М., Недра, 1973. - 280с.

18. ГУРБАНОВ P.C., ДАДАШ-ЗАДЕ М.А. Об одном методе подхода к решению задачи о двухфазной смеси в вертикальных трубах. Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1979, № I, с.32-37.

19. ГУСЕЙНОВ Ч.С. Влияние конденсата на производительность газопровода. в кн.: Труды ШНХ и ГП им.Губкина. Трубопроводный транспорт нефти и газа, М., Гостоптехиздат, 1963, вып.45, с.93-97.

20. ДЬЯЧУК А.И., РЕПИН И.Н. Влияние структуры газожидкостного потока на процесс лифтирования. Нефть и газ, 1965, fe 10, с.45-50.

21. ДЬЯЧУК А.И., РЕПИН И.Н. О влиянии ПАВ на относительную скорость движения газа в жидкости в процессе лифтирования. в кн.: Тр.Третьего Всесоюзного совещания по применению поверхноотно-актив-ных веществ в нефтяной промышленности, М., 1966, с.58-63.

22. КОЗЛОВ Б.К. Относительные скорости при движении газожидкостных смесей в трубах. в кн.: ДАН СССР, М., 1954, тЛСУП, № 6,с.987-990.

23. КОЗЛОВ Б.К. Формы течения газокидкостных смесей и границы их устойчивости в вертикальных трубах. в кн.: Журнал технической физики, М., 1954, Т.ХОТ, вып.12, с.2285-2288.

24. К0НТ0Р0ВЙЧ З.Л. Опыты ввода в эксплуатацию магистрального нефтепродуктопровода. Новости нефтяной и газовой техники, сер. Транопорт и хранение нефти и нефтепродуктов, 1962, № 5, с.7-11.

25. КОРОТАЕВ Ю.П. Влияние жидкости на движение газа по вертикальным трубам. в кн.: Труды ВНИИ Газа, М., 1958, вып.2/10,с.48-68.

26. КОСТЕРИН С.И. Исследование влияния диаметра и расположения трубы на гидравлические сопротивления и структуры течения газожидкостной смеси. Изв. АН СССР, ОТН, 1949, с.824-831.

27. КУЛИЕВ Р.П., ПИРВЕРДЯН H.A. Теплообмен при движении газожидкостных смесей в подводных трубопроводах. в кн.: Тематический сб.научных трудов. Обуотройство морских нефтяных и газовых месторождений, АзНИПИнефть, Баку, 1977, вып.Х1У, с.57-62.

28. КУЛИЕВ Р.П., АЛЛАХВЕРДИЕВ М.И., САРКИСОВ Э.И., ТЕЙМУ-РОВ Т.Н. Особенности теплообмена при течении газожидкостных смесей в подводных трубопроводах. Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1976, te 9, с.51-55.

29. КУТАТЕЛАДЗЕ С.С. Движение парожидкостной смеси в трубах и обобщенные координаты для его анализа. Советское котлотурби-ностроение, 1946, №2, с.19-25.

30. ЛОЙЦЯНСКИЙ Л.Г. Механика жидкости и газа. М., Наука, 1973, - 847с.

31. ЛУЗИН И.Н. Интегральное исчисление. М., Советская наука, 1953. - 399с.

32. ЛУТОШКИН Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды к транспорту. М., Недра, 1972. - 324с.

33. МАЗЕПА Б.А. Парафинизация нефтесборных систем и промыслового оборудования. М., Недра, 1966. - 183о.

34. МАМАЕВ В.А., ОДШПАРИЯ Г.Э., КЛАПЧУК О.В., ТОЧИГИН A.A., СЕМЕНОВ Н.И. Движение газожидкостных смесей в трубах. М., Недра, 1978. - 270с.

35. МАМАЕВ В.А., ОДИШАРИЯ Г.Э., СЕМЕНОВ Н.И., ТОЧИГИН A.A. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах. М., Недра, 1969.- 208с.

36. МИРЗАД1АНЗАДЕ А.Х. Вопросы гидродинамики вязкопластичных и вязких жидкостей в нефтедобыче. Баку,, Азернефтнешр, 1959. -402 с.

37. МИСИМА К., ИСИ М. Расчет перехода к снарядному типу течения в горизонтальном канале в кн.; Теоретические основы инженерных расчетов. Труды Американского общества инженеров-механиков, 1976, № I, с.156-166.

38. МИХЕЕВ М.А., МИХЕЕВА И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия, 1973. - 319с.

39. МИХЕЕВ М.А. Теплоотдача при турбулентном движении жидкости в трубах. Изв. АН СССР, ОТН, 1952, № 10, с.1448-1454.

40. МУРАВЬЁВ И.М., КРЫЛОВ А.П. Эксплуатация нефтяных месторождений. - М., Гостоптехиздат, 1949. - 776с.

41. МУХТАРОВ К.А., МАМАЕВ В.А. Движение капсулы в трубопроводе. Нефтяное хозяйство, 1971, № I, с.57-59.

42. ПИРВЕРДЯН A.M. К теории воздушного подъёмника. Нефтяное хозяйство, 1951, № 4, 0.7-13.

43. ПИРВЕРДЯН A.M. Гидромеханика глубиннонасосной эксплуатации. М., Недра, 1965. - 191с.

44. ПИРВЕРДЯН A.M. Вопросы гидродинамики техники нефтедобычи. Диссертация на соискание ученгй степени доктора технических наук.- М., 1952. 238с.

45. ПИРВЕРДЯН H.A. О возможности расчета падения давления вгазопроводе по формуле изотермического течения. Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1979, № I, с.40-42.

46. ПИРВЕРДЯН H.A. Точный метод расчета изменения температуры и давления по длине газопровода. Известия Академии Наук Азербайджанской ССР, Серия наук о Земле, 1979, № I, с.114-116.

47. ПИРВЕРДЯН H.A. Упрощенный расчет потери напора при движении двухфазного потока в горизонтальном трубопроводе. Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1979, № II, с.44-45.

48. ПИРВЕРДЯН H.A. Вывод кинематических соотношений для смешанной структуры газированного потока. Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1981, № 10, с.57-61.

49. ПИРВЕРДЯН H.A. Формулы для расчета потерь давления в трубопроводе при пробковом режиме. Известия Академии Наук Азербайджанской ССР, Серия наук о Земле, 1983, № I, с.75-78.

50. РЕПИН H.H., ЕНИКЕЕВ В.Р., ВАЛИ1ИН Ю.Г. О характере распределения давления в за трубном пространстве глубиннонасосных скважин. в кн.: Технология и техника нефтедобычи, Уфа, Башкирское книжное издательство, 1965, с.35-38.

51. РЕПИН H.H., ЯХИН С.Г. К вопросу изучения движения трехфазных смесей в вертикальных трубах. в кн.: Технология и техника нефтедобычи, Уфа, Башкирское книжное издательство, 1965, с.39-45.

52. РЕПИН H.H., ДЬЯЧУК А.И. Повышение КПД газлифтных скважин. М., изд-во государственного комитета нефтедобывающей промышленности при Госплане СССР, 1965. - 45с.

53. СЕДОВ Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М., Государственное издательство технико-теоретичеокой литературы,1954. 328с.

54. СЕМЕНОВ Н.И. Гидравлические сопротивления течений газожидкостных смесей в горизонтальных трубах. в кн.: ДАН СССР, М.,1955, т.104, № 4, с.513-516.

55. СТЫРИКОВИЧ М.А., СУРНОВ A.B., ВИНОКУР Я.Г. Экспериментальные данные по гидродинамике двухфазного слоя. в кн.: Теплоэнергетика, М., 1961, т.8, №9, с.56-60.

56. ТЕЛЕТОВ С.Г. Уравнение гидродинамики двухфазных жидкостей. в кн.: ДАН СССР, М., 1945, т.4, № 50, с.99-101.

57. ТЕЛЕТОВ С.Г. О коэффициенте сопротивления при движении двухфазной смеси. в кн.: ДАН СССР, М., 1946, т.51, № 8,с.579-582.

58. ТЕЛЕТОВ С.Г. О разделенном течении газожидкостных смесей при малых скоростях. в кн.: ДАН СССР, М., 1946, т.1, № 3.

59. ХОДАНОВИЧ И.Е. Аналитические основы проектирования и эксплуатации магистральных газопроводов. М., Гостоптехиздат,196I. 128с.

60. ХОДАНОВИЧ И.Е., МАМАЕВ В.А., ОДИШАРИЯ Г.Э. О формуле для расчета пропускной способности магистральных газопроводов. в кн.: Транспорт природного, газа, М., Гостоптехиздат, i960. - 141с.

61. ХОДАНОВИЧ И.Е. и др. Изменение давления по длине газопровода при неустановившемся движении газа. в кн.: Транспорт природного газа, М., Гостоптехиздат, i960. - 141с.

62. ХУСЕЙН H.A., СИГЕЛЬ Р. Эжекция жидкости поднимающимися газовыми пузырями. в кн.: Теоретические основы инженерных расчетов. Труды Американского общества инженеров-механиков, 1976,1. Ш I, с.156-166.

63. ХЬЮИТТ Дж., ХОЛЛ-ТЭЙЛОР Н. Кольцевые двухфазные течения.- М., Энергия, 1974. 407с.

64. ЧАРНЫЙ И.А. Основы газовой динамики. М., Гостоптехиздат, 196I. - 200с.

65. ЧАРНЫЙ И.А. Влияние рельефа местности и неподвижных включений жидкости или газа на пропускную способность трубопроводов.- Нефтяное хозяйство, 1965, №6, с.51-55.

66. ШИЩЕНКО Р.И., БАКЛАНОВ Б.Д. Гидродинамика эр-газлифтов. Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1935, № 7-8, с.61-67.

67. ШЛИХТИНГ Г. Теория пограничного слоя. М., Иностранная литература, 1956. - 528с.

68. ЭПШТЕЙН А.Н., ДЕЛОВ В.Н., СОРОКЕР Г.Н., ЕЕРЕ1АНОВ П.А., ГАЗЙЕВ Г.Н. Эксплуатация нефтяных скважин. Л-М., Государственное научно-техническое изд-во, 1931. - 520с.

69. ВШШУ s., LEVE RETT U.C. Mechanism of fluid displacement in sands, Taans. ASME?voC. MB, 19№. p.lOfc.

70. ERROL WIKASINGHE. Estimation paessuae ¿тор Joa mteioil? ernuPsion, Oie and Gas 3ouariaP7 NovemBeT 3, 1980,p.p.64-6?.

71. LOCKHART R.W., MARTINELLI R.C. Chem. Eng. Paog. 1949, v. 45. p. 39.

72. LORENI H. TeclxiscKe Hydaomecfianift, Beafîa, 1910,