5.8. Структуры газожидкостного потока в горизонтальных и наклонных трубопроводах

Мы отмечали, что нефтесборный коллектор работает с неполным заполнением сечения трубы нефтью, т.к. при герметизированной однотрубной системе сбора по трубопроводу транспортируются не однофазные, а двухфазные (нефть + газ) или трехфазные (нефть + газ + вода) системы. В горизонтальных и наклонных трубопроводах газовая фаза стремится занять верхнюю часть сечения трубы.

Движение многофазных многокомпонентных систем в трубах по своей природе значительно сложнее, чем движение однофазных сред. Основная сложность заключается в том, что в газожидкостном потоке происходит относительное движение фаз, обусловленное различием их плотностей и вязкостей, поверхностным натяжением на границе фаз и наклоном трубопровода. Например, μ_Н ≈ 2·10^-3 Па·с, а μ_Г ≈ 1·10^-5 Па·с; ρ_Н ≈ 800 кг/м³, а ρ_Г ≈ 1,4 кг/м³, откуда следует, что в нисходящих трубопроводах скорость жидкости больше, чем скорость газа; а в восходящих – скорость газа выше, чем скорость жидкости.

Наличие в горизонтальном трубопроводе относительного движения фаз приводит к образованию многочисленных структурных форм двухфазного потока. Структурные формы зависят от скорости движения смеси, количественного соотношения фаз и их физических свойств и от параметров трубопровода: диаметра и угла наклона к горизонту (θ).

Рис.5.6. Структуры газожидкостных потоков в горизонтальных трубах

Структурная форма газожидкостного потока определяется двумя параметрами:

• безразмерным критерием Фруда смеси Fr_см,

• расходным газосодержанием β.

где

Q_i - объемные расходы жидкости и газа;

υ_см - средняя скорость газожидкостной смеси;

d - диаметр трубопровода;

S - площадь сечения трубопровода.

Расходное газосодержание β это отношение объемного расхода газа к сумме объемных расходов газа и жидкости.

Средняя скорость смеси υ_см и объемное расходное газосодержание β называются расходными параметрами.

Относительная скорость газовой фазы четко может охарактеризовать структуру потока, а структура потока оказывает влияние на потери давления в трубопроводе и на процессы коррозии. В одном и том же горизонтальном, а тем более в негоризонтальном «рельефном» трубопроводе, на различных его участках возможно существование различных структур потока.

В нисходящих слабонаклонных (θ до 11^о) и горизонтальных трубопроводах может существовать все рассмотренные структуры потока: пузырьковая (1), расслоенная (2,3), пробковая (4,5) и кольцевая. В восходящих и вертикальных трубопроводах – только пузырьковая, пробковая и кольцевая. При движении газожидкостной смеси по вертикальным трубам газ будет либо равномерно распределяться в жидкости в виде мелких пузырьков, либо двигаться в виде отдельных газовых скоплений в центре трубы, подобно поршню. При увеличении количества газа он может занять все центральное сечение трубы и двигаться в виде сплошного газового «стержня» внутри жидкостного кольца.

Для пленочно-диспергированной структуры течения характерно высокое газосодержание (β = 0,9÷0,99) и незначительная доля расхода жидкости (Q_Ж = 0,1÷0,01).

Пленочно-диспергированная структура потока на нефтяных месторождениях встречаются крайне редко (газопроводы + выпавший конденсат), в то же время во всех газопроводах месторождений природного газа потоки, как правило, имеют эту структуру.

Для нефтегазовых систем основной структурной формой потока является волновая и пробковая.

Истинное газосодержание определяется как отношение мгновенной площади потока, занятого газовой фазой, к полной площади поперечного сечения потока:

Из-за относительного движения фаз, истинное газосодержание не равно расходному, φ ≠ β.

φ - учитывает относительное движение фаз, зависит от физических свойств газа и жидкости, поверхностного натяжения, диаметра и наклона трубопровода и других факторов.

В реальных условиях для горизонтальных трубопроводов обычно φ < β (т.е. ).

Анализ закономерностей образования структур потока позволяет сделать вывод о том, что можно не только предсказать существование той или иной структуры потока в действующем трубопроводе, но и управлять этим процессом, т.е. формировать необходимую структуру, например, изменяя диаметр трубопровода, угол его наклона и т.д. При этом в случае эмульсионной структуры потока, когда относительная скорость фаз близка к нулю и пузырьки газа длительное время контактируют с окружающей жидкостью, составы фаз будут ближе к равновесным. При раздельной структуре потока, составы газа и жидкости будут существенно отличаться от равновесных, соответствующих давлению и температуре в трубопроводе.