Всплытие и разрушение газовых пузырьков с образованием самостоятельной газовой фазы

Стр 1 из 12Следующая ⇒

Федеральное агентство по образованию ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» К а ф е д р а «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых скважин» Ю.П. БОРИСЕВИЧ Г.З. КРАСНОВА РАЗГАЗИРОВАНИЕ НЕФТЕЙ НА ПРОМЫСЛАХ Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия

Самара

Самарский государственный технический университет

2011

УДК 622.276

Б 82

Рецензент

Борисевич Ю.П., Г.З. Краснова.

Б 82Разгазирование нефтей на промыслах:учеб.-метод. пособ. / Ю.П. Борисевич, Г.З. Краснова. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009. – с.: ил.

ISBN 978-5-7964-1221-3

Приведены теоретические основы разгазирования, методики расчета, классификация и конструкции сепарационных устройств.

Предназначено для изучения процессов разгазирования скважинной продукции в рамках дисциплины «Сбор и подготовка нефти, газа и воды».

Для студентов, обучающихся по специальности 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» всех форм обучения.

УДК 622.276

Б 82

ISBN 978-5-7964-1221-3

Ó Ю.П. Борисевич, Г.З. Краснова, 2011
Ó Самарский государственный
технический университет, 2011

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Разгазирование (сепарация) – это удаление (любым способом) из жидкой фазы (или газо – жидкостной смеси) определённого количества лёгких фракций (компонентов), либо уже находящихся в газообразном состоянии, либо способных перейти в это состояние при данных термобарических условиях.

Разгазирование (сепарация) – это обязательная технологическая операция, обусловленная существующими на сегодняшний день особенностями магистрального транспорта, хранения и переработки нефти.

Разгазирование (сепарация) продукции скважин – чрезвычайно важный процесс, т.к. он позволяет простым вальированием условий проведения получить из одного и того же количества исходной смеси разное количество дегазированной жидкости.

При этом, с одной стороны, поскольку цена единицы массы нефти намного выше цены единицы массы нефтяного газа, то вся технология разгазирования (сепарации) должна быть направлена на максимальное увеличение выхода разгазированной нефти, т.е. на сохранение в ней максимально возможного количества лёгких фракций.

В то же время, с другой стороны, практически во всех странах, остаточное содержание в нефти лёгких фракций строго регламентируется соответствующими нормативными документами, обусловленными требованиями безаварийной работы и защиты окружающей среды.

Таким образом, оптимальное разгазирование (сепарация) – это удаление из исходной смеси лишь минимально необходимого количества лёгких фракций (компонентов).

В Западных странах оптимизация сепарации экономически стимулируется (как правило, государством, за счет выплаты определённых надбавок – премий за культуру производства) :

т.е. чем больше в нефти осталось лёгких фракций от максимально разрешенного их количества, тем выше цена нефти.

В РФ содержание лёгких фракций напрямую учитывается в ценообразовании лишь при экспортных поставках, а на внутреннем рынке цена нефти практически не зависит от их содержания; и лишь опосредовано учитывается в зависимости от плотности нефти.

P.S.

В целом, чем тяжелее нефть, тем меньшее количество лёгких фракций (начиная с метана) должно быть удалено для доведения продукции до требований нормативных документов.

Разгазирование (сепарация) продукции скважин сводится к трём технологическим операциям:

- собственно разгазирование (сепарация), служащей для «грубого» отделения от жидкой фазы основного количества лёгких фракций;

- стабилизация нефти, служащей для «тонкого» отделения от нефти остаточного количества лёгких фракций;

- отбензинивание газа, служащей для отделения от полученной газовой фазы унесённых (в виде паров и капель) лёгких фракций с последующим их возвратом в нефть или самостоятельным использованием.

СЕПАРАЦИЯ НЕФТИ

При дегазации нефти принято различать несколько стадий:

- зарождение газовой фазы;

- рост газовых пузырьков;

- всплытие и разрушение газовых пузырьков с образованием самостоятельной газовой фазы;

- взаимодействие (массообмен) газовой и жидкой фаз с перераспределением компонентов.

Зарождение газовой фазы

Если термодинамические условия не накладывают запрета на кипение какого – либо компонента жидкости, то зарождение пузырьков – (образование «зародышей») будет идти непрерывно до тех пор, пока не закончится выделение данного компонента в газовую фазу.

Интенсивность зарождения пузырьков пропорциональна числу центров парообразования и частоте отрыва от них пузырьков.

В качестве центров парообразования могут выступать дефекты стенок и внутренних конструкций аппаратов и труб, механические примеси, продукты коррозии и прочие примеси и компоненты исходной смеси, образующие самостоятельную, как правило, твёрдую фазу.

На одном и том же центре парообразования в одно и то же время может зарождаться пузырёк, состоящих из всех кипящих в данных условиях компонентов.

При полном отсутствии центров парообразования (предельный, идеальный случай) разгазирование продукции скважин становится невозможным.

Частота отрыва пузырьков определяется скоростью их роста (вторая стадия), свойствами окружающей среды (прежде всего плотностью и вязкостью) и величиной сил адсорбции.

Чем выше интенсивность зарождения пузырьков, тем быстрее и качественнее произойдёт сепарация при прочих равных условиях.

Однако, некоторые компоненты могут продолжать находиться в растворённом виде (в так называемом метастабильном состоянии) даже если термодинамические условия требуют их выделения.

Для разрушения подобного состояния нужны специальные методы.

Рост газовых пузырьков

Для того, чтобы зародыши газовой фазы начали расти, они должны преодолеть определённый активационный барьер, что удаётся далеко не всем микро пузырькам.

Остальные пузырьки либо остаются в зародышевом состоянии (выводя центр парообразования из работы), либо исчезают (рассасываются).

Величина активационного барьера определяется условиями механического и молекулярно – кинетического равновесия.

Условие механического равновесия:

Микропузырёк газового «зародыша» будет расти, если давление в нём будет равно сумме внешнего и Лапласовского давлений:

где:

Р – внешнее давление;

Р_п – давление в пузырьке;

σ - поверхностное натяжение на границе жидкость – газ;

R_п – радиус пузырька.

Из формулы (1) следует, что:

- величина активационного барьера при данных термобарических условиях не является величиной постоянной и может быть существенно уменьшена при снижении (любым способом) величины поверхностного натяжения.

- скорость роста микропузырька при данных термобарических условиях также не является постоянной величиной и существенно увеличивается с повышением размеров «зародыша».

Условие молекулярно - кинетического равновесия:

Микропузырёк газового «зародыша» будет расти, если давление пара в нём будет равно упругости пара над вогнутой поверхностью жидкости:

где:

- объём жидкости, приходящийся на одну молекулу;

- упругость насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости;

- постоянная Больцмана.

Приравняем правые части уравнений (2.1) и (2.2) и из полученного выражения найдем радиус микропузырька:

где:

- молекулярная масса жидкости;

- число Авогадро;

- плотность жидкости.

Из уравнения (2.3) следует, что рост микро пузырька будет происходить только в том случае, если:

Таким образом, для роста зародыша совершенно необходимо наличие вокруг него нефтегазовой смеси в перенасыщенном состоянии по отношению к компоненту, образовавшему микропузырёк в данных термобарических условиях.

Образование зародышей требует совершения системой определённой работы (W), которая по Гиббсу может быть определена как:

(2.5)

Таким образом, образование зародышей газовой фазы неизбежно ведёт к изменению термобарических характеристик системы (понижение температуры) и при отсутствии внешнего поддержания этих характеристик (подвод энергии) разгазирование может прекратиться само по себе.

Естественно, чем меньше W – тем интенсивнее идёт кипение.

Например, чем легче выделяемый в данных условиях компонент (меньше ) - тем интенсивней процесс его дегазации.

Но особое влияние принадлежит поверхностному натяжению .

Если в формулу (2.5) подставить выражение (2.3), разумеется, заменив значение , то мы получим выражение где возводится в куб.

Это означает, что малейшее понижение поверхностного натяжения ведёт к резкому увеличению интенсивности кипения.

Проще всего этого добиться добавлением в продукцию ПАВ (деэмульгатора).

Однако, и по мере разгазирования увеличивается.

В результате, на последних ступенях сепарации для образования зародыша требуется совершить работу в 2,2 раза большую, чем в начале разгазирования.

Поэтому применение ПАВ особенно эффективно на последних ступенях сепарации.

Всплытие и разрушение газовых пузырьков с образованием самостоятельной газовой фазы

Моделирование данного процесса – чрезвычайно сложная задача, т.к. при его осуществлении происходит не только постоянное изменение свойств самого газового пузырька (размеры, плотность, вязкость, состав, поверхностное натяжение, температура и т.д.), но и непрерывное изменение свойств вмещающей пузырёк жидкости (плотность, вязкость, состав, давление на пузырёк, температура и т.д.).

К тому же, жидкость и вся система в целом зачастую находятся в сложном движении и нередко подвергаются дополнительным воздействиям из вне, влияние которых не изучено.

Таким образом, ограничимся рассмотрением лишь простейших ситуаций.

Модель № 1

Всплытие одиночного пузырька постоянного размера в неподвижной жидкости.

На такую частицу будут действовать три силы:

Сила веса ( )

(2.6)

Подъёмная сила Архимеда( ):

(2.7)

Сила сопротивления жидкости равноускоренному всплытию пузырька – закон Ньютона ( )

(2.8)

где:

- плотность газа в пузырьке;

- диаметр пузырька;

ξ - безразмерный коэффициент сопротивления среды;

w – нарастающая скорость всплытия пузырька.

Т.к. пузырёк всплывает под действием разности постоянных сил ( ) и ( ), то он будет двигаться равноускоренно.

Но с ростом скорости всплытия немедленно увеличивается сила сопротивления жидкости и, в результате, после короткого участка равноускоренного движения дальнейшее всплытие будет происходить с постоянной скоростью под действием следующего баланса сил:

(2.9)

или:

(2.10)

Откуда, скорость всплытия:

(2.11)

Границы между режимами всплытия определяются численными значениями критерия Рейнольдса:

(2.12)

где:

μ_ж - динамическая вязкость жидкости.

Всплытию любого пузырька, как известно, может происходить либо в ламинарном, либо в турбулентном, либо в переходном режиме.

При ламинарном всплытии, характерном для пузырьков малого диаметра и высокой вязкости жидкости, сопротивление среды определяется, в основном, силами трения.

При турбулентном всплытии, характерном для пузырьков большого диаметра и малой вязкости жидкости, сопротивление среды определяется, в основном, образованием турбулентных вихрей.

При переходном всплытии, характерном для пузырьков среднего диаметра и средней вязкости жидкости, сопротивление среды определяется, в основном, и силами трения и образованием турбулентных вихрей.

Ламинарному режиму соответствует:

Турбулентному режиму соответствует:

Переходному режиму соответствует:

Но, для нахождения по уравнению (11) необходимо знать ξ

Однако:

А критерий Рейнольдса, в свою очередь:

В результате, приходится задаваться режимом всплытия, а после определения проводить проверку, вычисляя Re, т.е., вести расчет методом последовательного приближения.

Однозначно решить эту задачу можно пользуясь критериальным уравнением всплытия, для вывода которого, прежде всего, выразим коэффициент сопротивления ξ из уравнения (2.10):

(2.13)

После умножения обоих частей уравнении (2.13) на Re² и замене критерия Рейнольдса в правой части полученного выражения на равенство (2.12) получим:

(2.14)

Величина:

(2.15)

носит название критерия Архимеда и в него входят только известные величины.

Тогда:

(2.16)

или:

(2.17)

Но если критерий Рейнольдса будет найден, то из уравнения (2.12) легко найти искомую скорость всплытия:

(2.18)

Так вот, при ламинарном режиме

(2.19)

Тогда, подставляя выражение (2.19) в (2.16) получим:

(2.20)

Подставим это выражение в уравнение (2.18), раскроем критерий Архимеда согласно (2.15) и получим окончательное выражение для скорости всплытия одиночного сферического пузырька в покоящейся жидкости при ламинарном режиме всплытия:

(2.21)

При турбулентном режиме :

(2.22)

Тогда, подставив выражение (2.22) в (2.16) получим:

(2.23)

(2.24)

При переходном режиме (36<Ar<82500) окончательное выражение для скорости всплытия одиночного сферического пузырька в покоящейся жидкости при переходном режиме всплытия:

(2.25)

Критерий Рейнольдса можно вычислить и без знания коэффициента сопротивления, если воспользоваться выражением, пригодным для всех режимов всплытия:

(2.26)

При ламинарном течении вторым слагаемым в знаменателе можно пренебречь и уравнение (2.26) превращается в выражение (2.20).

При турбулентном течении первым слагаемым в знаменателе можно пренебречь и уравнение (2.26) принимает вид:

(2.27)

Модель № 2

Всплытие одиночного пузырька постоянного размера в двигающейся жидкости.

Если пузырёк всплывает в двигающейся жидкости, то приходится обращаться к векторной сущности его скорости всплытия:

(2.28)

где:

- векторная скорость всплытия одиночного пузырька постоянного размера в двигающейся жидкости;

- векторная скорость всплытия одиночного пузырька постоянного размера в неподвижной жидкости;

- векторная скорость жидкости.

Модель № 3

Всплытие сообщества пузырьков постоянного размера в неподвижной жидкости.

Всплытие сообщества пузырьков при достижении ими концентрации, начиная с которой их взаимодействием (и прежде всего соударением), пренебречь становятся невозможным, называется всплытием в стеснённых условиях.

Если взаимодействием пузырьков в их всплывающем сообществе можно пренебречь, то это всплытие в свободных условиях.

Стеснённые условия реализуются, если φ_ср > 5 % об.

Причём, φ_ср находится как среднее арифметическое между φ_н и φ_к ;

где:

φ_ср – средняя концентрация пузырьков в жидкости, % об.;

φ_н – начальная концентрация пузырьков в жидкости, % об.;

φ_к – конечная концентрация пузырьков в жидкости, % об.

В этом случае, критерий Рейнольдса можно найти по уравнению:

(2.29)

где:

ε – относительная доля жидкости в исходной смеси

(2.30)

где:

V_ж – объём жидкости;

V_п – объём пузырьков.

Тогда, окончательное выражение для скорости всплытия сообщества пузырьков постоянного размера в неподвижной жидкости в стеснённых условиях при любых режимах движения будет иметь вид:

(2.31)

Экспериментальными исследованиями установлена следующая связь между скоростью всплытия в свободных и стеснённых условиях:

(2.32)

где:

n – эмпирический коэффициент, величину которого в практических расчетах можно принять равной 4,7.

Известны также зависимости:

s w:val="32"/></w:rPr><m:t>1-Оµ</m:t></m:r></m:e></m:d></m:sup></m:sSup><m:r><m:rPr><m:sty m:val="p"/></m:rPr><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Times New Roman"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:sz w:val="32"/><w:sz-cs w:val="32"/></w:rPr><m:t> </m:t></m:r></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> (2.33)

(2.34)

Первая справедлива при ; вторая при

Иногда, вместо критерия Архимеда используют критерий Галилея (Ga), взаимосвязь между которыми определяется уравнением:

(2.35)

Иногда, вместо критерия Рейнольдса используют критерий Лушенко (Ly), взаимосвязь между которыми определяется уравнением:

(2.36)

Графически взаимосвязь критериев Рейнольдса, Архимеда и Лушенко проиллюстрирована номограммой на рис. 2.1.

Взаимосвязь критериев Рейнольдса, Архимеда и Лушенко

Рис.2.1

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1033; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!