Структуры и формы движения газожидкостных смесей

Движение газожидкостных смесей по вертикальным трубам изучалось многими исследователями. Все они условно выделяют существование трех структур при движении газожидкостной смеси с плавными переходами между ними. Установлено, что структура газожидкостной смеси зависит от объемных расходов жидкой q и газовой V фаз, от газосодержания, диаметра лифта, физико-химических свойств фаз и т.д. Схематично структуры газожидкостных смесей показаны на рис. 2.3.

а) Эмульсионная (пенная, пузырьковая) структура — газовые пузырьки различных размеров (но меньших, чем диаметр трубы) более или менее равномерно распределены в жидкости. Расстояния между пузырьками могут быть различны. Такая структура обычно проявляется при малой газонасыщенности (если она не создается искусственно) и характеризуется существованием малых относительных скоростей газа в жидкости при их значительном изменении.

Например, многие фонтанные скважины девонских месторождений восточных районов имеют эмульсионную структуру движения смеси. Диаметры газовых пузырьков колеблются от 0,1 до 0,3 мм, а относительная скорость их всплывания в жидкостях различной вязкости изменяется от 1 см/с до 30-40 см/с. Необходимо отметить, что на сохранение эмульсионной структуры и ее стабильность влияет физико-химический состав жидкости и газа.

б) Четочная (пробковая) структура образуется при повышении газосодержания смеси и характеризуется наличием газовых четок, перекрывающих практически все сечение трубы и чередующихся с четками жидкости. Четки газа содержат капельки жидкости, а четки жидкости - пузырьки газа. Размеры и взаимное расположение четок самое различное.

При такой структуре относительные скорости газа могут иметь самое различное значение, достигая значительных величин. Исследования показывают, что относительные скорости газа при такой структуре изменяются от нескольких см/с до нескольких м/с. Средняя величина относительной скорости колеблется от 40 до 120 см/с.

в) Стержневая структура образуется при значительном увеличении газосодержания смеси. При такой структуре основная масса газа движется по центру трубы в виде стержня, а жидкость увлекается им и движется по стенкам трубы в виде тонкого слоя. В слое жидкости имеются малые пузырьки газа, а газовый стержень насыщен капельками жидкости. При такой структуре относительные скорости движения газа достигают больших величин.

В реальных условиях движение газонефтяных смесей в скважинах может иметь все три структуры. В нижней части лифта при больших давлениях движущаяся смесь имеет эмульсионную структуру. По мере подъема, а, следовательно, снижения давления, эмульсионная структура может переходить в четочную. Значительное снижение давления в верхней части лифта создает предпосылки для возможного перехода четочной структуры в стержневую.

Одна группа исследователей считает, что реальные подъемники работают при указанных чередующихся структурах смеси, другая группа - что большинство скважин работает при четочной структуре, а третья - что работа скважин происходит при эмульсионной структуре.

Рассмотренные выше структуры смесей можно наблюдать, когда жидкая фаза представлена одной жидкостью или раствором жидкостей.

В случае движения двух взаимно нерастворимых флюидов с различными плотностями механизм взаимодействия компонентов будет отличаться от такового для взаимно растворимых флюидов, при этом механизм взаимодействия будет различным в зависимости от того, откуда появляется свободный газ в газожидкостной смеси: выделяется из растворенного состояния (формы «г» и «д») или вводится извне (формы «е» и «ж»). На рис. 2.4 представлены основные формы движения смесей.

Форма «а». Однофазное движение нефти.

Форма «б». Дисперсионной средой является нефть.

Капли воды, взвешенные в потоке нефти, движутся вверх только в том случае, если скорость восходящего потока нефти больше скорости оседания капель воды.

Форма «в». Дисперсионной средой является вода.

Капли нефти взвешены в воде и движутся вверх под действием силы Архимеда. Эта форма соответствует двум случаям: во-первых, когда вода неподвижна (барботаж нефти), во-вторых, когда нефть и вода движутся совместно.

Форма «г». Дисперсионной средой является нефть.

Капли воды и пузырьки газа распределены в нефти. Вероятность образования пузырьков газа на границе «твердое тело (колонна труб)—нефть» и «вода—нефть» существенно большая, нежели непосредственно в объеме нефтяной фазы. Пузырьки газа, формирующиеся на поверхности колонны труб, срываются потоком нефти и движутся в нефтяной фазе. Газовые пузырьки, формирующиеся на границе с каплями воды, образуют своеобразные конгломераты, состоящие из капли воды и пузырьков газа. В зависимости от разности плотностей воды и нефти, а также от количества и объема газовых пузырьков, образующих конгломераты, относительная скорость указанных конгломератов может быть положительной (конгломераты всплывают в потоке движущейся нефти), отрицательной (конгломераты осаждаются в восходящем потоке нефти) и нулевой (скорость осаждения конгломератов равна скорости восходящего потока нефти). В случае отрицательной скорости (осаждение капель воды) в нижней части колонны труб (подъемника) начинается накопление водной фазы. Отрыв газовых пузырьков из конгломерата может происходить в процессе их соударений, а также вследствие роста объема газовых пузырьков.

Форма «д». Дисперсионной средой является вода.

Капли нефти, внутри которых формируются газовые пузырьки, также представляют конгломераты, скорость которых возрастает. При определенных условиях газовые пузырьки разрывают поверхность нефтяной капли и попадают в водную фазу. Относительная скорость газовых пузырьков возрастает, что приводит к увеличению плотности смеси.

 

 

Форма «е». Дисперсионной средой является нефть, в которой движутся раздельно капли воды и пузырьки газа.

Если скорость восходящего потока нефти меньше скорости оседания капель воды, то водная фаза будет скапливаться в нижней части подъемника, приводя к увеличению плотности смеси.

Форма «ж». Дисперсионной средой является вода.

Капли нефти и пузырьки газа движутся раздельно.

Анализ приведенных форм движения флюидов показывает, что они не являются стабильно существующими как по длине подъемника, так и во времени. Действительно, форма «е» является граничной для формы «г». При определенных условиях движения форма «е» может перейти и в форму «ж». Форма «ж» является граничной для формы «д».

Рассмотренные формы движения смеси относятся к типу эмульсионных структур (пузырьково-капельных).

Такое многообразие форм движения флюидов на рассматриваемом интервале (от забоя до устья скважины) существенно осложняет математическое описание самого процесса движения.