МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» Высшая школа энергетики, нефти и газа (наименование высшей школы / филиала / института / колледжа) РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА По дисциплине/междисциплинарному курсу/модулю Многофазные потоки в трубопроводах На тему Исследование характеристик многофазного потока. Выполнил обучающийся: Рождественская Ксения Валерьевна (Ф.И.О.) Направление подготовки / специальность: 21.03.01 Нефтегазовое дело (код и наименование) Курс: 5 Группа: 243855 Руководитель: Вихарев Александр Николаевич, к.т.н., доцент, (Ф.И.О. руководителя, должность / уч. степень / звание) Признать, что работа выполнена и защищена с отметкой (отметка прописью) Руководитель (дата) Вихарев А.Н. (подпись руководителя) Архангельск 2023 (инициалы, фамилия) ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение .................................................................................................................. 4 1 Определение режима течения двухфазного потока в трубопроводе. ............ 5 2 Расчет характеристик двухфазного потока. ...................................................... 7 3 Роль и значение многофазных потоков в нефтегазовом деле. Проблемы транспорта многофазной продукции по трубопроводам .............................................. 8 4 Расслоеный поток в горизонтальной трубе.13Ошибка! Закладка не определена. Заключение ............................................................................................................ 15 Список использованных источников .................................................................. 16 3 ВВЕДЕНИЕ Добыча углеводородов обеспечивающей является энергетическими важнейшей ресурсами отраслью экономики, промышленность, жилищно- коммунальную сферу и составляет экспортный потенциал страны. Но при добыче нефти и газа приходится сталкиваться с течениями жидкости, которые состоят из нефти, газа, воды и твердых частиц, такие смеси называют – многофазными потоками. Поэтому одной из задач нефтегазового комплекса является транспортировка данного потока до головных насосных или компрессорных станций. Данная тема очень актуальна, так как определение потерь и начального давления для многофазных потоков намного сложнее, нежели для транспортники товарной нефти или газа. Кроме того, из-за высокого содержания в мультифазных потоках воды и различных примесей, трубопроводы подвергаются большей коррозии, чем при их обычной эксплуатации. Цель данной работы является - исследование характеристик многофазного потока. Для этого необходимо решить следующие задачи: - определение режимов движения по графикам; - расчет характеристик потока. 4 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ТРУБОПРОВОДЕ Задание: Газ и нефть текут в горизонтальной трубе. Определите какой режим будет в трубопроводе согласно моделям Мандхана и Вейсмана, исходные данные приведены в таблице 1. Таблица 1 - Исходные данные Наименование Значение 48 0,25 40 0,01 № Варианта Диаметр трубопровода, D, м Скорость газа, UGS, м/с Скорость нефти, ULS, м/с Рисунок 1 – График Манхана Корреляция Мандхена (Мандхен, Грегори и Азиз) – это двумерная карта режимов течения, основанная на скоростях ULS и UGS как координатах. Границы построены на основе долее, чем 5000 наблюдений режима течения в трубе. Найдем на графике, рисунок 1, точку, соответствующую нашим исходным данным, и определим режим течения двухфазной жидкости в горизонтальной трубе. 5 По рисунку 1 видим, что наша точка лежит в области кольцевого потока двухфазной жидкости. Модель Вейсмана – это набор соотношение (корреляций), основанных на экспериментах в трубах различного диаметра с использованием различных типов флюидов. Проверим область течения по модели Вейсмана. Найдем точку, которая дана нам по исходным данным, так же отметим, что по системе СИ скорость газа на данном графике, рисунок 2, находиться справой стороны, а скорость нефти находится сверху. Рисунок 2 – График Вейсмана По графику Вейсмана, можно также сделать вывод, что режим течения для скорости газа UGS равной 40 м/с и скорости нефти ULS равной 0,01 м/с будет кольцевой. Проанализировал данные по моделям Мандхана и Вейсмана можно сделать вывод, что течение в горизонтальном трубопроводе диаметром равным 0,25 метра и скоростями движения газа и нефти 40 и 0,01 м/с, лежит в зоне кольцевого течения жидкости. 6 2 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА Задание: Газ и нефть текут в горизонтальной трубе с внутренним диаметром D при расслоенном режиме, исходные данные приведены в таблице 2. Определить характеристики потока: - расход потока (объемный и массовый); - фазовые скорости для нефти и газа; - относительную фазовую скорость или скорость скольжения; - коэффициент скольжения. Таблица 2 – Исходные данные Наименование Значение 48 0,25 0,5 840 0,25 20 26 № Варианта Диаметр трубопровода, D, м Приведённая скорость нефти, vL, м/с Плотность нефти, ρн, кг/м3 Относительная глубина наполнения, ĥL Приведённая скорость газа, vG, м/с Плотность газа, ρг, кг/м3 Расчетная схема представлена на рисунке 3 Рисунок 3 – Расчетная схема 7 Решение: Определим высоту жидкости в трубопроводе hL, м, по формуле: hL = D∙ ĥL , (1) hL = 0,25∙0,25 = 0,063 м. Найдем площадь, которую занимает жидкость в трубопроводе, для этого нам необходимо хордой соединить центр окружности с уровнем высотой жидкости в трубопроводе. Хорда будет равняться радиусу окружности. Также нам нужно определить углы треугольника α и β по следующим формулам: α = arcsin 𝑟−ℎ𝐿 𝑟 , (2) β = 180 - 2∙α, α = arcsin 0,125−0,063 0,125 (3) = 300; β = 1800 - 2∙α= 1800 - 2∙300 =1200. Площадь трубопровода, занятая нефтью SL, м2, рассчитывается по формуле: SL=Sсек – Sтр = SL= 3,14∙0,1252 ∙120 360 − 0,1252 ∙𝑠𝑖𝑛 30 2 𝜋∙𝑟 2 ∙𝛽 360 − 𝑟 2 ∙𝑠𝑖𝑛𝛼 2 , (4) = 0,012 м2. Найдем площадь трубопровода, занятая газом SG, м2, по формуле: SG = π∙r2-SL , (5) SG =3,14∙0,1252-0,012 = 0,037 м2. Объемный расход нефти QL, м3/с, определяется по формуле: QL = π∙r2∙vL, QL =3,14∙0,1252∙0,5 = 0,0025 м3/с. Объемный расход газа QG, м3/с, определяется по формуле: 8 (6) QG = π∙r2∙vG,, (7) QG =3,14∙0,1252∙ 20 =0,98 м3/с. Объемный расход смеси Q, м3/с, определяется по формуле: Q = QL+ QG , (8) Q = 0,0025+0,98 = 0,983 м3/с. Массовый расход нефти GL, кг/с, определяется по формуле: GL = QL∙ρL,, (9) GL = 0,0025 ∙840 = 2,1 кг/с. Массовый расход газа GG, кг/с, определяется по формуле: GG = QG∙ρG , (10) GG = 0,98 ∙26 = 25,48 кг/с. Общий массовый расход G, кг/с, определяется по формуле: G = GL + GG , (11) G =2,1+25,48 = 25,48 кг/с. Скорость нефти в трубопроводе UL, м/с, определяется по формуле: UL = UL = 0,0025 0,012 𝑄𝐿 𝑆𝐿 , (12) = 0,21 м/с. Скорость газа в трубопроводе UG, м/с, определяется по формуле: UG = UG = 0,025 0,037 𝑄𝐺 𝑆𝐺 = 0,68 м/с. 9 , (13) Относительная скорость скольжения US, м/с, определяется по формуле: US = │ UG - UL│, (14) US = │0,68– 0,21│=0,47 м/с. Коэффициент скольжения S, определяется формуле: S= S= 0,68 0,21 𝑈𝐺 𝑈𝐿 , (15) = 3,23. В ходе работы для трубопровода диаметром равным 300 миллиметров, перекачивающего двухфазных расслоений поток “жидкость-газ”, были определены следующие параметры: площадь каждой фазы, объемный и массовый расход фаз, скорость для нефти и газа, относительную скорость перекачки и коэффициент скольжения, данные расчетов представлены в таблице 3. Таблица 3 – Результаты расчетов Параметр Площадь, S, м2 Объемный расход, Q, м3/с Массовый расход, кг/с Скорость, U, м/с Относительная скорость перекачки, US, м/с Коэффициент скольжения, S Нефть 0,012 0,0025 2,1 0,21 Газ 0,037 0,98 25,48 0,68 0,47 3,23 10 3 РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ В НЕФТЕГАЗОВОМ ДЕЛЕ. ПРОБЛЕМЫ ТРАНСПОРТА МНОГОФАЗНОЙ ПРОДУКЦИИ ПО ТРУБОПРОВОДАМ Изучение многофазного потока тесно связано с развитием механики флюидов и термодинамики. Ключевое раннее открытие было сделано Архимедом Сиракузским, который постулировал законы буянства, которые стали известны как принцип Архимеда - который используется при моделировании многофазного потока. В середине 20 века были разработаны достижения в «пузырьковом кипячении» и сформированы первые двухфазные модели перепада давления в первую очередь для химической и технологической промышленности. В частности, Локхарт и Мартинелли (1949) представили модель падения давления на трение в горизонтальном, разделенном двухфазном потоке, введя параметр, который используется до сих пор. В период с 1950 по 1960 годы интенсивная работа в аэрокосмической и ядерной отраслях продолжила изучение двухфазного потока. В 1958 году советским учёным Телетовым были одни из самых ранних исследований двухфазного потока. Бакер (1965) проводил исследования по вертикальным режимам течения[3]. В нефтегазовой промышленности многофазный поток часто влияет на одновременный поток нефти, воды и газа. Термин также применим к свойствам потока в некоторых областях, где существует химическая инжекция или различные типы ингибиторов. Кроме того, сырая нефть во время потока по трубопроводам представляет собой трехфазный поток газ-нефть-вода. Примером неблагоприятного события для исследуемого подводного трубопровода может стать его разгерметизация. Главную опасность представляют газ и конденсат, находящиеся в трубопроводе под давлением. В результате анализа определены следующие проблемы (угрозы), которые могут привести к разгерметизации трубопровода: Внешняя коррозия; 11 Внутренняя коррозия. Содержание в транспортируемой продукции диоксида углерода и воды говорит о том, что данный трубопровод подвержен внутренней коррозии; Механические повреждения. Сброс судовых якорей в зоне прохождения подводного трубопровода может привести к внешнему повреждению трубопровода и, как следствие, к его разрушению; Землетрясение. По сейсмическому районированию территории России шельф Сахалина классифицируется как сейсмоопасная зона. Район прохождения трассы трубопроводов относится к 9-балльной зоне интенсивности сейсмических воздействий [4]; Ледовое воздействие. Наличие таких ледовых образований, как стамухи, торосы, в зоне расположения трубопровода может привести к повреждению трубопровода; Внутренняя эрозия. Наличие в составе транспортируемого продукта песка может привести к разрушению внутренних стенок трубопровода; Превышение уровня давления. Незапланированное повышение внутреннего давления может привести к разрыву стенки трубопровода; Ошибки, допущенные при проведении инспекции и очистки с помощью снаряда. Данные ошибки могут привести к повреждению внутренней поверхности трубопровода, а также к застреванию снаряда внутри трубы; Ошибки, допущенные при проведении технического обслуживания. Следовательно, многофазный поток является обычным явлением в нефтяных скважинах. Многофазное течение в трубопроводе обычно изучается по режиму потока и соответствующему расходу. Из-за различной гидродинамики и соответствующей турбулентности многофазный поток будет дополнительно влиять 12 на скорость внутренней коррозии, которая значительно отличается от скорости однофазного потока в трубопроводе с точки зрения коррозии. Многофазный поток относится к одновременному протеканию более чем одн ой жидкой фазы через пористую среду. Большинство нефтяных скважин в конечном счете добывают как нефть, так и газ из пласта, а часто также добывают воду[2]. 13 4 ДИСПЕРСНЫЙ ПОТОК В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЕ «Дисперсное» течение («распыленный» или «дисперсный» поток), при котором почти вся жидкость в виде мелких капель захватывается газом. Процесс наблюдается при поверхностных скоростях газа, превышающих 60 м/с. (рисунок 4). Рисунок 4 Дисперсно-кольцевой режим характеризуется тем, что газовая фаза движется в ядре потока, а жидкая в пленке на стенке, и в виде отдельных капель в ядре. Такой режим имеет место, например, при захолаживании трубопровода криогенными жидкостями. Для режима характерны высокие скорости смеси и паросодержание φ=0,9. С физической как поток точки зрения дисперсно-кольцевой сплошной газовой фазы с вкраплениями поток определяется жидкости. Жидкая фаза находится в виде кольца, окружающего твердую границу канала, и в виде капель в ядре газа. Очевидно, что такое распределение может быть устойчивым только в динамических условиях. Когда капель в газе практически нет, режим течения является почти чисто кольцевым. Если жидкая пленка не существует или разорвана, то получается режим с недостатком жидкости в кольце (к нему часто применяют термин поток тумана ). Формула для пробковой нагрузки в горизонтальном трубопроводе: 𝐹пробк = 𝐷𝐿𝐹𝜌𝑣 2 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃 ), (16) Где, D - диаметр трубы; А - площадь поперечного сечения трубы; L - длина трубы; 𝜃 - это угол изгиба; F - результирующая сила. 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе контрольной работы были исследованы характеристики многофазного потока. Так в процессе работы для трубопровода диаметром 0,25 м и следующими характеристиками потока: приведенная скорость нефти равная 0,01 м/с и скорость газа равная 40 м/с, с помощью графиков Мандхана и Вейсмана был определен режим течения смеси, он оказался кольцевым. Кроме того, для трубопровода, перекачивающего двухфазную смесь, в зависимости от его коэффициента наполнения нефтью и приведённых скоростей движения фаз, были определены реальна скорость фазы, расход каждой фазы, коэффициент скольжения поверхности. 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Матвиенко, О. В. Введение в механику многофазных сред [Текст] : уч.методич. пособ. ; Нац. исслед. Томский гос. ун-т. – Томск : Издательский Дом ТГУ, 2018. – 64 с. 2 Многофазный поток – Multiphase flow [Электронный ресурс] // qaz.wiki – Электрон. Дан. – Режим доступа : https://ru.qaz.wiki/wiki/Multiphase_flow#Twophase_liquid-gas_pipeline_flow, свободный (дата обращения: 26.12.2020). – Загл. с экрана. 3 Гидравлический расчет трубопроводов при транспортировании нефтегазовых смесей с высоким и низким газосодержанием. Определение распределения температуры и давления нефти по трассе трубопровода с учетом реологических свойств нефти. Расчёт времени безопасной остановки нефтепровода с целью обеспечения его безопасной работы. Определение времени выхода нефтепровода на стационарный режим [Текст]: рук-во пользователя / ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов». – Уфа: ГУП «ИПТЭР», 2012. – 49 с. 4 Брилл Дж. П., Мукерджи X. Многофазный поток в скважинах. — МоскваИжевск: Институт компьютерных исследований, 2006. — 384 с. 16