СКАЧАТЬ:  truboprovody.zip [181,29 Kb] (cкачиваний: 345)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ ПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

§ 1. Классификация промысловых трубопроводов

         Трубопроводы, применяемые на нефтяных месторождениях, подразделяются на             

     виды:

1. 1.     По назначению – нефтепроводы, газопроводы, нефтегазопроводы, водопроводы. В нефтепроводах и нефтегазопроводах наряду с нефтью или нефтью и газом может двигаться и пластовая вода.
2. 2.     По функции – выкидные линии и коллекторы. Выкидные линии – трубопроводы от устья скважин до групповых замерных установок. Коллекторы -  трубопроводы, собирающие продукцию скважин от групповых установок к сборным пунктам.
3. 3.     По величине рабочего давления – низкого давления (до 1.6 МПа), среднего давления (от 1.6 до 2.5 МПа) и высокого давления (выше 2.5 МПа). Трубопроводы среднего и  высокого давления напорные. Трубопроводы низкого давления могут быть напорными и самотечными. Если в самотечных трубопроводах движение жидкости происходит при полном заполнении её объема трубы, то движение напорно-самотечное, если же заполнение неполное, то движение свободно-самотечное.
4. 4.     По гидравлической схеме работы -  простые и сложные. Простые – трубопроводы, имеющие неизменные диаметр и массовый расход транспортируемой среды по всей дине. Сложные – трубопроводы, имеющие  различные ответвления или изменяющийся по длине диаметр. Сложные трубопроводы можно разбить на участки, каждый из которых является простым трубопроводом.
5. 5.     По способам прокладки – подземные, наземные, подводные и подвесные.

Трассой нефтегазопровода – называют линию, нанесенную на местности и определяющую положение оси трубопровода. Эта линия, нанесенная на план местности, называется планом трассы. Вертикальный разрез земной поверхности вдоль трассы называется профилем трассы. Поверхность профиля трассы исключительно редко бывает горизонтальной, она обычно имеет холмистую или гористую форму, и поэтому трубопроводы, проложенные вдоль таких трасс, называют условно «рельефными», т.е. повторяющие рельеф местности.

Для  подземной и ли наземной прокладки всех трубопроводов на площади месторождения обычно проводится временное (для подземной) и постоянное (для наземной) отчуждение земель у сельского хозяйства. После подземной прокладки трубопроводов, засыпки траншей землей, а затем технической и биологической рекультивации этих земель на них, как правило, выращиваются сельскохозяйственные культуры.

Основные формулы для гидравлического расчета трубопроводов, транспортирующих однофазную жидкость

При движении жидкости по трубопроводу происходит потеря давления по его длине, вызываемая гидравлическими сопротивлениями. Величина потерь давления (напора) зависит от диаметра трубопровода, состояния его внутренней поверхности стенок (гладкие, шероховатые), количества перекачиваемой жидкости и ее физических свойств.

Зависимость между путевой потерей напора и расходом жидкости, т.е. h_пп= f (Q) принято называть характеристикой трубопровода. Такая характеристика для горизонтального трубопровода показана на рис.

Каждое  выражение в скобках определяет запас полной механической энергии в соответствующем сечении, отнесенный к единице массы жидкости.

Первый член z , выражающий потенциальную энергию положения жидкости, имеет размерность длины и называется геометрическим напором.

Второй член выражает  потенциальную энергию давления жидкости и также имеет размерность длины. Этот член часто называют пьезометрическим или статическим напором.

Третий член выражает  удельную кинетическую энергию движущейся жидкости и называется скоростным, или динамическим напором, и также имеет размерность длины;  в данной формуле называются коэффициентами Кориолиса, которые в практических расчетах для турбулентного режима движения принимаются равными единице.

Для идеальной  жидкости, не обладающей вязкостью, разность напоров в левой части уравнения (1) равна нулю, для реальной жидкости, обладающей вязкостными свойствами эта разность равна потерянному напору или путевым потерям h_пп, которые  иначе называют потерей напора на трение h_тр.

Потерю напора на преодоление трения  по длине трубопровода круглого сечения при установившемся течении определяют по формуле Дарси-Вейсбаха

где h_тр – потеря напора на трение, м;

∆р – перепад давления, обусловленный трением, Па;

l - длина трубопровода, м;

D – диаметр трубопровода, м;

V – средняя скорость жидкости, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

λ – коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от режима движения жидкости, относительной шероховатости внутренней стенки трубы, т.е.       λ = f(Re,ε), здесь ε = 2e/D , где  e – абсолютная шероховатость стенок трубы, см;

  D – внутренний диаметр трубы в см.

Режим движения жидкости в трубопроводе характеризуется параметром Рейнольдса Re, определяемым из формулы

где Q – объемный расход жидкости, м³/с;

 ν  – кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

μ – динамическая вязкость, Па.с (кг/м.с).

Если  течение жидкости в трубе ламинарное (струйное), т.е. когда Re<2320, то, по Стоксу, коэффициент гидравлического сопротивления

 и не зависит от шероховатости стенок трубы.

При турбулентном течении жидкости, когда Re>2320, для определения λ имеется  целый ряд экспериментальных формул. Область  турбулентного течения жидкости подразделяется на три зоны:

1) гидравлически гладких труб, когда потеря на трение, а, следовательно, и коэффициент гидравлического сопротивления  λ  не зависят  от внутренней шероховатости трубы;

2)  переходную зону (смешанного трения), когда величина λ  зависят от режима течения жидкости Re и шероховатости ε;

3)  гидравлически шероховатых труб (квадратичного трения), когда λ  зависит только от шероховатости трубы ε и не зависит от режима течения жидкости   λ = f(ε).  Эта зона называется обычно автомодельной зоной, тогда  λ  для труб с одинаковой шероховатостью равна постоянной величине.

Эти зоны разделяются между собой, так называемыми переходными числами Рейнольдса, которые найдены на основании экспериментальных данных.

Эти зоны характеризуются следующими числами Рейнольдса:

- гидравлически  гладкие трубы 2320<Re<Re_пер1;

- переходная зона Re_пер1<Re<Re_пер2;

- квадратичное течение жидкости Re>Re_пер2.

         Числа Рейнольдса в переходных зонах определяют по следующим формулам:

Для зоны гидравлически гладких труб при Re<10⁵ коэффициент гидравлического сопротивления по формуле Блазиуса

Для определения коэффициента гидравлического сопротивления в зоне смешанного трения применяются «универсальные» формулы, суть которых сводится к тому, что при малых Re они обращаются в формулы типа λ = f(Re), а  при больших – переходят в формулы λ = f(ε). Наибольшее распространение для определения λ в зоне смешанного трения получили у нас формулы, предложенные А.И.Исаевым:

Здесь и далее k_э – эквивалентная шероховатость, т.е. e/D) и А.Д. Альтшулем:

а за рубежом –Колбруком-Уайтом:

Последняя формула является универсальной и наиболее точной, однако использование ее затруднено тем, что неизвестный коэффициент гидравлического сопротивления λ входит в левую и правую части, чтобы найти его, приходится прибегать к методу итераций, т.е. к методу последовательных приближений. Поэтому у нас, как правило, пользуются формулой (10), дающей незначительные расхождения по сравнению с формулой (11).

Режим, соответствующий квадратичному закону трения, в нефтепромысловой  практике встречается крайне редко: только при аварийных случаях или при открытом фонтанировании. В этом случае коэффициент гидравлического сопротивления не зависит от вязкости (т.е. от Re), и его определяют по формуле Никурадзе:

Потери напора от трения h_тр можно определять также по обобщенной формуле Л.С.Лейбензона, которая получается следующим образом.

Если среднюю скорость течения жидкости v выразить через объемный расход и живое сечение потока S:

и подставить ее в формулу (2)  с учетом формулы (4), то получим формулу Л.С.Лейбензона

где

Формула Л.С.Лейбензона для определения перепада давления, обусловленного трением, имеет вид

В формулах (13) и (13а)

А=64, m=1 для ламинарного  течения жидкости;

А=0,3164, m=0,25 для турбулентного течения жидкости;

А=0,11, m=0 для квадратичного закона трения.

Гидравлический уклон характеризует потерю напор на трение, отнесенную к единице длины трубопровода:

или по Л.С. Лейбензону:

Для наглядности и представления о гидравлическом уклоне сделаем следующее построение.

Отложим от начальной А¹и конечной В¹ точек на профиле трассы трубопровода пьезометрические напоры  (см. рис   ),  и концы полученных отрезков соединим прямой АВ. Эта прямая называется линией падения напора, или линией гидравлического уклона. Она показывает характер распределения напора по длине трубопровода.

Из рис.     Видно, что гидравлический уклон

Является тангенсом наклона этой прямой к горизонту. Величина характеризует потери напора на трение в трубопроводе и показывает, что разность гидростатических напоров (пьезометрических уровней) целиком затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих при течении жидкости по трубопроводу.

Для определения потерь на местные сопротивления на линейной части трубопровода, как правило, устанавливают разного рода задвижки, обратные клапаны, колена, повороты и т.д., в которых происходят дополнительные потери напора, называемые местными потерями.

Потери напора на местные сопротивления h_м.с. обычно выражают в долях от скоростного напора в трубопроводе и определяют по формуле

где v- средняя скорость движения жидкости в сечении потока за местным сопротивлением;

ζ- коэффициент местного сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса, формы местного сопротивления и шероховатости, а для запорных устройств – от степени их открытия.

В большинстве случаев удобнее определять местные сопротивления по так называемой эквивалентной длине, понимая последней такую длину прямого участка трубопровода данного диаметра, на которой потеря напора на трение по длине h_тр эквивалентна  потере напора  h_м.с., вызываемой данным местным сопротивлением. ???

9. Гидравлические расчеты простых и сложных трубопроводов транспортирующих однородную жидкость

Простой трубопровод имеет постоянный диаметр по всей длине и не имеет никаких отводов. Гидравлический расчет его сводится к определению одного из следующих параметров.

Пропускная способность трубопровода Q при заданных вели­чинах: диаметра D и длины l трубопровода, физических свойств перекачиваемой жидкости (r_ж и v_ж), геометрических отметках начала и конца трубопровода (Dz = z₁ - z₂) и перепада давле­ния (р₁ - р₂) или напора (Н₁ - Н₂).

Необходимый начальный напор Н₁ или давление р₁ при задан­ных величинах: конечного напора H₂ или давления p₂, длины трубопровода l, физических свойств перекачиваемой жидкости (r_ж и v_ж), диаметра трубопровода D, разности геометрических высот Dz и количества перекачиваемой жидкости Q_ж.

Диаметр трубопровода D, способного пропустить заданный расход Q_ж при тех же известных, что и в первых двух случаях.

Рассмотрим принципы решения  перечисленных задач.

В задачах первого типа искомым является пропускная спо­собность Q_ж трубопровода. Коэффициент гидравлического со­противления l зависит от числа Рейнольдса, а следовательно, и от неизвестного расхода Q_ж. Поэтому задачу решают графо-аналитическим методом, сущность которого сводится к следующему.

В начале задаются несколькими произвольными значениями расхода жидкости Q_i, после чего определяют скорость потока . Затем рассчитывают режим движения  и в зависимости от него определяют коэффициент гидравлического сопротивления l . После чего, подставляя все известные данные в формулу Дарси – Вейсбаха , находят для данного расхода потери напора в трубопроводе H_i и строят по найденным величинам зависимость H_i = f (Q_i) (рис.22, а). После этого по заданному напору H₀ находят иско­мую производительность трубопровода Q₀. При решении этой задачи за заданный напор Н₀, определяемый из уравнения Бернулли обычно принимают разность значений удельной потенциальной энергии (Dz и Dр):

В задачах второго типа в зависимости от числа Рейнольдса, которое в данном случае легко определить по известным диаметру трубопровода D и расходу жидкости Q_ж, находят коэффициент гидравлического сопротивления l, затем решают уравнение - формула Лейбензона (*) - относительно искомого начального давления.

В задачах третьего типа искомым является диаметр нефтепро­вода при известном расходе жидкости Q_ж, перепаде давлений p₁ - р₂, плотности r_ж и вязкости v_ж жидкости, а также длине трубопровода l.

Здесь, как и в задаче первого типа, коэффициент гидравличе­ского сопротивления l зависит как от режима движения, т. е. от числа Рейнольдса, так и от неизвестного диаметра D, входя­щего в число Re. Поэтому данная задача решается графо-аналитическим методом. Для этого задаются различными значениями диаметра трубопровода D_i, определяют соответствующие им по­тери H_i и строят зависимость H_i = f (D_i).

Необходимый диаметр трубопровода определяют по кривой рис. 22, б по заданному напору H₀.

Рис. 22. К расчету простых трубопроводов, транспорти­рующих однофазную жид­кость

Сложный трубопровод может иметь различные диаметры по длине и отводы.

При гидравлическом расчете их практический интерес пред­ставляет четыре случая, часто встречающихся в промысловых условиях:

1) жидкость из раздаточного коллектора, имеющего постоян­ный диаметр, равномерно или неравномерно отбирается;

2) жидкость равномерно или неравномерно поступает в сбор­ный коллектор, имеющий по длине разный диаметр;

3) общий сборный коллектор образует параллельные трубо­проводы (лупинги);

4) общий сборный (раздаточный) коллектор имеет форму кольца (магистральный водовод).

Рис. 23. Расчетная схема сложного нефте­провода со сосредото­ченными отборами нефти

Рассмотрим решение задач для каждого случая при условии установившегося течения.

Уравнение материального баланса для первого случая (см. рис. 23) - раздаточного коллектора

где Q - объемный расход жидкости в произвольном сечении; Q_T - транзитный расход жидкости, т. е. расход, который транс­портируется за пределы указанных участков; Q_П - путевой расход жидкости; q₁, q₂, …. , q_i - равные или неравные объемные расходы жидкости в ответвлениях, отстоящих на расстоянии l₁, l₂, …. , l_i от начала трубопровода.

Расход жидкости на участках:

Поскольку диаметр раздаточного коллектора одинаков на всем протяжении, а расходы жидкости на различных участках, в связи с ее отбором, разные, то режимы течения на каждом уча­стке l₁, l₂, …. , l_П также будут разными.

Определим перепад давления на каждом участке горизонталь­ного трубопровода по формуле (*). На первом участке

На втором участке

На третьем участке

на n-м участке

Сложив перепады на каждом участке, найдем общий перепад на всей длине рассматриваемого раздаточного коллектора:

Если транзитный расход в раздаточном коллекторе равен нулю, т. е. Q_T = 0, величины отборов одинаковы (q₁ = q₂ = q₃ = ….. q_n), расстояния между отборами равны между собой (l₁ = l₂ =  ….  L_n), то

С учетом рельефа местности формула (21) примет вид

Для каждого участка трубопровода определяется режим дви­жения жидкости и по формуле (**) рассчитывается величина b, которая подставляется в формулу (21), и определяется пере­пад давления на всей длине трубопровода.

Уравнение материального баланса для второго случая (рис. 24) - сборного коллектора

Расход жидкости на участках

Определим перепад давления на каждом участке по аналогии с предыдущим.

Рис. 24. Расчетная схема сложного нефте­провода, имеющего по длине разные диаме­тры, с сосредоточен­ным поступлением неф­ти

На первом участке

На втором участке

На третьем участке

На n-м участке

Как и в первом случае, сложив перепады давлений на каждом участке, найдем общий перепад на всей длине рассматриваемого сборного коллектора:

Для каждого участка сборного коллектора определяют ре­жим движения жидкости и также по формуле (**) рассчиты­вают величины b, которые затем подставляют в формулу (*) и определяют перепад давления на каждом участке. Затем произ­водится сложение этих перепадов, в результате чего получается общий перепад, который может быть рассчитан также по формуле (22).

Если в последней формуле (22), когда D ¹ const, но ре­жим движения на различных участках трубопровода одинаковый, т. е. ламинарный или турбулентный, и Re = const, то формулу (22) можно представить в следующем виде:

                (23)

здесь индексы 1, 2, ..., n соответствуют номерам участков.

Параллельные трубопроводы, или лупинги, прокладывают обычно для увеличения их пропускной способности при сохране­нии того же перепада давления на конечных участках или умень­шении его.

Рис. 25. Расчетная схема параллель­ных трубопроводов (с лупингом)

На рис. 25 приведена схема трубопровода с лупингом.

Из баланса количества жидкости имеем

                           (24)

где Q₀ - расход жидкости в основном трубопроводе до сечения А и после сечения В; Q₁ - расход жидкости в трубопроводе на участке АВ; Q₂ - расход жидкости в лупинге.

Очевидно, потери напора на участке трубопровода АВ равны потери напора в лупинге (параллельной трубе), т. е. Dh₁ = hD₂ или, согласно (**) можем записать:

где l₀ - длина участка трубопровода,  равная длине лупинга; D₁, D₂ - диаметры трубопровода и лупинга соответственно.

Из равенства потерь напора на участке трубопровода А - В следует

                                                  (25)

или

                                        (25а)

Подставим величину расхода в лупинге Q₂ в формулу (24).

            (26)

откуда найдем расход в трубопроводе Q₁ на участке AВ, выра­женный через расход Q₀ до разветвления:

                                     (27)

Формула (27) позволяет определить расход жидкости в сдво­енном трубопроводе по известному суммарному расходу Q₀ и заданным отношениям диаметров лупинга и трубопровода.

Гидравлический уклон до участка АВ и после него

                                       (28)

Гидравлический уклон на участке АВ и в лупинге одинаков и будет равен с учетом выражения (27)

    (29)

Выражая гидравлический уклон на сдвоенном участке через гидравлический уклон основного трубопровода, получим

               (30)

Если диаметр основного трубопровода D₁ и диаметр лупинга D₂ равны между собой, то

                    (30а)

В этом случае при ламинарном режиме n = 0,5, при турбу­лентном режиме в зоне справедливой для формулы Блазиуса n = 0,297, для зоны с квадратичной характеристикой n = 0,25.

Кольцевые трубопроводы сравнительно широко применяют в промысловых условиях при подаче воды от мест водозабора до кустовых насосных станций (КНС).

Кольцевые трубопроводы рассчитывают по той же схеме, что и при параллельном соединении (с лупингом).

Однако задача значительно усложняется тем, что здесь имеется несколько расходных пунктов Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅  (рис. 26), и рас­чет проводят до тех пор, пока изменением расхода жидкости и направлением ее движения не будет достигнуто равенство потерь напора в ветвях ВСДЕ и ВМКЕ.

Рис. 26. Расчетная схема кольцевого трубопровода

При проектировании кольцевой системы водоводов вначале задаются величинами расходов Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, Q₅ и, зная диаметры отдельных ветвей, определяют значения потерь напора от общей точки разветвления В до расходных пунктов СDЕ и МКЕ. Рас­ходы считаются заданными правильно, если алгебраическая сумма потерь напора в кольце равна нулю, т. е.

                        (31)

или

Если это условие не соблюдается, то следует повторить рас­четы при измененных величинах расходов жидкости в трубах:

Q₁ + Q₂ + Q₅ = Q₃ + Q₄ + Q₅ ± DQ.

Поправка DQ при этом выбирается удовлетворяющей уравне­нию

                               (32)

Если в процессе эксплуатации кольцевого трубопровода на линиях-отводах Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ и Q₅ изменяется сопротивление (закрывается задвижка), то соответственно этому сопротивлению происходит перераспределение расходов жидкости в отдельных отводах.

РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ ДВИЖЕНИИ ОДНОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ

         Рассмотренные расчеты были для изотермического движения однофазных жидкостей  по трубопроводам: температура, а следовательно, плотность и вязкость жидкости оставались неизменными на всем протяжении потока  и в любой точке его поперечного сечения. Однако реальные потоки жидкости или подогревают в различных печах и теплообменниках (при перекачке парафинистых нефтей), или их естественная теплота поглощается окружающей средой.

            Опытами установлено, что характер температурного поля жидкости (газа) в трубе находится в полной взаимосвязи с характером ее течения. Так, если ламинарный поток жидкости в  трубе охлаждается, то жидкость вблизи стенок  имеет у стенки трубы более низкую температуру, чем в центре трубы, соответственно вязкость жидкости у стенки трубы будет больше, чем в центральной части. Вследствие этого обычное параболическое распределение скорости в поперечном сечении трубы, характеризующее ламинарный поток, изменяется. Характер этого  изменения показан на  рис.    . при турбулентном потоке  жидкости явление теплового поля будет принципиально таким же.

При движении продукции скважины от забоя к устью  и от устья скважины до установок подготовки нефти происходит постепенное понижение температуры и разгазирование флюидов (нефти, воды), транспортируемых в большинстве случаев по одному трубопроводу. С понижением температуры и разгазированием флюидов увеличивается  вязкость нефти (эмульсии), а следовательно, и гидравлическое сопротивление. Падение температуры и глубокое разгазирование особенно нежелательно для высоковязких и парафинистых нефтей.

         Поэтому транспортирование нефтей на месторождениях Севера должно осуществляться в газонасыщенном состоянии, что позволит существенно снизить вязкость таких нефтей, а, следовательно, и потери от гидравлических сопротивлений.

          Последняя ступень сепарации в данном случае, т.е. концевая должна устанавливаться на центральном пункте сбора нефти или на нефтеперерабатывающем  заводе.

         Знание законов  распределения температуры флюидов вдоль нефтепроводов крайне необходимо как для проектировщиков, проектирующих нефтесборную систему, так и для  работников, эксплуатирующих эту систему. При проектировании нефтесборной системы на месторождении необходимо учитывать температуру потоков. Известно, например, что с уменьшением глубины прокладки трубопровода резко сокращается стоимость земляных работ при их сооружении и улучшаются условия  эксплуатации, так как быстро обнаруживаются и ликвидируются аварии. Однако при малом заглублении нефтепроводов, особенно в северных районах, на изменение температурного режима, а следовательно, и производительности их будет влиять глубина промерзания поверхностного слоя земли. Вместе с тем чрезмерно заглублять нефтесборную систему в этих случаях также крайне не желательно. Поэтому для месторождений, расположенных в северной части страны, где плотность населения крайне низка и почти отсутствуют проезжие дороги, нефтепроводы можно прокладывать на небольшую глубину или по поверхности земли с усиленной теплокоррозионной  изоляцией.

Ниже приведен расчет потерь тепла нефтепроводами при стационарном  движении по ним однофазной жидкости для общего случая.

Обозначим:

D и L – наружный диаметр и длина трубопровода, м;

t_н, t и t_к – соответственно начальная, текущая и конечная температура флюида в трубопроводе, ⁰С;

t₀ – температура окружающей среды, ⁰С;

К – полный коэффициент теплоотдачи от жидкости в окружающую среду, Вт/(м² . ⁰С);

G- массовый расход жидкости, кг/с,

С_р – удельная теплоемкость жидкости (нефти, эмульсии) Дж/(кг. ⁰С).

Расчеты ведут при условии, что начальная температура жидкости t_н> t > t_к.

Для установления закона изменения температуры жидкости по длине трубопровода выделим на расстоянии х от начала трубопровода элементарный участок длиной dx (см.рис.    ) и составим для него уравнение теплового баланса.

Потери теплоты от элементарного участка dx в единицу времени в окружающую среду составят

где  - поверхность охлаждения элементарного участка, м².

При  движении жидкости через рассматриваемый участок dx он охлаждается на dt ⁰С и потеряет количество теплоты, равное

Знак минус в данной формуле означает, что температура жидкости по мере удаления от начала трубопровода постепенно падает.

 При стационарном режиме потери теплоты жидкостью должны быть равны теплоте, отдаваемой в окружающую среду, т.е.

Для стационарного режима коэффициент теплопередачи К по длине трубопровода изменяется, однако это изменение незначительно (ок.2%), поэтому в перовом приближении им можно пренебречь.

Представим уравнение а  в следующем виде:

Тогда уравнение можно  проинтегрировать простым разделением  переменных

Откуда

Подставляя пределы, получим

Потенцируя это выражение и заменяя t_к на t, будем иметь

Это и есть закон распределения температуры жидкости по длине трубопровода, впервые полученный акад.В.Г.Шуховым в 1883 г.

         На рис.    дана кривая температуры движущейся нефти по длине трубопровода. Из рис.    видно, что падение температуры на начальном участке трубопровода более интенсивнее, чем на конечном.

На том же рисунке видно (пунктирная линия) показано изменение вязкости нефти в зависимости от ее температуры. При снижении температуры повышается вязкость нефти и, как следствие этого, увеличивается работа на преодоление трения как между самой нефтью, так и между нефтью и стенкой трубы.

В 1923 г. акад.Л.С.Лейбензон внес поправку в формулу В.Г.Шухова, учтя работу трения потока жидкости, превращающуюся в теплоту, участвующую в тепловом балансе трубопровода. Формула Л.С.Лейбензона записывается так:

Здесь i- средний гидравлический уклон;

Е – механический эквивалент теплоты (1ккал=427кгс.м=427*9,81 Н.м).

Уравнение можно представить в следующем виде

                                         (62)

которое характеризует повышение температуры жидкости за счет потерянной работы на трение.

Из этого уравнения следует, что в начале трубопровода, когда l = 0, то Dt также равно нулю, а при l = ¥ Dt будет равно b.

Для нефтей, содержащих значительное количество парафина, процесс охлаждения отличается от описанного выше.

От начальной температуры t_н до температуры начала кристал­лизации парафина t_П такие нефти охлаждаются по закону (61). При дальнейшем охлаждении темп падения температуры замед­ляется за счет выделения теплоты, получающийся при кристалли­зации парафина. Закон изменения температуры на участке трубо­провода, где происходит кристаллизация парафина, описывается формулой В. И. Черникина

                                      (63)

где l - расстояние, на котором температура нефти падает от t_н до t_П, определяется по формуле (60); e - количество пара­фина, выделяющегося из нефти при понижении температуры от t_П до t_e (доли единицы); t_e - любая температура, для которой из­вестно e; х - скрытая теплота кристаллизации парафина. Значение х в формуле (63) всегда больше l.

10. Классификация нефтяных эмульсий и физико-химические свойства

В эмульсиях вообще и в нефтяных в частности принято разли­чать две фазы - внутреннюю и внешнюю.

Лиофобные, т. е. термодинамически неустойчивые, эмульсии, к которым относятся нефтяные, обычно классифицируют либо по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды, либо по кон­центрации дисперсной фазы в системе.

Согласно первой классификации, различают эмульсии: непо­лярной жидкости (нефти) в полярной воде (см. рис.  69, а) - эмульсии первого рода, или прямые (М/В), а эмульсии полярной жидкости в неполярной (рис. 69, б) - эмульсии второго рода, или обратные (В/М).

Жидкость, в которой содержатся мелкие капельки другой жидкости, называют дисперсионной средой (внешней, неразрывной, сплошной) (см. рис. 69, 1), а капельки жидкости, размещенные в дисперсионной среде, - дисперсной фазой (внутренней, разобщенной) (см. рис. 69, 2).

Тип эмульсии легко установить определением свойств ее диспер­сионной среды.

В эмульсиях М/В внешней фазой является вода, и поэтому они смешиваются с водой в любых отношениях и обладают высокой электропроводностью, в то время как эмульсии В/M смешиваются только с углеводородной жидкостью и не обладают заметной элек­тропроводностью. Установлено, что тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношения объемов нефти и воды; диспер­сионной средой (внешней) обычно стремится стать та жидкость, объем которой больше.

Рис. 69. Нефтяные эмульсии:

а - нефтеводяные (первого рода, прямые) М/В; б - водонефтяные (второго рода, обратные) - B/М;

1 - дисперсионная среда (сплошная, внеш­няя); 2 - дисперсная фаза (разобщенная, внутрен­няя)

Часто нефтяные эмульсии классифицируют также по концен­трации дисперсной фазы (см. рис. 69, 2) в дисперсионной среде (1), и в связи с этим они подразделяются на три типа: на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.

К разбавленным эмульсиям относят системы жидкость - жид­кость, содержащие до 0,2 объем. % дисперсной фазы; к концентри­рованным эмульсиям - с содержанием дисперсной фазы до 74 объем. %; к высококонцентрированным - с содержанием дисперс­ной фазы свыше, чем 74 объем. %.

Особенности разбавленных эмульсий: 1) незначительный диа­метр капелек дисперсной фазы (10^-5 см); 2) на капельках этих эмульсий имеются электрические заряды; 3) капельки, как пра­вило, не сталкиваются, так как вероятность их столкновения очень мала и эмульсии эти весьма стойкие.

Особенности концентрированных эмульсий: 1) капельки могут осаждаться (седиментировать); 2) в зависимости от свойств эмуль­гатора эмульсии эти могут быть весьма устойчивыми.

Особенности высококонцентрированных эмульсий: 1) капельки дисперсной фазы не способны к седиментации; 2) вследствие боль­шой концентрации капельки дисперсной фазы в процессе движения могут деформироваться.

Размеры капелек дисперсной фазы в эмульсиях могут быть са­мыми разнообразными и колебаться в пределах от 0,1 до 100 мкм (от 10^-5 до 10^-2 см).

Дисперсные системы, состоящие из капелек одного и того же диаметра, называются монодисперсными, а дисперсные системы, состоящие из капель различного диаметра, - полидисперсными. Нефтяные эмульсии относятся, как правило, к полидисперсным системам, т. е. к системам, содержащим ча­стицы самых разных размеров. Если капельки дисперсной фазы не видны в микроскоп, то такие системы называются ультрамикрогетерогенными, если же видны - микро­гетерогенными. Нефтяные эмульсии относятся к микро­гетерогенным системам, а коллоидные растворы - к ультрамикрогетерогенным.

Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий

Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий следующие: 1) дисперсность; 2) вязкость; 3) плотность; 4) электри­ческие свойства; 5) устойчивость (стабильность).

1. Дисперсность эмульсии. Дисперсность эмульсии - это сте­пень раздробленности дисперсной фазы (см. рис. 69) в дисперсион­ной среде.

Дисперсность, определяющая свойства эмульсии, характери­зуется тремя величинами: 1) диаметром капелек d; 2) обратной величиной диаметра капельки D = 1/d, называемой обычно дис­персностью; 3) удельной межфазной поверхностью, т. е. отноше­нием суммарной поверхности капелек к общему их объему. Все эти величины взаимосвязаны и выражаются общей формулой S_уд = 6/d = 3/r.

Видно, что удельная поверхность обратно пропорциональна размерам частиц и чем меньше эти частицы, тем больше удельная поверхность.

Дисперсность эмульсий можно определять различными мето­дами . Наиболее простой и надежный - седиментационный ме­тод, основанный на зависимости скорости оседания частиц от их величины. Седиментационный метод определения дисперсности эмульсий использует формулы Стокса.

Основными параметрами, определяющими степень дисперсно­сти эмульсии или размер капелек воды в нефти, являются скорость потока, величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз, а также частота и амплитуда пульсаций (масштаб пульсаций). Критические размеры капель, которые могут существовать в по­токе при данном термодинамическом режиме, определяются боль­шим числом факторов и в первом приближении описываются сле­дующим уравнением Колмогорова А. Н.:

                               (3)

где s - поверхностное натяжение системы нефть - газ; k - коэф­фициент, учитывающий вязкость воды и нефти; r - плотность дисперсионной среды (внешней); L - масштаб пульсаций; v - скорость потока.

Исключительно быстро растет степень дисперсности эмульсии после штуцера, который устанавливают обычно перед сепарато­ром.

2. Вязкость эмульсий. При течении водонефтяных эмульсий в турбулентном режиме принято различать и учитывать две вязкости: 1) вязкость, обусловленную пульсациями давления диспер­сионной среды (нефти) и дисперсной фазы (воды); 2) динамиче­скую вязкость.

Динамическая вязкость нефтяных эмульсий неаддитивное свойство, т. е.

                                             (4)

где m_н и m_в - абсолютные вязкости нефти и воды.

Динамическая вязкость эмульсии зависит от следующих основ­ных факторов: 1) вязкости самой нефти; 2) температуры, при кото­рой получается эмульсия; 3) количества содержащейся воды в нефти; 4) степени дисперсности или диаметра капель дисперсной фазы в дисперсионной среде (для эмульсии типа В/М).

У нефтяных эмуль­сий, как и у парафинистых нефтей, не под­чиняющихся закону Ньютона, вязкость m_э изменяется в зависимости от градиента скорости. В этом случае вязкость m^* называют кажущейся вязкостью (рис. 70). Анализ кривых показывает, что кажущаяся вязкость нефтяных эмульсий в значительной мере зависит от содержания воды в нефти. Увели­чение содержания воды в нефтяной эмульсии до определенного предела приводит к увеличению кажущейся вязкости эмульсии, а следовательно, и к соответствующему увеличению энергетических затрат на перекачку такой эмульсии. Это обстоятельство всегда нужно учитывать при проектировании систем нефтегазоводосбора и дожимных насосных станций.

Рис. 70. Зависимость кажу­щейся вязкости эмульсии от процентного содержания воды в нефти и исходной темпера­туры смешения

Основной причиной аномальной вязкости эмульсии, с точки зрения акад. П. А. Ребиндера, является механизм деформации и дробления крупных капель воды на более мелкие. Для дробления крупных капель на более мелкие необходимо за­тратить определенные усилия, связанные с вытягиванием этих капель в цилиндрики, имеющие критические параметры:

L > 2 pr ,                                                       (5)

где L и r  - длина и радиус цилиндрика.

Затрачиваемая при этом работа расходуется на увеличение поверхностной энергии системы в связи с возрастанием суммарной поверхности цилиндриков.

Кроме того, рост кажущейся вязкости левой ветви рис. 70 свя­зан с тем, что внешней фазой здесь является нефть, которая, кон­тактируя с холодными стенками трубы, сильно повышает свою вязкость независимо от содержания в ней воды.

Изучением вязкости дисперсных систем, и в частности эмуль­сий, занимались многие исследователи, которые предложили не­сколько уравнений для расчета вязкости систем с различным содер­жанием диспергированного вещества.

А. Эйнштейн предложил следующую формулу:

                                     (6)

где m_э - вязкость эмульсии; m_н - вязкость дисперсионной среды (нефти); W_v - коэффициент обводненности - отношение объема дисперсной фазы (воды) к общему объему системы (воды + нефти).

Данная формула справедлива только при низких концентра­циях диспергированного вещества (воды).

При выводе этой формулы предполагалось, что диспергирован­ные частицы имеют вид упругих шариков, диаметр которых мал по сравнению с расстоянием между ними.

При содержании воды в нефти свыше 20% вязкость эмульсии резко возрастает. Макси­мум вязкости имеет место, как показано на рис. 70, при определен­ной критической концентрации воды W_{v кр} , характерной для дан­ного месторождения. При дальнейшем увеличении W_{v кр} вязкость эмульсии резко уменьшается. Критическое значение коэффициента обводнения W_{v кр}, при котором вязкость эмульсии начинает сни­жаться, называется точкой инверсии (И).

В точке инверсии И происходит обращение фаз, в результате чего дисперсная фаза (вода) становится дисперсионной средой (внешней, сплошной), а дисперсионная среда (нефть) - дисперс­ной фазой (разобщенной), т. е. В/M ® М/В.

Инверсия нефтяных эмульсий происходит обычно при введении в эмульсию в процессе ее транспортирования поверхностно-ак­тивных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами эмульсий противоположного типа.

Однако инверсия нефтяных эмульсий может происходить и без введения в них ПАВ, а только вследствие увеличения процентного содержания воды в эмульсии, как показано на рис. 70.

Обращение фаз нефтяных эмульсий имеет исключительно боль­шое практическое значение. Эмульсия типа М/В, имеющая внеш­ней фазой воду, транспортируется при меньших энергетических затратах, чем эмульсия типа В/M, имеющая внешней фазой нефть.