Механизм движения газонефтяной смеси по вертикальным трубам

Подъем газожидкостной смеси сопровождается относи­тельным движением в жидкости газовых пузырьков различных размеров (скольжение газа). Скорость всплывания газового пузырька зависит от многих факторов: от размера пузырька, от вязкости жидкости, от плотности жидкости и газа, от физиче­ских свойств поверхности раздела, взаимодействия пузырьков, влияния стенки трубы. Пузырьки газа в жидкости могут быть в различной степени раздроблены (диспергированы). Структура газожидкостной смеси зависит от объемных расходов жидкой и газовой фаз, от газосодержания, диаметра лифта, физико-химических свойств фаз и т.д. В зависимости от этого выде­ляют следующие структуры газожидкостной смеси (рис. 1): эмульсионная (пузырьковая, пенная); четочная (снарядная, пробковая); стержневая (дисперснокольцевая).

Рис. 1. Структуры газожидкостных смесей:

а - эмульсионная; б - четочная; в - стержневая;

Эмульсионная структура характеризуется тем, что 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.

Четочная 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.

Стержневая структура образуется при значительном уве­личении газосодержайия 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.