3 Расчеты разделения продукции скважин

3.1 Эффективность процесса сепарации

Эффективность процесса сепарации определяется степенью очистки газа от капельной жидкости и жидкости от газа, что характеризуется коэффициентами уноса жидкости потоком газа K_Ж и газа потоком жидкости K_Г, а также предельной средней скоростью газа в свободном сечении сепаратора v_Гmax и времени задержки жидкости в сепараторе t₃. Коэффициенты уноса жидкости и газа и показатели совершенства сепаратора v_Гmax и t₃ зависит от физико-химических свойств, расхода жидкости и газа, давления и температуры, уровня жидкости в сепараторе, способности жидкости к вспениванию и других факторов.

Коэффициент уноса жидкости и коэффициент уноса газа соответственно равны [3, 5]:

; (3.1)

, (3.2)

где q_Ж – объемный расход капельной жидкости, уносимой потоком газа из сепаратора, м³/ч;

q_Г – объемный расход остаточного (окклюдированного) газа, уносимого потоком жидкости из сепаратора, м³/ч;

Q_Г – объемный расход газа на выходе из сепаратора, м³/ч;

Q_Ж — объемный расход жидкости на выходе из сепаратора, м³/ч, при P и Т сепарации.

Чем меньше K_Ж и K_Г, при прочих равных условиях, тем совершеннее сепаратор. Однако уменьшение этих показателей обычно связано с усложнением конструкции сепаратора и увеличением его габаритных размеров. Поэтому очень высокая степень очистки газа и жидкости оказывается не всегда оправданной. Здесь необходимо ориентироваться на требуемую степень очистки, которая в известной мере зависит от конкретных условий сбора нефти и газа и сравнительно трудно поддается теоретической оценке. По практическим же данным в настоящее время приняты временные нормы, в соответствии с которыми коэффициенты уноса жидкости и газа имеют следующие ориентировочные значения: K_Ж ≤ 50 см³/1000 м³ газа и K_Г ≤ 20∙10³ см³/м³ жидкости.

Не менее важны для оценки технического совершенства сепаратора показатели v_Гmax и t₃, так как одни и те же K_Ж и K_Г можно получить в сепараторах различного конструктивного исполнения и с различными технико-экономическими показателями. Предельное значение v_Гmax определяется скоростью осаждения капель жидкости минимально заданного размера. Этой величиной обычно пользуются для расчета пропускной способности сепаратора по газу. Значения v_Гmax для различных конструкций сепараторов могут изменяться от 0,1 до 0,55 м/с.

Время задержки t₃ существенно влияет на эффективность очистки как газа от капельной жидкости, так и жидкости от газа. Установлено, что для невспенивающихся нефтей значение t₃ может изменяться от 1 до 5 мин. Для вспенивающихся нефтей t₃ увеличивается от 5 до 20 мин. Выбор конкретного значения t₃ для различных условий работы сепаратора возможен только по результатам исследования уноса жидкости и газа. Таким образом, для полной оценки эффективности работы сепаратора наряду с показателями K_Ж и K_Г необходимо учитывать и степень технического совершенства сепаратора, т. е. v_Гmax и t₃. Если сепаратор исследуемого типа обеспечивает получение установленных норм уноса от K_Ж и K_Г при меньших t₃ и больших v_Гmax по сравнению с однотипным в одних и тех же производственных условиях, то он технически более совершенен и экономичен.

Для получения требуемой степени очистки газа и жидкости в сепараторе необходимо правильно задаться расчетным размером частиц жидкости и пузырьков газа. Несмотря на то, что четких рекомендаций на этот счет не имеется, в подавляющем большинстве случаев диаметр жидких частиц принимается равным примерно 100 мкм. Средний диаметр пузырьков окклюдированного газа в турбулентном потоке нефти в трубопроводе перед сепаратором можно определить в зависимости от плотности и вязкости нефти, поверхностного натяжения на границе раздела фаз, диаметра трубопровода и скорости смеси по формуле В. Ф. Медведева [3]:

(3.3)

здесь We – число Вебера, которое отражает соотношение между силой поверхностного натяжения и силой инерции и определяется по формуле

,

где σ_СГ – поверхностное натяжение на границе газ–дисперсионная среда;

ρ_С – плотность дисперсионной среды;

D – внутренний диаметр трубопровода;

Re – число Рейнольдса, представляющее собой меру отношение инерционной силы к силе внутреннего трения:

,

где μ_С и ν_С – динамический и кинематический коэффициенты вязкости;

w – средняя скорость течения;

Fr – число Фруда, которое характеризует отношение силы инерции и силы тяжести:

.

Расчетом устанавливают условия, при которых достигается требуемая степень очистки газа от жидкости (расчет по газу) и жидкости от газа (расчет по жидкости).