Гиматудинов Ш.К. (ред.) Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти

Подождите немного. Документ загружается.

ответвления или изменяющийся по длине диаметр. Сложные трубопроводы

можно разбить на участки, каждый из которых является простым трубопро-

водом.

5. По способам прокладки — подземные, надземные, подводные и под-

весные.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ

РАСЧЕТ

НЕФТЕПРОВОДОВ

Гидравлический расчет трубопровода предусматривает определение его

диаметра или пропускной способности или необходимого перепада давления.

Гидравлические расчеты трубопроводов

ведут

на основе уравнения Бернулли

р,

ОС.ВУ

где Z\, Zi-—геодезические отметки, м; р\, Рг — давления, Па; р — плотность

жидкости, кг/м

; g — ускорение свободного падения, м/с

; w — средняя ско-

рость жидкости, м/с; аи <*2 — коэффициенты Кориолиса (в практических рас-

четах

для турбулентного режима движения

CRSI);

ЛИ—

путевые потери на-

пора, м.

Путевые потери напора в общем

случае

складываются из потерь на

внутреннее трение жидкости по длине трубопровода (Л

р) и из потерь на

местные сопротивления (внезапные сужения и расширения потока, повороты

т. д.):

/г=/!трЧ-/г

(V.2)

При

гидравлическом расчете напорного нефтепровода местными сопро-

тивлениями

можно пренебречь. Так как в этом

случае

скорость жидкости

по

длине не меняется, то формула (V.1) для простого трубопровода прини-

мает вид

* =

£=Ч-А*.

(V.3)

где h — напор, создаваемый в начальной точке трубопровода (в метрах стол-

ба перекачиваемой жидкости); AZ — разность геодезических отметок началь-

ной

и конечной точек трубопровода; Др — перепад давления.

Формула (V.3) может быть представлена также в виде

Др=Др

р—AZpg,

(V.4)

где Др

тр

— потери давления на трение по длине трубопровода.

Потери

напора на трение по длине трубопровода при установившемся

движении определяют по формуле Дарси —

Вейсбаха

тр

*4~

1£>

(

-5)

или

потери давления на трение

АРтр

= X -Q • ~2~' (

)

где I — длина трубопровода, м; D — внутренний диаметр трубопровода, м;

К — коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий в общем

случае

от режима движения и относительной шероховатости внутренней стенки тру-

бы, т. е. A,=f(Re, e), где Re—число Рейнольдса, определяющее режим дви-

жения;

e=2e/D,

где е — абсолютная шероховатость стенок трубы, м.

Число Рейнольдса определяется по формуле

Re=wDp/ji, (V.7)

где р — плотность жидкости, кг/м

; ц — динамическая вязкость жидкости,

Па-с.

Средняя скорость определяется как

w=4Q/nD

(V.8)

где Q — объемный

расход

жидкости, м

/с.

421

Если

Re<2320, то течение жидкости ламинарное (послойное), в этом

случае шероховатость стенки не оказывает влияния на коэффициент гидрав-

лического сопротивления и А, определяется по формуле Стокса

fe=64/Re. (V.9)

Если

Re>2320, то течение жидкости турбулентное (точнее, турбулентное

течение наступает при Re>2800, а в области 2320<Re<2800 — переходный

режим,

однако в практических расчетах эту область можно считать

турбу-

лентной).

Турбулентное течение характеризуется хаотичным беспорядочным дви-

жением

частиц жидкости в ядре потока и ламинарным подслоем у стенки

трубы.

Хаотичность движения частиц жидкости вызывает увеличение затрат

энергии

на трение жидкости, что приводит к росту коэффициента гидравли-

ческого сопротивления. Природа хаотичности движения частиц в трубопрово-

де двояка — с одной стороны, сдвиг слоев жидкости относительно

друг

друга,

другой стороны — образование вихрей при обтекании выступов шерохова-

тости.

Область турбулентного течения подразделяется на три зоны: гладкостен-

ного

сопротивления, смешанного сопротивления и квадратичного сопротив-

ления.

В зоне гладкостенного сопротивления выступы шероховатости находятся

пределах ламинарного подслоя и не оказывают влияния на коэффициент

гидравлического сопротивления. Эта область определяется числами Рейнольд-

са 2320<Re<Reine

, где

Re,ne

= 59,5/e

(V.10)

В зоне гладкостенного сопротивления коэффициент гидравлического со-

тивления

может быть определен по формуле Альтшуля

X=0,3164/Re°.

(V.11)

Зона

смешанного сопротивления определяется как Remep<Re<Re2nep,

где

665-765Ige

•<

2пгр

— I • \

•'

)

В зоне смешанного сопротивления коэффициент гидравлического сопро-

тивления

может быть определен по формуле Альтшуля

При

Re>Re2nep определяющее влияние на коэффициент гидравлического

сопротивления

оказывает шероховатость. В этом случае коэффициент гидрав-

лического сопротивления не зависит от числа Рейнольдса (режим автомо-

дельности) и его определяют по формуле Никурадзе

или

по формуле Шифринсона

Я,=0,11е

(V.15)

Такие

же результаты

дает

формула Альтшуля

(V.13)

при e^>68/Re.

Так

как промышленные трубы обладают неравномерной высотой высту-

пов

шероховатости, то пользуются понятием эквивалентной шероховатости

, которую определяют на основании гидравлических испытаний трубопро-

водов и пересчета их результатов по соответствующим формулам. В этом

случае относительная шероховатость определяется как e=k

/D. Значения k

по

Альтшулю

приведены ниже.

422

Значения

эквивалентной шероховатости внутренней поверхности

труб

Трубы k

, 10-

Новые

цельнотянутые

0,04—0,17

Стальные цельнотянутые, находившиеся в непродолжительной экс-

плуатации (с незначительной коррозией)

0,12—0,20

Старые стальные 0,60

Потери

напора на трение Л

тр

в простых трубопроводах можно опреде-

лять также по обобщенной формуле Лейбензона, которую получают под-

становкой в (V.5) выражений для X с

учетом

(V.8):

g£)t

2-m

(V.I6)

Л=64,

m=\—для ламинарного течения жидкости; Л=0,3164, m=0,25 — для

турбулентного течения жидкости в зоне гладкостенного сопротивления; Л=

0,1

le°'

m=0 — для турбулентного течения жидкости в зоне квадратич-

ного сопротивления.

Формула

(V.16)

удобна для записи в общем виде гидравлического укло-

на

трубопровода. Гидравлический уклон представляет собой отношение по-

терь напора на трение к длине трубопровода:

тр

Гидравлический расчет нефтепроводов обычно выполняют для наиболее

сложных условий работы трубопровода: за расчетную температуру выбирают

возможно низкую температуру нефти в период эксплуатации.

Приведенные формулы позволяют выполнить расчет перепада давления

по

длине трубопровода и, следовательно, определить начальное давление пе-

рекачки.

Если же требуется определить пропускную способность трубопровода

или

его диаметр, то предварительно необходимо задаться режимом движения

жидкости, т. е. значениями А и т в формуле

(V.16)

и по этой формуле

определить

расход

или диаметр, после чего обязательно выполнить проверку

правильности выбора режима движения по числу Рейнольдса.

Гидравлический расчет трубопроводов, проложенных по пересеченной

местности, должен завершаться проверкой на преодоление перевальной точки.

Сущность проверки состоит в нанесении на сжатый профиль трассы трубо-

провода линии гидравлического уклона. Перевальной точкой называется такая

точка трассы трубопровода, которая наибольшим образом выступает за ли-

нию

гидравлического уклона. Если такая точка имеется, то для обеспечения

заданной

производительности трубопровода по жидкости начальный напор

необходимо увеличить на такую величину, чтобы новая

линия

гидравличе-

ского уклона не имела перевальных точек.

В практике наиболее часто встречается турбулентный режим течения —

зона

гладкостенного сопротивления. Режим, соответствующий квадратичному

закону сопротивления, встречается только при аварийных порывах трубопро-

водов.

Сложные трубопроводы можно рассчитывать по участкам, представляю-

щим

собой простые трубопроводы, но иногда можно получить общую фор-

мулу

для всего сложного трубопровода.

Практический

интерес представляют следующие случаи работы сложных

нефтепроводов: трубопровод со вставкой; трубопровод с параллельным

участ-

ком

(лупинг).

Нефтепровод

со

вставкой.

Обозначим длину всего нефтепровода /, внут-

ренний

диаметр основного трубопровода D

, внутренний диаметр и длину

вставки соответственно £>„ и /„.

423

Если режим движения жидкости в основном трубопроводе и во вставке

одинаков,

то можно получить расчетную формулу для определения потерь

напора

на таком сложном трубопроводе.

Гидравлические уклоны в основном трубопроводе и во вставке опреде-

ляются соответственно.

j5—tn

(V.20)

Отсюда видно, что

(V.21)

Поэтому потери напора в трубопроводе, имеющем вставку,

где

^j .

(V.23)

Аналогично можно получить расчетную формулу для определения потерь на-

пора в трубопроводе, когда параллельно основному, имеющему длину /

внутренний диаметр D

, на участке длиной /

проложен трубопровод

внутренним диаметром 1>л, если режим движения жидкости на

всех

участках

одинаков.

Гидравлический уклон в основном трубопроводе до разветвления и после

него

(V.24)

На

участке с лупингом жидкость распределяется на два потока, так что

расход

в основном трубопроводе Q

и в параллельном Q

При

этом

Q =

(V.25)

Гидравлический уклон на участке с лупингом

будет,

как и в основном,

так

и в параллельном трубопроводе, одинаков, поскольку перепады давления

на

них и их длины одинаковы, т. е.

Из

(V.24)

(V.26)

видно, что

)

(

А из

(V.25)

(V.26)

имеем

Q ~ 5—т •

424

(V-27)

(V.28)

Следовательно,

*л = ^1=^ • (V. 29)

•Zr-,2-.m

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ

ДЛЯ ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ НЕФТЕИ

Парафинистые

и застывающие нефти при понижении температуры при-

обретают вязкопластичные свойства вследствие образования в них простран-

ственной

структуры (например, кристаллической решетки парафина). В этом

случае

течение нефтей не начнется до тех пор, пока не

будет,

достигнуто

предельное напряжение сдвига, необходимое для разрушения пространствен-

ной

структуры, и только после начала течения наблюдается пропорциональ-

ность

между

градиентом скорости и разностью напряжений

т—т

Таким

образом, поведение вязкопластичных жидкостей отклоняется от закона Нью-

тона и описывается уравнением Шведова — Бингама

^-,

(V.30)

где То — предельное напряжение сдвига; Цпл — пластическая вязкость;

du/dn

— градиент скорости сдвига.

Профиль

скоростей при движении вязкопластичной жидкости в круглой

трубе

существенно отличается от профиля скорости ньютоновской жидкости.

Так

как напряжение сдвига

убывает

от стенки

трубы

к оси, на некотором

радиусе го напряжение сдвига становится равным предельному напряжению

сдвига То, и жидкость, заключенная в цилиндре радиусом го, движется в виде

«ядра»,

внутри которого скорость по сечению не изменяется. Радиус цилин-

дрического ядра го определяют по формуле

При

структурном (ламинарном) течении вязкопластичных жидкостей

трубах

расход

определяют по уравнению Букингема

которое с учетом

(V.31)

можно записывать в виде

± (±i.

8/JI I

" 3 {Rbp

Использование

уравнения Букингема для решения практических задач

затруднительно, поскольку оно не решается относительно Ар. Однако при

'о/Я^О.б можно пользоваться уравнением Букингема без третьего члена. При

этом

погрешность не превышает 6%.

Другое

направление упрощения расчетов — это применение для вязко-

пластичных жидкостей формулы Дарси — Вейсбаха и формулы Стокса для

коэффициента

гидравлического сопротивления в виде

X=64/Re.,

(V.34)

где Re. — обобщенный параметр Рейнольдса, который выводится с использо-

ванием

уравнения Букингема в виде

wdp

Чг

(

-0+т)'

Нил

" /

425

где И —

параметр

пластичности

(параметр

Ильюшина),

(V36

Исследованиями С. А. Абдурашитова и Д. Э. Шихлинской установлено,

что при турбулентном движении парафинистых нефтей, являющихся вязко-

пластичными жидкостями, коэффициент гидравлического сопротивления не

зависит от Re,. Численное значение X в турбулентном режиме в зависимости

от содержания парафина изменяется от

0,028

до

0,038,

причем X возрастает

с ростом концентрации твердого парафина.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ

РАСЧЕТ

ТРУБОПРОВОДОВ

ДЛЯ

НЕФТЯНЫХ

ЭМУЛЬСИЙ

Основной задачей, возникающей при гидравлическом расчете трубопрово-

дов, транспортирующих нефтяные эмульсии, является определение перепадов

давления.

Расчетной формулой при этом является формула Дарси — Вейсбаха

(V.5),

в которой коэффициент гидравлического сопротивления X определяют

с учетом дисперсности эмульсии.

Высокодисперсные устойчивые эмульсии

ведут

себя как однородные жид-

кости,

и поэтому гидравлический расчет трубопровода в этом

случае

не

отличается от гидравлического расчета простого нефтепровода.

Различие гидродинамического поведения неустойчивых и устойчивых

эмульсий проявляется в эффекте гашения турбулентных пульсаций дисперси-

онной

среды каплями дисперсной фазы.

учетом этого эффекта коэффициент гидравлического сопротивления'

неустойчивых эмульсий определяют следующим образом:

*»=ЙГ".

*э<23£0,

(V.37)

»«><*.,<

1С

(V.38)

где Re»

— число Рейнольдса, определяемое по фэрмуле

где величина Yo указывает, является ли неустойчивая эмульсия ньютоновской

или

неньютоновской жидкостью, ее определяют по выражению

10. 0<,

<0,524,

То

\l,

0,524

0,741,

M=x<>D/\XaW

— параметр пластичности; w — средняя скорость течения, р

Цэ

— плотность и вязкость эмульсии; D — внутренний диаметр трубопрово-

да; то — дополнительное напряжение сдвига плотной эмульсии:

то=

(0,195ф

—0,102)

a/d,

Расчетные методы определения свойств

углеводородных

систем

см.

Справочное

ру-

ководство

по

проектированию разработки

эксплуатации нефтяных месторождение.

Проектирование

разработки.

М.,

Недра,

1983.

426

где cr — межфазное натяжение; d — диаметр капель; фф — содержание дис-

персной

фазы в эмульсии; плотная (устойчивая) эмульсия

существует

при

следующих

условиях: 0,524^фф^0,741.

Множитель

(1-{-1,125у1фф)~

в формуле

(V.38)

учитывает

эффект гаше-

ния

турбулентности. Символ Yi указывает, проявляется ли в потоке неустой-

чивой эмульсии эффект гашения турбулентности, его величина определяется

следующим образом:

где d — средний объемно-поверхностный диаметр капель неустойчивой эмуль-

сии;

rf=l,4DWe

; We=>o7p

; рф, р

—плотность дисперсной фазы и

дисперсной среды эмульсии.

Сбор нефти на нефтяных месторождениях часто осуществляется с по-

мощью нескольких нефтесборных коллекторов, так что продукция отдельных

скважин может направляться в тот или иной коллектор. Поскольку на одном

месторождении степень обводненности скважин отличается, то переключени-

ем скважин на групповых установках можно обеспечить различную обвод-

ненность

нефти в нефтесборных коллекторах,

регулируя

тем самым не толь-

ко

режим внутритрубной деэмульсации, но и величину гидродинамических

сопротивлений. Снижение давления при преодолении гидродинамического со-

противления при турбулентном течении неустойчивых эмульсий в промысловых

трубопроводах зависит от содержания дисперсной фазы в неустойчивой

эмульсии. Содержание дисперсной фазы в эмульсии, при котором потери

давления

будут

минимальны, является оптимальным.

Оптимальное содержа.ние дисперсной фазы в неустойчивой эмульсии

определяют по формуле

<Рф„

= 0,68-

0,4-^,

0,6<р

/р

<1,

(

Важное значение для нефтепромысловой практики имеет определение

области, в которой перепад давления при течении эмульсии не превышает

перепада давления при течении нефти с той же скоростью. Эта область при

1<рф/ре<1,4 описывается формулой

,ф,=

1,22-0,7-^,

(V.43)

Таким

образом, при

0<фф<фф,

перепад давления в трубопроводе мень-

ше,

чем для чистой нефти. За пределами этой области перепад давления для

эмульсии превышает перепад давления для чистой нефти.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ

РАСЧЕТ

ГАЗОПРОВОДОВ

Уравнение стационарного одномерного движения газа в круглой

трубе

имеет вид

JJL

gpC

os(g,

+^^-+%-,

(V.44)

где р — давление; р — плотность газа; т

ст

— касательное напряжение на стен-

ке

трубы, w — средняя по сечению скорость газа;

*ег = *-1г;

(V.45)

где X — коэффициент гидравлического сопротивления; D — диаметр трубы;

g — ускорение свободного падения; а — коэффициент Кориолиса (для

турбу-

лентных потоков

а=й:1).

427

Левая часть

(V.44)

представляет собой градиент сил давления, правая—

сумму градиентов сил: тяжести, инерции и гидравлического сопротивления.

Так

как плотность и линейная скорость газа зависят от давления, то

уравнению движения необходимо добавить уравнение баланса количества

газа

M*=*pwF

(V.46)

уравнение состояния

p=pzRT,

(V.47)

где М — массовый расход газа; F — площадь сечения трубопровода; z—

коэффициент

сжимаемости газа; R — газовая постоянная; Т — температура

газа.

При

интегрировании

(V.44)

принимают следующие условия и допуще-

ния.

Газопровод имеет равномерный постоянный подъем или уклон. Тогда

cos(g, x)=dh/dx=\h/l, где ДА — разность отметок конечной и начальной

точек газопровода; / — длина рассматриваемого участка газопровода. Тем-

пература газа по всей длине газопровода постоянная (T«=const).

Коэффици-

ент сжимаемости z принимают по среднему давлению в газопроводе.

учетом принятых допущений интегрирование уравнения

(V.44)

в пре-

делах

от х = 0 (w

pi) ДО x=l (W

, P2)

дает

(V.48)

Коэффициент

Ь учитывает влияние разности отметок начала и конца

газопровода;

Коэффициент

С учитывает влияние изменения линейной скорости газа:

14-°° 1..

50>

В практических расчетах можно пренебречь влиянием разности отметок

крайних

точек газопровода и изменением линейной скорости газа.

Тогда формула

(V.48)

упрощается:

Формула (V.51)—основная расчетная формула. При расчетах часто

пользуются объемным расходом газа (Qo=Af/po) при нормальных условиях

(температура 273 К и давление 0,1 МПа). С учетом уравнения состояния газа

при

нормальных условиях

po=poRT(zo=l)

расчетная формула принимает вид

Значение

коэффициента гидравлического сопротивления % в формуле

(V.51)

рассчитывают в зависимости от режима движения газа и шерохо-

ватости

труб

по формулам

(V.9)—(V.15).

Обычно течение газа происходит при высоких скоростях, когда сопротив-

ление определяется только шероховатостью

труб

(область квадратичного со-

противления).

При этом, принимая во внимание, что коэффициент эквивалент-

ной

шероховатости не зависит от диаметра трубопровода, можно считать, что

коэффициент

гидравлического сопротивления зависит только от диаметра га-

зопровода.

Одной из формул типа

X=/(D),

получившей широкое распространение,

является формула Веймаута

428

(V.53)

/О

Формулу Веймаута можно использовать при ориентировочных расчетах

диаметра или пропускной способности простого газопровода. В этом случае

расчетные формулы имеют вид

13/16

]

•

(V.55)

Иногда

для увеличения надежности работы газосборной сети проклады-

вают две или несколько параллельных ниток.

Пропускная

способность всей серии газопроводов

(V.56)

В частном случае, часто встречающемся на практике, диаметры парал-

лельных ниток одинаковы (Di=D

•

.=D

=f>), тогда

- <

где п — число параллельных ниток.

При

расчете газопровода может оказаться, что стандартный диаметр

труб

существенно отличается от расчетного.

Обычно принимают ближайший больший диаметр, а это приводит к зна-

чительному

расходу

металла. В этом случае для экономии металла трубопро-

вод делают составным из

труб

двух

размеров. В начале трубопровода укла-

дываются трубы диаметром меньше, а в конце — больше расчетного.

Увеличение перепада давления в

трубах

меньшего диаметра компенсиру-

ется уменьшением перепада давления на конечном участке газопровода в тру-

бах большего диаметра. Наряду с уменьшением расхода металла снижается

также среднее давление перекачки.

Пропускная

способность газопровода переменного диаметра

<v.-*>

Формулы для определения длины участков газопровода U и /

ТГ~ I

'i='-'..

(V.59)

где

Предыдущую задачу можно решить и другим способом. Основную нитку

газопровода прокладывают из

труб

диаметром меньше расчетного, а на

определенном участке прокладывают вторую нитку (лупинг) такого же диа-

метра.

429

Длина

параллельной линии при требуемой пропускной способности газо-

провода:

(V.60)

Место установки ее по длине газопровода не влияет на общий перепад

давления.

Поэтому параллельные нитки можно прокладывать в любом месте

газопровода.

Существуют газовые коллекторы

трех

типов: линейный, лучевой и коль-

цевой.

Линейный и каждую нитку лучевого коллектора рассчитывают сле-

дующим образом:

1=1

F*,D,

(V.61)

или,

принимая по всей длине трубопровода 7"=const и определяя z при сред-

нем

давлении в газопроводе,

(V.62)

Если

газопровод на всех участках выполнен из

труб

одного диаметра,

то расчетная формула имеет вид:

Р\-

Л =

(V.63)

Диаметр трубопровода легко определяется из формулы

(V.63)

для обла^

сти квадратического сопротивления, т. е. когда Xi не зависит от Re<.

При

расчете кольцевого газо-

сборного коллектора

будем

исходить

из

следующих предположений.

Представим кольцевой газосборный

коллектор (рис. V.1) в виде

двух

ниток

газопровода, выходящих из

нулевой точки В, где движение га-

за

отсутствует,

и сходящихся в точ-

ке

А, в пункте сдачи газа маги-

стральному газопроводу.

магистральному

газопроводу

Рис.

V.I. Расчетная схема кольцево-

го газосборного коллектора

Участок ab, на котором распо-

ложена точка В, также является

нулевым, так как теоретически по этому участку газ не течет. Практически

во время эксплуатации за счет колебания дебита скважин газ перетекает то

одну, то в

другую

сторону. Однако эти перетоки несущественны.

Задача расчета заключается в нахождении положения точки А при

условии равенства перепадов давления на расчётных ветвях коллектора аА

ЬА.

Обозначим

длину участка Cd через /, тогда 1„-^1

=1.

430