Физика движения ГЖС, структура ГЖС в лифте,
Скорости ГЖС
Приток жидкости и газа к скважинам обусловлен разностью забойного и пластового давлений. Подъем жидкости и газа от забоя скважины на дневную поверхность – основной процесс при эксплуатации скважин. Этот процесс может происходить как за счет природной энергии WП поступающих к забою жидкости и газа, так и за счет вводимой в скважину с дневной поверхности энергии WИ. Газожидкостная смесь (ГЖС), пройдя через специальное устьевое оборудование, попадает в сепараторы (отделители жидкости от газа), замерные емкости, а затем – в промысловые трубопроводы. Чтобы обеспечить движение смеси в промысловых трубопроводах, на устье скважины поддерживают то или иное противодавление. На основании изложенного можно составить следующий энергетический баланс:
, (5.1)
где W1 – энергия, затраченная на подъем жидкости и газа с забоя до устья скважины;
W2 – энергия, расходуемая газожидкостной смесью при движении через устьевое оборудование;
W3 – энергия, уносимая струей жидкости и газа за пределы устья скважины.
В свою очередь энергию, затраченную на подъем жидкости и газа с забоя до устья можно разделить на следующие составляющие:
, (5.2)
где WГ – энергия, затраченная на движение к устью скважины ГЖС по
горизонтальному участку скважины;
WВ – энергия, затраченная на движение к устью скважины ГЖС в
вертикальном участке скважины;
WТР – энергия, необходимая для преодоления сил трения при
движении ГЖС в скважине (местные сопротивления и
сопротивление по длине).
Если подъем ГЖС от забоя на дневную поверхность осуществляется только за счет природной энергии (т.е. WИ = 0), то эксплуатация скважин называется фонтанной. При WИ ≠ 0 мы имеем дело с механизированной добычей. Большинство скважин эксплуатируется механизированным способом.
Изучение и расчет движения двухфазных потоков как в вертикальных, так и в горизонтальных участках ствола скважин исключительно сложны. Основная сложность заключается в том, что в газожидкостном потоке происходит относительное движение фаз, обусловленное их разными плотностью и вязкостью.
Визуальные наблюдения и киносъемки движения ГЖС в горизонтальных стеклянных трубах позволили разделить все наблюдаемые в процессе экспериментов структуры потока на несколько видов, которые представлены на рисунке 5.1.
Основное дифференциальное уравнение для определения градиента давления при установившемся движении газожидкостной смеси в горизонтальном участке запишется в следующем виде (5.3):
, (5.3)
где 
– градиент давления;
λсм – коэффициент гидравлического сопротивления;
 |
1 – жидкость; 2 – газ;
а – поток с отдельными пузырьками газа; б – поток с началом образования газовых
пробок; в – расслоенный поток; г – волновой поток; д – пробковое течение;
е – эмульсионный поток
Рисунок 5.1 – Структуры газожидкостной смеси в горизонтальном участке
ствола скважины
ρсм – плотность смеси, кг/м3;
Vcм – скорость движения смеси, м/с;
D – диаметр лифтовой колонны, м;
Для определения плотности смеси используется уравнение (5.4):
, (5.4)
где φ – коэффициент истинного объемного газосодержания;
ρж и ρг – плотность соответственно жидкости и газа при средних
давлении и температуре в стволе скважины, кг/м3.
Основное расчетное уравнение для негоризонтальных участков можно записать в следующем упрощенном виде (5.5):
, (5.5)
где 
- условный перепад давления;
ΔРтр – перепад давления, обусловленный гидравлическим сопротивлением газожидкостного потока;
ΔРсм – общий перепад давления, обусловленный гравитационными силами;
В правой части уравнения (5.5) знак плюс принимается при восходящем потоке, знак минус – при нисходящем.