Физическая сущность, особенности и основные закономерности движения газожидкостной смеси в вертикальных трубах

При восходящем движении газожидкостной смеси в насосно-компрессорных трубах (НКТ) более легкий газ опережает жидкость. Разность средних объемных скоростей движения газа и жидкости называется относительной скоростью. Ее значение зависит от свойств газа и жидкости, скорости смеси, газонасыщенности, и при стесненных условиях движения смеси в НКТ она может быть высокой.

Скорость всплытия одиночных пузырьков газа в сосуде не­ограниченного диаметра определяется свойствами газа и жидкости и линейными размерами пузырьков (рис. VII.5). Для пузырьков малого размера, имеющих сферическую форму, она возрастает пропорционально квадрату диаметра пузырька (за­кон Стока). С увеличением размеров пузырьков форма их ме­няется, скорость всплытия их при этом возрастает медленнее. Наступает момент, когда силы поверхностного натяжения не

могут сохранить целостность пузырьков. Происходит их дроб­ление, и более мелкие всплывают с несколько меньшей скоро­стью.

Итак, максимальная скорость всплытия одиночных пузырь­ков газа в жидкости ограничена и зависит от свойств и газа, и жидкости. Например, максимальная скорость всплытия пу­зырьков воздуха в дистиллированной воде порядка 26 см/с, а газа в нефти обычно не превышает 20 см/с.

В добывающих скважинах на поток газожидкостной смеси влияют размеры НКТ. При малой газонасыщенности пузырьки газа находятся на некотором расстоянии друг от друга (пузырь­ковая структура, рис. VII.6,а). Их формы и размеры определя­ются соотношениями между силами сопротивления и поверхно­стного натяжения. Относительная скорость при этой структуре не превышает 10—20 см/с.

С ростом газонасыщенности при определенных свойствах газа и жидкости происходит слияние пузырьков. В этом случае диаметр их практически равен диаметру труб и развивается четочная (пробковая) структура (см. рис. VII.6,б). Относитель­ная скорость газа достигает 50—100 см/с.

При дальнейшем увеличении газонасыщенности пузырьки сливаются и образуется кольцевая структура или структура тумана (см. рис. VII.6, в). Часть жидкости переносится потоком газа в виде капель, часть движется вдоль стенки трубы, увле­каемая газом за счет сил трения. Относительная скорость при такой структуре течения может быть значительной (достигать десятков метров в секунду) и небольшой (когда толщина коль­цевого слоя жидкости на стенках трубы незначительна и жидкость переносится в основном потоком газа в виде мель­чайших капель). Помимоуказанных структур можно выделить также и промежуточные виды. Вид структуры зависит не только от газонасыщенности, но и от скоростей фаз и свойств жидкости и газа.

Различают два вида газонасыщенности: расходную β — отношение объемного расхода газа к расходу смеси при данных термодинамических условиях и истинную φ— это отношение средней площади трубы, занятой газом, к площади сечения трубы. Если бы газ и жидкость двигались с одинаковой скоро­стью, то ф была бы равна р. В восходящем потоке смеси газ движется с большей скоростью, поэтому φ<β и тем меньше, чем больше относительная скорость. Действительно, газ при одинаковом расходе, двигаясь с большей скоростью, занимает меньшую площадь сечения трубы.

Итак, с ростом относительной скорости уменьшается содер­жание газа в смеси, а это ведет к увеличению ее плотности.

В дифференциальных уравнениях движения газожидкост­ных смесей по трубам учитываются разнообразные процессы и явления (массо- и теплообмен между фазами, процессы на границе раздела фаз и т. д.). И все-таки проблема расчета движения га­зожидкостных смесей окончательно не решена, так как в урав­нениях остаются два параметра, которые нельзя определить теоретически: один из них характеризует потери энергии на преодоление массы столба смеси, другой — на трение.

структуры к другой в процессе движения смеси, т. е. на гидрав­лические потери.

Для определения составляющих потерь давления на преодо­ление массы столба смеси и на трение используют эмпириче­ские зависимости, полученные при обработке данных промысло­вых или лабораторных исследований. В уравнении движения газожидкостной смеси пренебрегают потерями давления на ус­корение и потерями, имеющими еще меньшее значение. Такое уравнение имеет вид

dp =ρ_см gdh + dp_тр,

где dp — общие потери давления но длине подъемника dh; ρ_см —плотность смеси; g —ускорение свободного падения; dp_тр — потери давления на трение. Условия проведения экспери­ментов обычно не одинаковы, различны также и методы интер­претации данных исследований. Поэтому методики расчета движения газожидкостных смесей отличаются друг от друга.