Если до аппаратов УПСВ эффективно провести процесс трубной деэмульсации (разрушение эмульсии в трубопроводе), то аппарат УПСВ выполняет функции водоотделителя, разделяет на нефть и воду предварительно разрушенную в трубопроводе эмульсию. Тронов считает, что давление при этом не играет практически никакой роли.
Но, как отмечено ранее, если сброс воды осуществляется на ДНС, то здесь применение аппаратов, работающих под избыточным давлением, позволяет осуществить дальний транспорт газонасыщенной нефти после I ступени сепарации до УПН. Также применение этих аппаратов для сброса воды на ДНС позволяет осуществить полную герметизацию перекачки.
При необходимости осуществления сброса большого количества воды на крупных герметизированных узлах в качестве аппарата предварительного сброса следует использовать булиты и трубчатые каплеобразователи.
Пропускная способность отстойника зависит от:
вязкости поступающей эмульсии;
плотности поступающей эмульсии;
радиуса отстойника;
высоты водяной подушки - слой воды в отстойнике;
дисперсности капель воды (рис.26).
QОТС. = ѓ (м Э , сЭ, R, Н)
В свою очередь: м Э = ѓ (м Н, м В,)= ѓ(W, T) и сЭ = ѓ(W, T) - зависят от обводненности и температуры.
Продолжительность отстоя нефти в резервуаре (или булите) после разрушения эмульсии зависит от вязкости нефти: продолжительность отстоя увеличивается прямолинейно (а пропускная способность падает) в зависимости от вязкости нефти.
Рис.21. Зависимость пропускной способности отстойника от размера капель воды
Для достижения достаточной скорости оседания частиц воды вязкость нефти в отстойниках не должна превышать 1*10-6м2/с (10сст).
На практике вязкость нефти можно снизить за счет дополнительного ее подогрева, т.е. дополнительного расхода тепла, а иногда и дополнительного расхода деэмульгатора.
Вследствие разрушения эмульсии и выделения свободной воды, вязкость системы падает.
Темп снижения вязкости будет зависеть от типа и свойств деэмульгатора.
С увеличением обводненности нефти относительное снижение вязкости уменьшается.
Подогрев нефти в резервуаре может привести к потерям углеводородов за счет испарения.
Поэтому в каждом отдельном случае нужно просчитывать, что выгоднее: подогреть нефть и бороться с потерями углеводородов или увеличить емкость отстойной аппаратуры или другие варианты.
С середины 80-х годов на месторождениях "Томскнефти" началось активное строительство установок предварительного сброса пластовой воды (УПСВ). С 1985 по 1990 гг. в НГДУ "Стрежевойнефть" введено в эксплуатацию 15 установок.
При этом одновременно решались вопросы по утилизации пластовой воды и нефтяного газа. Современные УПСВ имеют автоматизированные системы контроля и управления ТП.
УПСВ-2 Советского нефтяного месторождения запущена в 1996 г.;
УПСВ-3 Советского нефтяного месторождения - первая АСУ ТП УПСВ на отечественных технических средствах, 1993 г.;
УПСВ-6 Вахского месторождения - проект ТомскНИПИнефти, 1996 г.;
ЦПС АСУ ТП Игольско-Талового месторождения - проект ТомскНИПИнефти, 1996 г.
Принципиально технологические схемы УПСВ строились в Томской области или герметизированными или с резервуарным сбросом пластовой воды.
6. Трубопроводы
Трубопроводы системы сбора и подготовки нефти и газа предназначены для транспортировки продукции скважин от их устья до нефтеперекачивающих станций товарно-транспортных организаций; для подачи сточных вод от УПВ до нагнетательных скважин.
Общая протяженность промысловых трубопроводов достигает сотен километров только по одному промыслу.
6.1 Классификация трубопроводов
По назначению:
- выкидные линии - транспортируют продукцию скважин от устья до ГЗУ;
- нефтегазосборные коллекторы - расположены от ГЗУ до ДНС;
- нефтесборные коллекторы - расположены от ДНС до центрального пункта сбора (ЦПС);
- газосборные коллекторы - транспортируют газ от пункта сепарации до компрессорной станции.
По величине напора:
- высоконапорные - выше 2,5 Мпа;
- средненапорные - 1,6-2,5 Мпа;
- низконапорные - до 1,6 Мпа;
- безнапорные (самотечные).
Самотечным называется трубопровод, перемещение жидкости в котором происходит только за счет сил тяжести. Если при этом нефть и газ движутся раздельно, то такой нефтепровод называют свободно- самотечным, а при отсутствии газовой фазы - напорно-самотечным.
По типу укладки:
- подземные;
- наземные;
- подвесные;
- подводные.
По гидравлической схеме:
- простые, то есть не имеющие ответвлений;
- сложные, то есть имеющие ответвления или переменный по длине расход, или вставку другого диаметра, или параллельный участок, а также кольцевые.
По характеру заполнения сечения:
- трубопроводы с полным заполнением сечения трубы жидкостью;
- трубопроводы с неполным заполнением сечения.
Полное заполнение сечения трубы жидкостью обычно бывает в напорных трубопроводах, а неполное может быть как в напорных, так и в безнапорных трубопроводах. С полным заполнением сечения жидкостью чаще бывают нефтепроводы, транспортирующие товарную нефть, то есть без газа, и реже - выкидные линии. Нефтесборные коллекторы обычно работают с неполным заполнением сечения трубы нефтью, так как верхняя часть сечения коллектора занята газом, выделившимся в процессе движения нефти.
6.1.1 Основные принципы проектирования трубопроводов
Проектирование трубопроводов на площади месторождения сводится к решению следующих основных задач:
- выбор трассы трубопроводов, исходя из расположения скважин на месторождении, их дебита и рельефа поверхности;
выбор рациональных длин и диаметров трубопроводов, отвечающих минимальному расходу металла, минимуму затрат на строительство и эксплуатацию;
гидравлический, тепловой и механический расчет трубопроводов.
6.2 Гидравлический расчет простых напорных трубопроводов
Допущения:
1. Изотермический режим течения (T = const).
2. Однофазная жидкость.
При гидравлическом расчете трубопровода обычно решаются три задачи:
- определение диаметра или
- начального давления P1, или
- пропускной способности Q.
Основные уравнения гидродинамики
1. Объемный расход:
(59)
где щ - линейная скорость, м/с;
S - площадь поперечного сечения трубы, м2.
2. Массовый расход:
(60)
Для трубопроводов круглого сечения, так как
формула (59) примет вид
(61)
3. Уравнение неразрывности: в любой точке трубопровода массовый расход должен быть постоянным - частный случай выражения закона сохранения вещества:
(62)
Если жидкость несжимаема, то 1 = 2 и
(63)
то есть это уравнение материального баланса потока.
4. За основу гидравлических расчетов трубопроводов принимается уравнение Бернулли, частный случай выражения закона сохранения энергии, которое для идеальной жидкости имеет вид:
(64)
где Р1, Р2 - давления в сечениях 1 и 2, Па;
с- плотность, кг/м3;
щ1, щ2, - средние линейные скорости в сечениях 1 и 2, м/с;
g- ускорение свободного падения, м/с2.
Каждый член уравнения (64) имеет размерность высоты и носит соответствующее название:
Zi - определяет высоту положения различных точек линии тока над плоскостью сравнения, геометрический напор; удельная потенциальная энергия положения.
, м - называется пьезометрический напор или статический напор; удельная потенциальная энергия давления.
, м - называется динамический или скоростной напор, или удельная кинетическая энергия.
Сумма всех трех напоров определяет запас полной механической энергии потока в соответствующем сечении, отнесенной к единице силы тяжести, и называется полным напором H:
(65)
Реальная жидкость обладает вязкостью. В уравнении Бернулли появляется слагаемое, учитывающее потери энергии вследствие гидравлических сопротивлений на участке 1-2:
(66)
где hП- напор на преодоление путевых сопротивлений, то есть на преодоление сил трения и местных сопротивлений трубопроводов.
hП=hТ + hМ, (67)
где hТ - потеря напора за счет преодоления сил трения по длине трубопровода;
hМ - потеря напора за счет местных сопротивлений.
При Z1 =Z2 и щ1= щ2
(68)
(69)
6.2.1 Определение потерь напора на трение
Потеря напора на преодоление трения hT по длине трубопровода круглого сечения при любом режиме течения определяется по формуле Дарси-Вейсбаха:
(70)
Из (69) следует, что
Тогда потери давления будут
(71)
Если скорость выразить через объемный расход и площадь сечения из уравнения (59)
(72)
то уравнение (70) примет вид:
(73)
В наклонном трубопроводе:
(74)
(75)
+ - когда сумма участков подъема по высоте больше суммы участков спуска;
- когда наоборот.
где l - длина трубопровода, м;
d- внутренний диаметр, м;
с- плотность жидкости, кг/м3;
ДZ- разность геодезических отметок начала и конца трубопровода, м;
g- ускорение силы тяжести, м/с2;
л- коэффициент гидравлического сопротивления, который в общем случае зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости стенки трубопровода
(76)
где е- относительная шероховатость.
(77)
где Д- абсолютная эквивалентная шероховатость выбирается по таблице, мм;
d- внутренний диаметр трубы, мм.
Абсолютная эквивалентная шероховатость - это такая высота шероховатости, при которой в квадратичной зоне сопротивления потери напора равны потерям напора для данной естественной шероховатости трубы.
Для ламинарного режима движения (Rе < Rекр) коэффициент гидравлического сопротивления зависит только от параметра Рейнольдса:
Rекр = 2320
(78)
Если учесть, что
(79)
и подставить выражение (79) в (78), то получим
(80)
В этом случае выражение (70) принимает вид формулы Пуазейля:
(81)
(82)
При турбулентном режиме движения (Rе > Rекр) различают три зоны сопротивления.
1. Зона гидравлически гладких труб () :
- (83)
формула Блазиуса, используемая при Rе ?105. Здесь сопротивление шероховатых и гладких труб одинаково.
В зависимости от скорости течения и вязкости жидкости одна и та же труба может быть гидравлически гладкой и гидравлически шероховатой.
2. Зона шероховатых труб или смешанного трения
():
- (84)
формула Альтшуля.
3. Зона вполне шероховатых труб или квадратичная зона
():
(85)
- формула Шифринсона.
Для нефтепроводов наиболее характерны режимы гладкого или смешанного трения.
6.3 Определение потерь напора на местные сопротивления
Местными сопротивлениями называются участки трубопровода, в которых происходит резкая деформация потока (к ним относятся, в частности, все виды арматуры трубопроводов - вентили, задвижки, тройники, колена и т.д.).
Потери напора в местных сопротивлениях hM определяются по формуле Вейсбаха (в долях скоростного напора)
(86)
где n- число местных сопротивлений;
щ- средняя скорость потока за местным сопротивлением;
о- коэффициент местного сопротивления, зависящий от его геометрической формы, состояния внутренней поверхности и Re, а для запорных устройств - от степени их открытия. При развитом турбулентном движении (Re > 104), что соответствует квадратичной зоне сопротивления для местных сопротивлений, оКВ = const и определяется по справочникам.
Потери напора в местных сопротивлениях можно рассчитать по формуле Дарси-Вейсбаха через эквивалентную длину lэкв, понимая под ней такую длину трубопровода, для которой hT = hM.
(87)
где lП- приведенная длина трубопровода
(88)
Обычно зона деформации потока в районе местного сопротивления мала по сравнению с длиной труб. Поэтому в большинстве задач принимается, что потери напора в местном сопротивлении происходят как бы в одном сечении, а не на участке, имеющем некоторую длину.
Таким образом, полный перепад давления с учетом местных сопротивлений и рельефа местности определяется из формулы:
(89)
При больших длинах напорных трубопроводов удельный вес местных сопротивлений невелик и ими при расчетах пренебрегают.
При движении жидкости по трубопроводу происходит потеря давления по его длине, вызываемая гидравлическими сопротивлениями. Величина потерь давления (напора) зависит от диаметра трубопровода, состояния его внутренней поверхности (гладкая, шероховатая), количества перекачиваемой жидкости и ее физических свойств.
Зависимость между путевой потерей напора и расходом жидкости, то есть hП = f(Q) называется гидравлической характеристикой трубопровода.
6.3.1 Графоаналитический способ решения задач
Определение пропускной способности трубопровода по заданным параметрам его и жидкости, а также определение минимального диаметра трубопровода по заданным напору, параметрам жидкости и трубопровода, пропускной способности проводится графоаналитическим методом.
Рассмотрим алгоритм решения задач этого типа на примере первой задачи.
Графоаналитический способ решения основан на предварительном построении графической зависимости hT=f(Q) - гидравлической характеристики трубопровода. Для этого: