СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ "НАСОС-ТРУБОПРОВОД-СКВАЖИНА"
METHOD FOR INCREASING OPERATING EFFICIENCY OF PUMP-PIPELINE-WELL SYSTEM

Предложенное изобретение относится к области перекачки (добычи) высоковязких жидкостей, обладающих свойством зависимости эффективной вязкости от скорости перекачки. Положительным результатом является повышение эффективности (коэффициента полезного действия) работы насосного агрегата в системе «насос - трубопровод».
В настоящее время добыча нефти характеризуется вовлечением в разработку высоковязких так называемых неньютоновских нефтей, вязкость которых велика настолько, что для их перекачки используются специальные способы уменьшения ее, например, подогрев (см. путевые подогреватели [1]). Однако, использование такого метода в скважинных условиях сопряжено с необходимостью усложнения конструкции и удорожания оборудования для скважинной добычи.
В связи с этим возникают лишние затраты, связанные с движением неньютоновской жидкости по стволу скважины - насосно-компрессорным трубам (НКТ).
Известно, что эффективная вязкость таких нефтей является функцией скорости сдвига [2].
Для снижения потерь на трение при движении неньютоновской нефти по НКТ предлагается следующее:
выбрать режим течения нефти по НКТ таким образом, чтобы скорость сдвига  оказалась больше некоторого предельного значения , характеризующего переход от течения неньютоновской жидкости к ньютоновской (см. Фиг. 1).
3
При этом относительные потери на трение в трубопроводе будут уменьшаться (точнее, будут пропорциональны расходу Q в виде (Q/π*D), где D - диаметр трубы, a R - соответственно ее радиус), так как
а
где  и b - соответственно, углы наклона функции
τ
dν/dz:
τ =f(dν/dz)
dν/dz
(dν/dz)
k
На Фиг. 1 показана зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига где 1 - ньютоновская, 2 – неньютоновская (псевдопластичная) жидкости; a и b - соответственно углы наклона функции в начале при малых и при больших (больше).
Для оценки эффективности перекачки неньютоновский нефти примем:
труба имеет постоянное сечение в виде окружности;
течение в трубе стационарное, ламинарное;
распределение скоростей частиц жидкости осесимметрично;
давление во всех точках поперечного сечения одинаково и изменяется лишь вдоль трубы.
Из второго и третьего допущения следует  где r - расстояние от оси трубы до произвольной частицы жидкости, r∈[0, R], R - радиус трубы.
Запишем уравнение Бернулли для частиц жидкости, находящихся на расстоянии r от оси трубы
1
1
2
2
тр
где ρ - плотность жидкости, р,  - давление и скорость жидкости в сечении (S), а р,  - давление и скорость в сечении (S), ε - потеря энергии на выделенном участке, приходящаяся на единицу объема жидкости.
Тогда можно показать, что коэффициент полезного действия трубопровода (КПД) в виде
можно записать в виде:
полезн
тр
где R - радиус трубы, ρ - плотность и  - скорость потока жидкости, где Е - полная энергия, Е - полезная энергии единицы объема жидкости, а Е, - потери на трение в жидкости.
Таким образом, для определения КПД в зависимости от скорости потока (и потерь на трение, соответственно) необходимо определить зависимость  - распределение скоростей в сечении трубы.
Воспользуемся связью между скоростью и напряжением трения τ, которая для псевдопластичных жидкостей хорошо описывается выражением [3]:
где , 0<n<1, а k представляет собой меру консистенции жидкости - чем больше вязкость, тем больше k.
Используя (6) можно путем несложных преобразований привести ф. (5) к виду:
где  a L - длина трубы.
Рассмотрим пример.
1
2
6
5
3
3
n
Пусть р=12⋅10 Па, p=10 Па, ρ=900 кг/м, R=0,08 м, Q=2 м/с, k=1,2 Па⋅c.
Тогда зависимость КПД от градиента скорости перекачки (n=0.25) (см. Фиг. 2):
dν/dz
dν/dz)
k
На Фиг. 2 показана зависимость КПД трубопровода от скорости сдвига (при n=0.25): величина ( – критическое значение скорости сдвига, соответствующего переходу течения от псевдопластичного к ньютоновскому.
dν/dz
dν/dz)
k
Видно, что существует переходной режим >(, начиная с которого происходит переход течения от псевдопластического к ньютоновскому; при этом КПД перекачки начинает расти пропорционально росту расхода (до перехода потока с ламинарного течения к турбулентному).
Таким образом, предлагается для уменьшения потерь мощности на трение выбирать режим течения так, чтобы (см. Фиг. 1, 2):
1. ОАО "Нефтемаш». Подогреватели путевые. - http://dznm.ru/products/podogrevateli-putevye/
2. Коршак А.А., Шаммазов A.M. Основы нефтегазового дела: Учебник для вузов. - 3-е изд., испр. и доп. - Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2005. - 528 с.
3. Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта: Учебник. - Изд. 2, перераб. и доп. - М.: «Недра», 1971. - 312 с.
4. Рабинович Е.З. Гидравлика. - М.: Недра, 1978. - 297 с.