بخشی از مقاله
چکیده
افت فشار در هر نوع جریان سیال در لوله های قائم اساساً بوسیله گرانش، اصطکاک و شتاب سیال بوجود می آید. در این مقاله به بررسی و شبیه سازی عددی جریان دو فازی در یک چاه قائم نفتی پرداخته می شود و با استفاده از برنامه تهیه شده بر اساس روشهای ارکیزوسکی، حسن و کبیر قدیم و جدید به مقایسه این روشها جهت محاسبه افت فشار و شناسایی رژیم های جریان دو فازی پرداخته می شود. در روش جدید حسن و کبیر از یک مدل همگن برای تخمین افت فشار اصطکاکی استفاده می شود. نتایج بدست آمده از این روشها با داده های تجربی مقایسه می شود،که در روش جدید نتایج نزدیکتر به نتایج تجربی می باشد. ضریب اصطکاک از عدد رینولدز مخلوط تخمین زده می شود و روابط افت فشار استاتیکی و کسر حجمی گاز بررسی می شود .
-1 مقدمه
پیش بینی افت فشار در جریانهای دو فازی بسیار مهم و کاربردی می باشد. وقتی دو یا چند فاز بطور همزمان در لوله ها جریان پیدا می کنند ، رفتار جریان بسیار پیچیده تر از جریان تک فازی می باشد. این فازها بخاطر تفاوت در چگالی از هم جدا می شوند. تنش های برشی دیواره لوله برای هر کدام از فازها بخاطر چگالی و ویسکوزیته آنها متفاوت است. انبساط فاز گازی فشرده شده با کاهش فشار ، سرعت جریان حجمی در جای گاز را افزایش می دهد . در نتیجه فازهای گاز و مایع با سرعت مشابه در لوله حرکت نمی کند .
برای جریان رو به بالا فاز گازی با چگالی کم ، تراکم پذیری زیاد و ویسکوزیته کم با سرعت بیشتری نسبت به فاز مایع جریان می یابد و این باعث می شود تا پدیده لغزش بین فازها رخ دهد. با این وجود برای جریان رو به پایین اغلب مایع سریع تر از گاز جریان می یابد . شاید مهم ترین جنبه جریان چند فازی تنوع در توزیع فیزیکی فازها در مسیر عبور جریان می باشد که این ویژگی تحت عنوان الگوی جریان یا رژیم جریان شناخته می شود. در جریان چند فازی در لوله ها، رژیم جریان موجود به بزرگی نسبی نیروهای اعمال شده بر سیالات بستگی دارند.
اندازه نیروهای شناوری ، آشفتگی ، اینرسی و کشش سطحی تا حد زیادی با توجه به دبی جریان ، قطر لوله ، زاویه شیب و خواص فازها تغییر می کنند. چندین الگوی جریان مختلف ممکن است به علت تغییرات شدید فشار و دمای سیال وجود داشته باشد. مهمترین علت تغییرات قابل توجه در گرادیان فشار بروز الگوهای مختلف جریان می باشد. در شکل 1 الگوهای اصلی جریان دو فازی در یک چاه عمودی نشان داده شده است. بنابراین توانایی پیش بینی الگوی جریان به عنوان تابعی از پارامترهای جریان موضوعی مهم و اساسی می باشد.
شکل - 1 الگوهای جریان در چاه عمودی
راه حل های تحلیلی برای مسائل مختلف جریان تک فازی وجود دارد. وقتی از روابط تجربی هم استفاده می شود - به عنوان مثال ضریب اصطکاک در جریان آشفته - دقت پیش بینی ها فوق العاده است. پیچیدگی زیاد جریان چند فازی بصورت منطقی باعث تمایل بیشتر به استفاده از روش های تجربی برای پیش بینی رفتار جریان می شود. روابط تجربی گوناگون برای پیش بینی الگوی جریان، لغزش بین فازها، ضریب اصطکاک و دیگر پارامترهای جریان چند فازی در لوله توسعه یافته اند.
-2 تعاریف
وقتی جریان گاز و مایع بصورت همزمان به سمت بالا حرکت کنند، قابلیت حرکت بیشتر فاز گاز باعث می شود که فاز گاز سریعتر از مایع حرکت نماید. که این امر به علت چگالی و ویسکوزیته کمتر گاز می باشد. تحت شرایط حالت پایدار این موضوع باعث کاهش سطح مقطع اشغال شده توسط فاز گاز و افزایش سطح مقطع اشغال شده توسط فاز مایع می شود. بنابراین لغزش گاز از روی فاز مایع باعث افزایش مایع تجمع یافته نسبت به حالتی می شود که هر دو فاز با سرعت برابر حرکت می کنند.
مایع تجمع یافته به صورت نسبتی از یک برش عرضی و یا قسمتی از حجم لوله تعریف می شود که توسط فاز مایع اشغال شده است. تفاوت در سرعت فازهای گاز و مایع را می توان از انواع معادلات استخراج شده از داده های تجربی، برای دامنه محدودی از شرایط جریان ، ارزیابی کرد. یک روند معمول تر ایجاد روابط تجربی برای پیش بینی مقدار مایع تجمع یافته - HL - در دامنه وسیعی از شرایط جریان می باشد. در حالتی که سرعت فازها برابرند - شرایط بدون لغزش - ، کسر حجمی مایع در لوله را می توان به صورت تحلیلی از دبی های حجمی در جای جریان محاسبه کرد.
-3 تخمین گرادیان فشار
روشهایی که برای تخمین گرادیان فشار استفاده می شوند به دو دسته روابط تجربی و مدلهای مکانیکی طبقه بندی می شوند.
روابط تجربی به سه گروه دسته بندی می گردند.گروه الف: الگویی که در آن لغزش و رژیم جریان در نظر گرفته نمی شوند و چگالی مخلوط بسته به نسبت مایع و گاز موجود محاسبه می شود. گروه ب: رژیم جریان در نظر گرفته نمی شود و بالعکس لغزش مورد بررسی قرار می گیرد. در این نوع روشها به رابطه ای برای مایع تجمع یافته و نیز ضریب اصطکاک نیاز است گروه ج: در این گروه هم لغزش و هم رژیم جریان در نظر گرفته می شود.
مدلهای مکانیکی : بر پایه استفاده از قوانین بقای جرم, اندازه حرکت و روابط تجربی برای تخمین بعضی از پارامترها می باشد. با استفاده از این نگرش این امکان وجود دارد که نقشه جریان را برای شیبهای مختلف و یا سیالات مختلف تولید نمود. در این نگرش، با استفاده از مدل کردن حدود پایداری هر الگوی جریان به یکدیگر بدست آورد. به این ترتیب مشکل گسستگی مربوط به روابط تجربی کاهش می یابد.
