Υπολογιστική ανάλυση ροϊκής συμπεριφοράς υδροπνευματικής αντλίας και διαχωριστή τύπου κοιλότητας για άντληση και διαχωρισμό πετρελαίου - φυσικού αερίου

• Κύριος συγγραφέας: Πετρολέκας, Παύλος
• Άλλοι συγγραφείς: Μάργαρης, Διονύσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Τεχνητή ανύψωση ρευστού; Φαινόμενο οδικής χαράδρας; Διαχωρισμός διφασικού μίγματος; Άντληση πετρελαίου με τεχνητή υποβοήθηση; Gas lift; Artificial oil extraction; Street canyon; Two phase flow separation; 622.338 1

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της μεθόδου ανύψωσης μέσω αερίου, γνωστή και ως gas lift. Η μέθοδος αυτή, είναι μια μέθοδος τεχνητής ανύψωσης ενός ρευστού μέσω έγχυσης φυσαλίδων ενός πεπιεσμένου αερίου στον αγωγό. Οι φυσαλίδες αυτές αναμειγνύονται με το ρευστό και λόγω της μικρής πυκνότητας των φυσαλίδων, το μίγμα που προκύπτει καταλήγει να έχει μικρότερη πυκνότητα από αυτή που θα είχε το ρευστό αν έρεε μόνο του στον αγωγό. Λόγω της χαμηλότερης πυκνότητας και της πίεσης που ασκούν οι φυσαλίδες στο ρευστό, η πίεση στον πυθμένα του αγωγού μειώνεται και τελικά η παροχή με την οποία το ρευστό φεύγει από τον αγωγό αυξάνεται. Υπάρχουν πολλές εκδοχές της μεθόδου αυτής, αυτή όμως που παρουσιάζεται είναι η μέθοδος διακοπτόμενης ροής. Κατά τη μέθοδο αυτή, εισέρχεται στον αγωγό μια μεγάλη ποσότητα αερίου, το οποίο «σπρώχνει» όλο το υγρό που υπάρχει πάνω από αυτό με τον ίδιο τρόπο που μια σφαίρα εκτοξεύεται από την κάνη ενός όπλου μετά την έκρηξη. Μόλις το υγρό φύγει από τον αγωγό, η παροχή αερίου σταματάει ώστε ο αγωγός να γεμίσει και πάλι με το υγρό. Οι εφαρμογές της μεθόδου αυτής είναι πολλές, αλλά η πιο διαδεδομένη είναι η εφαρμογή της για την άντληση πετρελαίου. Κάτω από αυτό το πρίσμα, στην εργασία αυτή μελετάται ένας τυπικός κατακόρυφος αγωγός (oil well) που συναντάται στην πολιτεία του Texas. Αρχικά, υπολογίζεται η παροχή του πετρελαίου στον αγωγό αυτό χωρίς καμία μέθοδο υποβοήθησης. Το ρευστό εισέρχεται από το κοίτασμα σε έναν κατακόρυφο αγωγό. Λόγω διαφοράς πίεσης με την ατμόσφαιρα, το ρευστό αρχίζει και ανεβαίνει προς τα πάνω. Όταν το μίγμα φτάσει στην επιφάνεια, ρέει σε έναν οριζόντιο αγωγό απ’ όπου και διαχωρίζεται μέσω δύο διαχωριστών (κοιλότητες). Ο διαχωρισμός αυτός εξηγείται μέσω του φαινομένου της οδικής χαράδρας (Street Canyon), απ όπου και η ελαφριά φάση, δηλαδή το φυσικό αέριο εγκλωβίζεται μέσα στις κοιλότητες, ενώ το πετρέλαιο συνεχίζει την πορεία του στον αγωγό. Κάθε ένα από τα δύο διαχωρισμένα πλέον ρευστά, συνεχίζει ξεχωριστά πλέον την πορεία του όπου και αποθηκεύεται τελικά σε δεξαμενές. Στη συνέχεια, επαναλαμβάνονται οι υπολογισμοί, εφαρμόζοντας την μέθοδο gas lift. Η εφαρμογή της μεθόδου αυτής, επιτυγχάνεται μέσω της τοποθέτησης διαφορετικού αριθμού ακροφυσίων (1, 2 και 4) στον αγωγό, καθώς επίσης και τριών διαφορετικών ταχυτήτων εισόδου (μικρή, μεσαία, μεγάλη). Για να αποφευχθεί η ύπαρξη τριφασικού μίγματος και δεδομένου ότι στον αγωγό εισέρχεται μια μικρή ποσότητα φυσικού αερίου μαζί με το πετρέλαιο, αποφασίστηκε να εισέρχονται στον αγωγό φυσαλίδες φυσικού αερίου. Κριτήριο επιλογής της καλύτερης ταχύτητας εισόδου και του βέλτιστου αριθμού ακροφυσίων είναι ο χρόνος που χρειάστηκε μέχρι να φτάσει το αέριο στους διαχωριστές, καθώς επίσης και η παροχή του πετρελαίου στην έξοδο του οριζόντιου τμήματος του αγωγού, και τέλος το ποσοστό του φυσικού αερίου που διέφυγε από τους διαχωριστές. Για την υλοποίηση των υπολογισμών που αναφέρθηκαν, γίνεται χρήση του υπολογιστικού μοντέλου ANSYS 16.0 και του πακέτου “Fluent”. Μέσα στο Fluent, σχεδιάστηκε αρχικά ο αγωγός, οι κοιλότητες και τα ακροφύσια, κατασκευάστηκαν στη συνέχεια το πλέγμα (Mesh) και βάσει των φυσικών αρχών που διέπουν το πείραμά , γίνεται μια προσομοίωση, μέσω της οποίας υπολογίζεται η παροχή εξόδου του πετρελαίου και το ποσοστό φυσικού αερίου στην έξοδο. Εν τέλει, οι παροχές που προέκυψαν με την εφαρμογή gas lift έδωσαν πολύ καλύτερες παροχές στην έξοδο του αγωγού συγκριτικά με την αρχική παροχή. Πιο συγκεκριμένα, σε ότι αφορά τις ταχύτητες εισόδου του αερίου, βρέθηκε ότι βέλτιστη ταχύτητα εισόδου για 4 ακροφύσια ήταν η μεσαία, καθώς αυτή βελτίωσε σημαντικά την παροχή του πετρελαίου στην έξοδο του αγωγού, ενώ παράλληλα η ποσότητα φυσικού αερίου που δεν εγκλωβίστηκε στις κοιλότητες και συνέχισε προς την έξοδο του αγωγού ήταν μικρή. Η επιλογή του βέλτιστου αριθμού ακροφυσίων, έγινε έπειτα θεωρώντας παροχή εισόδου του φυσικού αερίου ίση με αυτή της περίπτωσης για 4 ακροφύσια και μεσαία ταχύτητα εισόδου. Διατηρώντας αυτό τον αριθμό σταθερό, σε κάθε περίπτωση άλλαζε η επιφάνεια Α (ανάλογα με τον αριθμό των ακροφυσίων) και η ταχύτητα εισόδου του αερίου στον αγωγό. Τα καλύτερα αποτελέσματα σε αυτή την περίπτωση, έδωσε το ένα ακροφύσιο.