Yksiulotteiset monifaasivirtausmallit suihkupumpussa ja pystyputkessa
Mikkonen, Antti (2013)
2013
Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2013-10-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201310241397
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201310241397
Tiivistelmä
Öljyvarojen huvetessa vaikeasti saavutettavat öljyesiintymät ovat alkaneet herättää laajempaa kiinnostusta. Suihkupumppuja ei perinteisesti ole juurikaan hyödynnetty öljyn pumppauksessa johtuen niiden huonosta hyötysuhteesta. Suihkupumppujen etuna on kuitenkin niiden huoltovapaus ja käyttövarmuus. Suihkupumpussa ei ole yhtään liikkuvaa osaa. Vaikeissa olosuhteissa nämä edut ovat usein hyötysuhdetta tärkeämpiä.
Tämä työ kokoaa yhteen suihkupumpulla toimivien öljykaivojen mallintamiseen tarvittavan teorian. Teoria koostuu monifaasivirtauksesta suihkupumpussa ja pystyputkessa. Kokoonpuristuvan monifaasivirtauksen yhtälöt suihkupumpussa johdetaan kokonaan uudestaan. Lopputuloksena syntyvät dimensiolliset yhtälöt muistuttavat kirjallisuudesta löytyviä malleja, mutta ovat niitä helpommin ymmärrettäviä ja yleistettäviä. Merkittävin ero on suuttimen purkupaineen määrittämättä jättäminen tässä työssä. Tämä valinta tuottaa helpommin yleistettäviä ja matemaattisesti pitävän hyötysuhteen määritelmän. Tässä työssä käytetty pystyputken monifaasivirtaus malli seuraa kirjallisuudesta löytyvää mallia. Joitakin yksityiskohtia on muutettu ohjelman tehokkuuden parantamiseksi. Tässä työssä on myös esitetty tarvittavat aineominaisuuksien korrelaatiot.
Tämän työn tulosten toimivuus testattiin vertaamalla tuloksia julkaistuihin kokeellisiin ja laskennallisiin tuloksiin. Tulosten todettiin vastavavan toisiaan. Lisäksi koko öljykaivon toimintaa kuvaavan ohjelman toimintaa verrattiin kaupalliseen vertailuohjelmistoon. Tulosten todettiin olevan vastaavia kokoonpuristumattomalle virtaukselle. Kokoonpuristuvalle monifaasivirtaukselle erot kaupalliseen ohjelman tuloksiin olivat huomattavia. Tämän uskotaan johtuvan virtausta rajoittavista ilmiöistä, kuten äänennopeuden huomioinnista tässä työssä. Suihkupumpputeoriaa testattiin myös koelaitteella. Koelaitteiston käyttö jäi kuitenkin kesken. Tässä työssä toteutetut alustavat mittaustulokset todettiin epätarkoiksi ja soveltumattomiksi häviöiden selvittämisessä. Koelaitteiston tulokset olivat kuitenkin riittävän tarkkoja tukeakseen yksiulotteisen suihkupumppumallin käyttöä.
Tämä työ tarjoaa pohjan suihkupumpun ja pystysuoran putken monifaasivirtauksen mallintamiselle. Jatkamalla kokeellista työtä saavutettaisiin tarkempia tuloksia. Tarkkojen tulosten pohjalta voitaisiin mallintaa suihkupumpun häviöitä ja toimintaa rajoittavia ilmiöitä. Putken monifaasivirtausmalli voitaisiin laajentaa vinoihin ja vaakasuoriin putkiin liittämällä malliin muita kirjallisuudesta löytyviä tuloksia. Nämä laajennukset johtaisivat lopulta uusiin monifaasivirtausmalleihin.
Tämä työ kokoaa yhteen suihkupumpulla toimivien öljykaivojen mallintamiseen tarvittavan teorian. Teoria koostuu monifaasivirtauksesta suihkupumpussa ja pystyputkessa. Kokoonpuristuvan monifaasivirtauksen yhtälöt suihkupumpussa johdetaan kokonaan uudestaan. Lopputuloksena syntyvät dimensiolliset yhtälöt muistuttavat kirjallisuudesta löytyviä malleja, mutta ovat niitä helpommin ymmärrettäviä ja yleistettäviä. Merkittävin ero on suuttimen purkupaineen määrittämättä jättäminen tässä työssä. Tämä valinta tuottaa helpommin yleistettäviä ja matemaattisesti pitävän hyötysuhteen määritelmän. Tässä työssä käytetty pystyputken monifaasivirtaus malli seuraa kirjallisuudesta löytyvää mallia. Joitakin yksityiskohtia on muutettu ohjelman tehokkuuden parantamiseksi. Tässä työssä on myös esitetty tarvittavat aineominaisuuksien korrelaatiot.
Tämän työn tulosten toimivuus testattiin vertaamalla tuloksia julkaistuihin kokeellisiin ja laskennallisiin tuloksiin. Tulosten todettiin vastavavan toisiaan. Lisäksi koko öljykaivon toimintaa kuvaavan ohjelman toimintaa verrattiin kaupalliseen vertailuohjelmistoon. Tulosten todettiin olevan vastaavia kokoonpuristumattomalle virtaukselle. Kokoonpuristuvalle monifaasivirtaukselle erot kaupalliseen ohjelman tuloksiin olivat huomattavia. Tämän uskotaan johtuvan virtausta rajoittavista ilmiöistä, kuten äänennopeuden huomioinnista tässä työssä. Suihkupumpputeoriaa testattiin myös koelaitteella. Koelaitteiston käyttö jäi kuitenkin kesken. Tässä työssä toteutetut alustavat mittaustulokset todettiin epätarkoiksi ja soveltumattomiksi häviöiden selvittämisessä. Koelaitteiston tulokset olivat kuitenkin riittävän tarkkoja tukeakseen yksiulotteisen suihkupumppumallin käyttöä.
Tämä työ tarjoaa pohjan suihkupumpun ja pystysuoran putken monifaasivirtauksen mallintamiselle. Jatkamalla kokeellista työtä saavutettaisiin tarkempia tuloksia. Tarkkojen tulosten pohjalta voitaisiin mallintaa suihkupumpun häviöitä ja toimintaa rajoittavia ilmiöitä. Putken monifaasivirtausmalli voitaisiin laajentaa vinoihin ja vaakasuoriin putkiin liittämällä malliin muita kirjallisuudesta löytyviä tuloksia. Nämä laajennukset johtaisivat lopulta uusiin monifaasivirtausmalleihin.