朱煥剛,燕修良,楊德京,孫偉濤,薄其場

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營257017) *

組合式鉆井液氣體分離器研制

朱煥剛,燕修良,楊德京,孫偉濤,薄其場

(勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營257017)*

為滿足大排量、高含氣鉆井液的氣體分離要求,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)選、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn),研制了組合式鉆井液氣體分離器。該分離器結(jié)合重力式分離器和管柱式旋流分離器的優(yōu)點(diǎn),處理量大,分離效率高,可以應(yīng)用于欠平衡鉆井工藝中。

鉆井液;氣體分離器;管柱式;組合式

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鉆井液氣體分離器是處理氣侵鉆井液的專用設(shè)備。目前,國內(nèi)開式鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的還是傳統(tǒng)的重力式分離器(立式或臥式)。這種分離器利用氣相與液相的密度差進(jìn)行重力分離,體積大、笨重、投資大,操作彈性較低。在來氣量變化較大時,直接影響液體停留時間,分離效果明顯下降,氣體處理能力遠(yuǎn)小于生產(chǎn)商提供的氣體處理量,不能適應(yīng)欠平衡鉆井,特別是充氣鉆井作業(yè)的發(fā)展要求。

旋流分離器依靠旋流筒產(chǎn)生的離心力進(jìn)行分離,具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、處理能力大、效率高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為國內(nèi)外油氣鉆采領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-6]。在采油作業(yè)中,美國NACTOGROUP公司的油水分離計(jì)量系統(tǒng)利用管柱式分離器,其液體處理量為1 325 m3/h,氣體處理量達(dá)到8.3×104m3/h。在鉆井作業(yè)中,大處理量的鉆井液氣體分離器的液體處理量7 200 m3/h,氣體處理量72×104m3/h。德國國際石油設(shè)備公司(Oiltools)和美國威德福公司的密閉循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備——四相分離器也應(yīng)用了旋流分離技術(shù)。

從當(dāng)前國內(nèi)外的發(fā)展情況看,氣液分離器的發(fā)展方向是提高處理量、提高額定工作壓力、提高分離效率、減小體積、研發(fā)采用旋流分離原理等新技術(shù)的高效氣液分離器。

2 旋流分離器結(jié)構(gòu)選擇

目前,常用的旋流分離器結(jié)構(gòu)主要有管柱式、葉片式和常規(guī)式3種結(jié)構(gòu),其中,管柱式分離器結(jié)構(gòu)最簡單。在流場特性方面,管柱式分離器中流場分布相對簡化,能量損失較少,離心力的作用得到充分發(fā)揮,其氣液分離特性優(yōu)于另外2種結(jié)構(gòu)的分離器。因此,在本設(shè)計(jì)中選用管柱式結(jié)構(gòu)。

管柱式旋流分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone,簡寫 GLCC)是一種新型分離裝置,既沒有可移動部件,也無需內(nèi)部裝置,如圖1。氣液混合物由切向入口進(jìn)入旋流分離器后形成的旋流產(chǎn)生了比重力高出許多倍的離心力,由于氣、液相密度不同,所受離心力差別很大,重力、離心力和浮力聯(lián)合作用將氣體和液體分離。液體沿徑向被推向外側(cè),并向下由液體出口排出;而氣體則運(yùn)動到中心,并向上由氣體出口排出[7]。這一成本低、質(zhì)量輕的新型分離器將替代傳統(tǒng)容器式分離器。

圖1 管柱式氣液旋流分離器

3 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)

影響鉆井液氣液旋流分離器分離效率的因素有很多,例如,入口速度、長徑比、鉆井液含氣量、入口位置(即分離器氣相段和液相段的長度)以及鉆井液粘度等。為了降低模擬次數(shù),而又不降低模擬的可行度,選擇正交試驗(yàn)方法進(jìn)行模擬計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 模擬目的

采用CFD(計(jì)算機(jī)流體動力學(xué))軟件對氣液旋流分離器的內(nèi)流場進(jìn)行了模擬分析,對管柱式旋流分離器內(nèi)部流動規(guī)律、分離機(jī)理有了更加深刻的認(rèn)識,得到了分離器的水力參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響規(guī)律。由于旋流分離器內(nèi)部流場非常復(fù)雜,所以在CFD分析時,紊流模型和多相流模型的選擇是非常重要的,必須在數(shù)值模擬分析后利用室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過室內(nèi)試驗(yàn)掌握旋流分離器的分離性能,指導(dǎo)分離器工藝參數(shù)設(shè)計(jì),并通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證利用CFD對分離器進(jìn)行模擬分析的可行性。室內(nèi)試驗(yàn)流程圖和正交試驗(yàn)表分別如圖2和表1。

圖2 氣液旋流分離器室內(nèi)試驗(yàn)裝置流程

表1 室內(nèi)試驗(yàn)的獨(dú)立因素及其水平值

3.3 存在的問題

通過對管柱式氣液旋流分離器的數(shù)值模擬以及室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證得知,管柱式氣液旋流分離器除具有處理量大、分離效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)外,也存在2個問題。

1) 長徑比要求較高。從模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知長徑比都要求在10以上,僅使用這種管柱式旋流分離技術(shù)則可能會造成占地面積太大,以及運(yùn)輸困難。

2) 通用性較差。當(dāng)鉆井液及氣體流量發(fā)生變化以及含氣量發(fā)生變化時,分離器的分離效率會發(fā)生比較大的變化,適應(yīng)工藝范圍有限。

4 組合式鉆井液氣體分離器結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步分析模擬和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),管柱式氣液旋流分離器入口區(qū)域的離心力場最強(qiáng),氣液的分離主要集中在入口區(qū)附近。因此,可以將管柱式旋流器長徑比縮短,仍可以完成大部分的氣液分離。未完全分離的鉆井液可以在底部的分離板上撞擊繼續(xù)分離。結(jié)合旋流分離技術(shù)和重力分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了組合式鉆井液氣體分離器,結(jié)構(gòu)如圖3。

圖7 組合式鉆井液氣體分離器結(jié)構(gòu)

該組合式分離器是在常規(guī)重力式分離器頂部設(shè)計(jì)1個管柱式旋流分離器,具有3個優(yōu)點(diǎn)。

1) 組合式分離器結(jié)合了重力式分離和管柱式旋流分離的優(yōu)點(diǎn),處理量大,分離效率高。

2) 擋氣板的傘狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得氣流形成向下離心力,進(jìn)一步降低了排氣管帶液的現(xiàn)象。

3) 傾斜入口利于形成分層流,實(shí)現(xiàn)氣液兩相的初步分離,也降低了氣相對泥漿的攜帶能力。

5 結(jié)論

1) 在鉆井液的氣體分離中,重力式分離器存在體積大、投資多、分離效率低等缺點(diǎn),特別不適用于欠平衡和充氣鉆井工藝。

2) 國內(nèi)外都對旋流分離技術(shù)進(jìn)行了研究,并在國外成功應(yīng)用。數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)證明,管柱式氣液旋流分離器存在長徑比要求高、通用性差的缺點(diǎn)。

3) 結(jié)合管柱式氣液旋流分離技術(shù)和重力式分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了組合式鉆井液氣體分離器,具有處理量大、分離效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn),建議推廣應(yīng)用。

[1] 歐益宏,杜 楊.柱型水力旋流器單相流場數(shù)值模擬[J].石油礦場機(jī)械,2006,35(3):15-18.

[2] 王尊策,張 雙,呂鳳霞,等.脫水型動態(tài)水力旋流器影響因素試驗(yàn)研究[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(4): 44-47.

[3] 郭廣東,鄧松圣,張福倫.操作參數(shù)對固-液-液三相水力旋流器分離效率的影響[J].石油礦場機(jī)械,2010,39 (5):17-19.

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[7] 魏 洪.管柱式氣液旋流分離器速度分布數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào),2006(3):17-19.

Development of Combined Mud-G as Separator

ZHU Huan-gang,YAN Xiu-liang,YANG De-jing,SUN Wei-tao,BO Qi-chang
(Drilling Technology Reseach Institute,S hengli Petroleum A dministration,Dongying257017,China)

We have developed the Combined Mud-Gas Separator to meet the situation of large displacement and high gas concentration in the mud-gas separation,by means of structural optimization,numerical simulation and laboratory experiments.This separator which can be used in underbalanced drilling has the advantage of large capacity and high separation efficiency,combining the advantage of gravity separator and Gas-Liquid Cylindrical Cyclone.

drilling fluid;gas separator;cylindrical type;combined application

1001-3482(2011)05-0056-03

TE926

A

2010-11-30

勝利石油管理局試驗(yàn)室項(xiàng)目“鉆井液高效氣液旋流分離技術(shù)”的部分研究成果(GS0804)。

朱煥剛(1978-),男,山東萊蕪人,工程師,2005年畢業(yè)于長江大學(xué),現(xiàn)從事欠平衡技術(shù)研究工作,E-mail:zhuhuangang@126.com。