陳德海 魏振祿 蔣明虎 趙立新

(1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.大慶油田有限責任公司采氣分公司)

大慶油田已進入高含水開發(fā)期，為了進一步提高油藏的原油采收率，需加大化學驅油技術的推廣力度[1]。化學驅油技術主要包括聚合物驅和三元復合驅[2]，其采出液中殘留堿、表面活性劑和聚合物，導致采出液油水乳化程度和穩(wěn)定性增強，采出污水黏度大，懸浮固體含量增高，使地面油水分離和含油污水的處理難度增大。另外，油田采用平衡開采方式，將從地層采出的污水處理后作為驅油用水全部回注地層，以補充地下水，因此采出污水的處理是油田生產過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

常規(guī)旋流器對油田含聚合物污水的處理效果不理想[3]，因此，筆者對常規(guī)旋流器的結構和操作參數(shù)加以改進，通過微孔管向旋流器內注入氣體，把旋流分離技術和氣浮選技術巧妙地結合在一起，其耦合效應將有效地改善水力旋流器對含聚污水的分離效果。水力旋流器的結構比較簡單，但內部流場卻非常復雜，氣體的注入對流場產生較大的影響，使液-液水力旋流器的流場更加復雜。為了明確注氣對旋流器流場的影響，筆者主要對在大錐段注氣條件下水力旋流器內部壓力場和速度場的分布規(guī)律進行模擬研究，進而明確大錐段注氣對旋流器分離性能的影響。

1 計算模型的建立

選擇典型的雙錐型液-液水力旋流器建模，然后采用貼體坐標法生成3D六面體單元的結構網(wǎng)格[4]，分別對各部分進行貼體網(wǎng)格劃分，在大錐段外填加一層網(wǎng)格結構，作為微孔注氣段(圖1)。以這一區(qū)域作為多孔介質區(qū)域，厚度為3mm[5]。大錐段注氣的面積為106.32cm2，氣體入口壓力為0.55MPa，氣液體積比為30%，空氣密度為1.279kg/m3，多孔介質模型，孔隙率為0.5，黏性阻力系數(shù)為4.92×1010，慣性阻力系數(shù)為1.77×105。

圖1 注氣時旋流器網(wǎng)格劃分

選擇旋流器模型的邊界條件和操作參數(shù)：入口流量(處理量)4.5m3/h，入口速流8.223 7m/s，入口油相體積分數(shù)2%，入口壓力0.46MPa；溢流管出口壓力0.09MPa，溢流分流比25%，尾管出口壓力0.12MPa。所選主相水的密度為998.2kg/m3，黏度為3.003g/(m·s)；次相油的密度為889kg/m3，黏度為3.06kg/(m·s)。湍流模型選為RNGk-ε模型。旋流管壁面包括周向邊壁和頂端壁面，按照無滑移條件處理[6]，即：

vt=vr=vz=k=ε=0

(1)

旋流管的中心軸線作對稱軸處理，即：

(2)

vt=vr=0

(3)

在旋流管的對稱面上設置循環(huán)邊界，使液體能夠循環(huán)流動。令各變量沿圓周方向的梯度為零，即：

(4)

為了便于表達旋流器內部流場的分布規(guī)律，選取5個截面進行取值(圖2)：截面Ⅰ在旋流腔，距旋流器頂端0.06m處；截面Ⅱ在大錐段，距旋流器頂端0.10m處；截面Ⅲ、IV、V選取在小錐段，分別距旋流器頂端0.20、0.40、0.55m處。

圖2 旋流器分析截面示意圖

2 速度場分布

2.1切向速度分布

隨著計算流體力學(CFD)理論和計算機技術的發(fā)展，CFD仿真成為研究大錐段注氣旋流器內多相流體速度場和壓力場分布規(guī)律的有效方法[7]。數(shù)值模擬計算出注氣旋流器的切向速度分布(圖3)，其中z表示5個取值截面到旋流器頂端的距離。由圖3可知，大錐段注氣時水力旋流器切向速度的變化規(guī)律和常規(guī)旋流器切向速度的變化規(guī)律基本一致。切向速度呈周向對稱分布，從器壁到軸心切向速度由零逐漸增大，到達一個最大值后逐漸減小，軸心處降至最低，接近零。不同之處在于，大錐段注氣后使得旋流器各段的切向速度最大值減小，梯度變緩，特別是大錐段變化明顯。

圖3 注氣旋流器切向速度分布

2.2軸向速度分布

注氣旋流器的軸向速度分布如圖4所示。由圖4可知，軸向速度呈軸對稱分布；在旋流腔和大錐段從器壁到軸心軸向速度由零增加到最大，后減小至零，繼續(xù)減小到負值，表明液流反指向溢流口；在小錐段液流方向都是指向底流口的；由此可推知，在液流區(qū)存在一個與旋流器錐度方向相同的圓錐面，面上的軸向速度皆為零，稱為零軸向速度包絡面，液流被包絡面分割成兩部分——內中心渦流和外渦流，內中心渦流流向溢流口，速度逐漸減小，直到零；外渦流流向底流口，流速越來越大，由尾管排出。

圖4 注氣旋流器軸向速度分布

零軸向速度包絡面的尾端形狀隨操作參數(shù)和旋流器結構的變化而變化，呈V形、W形或其他形狀分布，將這一區(qū)域稱為“分界區(qū)”。試驗證明在分界區(qū)注氣可使旋流器的分離效率明顯提高，因此確定旋流器的分界區(qū)位置十分重要，它將為注氣部位的確定提供依據(jù)。分界區(qū)的位置決定于結構參數(shù)、氣液體積比及分流比等參數(shù)。

筆者數(shù)值模擬時采用的分流比是25%，流場軸向速度分布云圖如圖5所示。液流分界區(qū)比較明顯，注氣后分界區(qū)位置仍在大錐段，分離過程主要發(fā)生在旋流腔和大錐段。大錐段注氣后，向底流方向和向溢流方向流動速度明顯提高。

圖5 注氣后流場軸向速度矢量圖

2.3徑向速度分布

注氣旋流器徑向速度分布如圖6所示。由圖6可知，大錐段注氣后，徑向速度的分布產生了較大區(qū)別。旋流腔內由于氣體的注入，中心氣核明顯加粗，速度值為正，表明液體都是向器壁方向移動的；在大錐段軸向速度值都為負值，表明液體都是向軸心運移的，速度有大幅度提高，表明大錐段是主要分離區(qū)域；在小錐段速度接近零，表明沒有分離作用。

圖6 注氣旋流器徑向速度分布

3 壓力場分布

3.1軸向壓力分布

大錐段注氣旋流器的軸向壓力分布曲線如圖7所示，圖中r是指旋流器的徑向(由軸線向器壁方向)距離。由圖7可知，大錐段注氣后旋流器內整體壓力值有所上升，變化規(guī)律基本同常規(guī)旋流器，但沿徑向的壓力降和軸向的壓力降都明顯低于常規(guī)旋流器。

圖7 注氣旋流器軸向壓力分布

3.2徑向壓力分布

注氣旋流器徑向壓力分布如圖8所示。大錐段注氣后，整體壓力水平有所上升，但壓力梯度明顯降低，到小錐段壓力梯度降為零，但不影響分離效果，因為分離仍主要在大錐段完成。雖然大錐段的壓力梯度較常規(guī)旋流器變小了，但由于氣體的注入，使油氣復合體的密度比油的密度小，產生氣浮選作用，仍能保證良好的分離效率。試驗研究結果證明了這一點[8,9]。

圖8 注氣旋流器徑向壓力分布

4 注氣對旋流器分離性能的影響

混合液具有一定的速度是實現(xiàn)有效分離的必要條件，只有保證一定的切向速度，液流才能旋轉產生渦流，保證油滴向旋流器中心運移。軸向速度保證了油相快速流向溢流口，水相順利流出底流口。

注氣后，除旋流區(qū)外，其他區(qū)域的切向速度明顯降低，這是由于注入的氣體對大錐段和小錐段的液流產生擾動所致，但軸向速度和徑向速度都有所升高，特別是在旋流區(qū)和大錐段區(qū)的徑向速度和流向溢流口的軸向速度有較大幅度的提高。這主要是因為注氣后產生的氣浮選作用，使分離效果明顯改善。

壓力是影響旋流器分離效果的重要因素，它為混合液分離提供必要的能量，分離是以壓力損失(壓力降)為代價來完成的[10]。因此，在保證分離效率的前提下，壓力降越小越好。壓力降除用于加速液流旋轉形成分離場外，還消耗在其他各種阻力損失和摩擦損失上，因此并不是壓力降越大，分離效果越好，只能說在旋流器結構和操作參數(shù)等不變的情況下，壓力降越大，為旋流器提供的能量越多，則分離效果越好。分離效果還取決于混合液分離的難易。對于較難分離的混合液，需要產生較大的壓力降，才能實現(xiàn)液體的有效分離，反之，則無需產生較大的壓力降就能有效分離。

旋流器在大錐段注氣后，增加了內部能量，壓力水平整體有所提高；壓力降都不同程度地有所降低，軸向壓力降降低較小，徑向壓力降降低較明顯。這是因為注氣后，形成油氣復合體，密度減小，與水介質的密度差加大，產生氣浮選效應，使混合液的分離難度降低，從而利用較少的能力就產生了有效分離，同時也在一定程度上節(jié)約了能源。

5 結論

5.1對大錐段注氣旋流器的壓力場和速度場分析表明，在大錐段注氣可提高旋流器的分離性能。

5.2提出了旋流分離中的分界區(qū)概念，旋流器分界區(qū)的位置與其結構參數(shù)和操作參數(shù)密切相關。

5.3在大錐段注氣，旋流器的分界區(qū)仍在大錐段，在分界區(qū)注氣會產生了較好的分離效果。

參考文獻

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