鄒潔純　李增亮　康強

【摘 要】水力旋流油水分離器是井下油水分離系統(tǒng)的核心部件。目前旋流分離器在陸上油井已得到廣泛的應用，但是這種旋流器組不適應于高產(chǎn)油量的油井，對大流量的海上用旋流器仍處于研發(fā)階段。筆者設(shè)計了將多個旋流器并聯(lián)的井下水力旋流器，根據(jù)油井的特征確定了水力旋流器的結(jié)構(gòu)及其尺寸，對旋流油水分離器的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，選取RNG k-？雙方程湍流模型，得到旋流器內(nèi)部壓力分布、速度矢量圖、切向、徑向、軸向和湍動能的分布規(guī)律。在分流比為25%時，得到了所設(shè)計的旋流器分離效率較高，能夠滿足高產(chǎn)油量的需求。

【關(guān)鍵詞】大流量；井下油水分離器；并聯(lián)；模擬

0 引言

井下油水分離系統(tǒng)的分離效率和處理能力與井下水力旋流器的性能直接相關(guān)，傳統(tǒng)的井下油水分離系統(tǒng)都是配置單級或多級串聯(lián)形式的井下水力旋流器[1]。為適應陸地或海上油田產(chǎn)液量高的油井，必須配置大公稱直徑的井下水力旋流器，但水力旋流器的分離效率隨著公稱直徑的增加而下降，傳統(tǒng)的旋流器組并不適合高產(chǎn)液量的油井[1]。

1 油水分離系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計

1.1 井下分離系統(tǒng)構(gòu)成

井下油水分離系統(tǒng)包括產(chǎn)出層、注入層、電潛泵、多相管流和井下油水分離器5個子系統(tǒng)構(gòu)成。井下油水分離器系統(tǒng)和電潛泵系統(tǒng)是井下油水分離系統(tǒng)最重要的兩個部分。井下油水分離系統(tǒng)由水力旋流器組和流體流道組成，原油和電泵增壓后的能量在該處分別進行油水分離和能量分配，是保證油水分離正常工作的核心[2-4]。

1.2 并聯(lián)旋流器井下分離裝置設(shè)計

針對井下油水分離器的結(jié)構(gòu)形式和工藝特點數(shù)據(jù)：所設(shè)計的井下旋流器最大外殼直徑不得超過210mm，旋流入口處理流量Q=1000m3/d，原油含水率為90%，要求采注比為1：4（即溢流量口流量為Q=200m3/d，底流口下注流量為Q=800m3/d），整個旋流器要求耐壓滿足35MPa。

2 旋流油水分離器的模擬計算

2.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

將水力旋流器組的整體流道作為研究對象，用Gambit軟件建模，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格法，選擇合適的網(wǎng)格生成網(wǎng)格，局部旋流器組計算模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 設(shè)定計算條件

（1）湍流模型

k-epsilon模型中的RNG k-□雙方程湍流模型。

圖2 旋流器組計算模型結(jié)構(gòu)

（2）物性條件

單項模型介質(zhì)為水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3 kg/（m.s），兩相模型介質(zhì)為油和水的混合物，主項為水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3 kg/（m.s），次項為油，密度為850kg/m3，粘度為3×10-3 kg/（m.s），油滴內(nèi)徑30um。

（3）邊界條件

介質(zhì)切向進入旋流器，設(shè)置入口平面為速度入口VELOCITY-INLET，設(shè)置出口平面為壓力出口PRESSURE_OUELET。

2.3 并聯(lián)仿真結(jié)果及其分析

在旋流器的重要部位（旋流入口、旋流出口等）選取六個垂直于旋流器幾何軸線（Z軸）的平面，分別為Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600，下文模擬仿真圖中l(wèi)ine17、line18、line19、line20、line21、line22分別為面在Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600處沿半徑分布的線。油水兩相流下得到壓力、速度、湍動能等仿真結(jié)果。

（1）壓力分布

如圖4所示，旋流器軸截面靜壓分布圖，旋流器旋流口及其以上部位，靜壓力較大，靜壓力隨著半徑的減小而減小；如圖5所示，靜壓沿半徑分布曲線圖，越靠近旋流器入口處的靜壓越大，越靠近旋流器底流口靜壓力越小，靜壓力隨著半徑的減小而減??；如圖6所示，旋流器入口靜壓分布圖，旋流器內(nèi)部靜壓比旋流器流道小。造成靜壓變化的原因：油水混合物經(jīng)過增壓泵增壓后，切向進入旋流器，壓力較大，在旋流口以下面，由于旋流器的壓降，壓力曲線沿Z軸向下而逐漸減小，越靠近底流口，能量損失就越大[5]。

（2）速度矢量圖

如圖7所示，七個并聯(lián)旋流器入口內(nèi)部流場的速度矢量圖，向內(nèi)旋流器運動的流體速度較小，向上運動，從溢流口排出，向外旋流器運動的流體速度較大，向下運動，從底流口排出。

（3）切向速度

如圖8所示，各截面切向速度沿半徑分布曲線，沿半徑的方向由外到內(nèi)，可以將曲線分為三段：靠近旋流器表面的邊界層、上升段、中心區(qū)域的下降段。切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在某一位置達到最大，而后隨著徑向位置進一步減小，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低。在r=20mm左右的區(qū)域，切向速度達到最大。

（4）軸向速度

如圖9所示，各截面軸向速度的變化規(guī)律基本相同，沿半徑方向向下，速度方向也為下，隨半徑的減小而減小，再轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系乃俣?，隨半徑的增大而增大，在旋流器半徑的中部通過零點。軸向速度影響到流體在旋流器內(nèi)的停滯時間，速度太大將會影響到油相顆粒在流場的滯留時間，不利于油水分離。

（5）徑向速度

如圖10所示，可以看出相對于切向速度和軸向速度，徑向速度分布規(guī)律相對復雜，而且比切線速度和軸向速度小得多，隨著半徑的變化，徑向速度沒有明顯的規(guī)律，難以測定，軸心等一些區(qū)域，徑向速度為0，在軸心處徑向速度梯度較大，隨著半徑的增大而快速降低，這說明在各個旋流器中心附近產(chǎn)生的內(nèi)旋流場是分離的有效區(qū)域。

圖10 徑向速度沿半徑分布曲線

3 分離效率

分流比在25%時，如表1和表2所示，旋流器組分離數(shù)據(jù)，旋流器組在不同出口處油水混合、油和水的流量。

根據(jù)表1和表2給定的數(shù)據(jù)，得到分流效率：

η=溢流口油流量/（溢流口油流量+底流口油流量）×100%

=0.907/（0.907+0.026）×100%=97.21%

可以得到，所設(shè)計的并聯(lián)旋流器的分離效率和處理能力較高，能夠滿足海上用大流量油水分離的需求。

4 結(jié)論與展望

4.1 設(shè)計了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的旋流油水分離器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)井下油井的特征確定了水力旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸。

4.2 對旋流油水分離器的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，靜壓力隨著半徑的減小而減小，切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低，軸向速度，先隨半徑的減小而減小，再隨半徑的增大而增大，徑向速度沒有明顯的規(guī)律，靠近旋流器器壁的邊界處的湍動能值比旋流器的內(nèi)部區(qū)域大等規(guī)律。

4.3 根據(jù)溢流口和底流口的模擬數(shù)據(jù)，計算得到旋流器的分離效率，分析得到所設(shè)計的并聯(lián)旋流器分離效率高、處理能力強等優(yōu)點。

4.4 國外海上用大流量井下油水分離系統(tǒng)已進入應用階段，而國內(nèi)旋流器的研究仍處于起步階段，還有許多具體的工作需要進一步研究、探索和開發(fā)。今后的研究工作中，要對海上用旋流器的結(jié)構(gòu)和加工方面進一步的完善、通過仿真處理進一步優(yōu)化設(shè)計，提高旋流器的分離效率和處理能力。

【參考文獻】

[1]李增亮，董祥偉，趙傳偉.一種帶多級并聯(lián)水力旋流器的井下油水分離裝置[P].國家發(fā)明專利，2013.05.15.

[2]李增亮，孫浩玉.井下水力旋流油水分離器的研制與性能試驗[J].石油機械，2005，33（11）：44-46.

[3]李增亮，張來斌，婁暉，等.電潛單螺桿泵油井生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].石大學學報：自然科學版，2003，27（5）：66-70.

[4]顏廷俊，李增亮，王旱祥，李自力.電潛泵井下油水分離系統(tǒng)方案設(shè)計[J].石油機械，2000，28（9）：5-6.

[5]劉海生，賀會群，艾志久，等.雷諾應力模型對旋流器內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J].計算機仿真，2006，23（9）：243-245.

[6]楊琳，梁政，田家林.雙錐型油水分離旋流器內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J].FLUID MACH NERY，2008，36（5）：30-34.

[責任編輯：曹明明]

根據(jù)表1和表2給定的數(shù)據(jù)，得到分流效率：

η=溢流口油流量/（溢流口油流量+底流口油流量）×100%

=0.907/（0.907+0.026）×100%=97.21%

可以得到，所設(shè)計的并聯(lián)旋流器的分離效率和處理能力較高，能夠滿足海上用大流量油水分離的需求。

4 結(jié)論與展望

4.1 設(shè)計了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的旋流油水分離器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)井下油井的特征確定了水力旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸。

4.2 對旋流油水分離器的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，靜壓力隨著半徑的減小而減小，切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低，軸向速度，先隨半徑的減小而減小，再隨半徑的增大而增大，徑向速度沒有明顯的規(guī)律，靠近旋流器器壁的邊界處的湍動能值比旋流器的內(nèi)部區(qū)域大等規(guī)律。

4.3 根據(jù)溢流口和底流口的模擬數(shù)據(jù)，計算得到旋流器的分離效率，分析得到所設(shè)計的并聯(lián)旋流器分離效率高、處理能力強等優(yōu)點。

4.4 國外海上用大流量井下油水分離系統(tǒng)已進入應用階段，而國內(nèi)旋流器的研究仍處于起步階段，還有許多具體的工作需要進一步研究、探索和開發(fā)。今后的研究工作中，要對海上用旋流器的結(jié)構(gòu)和加工方面進一步的完善、通過仿真處理進一步優(yōu)化設(shè)計，提高旋流器的分離效率和處理能力。

【參考文獻】

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[5]劉海生，賀會群，艾志久，等.雷諾應力模型對旋流器內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J].計算機仿真，2006，23（9）：243-245.

[6]楊琳，梁政，田家林.雙錐型油水分離旋流器內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J].FLUID MACH NERY，2008，36（5）：30-34.

[責任編輯：曹明明]

根據(jù)表1和表2給定的數(shù)據(jù)，得到分流效率：

η=溢流口油流量/（溢流口油流量+底流口油流量）×100%

=0.907/（0.907+0.026）×100%=97.21%

可以得到，所設(shè)計的并聯(lián)旋流器的分離效率和處理能力較高，能夠滿足海上用大流量油水分離的需求。

4 結(jié)論與展望

4.1 設(shè)計了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的旋流油水分離器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)井下油井的特征確定了水力旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸。

4.2 對旋流油水分離器的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，靜壓力隨著半徑的減小而減小，切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低，軸向速度，先隨半徑的減小而減小，再隨半徑的增大而增大，徑向速度沒有明顯的規(guī)律，靠近旋流器器壁的邊界處的湍動能值比旋流器的內(nèi)部區(qū)域大等規(guī)律。

4.3 根據(jù)溢流口和底流口的模擬數(shù)據(jù)，計算得到旋流器的分離效率，分析得到所設(shè)計的并聯(lián)旋流器分離效率高、處理能力強等優(yōu)點。

4.4 國外海上用大流量井下油水分離系統(tǒng)已進入應用階段，而國內(nèi)旋流器的研究仍處于起步階段，還有許多具體的工作需要進一步研究、探索和開發(fā)。今后的研究工作中，要對海上用旋流器的結(jié)構(gòu)和加工方面進一步的完善、通過仿真處理進一步優(yōu)化設(shè)計，提高旋流器的分離效率和處理能力。

【參考文獻】

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[2]李增亮，孫浩玉.井下水力旋流油水分離器的研制與性能試驗[J].石油機械，2005，33（11）：44-46.

[3]李增亮，張來斌，婁暉，等.電潛單螺桿泵油井生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].石大學學報：自然科學版，2003，27（5）：66-70.

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[5]劉海生，賀會群，艾志久，等.雷諾應力模型對旋流器內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J].計算機仿真，2006，23（9）：243-245.

[6]楊琳，梁政，田家林.雙錐型油水分離旋流器內(nèi)部流場數(shù)值模擬[J].FLUID MACH NERY，2008，36（5）：30-34.

[責任編輯：曹明明]