于 馳，王 剛，王景昌，詹世平

（1．大連大學(xué) 環(huán)境與化工學(xué)院，遼寧 大連 116622；2. 大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

常規(guī)旋流器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)在分離機(jī)械中占有重要的地位[1,2]。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)旋流分離器提出了更高的要求。為了提高常規(guī)旋流分離器的性能，多年來(lái)專(zhuān)家學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)制造了各種結(jié)構(gòu)形式的旋流器[3-10]。

早在1891年，Bretney就在美國(guó)專(zhuān)利上申請(qǐng)了第一個(gè)旋流器專(zhuān)利。1914年水力旋流器正式應(yīng)用于磷肥的工業(yè)生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代以后，人們開(kāi)始將旋流器用于試驗(yàn)設(shè)備以及其他更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，主要有礦產(chǎn)冶金行業(yè)中的顆粒分級(jí)、礦物質(zhì)回收與水處理，化學(xué)工業(yè)中液液萃取、固-液濾取、結(jié)晶，空間技術(shù)中的零重力場(chǎng)分離，機(jī)械加工行業(yè)中回收潤(rùn)滑油及貴重金屬，電子工業(yè)中回收稀有金屬，生物化學(xué)工程中的酶、微生物的回收，食品與發(fā)酵工業(yè)中的淀粉、果汁、酵母等與水的分離，石油工業(yè)中的油水分離、油水氣分離與油水泥分離等。目前，旋流器已經(jīng)在廣泛的領(lǐng)域被認(rèn)同，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越多[11-14]。

為解決油田采出液攜砂的問(wèn)題，目前我國(guó)油砂分離仍普遍采用傳統(tǒng)方法，如大罐沉降分離、篩管過(guò)濾等。國(guó)外已經(jīng)研制推出了可用于分離和消除井液中固體顆粒的固相/液相旋流除砂裝置。大罐沉降分離，它的占地面積大、重量重、投資及運(yùn)行成本高。篩管過(guò)濾容易發(fā)生堵塞，定期除砂的周期短。與傳統(tǒng)的過(guò)濾除砂裝置比，旋流除砂具有結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，旋流式除砂器利用油砂密度不同，將流體成切線(xiàn)方向引入到旋流除砂器的殼體內(nèi)，重力與旋片的作用將固體顆粒推向旋流器的外側(cè)，并且向下運(yùn)行至分離器分出物出口。在分離器殼體中產(chǎn)生的次生液體旋流作用，使得液體向上運(yùn)移，并且通過(guò)旋流探測(cè)器從溢流出口排出，砂粒沉入油井底部的油管外側(cè)環(huán)形空間，而不會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，除砂周期長(zhǎng)。旋流除砂器是一種油田鉆井中廣泛使用的鉆井液固相控制設(shè)備。在井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用中，它除砂除泥綜合效果好，分離效率高，不易堵塞，可有效地去除鉆井液中有害固相，大大減輕現(xiàn)場(chǎng)工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

將旋流分離作為高效除砂設(shè)備的研究方向，建立旋流除砂器三維模型，利用FLUENT對(duì)旋流除砂器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到旋流除砂器的流場(chǎng)特性，通過(guò)所得結(jié)果來(lái)分析旋流除砂器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以此對(duì)旋流除砂器的工作情況進(jìn)行深入的分析，證明用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、除砂效率高的旋流除砂器進(jìn)行油井井底除砂行之有效。

1 旋流除砂器主要結(jié)構(gòu)及安裝

旋流式除砂器安裝在油田油井的井下抽油泵入口前。當(dāng)進(jìn)行采油作業(yè)時(shí)，由于壓力的作用，原油獲得一個(gè)向上的速度。夾帶一些砂粒的油水混合液進(jìn)入經(jīng)旋流器殼體外壁上的多個(gè)小孔進(jìn)入旋流除砂器殼體內(nèi)。由于旋流除砂器旋片的作用，液流在旋流除砂器腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)。由于砂粒重度較大，在離心力和重力的作用下，砂粒沿旋流除砂器的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)外出砂口沉入油井底部的油管外側(cè)環(huán)形空間。

液流進(jìn)入旋流除砂器腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，油水混合液通過(guò)被擠進(jìn)入旋流除砂器的溢流管上開(kāi)設(shè)的多個(gè)溢流孔，進(jìn)入旋流除砂器的溢流管內(nèi)，并在管內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)位于旋流除砂器殼體中心上方的殼體接頭進(jìn)入抽油泵以達(dá)到除砂的目的。

旋流除砂器主要有外殼、射孔、旋流片、溢流孔、溢流管、除砂口和溢流口組成，如圖1所示。射孔分布在外殼四周，旋片在外殼與溢流管之間，在溢流管底部周?chē)植贾缌骺?，除砂口在旋流除砂器的底部，溢流口在旋流除砂器的上端?/p>

圖1 旋流除砂器結(jié)構(gòu)示意圖

2 旋流除砂器建模與數(shù)值模擬

2.1 模型建立

在不影響計(jì)算結(jié)果的前期下，對(duì)旋流除砂器進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。建立旋流除砂器三維數(shù)值模型如圖 2與圖3所示，其中圖2為旋流除砂器的旋片結(jié)構(gòu)，圖3為旋流除砂器的剖面結(jié)構(gòu)。

圖3 剖面結(jié)構(gòu)

圖2 旋片結(jié)構(gòu)

將建立的三維數(shù)值模型導(dǎo)入FLUENT前處理軟件GAMBIT中，進(jìn)行邊界面的設(shè)置。如圖4所示，其中面1為原油入口，面2為除砂后石油出口，面3為泥沙沉降面。

將設(shè)置好邊界面的有限元模型導(dǎo)入FLUENT中，進(jìn)行網(wǎng)格檢查后，模型如圖5所示。

圖5 FLUENT模型

圖4 GAMBIT模型

2.2 參數(shù)與邊界條件的設(shè)置

入口施加速度邊界條件：0.4 m/s，當(dāng)量直徑：0.058 m，出口施加速度邊界條件：0.38 m/s，當(dāng)量直徑：0.04 m，湍流強(qiáng)度均為5%，其他均設(shè)置成固定壁面邊界條件。選擇多相流計(jì)算模型，采用兩相流計(jì)算，分別為原油相與砂礫相。設(shè)原油相為第一相，砂礫為第二相，同時(shí)確定他們的物理參數(shù)。

壁面效應(yīng)是旋渦和湍流的主要來(lái)源，因此近壁區(qū)的處理對(duì)數(shù)值求解結(jié)果的準(zhǔn)確性有顯著影響。由于在靠近固體壁面的區(qū)域內(nèi)，湍流底層的粘性作用增強(qiáng)而湍流擴(kuò)散相對(duì)減弱，致使作用于高雷諾數(shù)下的湍流輸運(yùn)方程已不能?chē)?yán)格有效。本文采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界湍流，以給出正確的壁面切應(yīng)力。

3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到旋流除砂器的流場(chǎng)特性分布圖。圖6所示為旋流除砂器內(nèi)流體跡線(xiàn)，可見(jiàn)流體在旋片區(qū)域的螺旋運(yùn)動(dòng)形式，外部液體向下流向底流口形成外旋流，在旋流過(guò)程中由重力作用砂礫往旋流除砂器的底部沉降，內(nèi)部液體平穩(wěn)的向上流向溢流口，從而實(shí)現(xiàn)旋流分離。

圖7為旋流除砂器縱向剖面的速度矢量分布圖。從圖中可以看出，流體在旋片區(qū)域沿旋片向下旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，其速度分布紊亂。在旋流除砂器底部為砂礫的沉降區(qū)，其速度分布規(guī)則。中間為旋流除砂器溢流的速度分布，流體進(jìn)入溢流管后速度分布有紊亂到規(guī)則變化。

圖8至圖10為旋流除砂器在模擬計(jì)算過(guò)程中的沉降分布云圖，由計(jì)算結(jié)果可以得到，隨著模擬計(jì)算步驟的增加，在旋流除砂器底部的砂礫沉積量越來(lái)越多，可以看出旋流除砂器的除砂功能。

圖6 旋流除砂器流體跡線(xiàn)圖

選取其中三個(gè)結(jié)果進(jìn)行分析，分別為沉降初期，沉降中期，和沉降后期。圖8所示為沉降初期砂礫沉降圖，從圖中可以看出，砂礫已經(jīng)開(kāi)始在出砂口慢慢沉積，砂礫的濃度自上向下逐步增加，在出砂口處濃度達(dá)到最大，此時(shí)，流體則自下而上濃度逐漸增加，在出砂口濃度最小。

沉降中期，如圖9所示，砂礫進(jìn)一步沉降，出砂口底部的砂礫濃度增加，表明砂礫在出砂口沉積量增加，此時(shí)流體在出砂口處的濃度有所減小。

沉降后期，如圖10所示，砂礫完全沉降，出砂口砂礫濃度增加到最大，此時(shí)，砂礫開(kāi)始在出砂口處大量堆積，需要采取一定措施，對(duì)已經(jīng)大量堆積的砂礫進(jìn)行清理。以免砂礫堆積過(guò)多，對(duì)流體與機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)，旋流分離器每隔一段時(shí)間就要清理一次，保證設(shè)備整體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)砂礫濃度達(dá)到一定程度時(shí)，就需要進(jìn)行及時(shí)清理。

從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，流體在旋片區(qū)域以螺旋運(yùn)動(dòng)形式為主，外部液體向下流向底流口形成外旋流，在旋流過(guò)程中由重力作用砂礫往旋流除砂器的底部沉降，內(nèi)部液體平穩(wěn)的向上流向溢流口。在旋片區(qū)域沿旋片向下旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，其速度分布紊亂。在旋流除砂器底部為砂礫的沉降區(qū)，其速度分布規(guī)則。中間為旋流除砂器溢流的速度分布，流體進(jìn)入溢流管后速度分布有紊亂到規(guī)則變化。

圖8 沉降初期沉降分布云圖

圖9 沉降中期沉降分布云圖

隨著沉降時(shí)間的增加，旋流除砂器底部的砂礫沉積量越來(lái)越多，一般砂礫的濃度自上向下逐步增加，在出砂口處濃度最大，而流體則自下而上濃度逐漸增加，在出砂口濃度最小。同時(shí)，可以觀測(cè)沉降濃度，以判斷旋流除砂器的除砂功能。

4 結(jié)論

本文涉及一種新型旋流除砂器，應(yīng)用此旋流除砂器進(jìn)行原油除砂，對(duì)除砂過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。根據(jù)工程實(shí)際情況，進(jìn)行旋流除砂器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析旋流除砂器結(jié)構(gòu)，對(duì)旋流除砂器流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析其流場(chǎng)特性，對(duì)沉降情況進(jìn)行觀察?？梢钥闯觯诵鞒捌髂軌蜻_(dá)到施工要求，沉降效果理想，并與實(shí)際情況相適應(yīng)。

對(duì)于旋流除砂器的流場(chǎng)的分析，能夠?qū)ξ磥?lái)新型旋流除砂器的設(shè)計(jì)與制作提供理論分析依據(jù)，可以指導(dǎo)油田除砂施工，為解決油田的除砂問(wèn)題提供數(shù)值分析基礎(chǔ)。

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