鄒潔純 李增亮 康 強(qiáng)

（中國石油大學(xué)〈華東〉 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555）

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(jí)或多級(jí)串聯(lián)形式的井下水力旋流器[1]。為適應(yīng)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(jì)

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(gè)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(gè)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(jìn)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(jì)

針對(duì)井下油水分離器的結(jié)構(gòu)形式和工藝特點(diǎn)數(shù)據(jù)：所設(shè)計(jì)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(gè)旋流器要求耐壓滿足35MPa。

如圖1 指示所示，并聯(lián)旋流器井下分離裝置，箭頭所指為流體的運(yùn)動(dòng)方向，為了提高入口流道的導(dǎo)流能力，采用圓弧曲線型入口流道形式。

圖1 并聯(lián)旋流器井下分離裝置

2 旋流油水分離器的模擬計(jì)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(duì)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(jì)算模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.2 設(shè)定計(jì)算條件

已知Q 為入口流量，S 為入口面積，入口為圓形，直徑為50mm，其中Q=1000/d，S=πR2=3.14×25×25=1962.5mm2。得到

水力直徑DH：DH=50mm

入口速度：V=Q/S=1000/(1962.5×10-6×24×3600)=5.9m/s

雷諾數(shù):Re=(VDH)/γ=(5.9×50×10-3)/(1.003×10-6)=2.94×105

湍流強(qiáng)度：I=0.16×Re-1/8=3.3%

（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(jì)算模型結(jié)構(gòu)

圖3

（2）物性條件

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

（3）邊界條件

介質(zhì)切向進(jìn)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(gè)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(dòng)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(jìn)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(gè)并聯(lián)旋流器入口內(nèi)部流場(chǎng)的速度矢量圖，向內(nèi)旋流器運(yùn)動(dòng)的流體速度較小，向上運(yùn)動(dòng)，從溢流口排出，向外旋流器運(yùn)動(dòng)的流體速度較大，向下運(yùn)動(dòng)，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(dá)到最大，而后隨著徑向位置進(jìn)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(dá)到最大。

圖4 軸截面靜壓力云圖

圖5 靜壓沿半徑分布曲線圖

圖6 旋流器入口面靜壓分布

圖7 旋流器入口平面速度矢量示意圖

（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(diǎn)。軸向速度影響到流體在旋流器內(nèi)的停滯時(shí)間，速度太大將會(huì)影響到油相顆粒在流場(chǎng)的滯留時(shí)間，不利于油水分離。

圖8 各截面切向速度沿半徑分布曲線

圖9 軸向速度沿半徑分布曲線

（5）徑向速度

如圖10 所示，可以看出相對(duì)于切向速度和軸向速度，徑向速度分布規(guī)律相對(duì)復(fù)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(cè)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(gè)旋流器中心附近產(chǎn)生的內(nèi)旋流場(chǎng)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(shí)，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：

表1 溢流口流量

表2 底流口流量

可以得到，所設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)旋流油水分離器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)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(dòng)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(jì)算得到旋流器的分離效率，分析得到所設(shè)計(jì)的并聯(lián)旋流器分離效率高、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4.4 國外海上用大流量井下油水分離系統(tǒng)已進(jìn)入應(yīng)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(jìn)一步研究、探索和開發(fā)。今后的研究工作中，要對(duì)海上用旋流器的結(jié)構(gòu)和加工方面進(jìn)一步的完善、通過仿真處理進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高旋流器的分離效率和處理能力。

［1］李增亮,董祥偉,趙傳偉.一種帶多級(jí)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(yàn)[J].石油機(jī)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(jì)方法研究[J].石大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(jì)[J].石油機(jī)械，2000,28(9):5-6.

［5］劉海生,賀會(huì)群,艾志久,等.雷諾應(yīng)力模型對(duì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].計(jì)算機(jī)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(chǎng)數(shù)值模擬[J].FLUID MACH NERY,2008,36(5):30-34.