(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580； 2.中國石油大港油田 石油工程研究院，天津 300270)①

目前，我國大多數(shù)陸上油田已進入開采的中后期，油井壓力降低，產(chǎn)量減少。隨著注水強驅(qū)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，油井含水量逐年上升，使得原油開采的成本提高[1]。產(chǎn)生的大量含油污水如果采出到地面，會帶來環(huán)保問題，增加了地面處理設(shè)施的投資。井下油水分離同井采注技術(shù)是解決目前油井高含水問題的關(guān)鍵技術(shù)，通過將油水分離器置于井筒內(nèi)，實現(xiàn)在井下完成油水分離及回注，減少了舉升至地面的水量，降低了開采能耗和地面水處理費用[2]。

國內(nèi)在井下油水分離技術(shù)方面取得了豐富的研究成果，大多是針對離心泵[[3-5]或螺桿泵型[6-9]井下油水分離系統(tǒng)進行研究，包括系統(tǒng)方案研究[10]、匹配計算和運行監(jiān)測方法研究[11]、井下水力旋流器優(yōu)化研究[12]和現(xiàn)場試驗[15]等；然而，針對游梁式抽油機采油系統(tǒng)的井下油水分離技術(shù)還停留在方案設(shè)計階段。

由于游梁式抽油機是我國主力油田的常用開采設(shè)備，因此包括勝利油田、遼河油田在內(nèi)的部分油田，已經(jīng)開展過與游梁式抽油機采油系統(tǒng)配套使用的井下油水分離裝置研究，但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案復(fù)雜，沒有形成有效的結(jié)構(gòu)方案。游梁式抽油機帶動的井下泵屬于往復(fù)式泵，其流量是不連續(xù)的，現(xiàn)階段對不連續(xù)流下的旋流分離器的分離機理理解不深刻，沒有相關(guān)理論指導(dǎo)，使得井下旋流器的分離效率低，底流含油濃度過高(體積分?jǐn)?shù)高于500×10-6)，大量未被分離的原油回注到地層，對地層造成了堵塞等危害。

本文針對游梁式抽油機采油系統(tǒng)，設(shè)計了一種井下油水分離裝置，并對井下水力旋流器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計?？紤]抽油機抽油泵的上、下沖程運行特點，分析并推導(dǎo)井下水力旋流器的入口流量隨時間的變化規(guī)律，得到了流速-時間關(guān)系曲線，對間歇進液下的旋流器底流含油濃度波動規(guī)律進行了研究，從而得出了波動進液工況下的井下旋流器的分離性能。

1 系統(tǒng)組成及原理

本文設(shè)計的井下油水分離裝置是與游梁式抽油機系統(tǒng)配套使用的，總體方案包括3部分，分別為地面部分、中間部分和井下部分。其中，中間部分主要為抽油桿。地面部分與常規(guī)游梁式抽油機系統(tǒng)一致，包括游梁式抽油機、井口、電控系統(tǒng)等，通過抽油桿帶動井下泵往復(fù)運動，為抽汲原油提供動力。

井下部分是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要由井下泵、井下水力旋流器、封隔器等組成。圖1是井下部分的總體設(shè)計方案，其中，為了實現(xiàn)井下油水分離工藝，本文對常規(guī)的抽油泵進行改造設(shè)計，提出了一種井下雙液流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。采用單封隔器封隔采出層和回注層；雙液流泵有2個泵腔，分別為采泵和注泵，在抽油桿的帶動下，采泵和注泵同時動作，帶動采出層的油水混合液首先進入旋流器進行分離，分離后的濃縮油液(溢流液)進入到采泵，底流的水進入到注泵。

井下水力旋流器的功能是進行油水分離，它是基于離心沉降原理，利用油和水之間的密度差，重質(zhì)相水在旋流場中離心力要大于輕質(zhì)相油，因此會逐漸向旋流器器壁運移，而輕質(zhì)相油會向旋流場中心運移；中心油液在底部壓力作用下，由溢流口流出，器壁處的水相則向下，經(jīng)過底流口排出，從而完成油水分離過程[13]。

圖1 游梁式抽油機井井下油水分離系統(tǒng)

2 系統(tǒng)工作過程

1) 上沖程。

井下雙液流泵的游動閥關(guān)閉，雙液流泵中儲存的濃縮油排出到桿管空間內(nèi)，向地面運移；同時，雙液流泵注泵和采泵的泵腔容積變大，壓力降低，固定閥打開，來自油層的油水混合液(未分離前)進入到井下旋流器中進行油水分離；分離出的濃縮油液經(jīng)過固定閥進入到雙液流泵的采泵泵腔內(nèi)等待舉升；此時，注水閥處于關(guān)閉狀態(tài)，旋流器分離出的凈化水經(jīng)過另一出水閥進入到注水通道，等待注入。

2) 下沖程。

抽油桿帶動井下雙液流泵下行，雙液流泵兩泵的泵腔均減小，腔內(nèi)壓力增大，使得固定閥關(guān)閉，游動閥打開，采泵泵腔內(nèi)的濃縮油經(jīng)過游動閥進入到采泵的上泵腔；同時，下行過程中注水通道的壓力增加，使得出水閥閉合，注水閥打開，凈化水通過注水通道進入到的地層中，完成回注過程。

由分析可知，井下水力旋流器只在上沖程時工作，下沖程時水力旋流器是不進液的。因此，井下水力旋流器呈間歇進液工況。此外，在上沖程的進液過程中，由于游梁式抽油機的機構(gòu)運行特點，井下雙液流泵的柱塞運動速度并非恒定，呈現(xiàn)近正弦規(guī)律，導(dǎo)致上沖程中井下旋流器的進液也是波動的。這也是游梁式抽油機系統(tǒng)與螺桿泵和電潛泵采油不同之處。入口流量的變化會影響水力旋流器的流場穩(wěn)定，因此，有必要研究間歇進液工況下水力旋流器的分離性能及流場特點。

3 井下油水分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計

井下水力旋流器是井下部分的核心部件。如前所述，本文根據(jù)有桿泵管柱結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了“抽吸型”進液方案，即采出層油液首先經(jīng)由旋流器進行分離，然后再進入泵進行增壓。設(shè)計參數(shù)如下：套管直徑為139.7 mm(5英寸)以上；處理流量40～80 m3/d。

如圖2所示，整個模塊的主要部件包括旋流器主體、旋流器底流閥和回注閥。其中，旋流器主體是常用的雙錐段水力旋流器，旋流器為向上開口結(jié)構(gòu)，上部為旋流器內(nèi)插管，內(nèi)插管上部連接有溢流插管，溢流插管插入到雙液流泵的溢流通道接頭中，并通過O型密封圈密封。旋流器底流閥在抽油桿上行程時開啟(與雙液流泵中的固定閥啟/閉一致)，此時旋流器進液?；刈㈤y在抽油桿下行程時開啟，此時為注水過程。

水力旋流器采用4段式的雙錐水力旋流器，該型水力旋流器具有明確的幾何構(gòu)型和較完善設(shè)計方法；采用比例縮放來滿足不同流量的要求，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)中要求的流量范圍，對應(yīng)設(shè)計了名義直徑為14～20 mm的旋流器，其他大部分結(jié)構(gòu)參數(shù)按照比例關(guān)系生成，借助于數(shù)值優(yōu)化來確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1—旋流器上接頭；2—旋流器溢流插管；3—旋流器內(nèi)插管；4—節(jié)流油嘴；5—交叉流道體；6—旋流器主體；7—旋流器背帽；8—底座轉(zhuǎn)接頭；9—旋流器外管；10—扶正器；11—旋流器底流閥；12—外管轉(zhuǎn)接頭；13—回注閥；14—尾管。

4 分離器入口流量波動規(guī)律研究

圖3給出了游梁式抽油機機構(gòu)運行示意圖，地面游梁的曲柄連桿機構(gòu)帶動抽油桿做上下往復(fù)運動，抽油桿帶動井下泵的柱塞往復(fù)運動，完成泵的吸、排液過程。井下泵的入口與井下旋流器的出口相連，泵的吸排液規(guī)律與旋流器的進液規(guī)律一致。本節(jié)對非穩(wěn)定流進液規(guī)律進行分析。由游梁式抽油機曲柄連桿機構(gòu)的運行特點可以得到懸點任意時刻的速度為：

(1)

式中：θ為曲柄轉(zhuǎn)角(θ=ωt)；ω為曲柄勻速轉(zhuǎn)動的角速度；t為時間；L2和L3分別為游梁的后臂長度和前臂長度，r為曲柄半徑。

由圖3的節(jié)點傳遞關(guān)系，推導(dǎo)得到水力旋流器入口瞬時速度函數(shù)vin和入口瞬時流量函數(shù)Qin表達(dá)式分別如下：

(2)

(3)

如圖4所示為間歇進液規(guī)律下井下旋流器入口的流量隨時間的變化曲線。由圖4中可以看出旋流器的間歇進液規(guī)律。

圖3 抽油機采油系統(tǒng)

圖4 入口流量的波動

5 波動流量下的數(shù)值模擬研究

本章將結(jié)合計算流體力學(xué)分析軟件，對圖4中所示的間歇進液規(guī)律下的井下旋流器進行數(shù)值模擬，分析旋流器在間歇進液規(guī)律下的流場規(guī)律。影響水力旋流器分離性能的因素有很多，主要包括物性參數(shù)和操作參數(shù)(入口流量和采注比)、抽油機沖次等。借助于數(shù)值模擬，研究這些因素對旋流器流場的影響規(guī)律，得到間歇進液波動工況下旋流器的底流含油濃度隨時間的變化關(guān)系。

5.1 數(shù)值模擬模型

首先建立水力旋流器的網(wǎng)格計算模型，選用雙錐段水力旋流器，名義直徑為15 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)(例如圓柱段尺寸等)按照文獻[14]中的設(shè)計公式得到。

所建立的旋流器網(wǎng)格模型如圖5所示，為方便結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，首先對計算域進行分塊，然后逐漸自上而下生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。運用商業(yè)軟件Fluent進行分析，湍流模型選用基于非定常分析的大渦模型(LES)，選用QUICK格式，時間步長設(shè)置為1×10-6s，按照總時間96 s設(shè)置時間步數(shù)。將推導(dǎo)得到的入口速度公式(式2)通過用戶自定義函數(shù)(UDF)設(shè)置為入口邊界(速度入口)。

圖5 水力旋流器的網(wǎng)格模型

本仿真模擬采用Mixture法，即將油相視為分散相均勻的分散在水相中。主要考慮原油中含水率較高(高達(dá)95%，98%)，為簡化分析，降低計算量，在保證計算準(zhǔn)確性的前提下，選用混合物模型mixture，水為主相，油為次相。在60℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的密度為983.2 kg/m3，動力黏度為4.66×10-4Pa·s；油的密度為866.7 kg/m3，動力黏度為2.46×10-3Pa·s，油滴粒徑為30 μm。

本文的仿真為非定常計算，入口速度隨時間不斷波動，在1個周期內(nèi)，旋流器內(nèi)油相的分布也是隨時間變化的，如圖6所示。

圖6 1/2沖次周期內(nèi)的旋流器油相濃度分布云圖

由圖6可以看出，在不同時刻，中心油核的長度是變化的，展示了1個波動周期內(nèi)旋流器內(nèi)油水兩相濃度分布規(guī)律的波動關(guān)系。為了更直觀地展示間歇進液工況對分離性能的影響規(guī)律，檢測底流含油濃度的平均值隨時間的變化，并繪制成曲線，如圖7所示，可以看出，底流含油質(zhì)量濃度是隨著入口波動而呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，而且波動頻率與進液流量的波動頻率相一致。通過提取底流含油質(zhì)量濃度的截面平均值，可以得到在波峰時，質(zhì)量濃度最高時可以超過2 000 mg/L，在波谷質(zhì)量濃度最低時低于100 mg/L。

5.2 波動工況下的流場分析

入口截面一定，當(dāng)給定入口速度的波動特性后，入口質(zhì)量流量也相應(yīng)的呈周期性波動。入口速度以

圖7 底流含油質(zhì)量濃度隨時間的變化關(guān)系

v=18+Asin(2πt/T)曲線周期性波動，在保證入口流量是30 m3/d左右的工況下，分別改變波動幅值A(chǔ)和波動周期T，入口速度v幅值在10～26 m/s之間周期性波動，周期在1/3～2 s之間變化，仿真分析旋流器內(nèi)流場的變化規(guī)律。

1) 切向速度。

旋流器內(nèi)是組合螺線渦和螺旋流組成的復(fù)合螺旋渦運動。其內(nèi)部螺旋渦流體質(zhì)點速度可分解為切向速度、軸向速度和徑向速度。切向速度是旋流產(chǎn)生離心力的前提，在油水兩相流場中，離心力能促使油滴向中心遷移，離心力的強弱與切向速度直接相關(guān)。如圖8a和8b分別是入口流量幅值波動和周期變化下小錐段切向速度曲線，與流量恒定下切向速度曲線A=0、F=0所示比較分析。隨著入口流量波動幅值逐漸變大，切向速度在壁面邊緣和內(nèi)旋流部分變化較小，而“緩變區(qū)”先是變化不明顯后逐漸變大，當(dāng)波動超過一定值，切向速度反而變小。隨著入口流量波動周期逐漸變大，切向速度在壁面邊緣和內(nèi)旋流部分變化較小，切向速度“緩變區(qū)”變化無規(guī)則，但與流量無波動相比，切向速度變化較小或升高，當(dāng)波動周期增大到一定值時，切向速度急劇降低。

2) 軸向速度。

圖9為入口流量幅值波動和周期波動下小錐段的軸向速度變化曲線。旋流器內(nèi)的軸向速度存在零軸向速度包絡(luò)面，在圖9中，速度正值是包絡(luò)面外的外旋流流體速度沿軸向向下，速度負(fù)值是包絡(luò)面內(nèi)的內(nèi)旋流流體速度沿軸向向上，即油相由此經(jīng)溢流口流出。從圖9中可以看出，入口流量幅值波動對近壁面的軸向速度影響??；入口流量幅值波動變化不大時近軸線處的內(nèi)旋流速度變化較小，幅值波動超過一定值，則軸向速度迅速變小，即油相沿軸向向上的速度減小不利于油相從溢流口流出。入口流量周期由小逐漸變大，近壁面處軸向速度變化較小，近軸線處軸向速度稍有變大，當(dāng)周期變化增加到一定值，近軸線處軸向速度會有變小的趨勢，不利于油相的流出。

圖8 切向速度曲線

圖9 軸向速度曲線

3) 底流含油質(zhì)量濃度。

依據(jù)數(shù)值仿真的底流口的油相體積分?jǐn)?shù)，計算底流口的含油質(zhì)量濃度，作為評價旋流器分離性能的指標(biāo)。對于用于井下的水力旋流器，最終注入底層的含油質(zhì)量濃度越少越好，同時底流含油質(zhì)量濃度越小，說明旋流器的分離效果越好。改變?nèi)肟诹髁康牟▌臃岛椭芷?，分別進行仿真分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制底流含油濃度變化曲線如圖10。由圖10a 可以看出：① 隨入口流量的周期性變化，底流含油質(zhì)量濃度也呈現(xiàn)波動的周期性；②入口流量無波動時，底流含油質(zhì)量濃度最小，說明旋流器分離效果最好；③入口流量幅值波動越大，底流含油質(zhì)量濃度波動峰值越大，分離效果越不好。由圖10b可以看出：①入口流量無波動時，底流含油質(zhì)量濃度最小，旋流器分離效果最好；②入口流量波動周期越小，底流含油質(zhì)量濃度波動峰值越小。

圖10 底流含油質(zhì)量濃度變化曲線

6 結(jié)論

1) 有桿往復(fù)式泵型井下油水分離裝置的結(jié)構(gòu)和工藝流程要比電動潛油泵型井下油水分離系統(tǒng)更復(fù)雜。在本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案及工藝流程下，旋流器為間歇進液工況，入口流量和速度隨時間的變化規(guī)律與泵柱塞的運動規(guī)律近似一致。

2) 入口流量波動的實際工況復(fù)雜，初步簡化為入口流量按正弦曲線形式波動，利用UDF函數(shù)編程在Fluent中實現(xiàn)入口邊界條件設(shè)定。研究了入口流量的波動周期和幅值對旋流器流場的影響規(guī)律，得到了間歇進液工況下的底流含油質(zhì)量濃度隨時間的變化關(guān)系。

3) 在入口流量波動條件下，研究旋流器的分離效果，主要是研究旋流器底流含油質(zhì)量濃度隨入口流量波動的規(guī)律。底流含油質(zhì)量濃度是評價旋流器工作效果的重要指標(biāo)，為以后理論與實踐研究提供指導(dǎo)。

4) 根據(jù)地面抽油機懸點的運動規(guī)律，推導(dǎo)了井下柱塞的運動規(guī)律，然后得到了旋流器的入口速度隨時間變化的曲線。建立了CFD計算模型，并通過UDF函數(shù)將入口速度曲線設(shè)置為旋流器的速度入口邊界條件，實現(xiàn)了間歇進液工況下旋流器的數(shù)值模擬分析，得到了間歇進液工況下旋流器的底流含油質(zhì)量濃度波動情況。