劉 真

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

對于高含水期油田，油-氣-水三相分離是油田油氣集輸處理工程的核心工作內(nèi)容【1-2】。為解決油氣水三相分離問題，油-氣-水三相分離器得以應(yīng)用和發(fā)展，成為油氣處理過程中最常用的設(shè)備之一【3-5】。長期以來，人們對提高重力式油氣水分離設(shè)備的分離特性開展了諸多研究。分離器的設(shè)計研究有效保障了油氣水三相分離器的分離效果【6-8】。而作為重力分離設(shè)備的一個重要技術(shù)特性，流動特性往往決定著設(shè)備的整體技術(shù)經(jīng)濟特性。為此，人們采用試驗和數(shù)值手段，對三相分離器的流動特性進行了大量研究【9-11】，多集中于研究設(shè)備結(jié)構(gòu)與流場分布之間的關(guān)系【12-13】，進而改進重力式油水分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)，如增設(shè)聚結(jié)構(gòu)件，為分散相在連續(xù)相中的聚結(jié)分離提供更為有利的流場條件。然而，三相分離器中用來分隔油室的油堰板，其高度在設(shè)計時無法進行確切的計算，且對堰板高度影響分離器分離效果和運行安全的研究也很鮮見。目前，現(xiàn)場運行中的中心平臺三相分離器的高液位報警頻繁觸發(fā)，給安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了一定程度的干擾。筆者初步分析認為：油堰板高度決定了氣液界面的高度，由于油堰板高度較高，堰流疊加氣液界面波動造成了高高液位報警的頻繁觸發(fā)；降低油堰板高度可解決該隱患，但同時也會造成分離效果變差。因此，本文運用FLUENT軟件和數(shù)值方法研究油堰板高度對分離器分離效果的影響，確定滿足生產(chǎn)指標要求的優(yōu)選堰板高度，解決分離器高液位報警頻繁觸發(fā)問題，為中心平臺三相分離器的優(yōu)化改造以及三相分離器設(shè)計提供有益的指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 數(shù)值模擬基礎(chǔ)條件

1.1 介質(zhì)物性

模擬介質(zhì)為三相分離器生產(chǎn)條件下的實流體——天然氣、油田采出水和原油。其物性條件見表1和表2。

表1 實流體物性

表2 天然氣的組分

1.2 分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)及生產(chǎn)條件

埕島油田三相分離器內(nèi)徑為4 000 mm，直筒長為16 000 mm；來流入口公稱直徑為DN400，氣相出口公稱直徑為DN800，水相出口公稱直徑為DN350，油相出口公稱直徑為DN350；油堰板高度為3.50 m。分離器內(nèi)設(shè)置3組聚結(jié)板組，由板間距為250 mm的波紋板組成，每塊波紋板厚1 mm，折邊長54 mm，折角為120°，每組聚結(jié)板組長2 015 mm。分離器結(jié)構(gòu)和聚結(jié)板組如圖1所示。

圖1 三相分離器結(jié)構(gòu)和聚結(jié)板組

分離器生產(chǎn)條件及處理指標要求見表3。

表3 分離器工作參數(shù)及處理指標

2 分離器三維數(shù)值模型的建立

2.1 多相流模型選取

埕島油田某中心平臺三相分離器內(nèi)設(shè)計有復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)件，用于提高油、氣、水三相分離效率和效果，如入口構(gòu)件、聚結(jié)板組等，流道比較復(fù)雜，流體在流道中的流動屬于紊流，所以本研究數(shù)值模擬采用標準k-ε模型，而為了得到較高的計算精度要求，本研究采用多相歐拉模型。

2.2 分離器的三維物理模型構(gòu)建

圖2為保留主要構(gòu)件后油堰板高度3.30 m所對應(yīng)的三相分離器的物理模型。同樣方法構(gòu)建了油堰板高度3.50、3.25、3.15和3.00 m所對應(yīng)的分離器三維物理模型。其中，倒T形入口構(gòu)件的出流管段設(shè)有30個均勻分布的直徑為90 mm的布液孔。

圖2 分離器三維物理模型(油堰板高度3.30 m)

2.3 分離器網(wǎng)格劃分

使用ICEM CFD軟件對三相分離器進行網(wǎng)格劃分。配置油堰板高度為3.50、 3.30、 3.25、 3.15 和3.00 m的三相分離器， 其網(wǎng)格數(shù)分別劃分為5 168 268、5 152 236、5 141 136、5 038 075和5 031 869 個；長度為2 015 mm的聚結(jié)板組劃分網(wǎng)格數(shù)810 000個。

圖3為油堰板高度3.30 m的三相分離器的網(wǎng)格劃分。圖4為聚結(jié)板組的網(wǎng)格劃分。

圖3 分離器的網(wǎng)格劃分(油堰板高度3.30 m)

圖4 聚結(jié)板組的網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件設(shè)定

2.4.1 入口條件

分離器入口設(shè)為速度邊界條件。

2.4.2 出口條件

分離器氣相出口、油相出口和水相出口設(shè)為outflow出口。

2.4.3 壓力條件

分離器來流混合物入口壓力為310 kPa(表)。

2.5 模型求解及驗證

采用Fluent 19.0對埕島油田某中心平臺三相分離器進行數(shù)值模擬。速度與壓力耦合采用同位網(wǎng)格上的SIMPLEC算法，對流項差分格式納入了一階迎風(fēng)、中心差分以及QUICK等格式，代數(shù)方程求解采用多重網(wǎng)格及最小殘差法。采用類似于控制容積積分方法來離散方程，以保證數(shù)值計算結(jié)果的守恒特性，同時采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的多重網(wǎng)格方法求解代數(shù)方程。

以現(xiàn)役分離器(油堰板高度3.50 m)結(jié)構(gòu)尺寸以及操作參數(shù)條件代入該數(shù)值模型進行數(shù)值求解，并將模擬結(jié)果與生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比，以驗證模型的適用性。計算結(jié)果如表4所示。由表4可見，計算相對誤差在±5%之內(nèi)，證明建立的數(shù)值模型是適用的。

表4 模型計算結(jié)果與分離器生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

3 油堰板高度對分離器分離效果的影響

模擬分析了3.50、3.30、3.25、3.15和3.00 m 共5種油堰板高度工況下分離器內(nèi)油、氣、水三相的濃度分布。圖5(a)～圖5(c) 分別給出了油堰板高度為3.30 m時分離器水出口處水相濃度分布、油出口處水相濃度分布、氣出口處氣相濃度分布。

圖5 油堰板高度3.30 m時分離器三相濃度分布

由分離器各出口濃度分布結(jié)果獲得的不同油堰板高度下分離器油、氣、水分離效果如表5所示。

表5 不同油堰板高度下分離器分離效果

由表5可以看出：不同油堰板高度下油出口外輸液質(zhì)量含水率均滿足生產(chǎn)指標的要求；但是隨著油堰板高度的下降，油水界面高度下降，水中小油滴沒有充分上浮至油層便被攜帶至水出口流出，因此分離器水出口的含油率逐漸增大，油堰板高度3.25、3.15、3.00 m時，分出水的含油率已不滿足生產(chǎn)指標要求，而油堰板高度為3.30 m的分離器油水分離效果均滿足生產(chǎn)指標要求。因此，推薦優(yōu)選油堰板高度為3.30 m。

4 油堰板高度對堰流作用和油水界面的影響

分析油堰板高度為3.30、3.25、3.15和3.00 m時分離器堰板附近以及沿軸向z=14 375 mm處(油堰板左側(cè)面位置)分離器圓截面上油相、水相、氣相的濃度分布。圖6～圖8分別顯示了油堰板高度為3.30 m時水相、油相、氣相濃度分布的模擬結(jié)果(圖中，白色橫線表示油堰板)。模擬結(jié)果顯示：分離器的油堰板導(dǎo)致了堰流【14】，壓縮了氣體流通空間，使分離器氣相空間內(nèi)氣體流速加快，導(dǎo)致氣出口帶液率增加。因此，需要提高捕霧器的捕集效率，以降低分離器的氣體帶液率。

圖6 油堰板附近水相濃度分布

圖7 油堰板附近油相濃度分布

圖8 油堰板附近氣相濃度分布

不同油堰板高度對應(yīng)的分離器堰流效果和油水界面情況如表6所示。表6表明：相比于油堰板高度3.25、3.15和3.00 m，油堰板高度3.30 m時引起的堰上液流高度最小。這與依據(jù)不淹沒式矩形堰流量計算公式【15】的分析結(jié)果一致。且油堰板高度3.30 m對應(yīng)的油水界面高，保證了分離器油水分離效果，可滿足生產(chǎn)指標要求。而油堰板高度取3.25、3.15和3.00 m時，隨著油堰板高度的降低，分離器的油水界面越來越低，這也與表5 中水出口的含油率越來越高的結(jié)果相對應(yīng)。另一方面，與現(xiàn)役分離器3.50 m的油堰板高度相比，滿足分離效果的3.30 m油堰板高度使分離器氣液界面觸發(fā)高液位報警的幾率得以降低，可延長分離器的正常有效運行時間。

表6 分離器堰流效果及油水界面分析

5 結(jié)語

采用FLUENT軟件對埕島油田某中心平臺三相分離器進行了分離效果的數(shù)值分析，得到如下結(jié)論：

1) 模擬的5種油堰板高度下的分離器分離效果中，外輸液質(zhì)量含水率均滿足生產(chǎn)指標的要求，但是隨著油堰板高度的下降，分離器分出水的含油率逐漸增大，油堰板高度為3.25、3.15和3.00 m時，相應(yīng)的分離器分出水的含油率不滿足生產(chǎn)指標要求(水出口含油率<300 mg/L)，而油堰板高度為3.30 m的分離器油、水分離效果均滿足生產(chǎn)指標要求。因此，在5種油堰板高度中，推薦優(yōu)選3.30 m。

2) 相較于油堰板高度為3.25、3.15和3.00 m的分離器，油堰板高度3.30 m的分離器堰上液流高度最小，油水界面高度最大，且分離效果滿足分離器的生產(chǎn)指標要求。因此，滿足生產(chǎn)指標要求的分離器油堰板高度應(yīng)不小于3.30 m。

3) 堰流的存在影響油堰板上方空間氣體含液率，因而會增大分離器高液位報警器的觸發(fā)幾率?，F(xiàn)役分離器油堰板高度3.50 m，優(yōu)化為3.30 m后，可有效降低高液位報警器的觸發(fā)幾率。

4) 基于數(shù)值研究的堰板高度優(yōu)化結(jié)果可為工程應(yīng)用提供技術(shù)支持，為現(xiàn)役埕島油田分離器油堰板高度的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，在保障分離效果的同時使分離器高液位觸發(fā)報警的生產(chǎn)問題得以解決。目前，分離器的改造工作正在進行中。