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        特高含水下雙錐型旋流分離器內(nèi)油水兩相流流動特性研究*

        2022-06-10 05:45:28韓連福唐艷敏付長鳳劉興斌
        石油管材與儀器 2022年3期
        關(guān)鍵詞:雙錐切向速度油相

        韓連福,唐艷敏 ,田 迪 ,付長鳳 ,劉興斌,

        (1.東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163318;2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 301500)

        0 引 言

        旋流分離器是同井注采過程中具有重要作用的生產(chǎn)工具[1],具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、使用壽命長等特點[2]。自Martin Thew等人研制出第一臺靜態(tài)水力旋流器并應(yīng)用于油水分離以來,旋流分離器結(jié)構(gòu)形式及流動特性的研究不斷優(yōu)化和發(fā)展,分離性能大幅度提升[3-5]。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,可采用Fluent軟件對水力旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了旋流器內(nèi)的速度場、壓力場分布等信息,可以更好地揭示旋流分離器內(nèi)部油水產(chǎn)出液的運動情況與分離規(guī)律[6]。

        隨著油田開發(fā)時間的增長,油井含水率呈逐年上升的趨勢。我國陸上油田多已進(jìn)入高含水、低產(chǎn)液開發(fā)階段,部分老油田的含水率甚至已經(jīng)高達(dá)95%以上[7]。面對老油田儲采失衡、穩(wěn)產(chǎn)困難及經(jīng)濟(jì)效益差等問題,如何在特高含水工況下,控制無效產(chǎn)液,減少油井出水量,提高出油率,成為老油田改革中的重點問題[8]。當(dāng)前旋流分離器相關(guān)研究主要聚焦于中高含水階段,而含水率高達(dá)95%以上的特高含水階段,關(guān)于旋流分離器內(nèi)部運動規(guī)律以及分離效率研究還相對較少[9]。

        為進(jìn)一步分析特高含水情況下油水分離的變化規(guī)律,提高特高含水工況下旋流分離器的分離效率,從流體力學(xué)的角度出發(fā),在油水旋流分離器研究成果的基礎(chǔ)上,通過改變旋流器溢流口直徑大小,對雙錐型旋流分離器進(jìn)行多相流仿真建模,得到油水兩相流在分離器內(nèi)部的運動軌跡、速度場、各相體積分?jǐn)?shù)分布情況以及最優(yōu)溢流口參數(shù),為特高含水老油田同井注采井旋流分離器的設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

        1 雙錐型旋流分離器內(nèi)流體控制數(shù)學(xué)模型

        在進(jìn)行流體仿真之前,應(yīng)該先建立數(shù)學(xué)控制方程[10]。針對油水兩相流的流場變化規(guī)律,在模型設(shè)置時選擇多相流模型中的Mixture模型和雷諾應(yīng)力模型(RSM)湍流模型。首先,設(shè)油水為不可壓縮的連續(xù)流體,其密度和黏度為定值,流體的流動形式視為定常流動[11];然后,建立旋流分離器內(nèi)流體的動力學(xué)控制方程,其中,包括連續(xù)性方程、動量方程和雷諾應(yīng)力方程。不可壓縮流體的連續(xù)性方程為:

        (1)

        式中:vx、vy、vz分別表示速度在x、y、z3個方向上的分量,m/s。不可壓縮流體主要受到壓力、黏性力與單位質(zhì)量力的作用,其動量方程為:

        (2)

        式中:ρ表示密度,kg/m3;t表示時間,s;p表示流體壓強,Pa;μ表示動力黏度,N·s/m2;fx、fy、fz分別表示x、y、z3個方向上的單位質(zhì)量力,m/s2[12-13]。

        雷諾應(yīng)力模型充分考慮了由于流體旋轉(zhuǎn)或流線彎曲所帶來的應(yīng)力張量的急劇變化[14],所以本文選擇RSM模型對高速旋轉(zhuǎn)流動的復(fù)雜流場進(jìn)行仿真。雷諾應(yīng)力方程為:

        (3)

        式中:ui為時均速度,m/s;Cij為對流項;DT,ij為湍動擴(kuò)散項;DL,ij為分子粘性擴(kuò)散項;Pij為剪應(yīng)力產(chǎn)生項;Gij為浮力產(chǎn)生項;Φij為壓力應(yīng)變項;εij為粘性耗散項;Fij為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項[15]。

        2 雙錐型旋流分離器物理模型及數(shù)值仿真

        2.1 雙錐型旋流分離器幾何參數(shù)

        雙錐型旋流分離器模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中溢流口為旋流器上端,底流口為旋流器下端。參考現(xiàn)有雙錐型旋流分離器模型設(shè)計參數(shù)比例D/Dc=2,d0/Dc=0.35,du/Dc=0.5,Lu/Dc=16,并結(jié)合特高含水階段老油田的生產(chǎn)特點,得到了本文模型的結(jié)構(gòu)初始尺寸見表1。

        圖1 雙錐型旋流分離器基本結(jié)構(gòu)圖

        表1 雙錐型旋流分離器結(jié)構(gòu)尺寸表

        2.2 雙錐型旋流分離器網(wǎng)格劃分

        在網(wǎng)格設(shè)置時,為保證網(wǎng)格質(zhì)量,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格法。這里主要選擇六面體和楔形體進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 最終確定網(wǎng)格數(shù)為793 890個。為便于分析,建模時以Z軸為旋流器的中心軸線,X-Y平面為入口所在面。網(wǎng)格設(shè)置結(jié)果如圖2所示。

        圖2 雙錐型旋流分離器網(wǎng)格劃分

        2.3 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)計

        對雙錐型旋流分離器進(jìn)行仿真時,邊界條件的設(shè)置對模型的收斂情況有很大影響,為分析溢流口直徑變化對分離效率的影響,仿真時除溢流口直徑大小改變,其余邊界條件及各項參數(shù)的設(shè)置如下。

        1)入口邊界條件:選擇速度入口,處理量為Q=4 m3/h,入口速度為4.63 m/s,設(shè)置水為初始相(水的密度為ρ=998.2 kg/m3,黏度為μ=1.003×10-3Pa·s),油為第二相(水的密度為ρ=889 kg/m3,黏度為μ=1.06 Pa·s),因為本文研究的是特高含水情況下油水分離效果,所以在設(shè)置入口條件時要注意設(shè)置水相體積分?jǐn)?shù)為96%,油相的體積分?jǐn)?shù)為4%;

        2)出口邊界條件:溢流口和底流口設(shè)置選擇充分流動出口,溢流口設(shè)置為5%,底流口設(shè)置為95%;

        3)壁面條件:設(shè)置為無穿透無滑移邊界處理,默認(rèn)各變量在壁面處的取值為0,壁面粗糙度默認(rèn)為0.5;

        4)其他相關(guān)設(shè)置:選擇壓力求解器,采用瞬態(tài)計算,壓力速度耦合選擇SMPLEC算法,殘差設(shè)置為10-6等。

        3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

        3.1 流體軌跡分布

        圖3為油-水運動軌跡圖,在特高含水情況下,旋流器內(nèi)部流場仍呈現(xiàn)出內(nèi)旋流與外旋流相結(jié)合的組合渦運動。其中,內(nèi)旋流區(qū)域主要在中心附近,流體速度相對較小并向上運動,從溢流口排出;外旋流區(qū)域的流體相對較大并向下運動,從底流口排出,這符合旋流分離器的基本分離原理。

        圖3 油-水運動軌跡圖

        3.2 切向速度分布

        圖4為溢流口直徑為d0=4 mm時的切向速度分布圖。如圖4(a)和圖4(b)所示,在特高含水情況下,切向速度整體呈準(zhǔn)自由渦流運動,并從分離器壁到中心不斷增大。如圖4(c)所示,切向速度從分離器壁身到中心不斷增大,當(dāng)增大到11.8 m/s左右,切向速度開始迅速衰減,當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑為0時,切向速度接近于0 m/s;;從不同位置截面的曲線圖對比可以看出,切向速度整體隨著z值的增大而減小。

        圖4 切向速度分布圖

        3.3 溢流口直徑與切向速度的關(guān)系

        圖5為溢流口直徑分別為d0=4 mm、d0=6 mm、d0=8 mm和d0=10 mm時切向速度圖,其中,圖5(a)為z=70 mm時不同溢流口分離器的切向速度對比圖,圖5(b)為z=600 mm時不同溢流口分離器的切向速度對比圖。

        圖5 不同d0大小分離器切向速度對比圖

        由圖5可知,在特高含水工況下,切向速度整體隨著z值的增大而減小,這符合切向速度在旋流分離器中的基本規(guī)律;溢流口直徑的大小對切向速度的大小有明顯影響,當(dāng)d0<6 mm時,切向速度隨著d0的增大而增大,當(dāng)d0≥6 mm時,切向速度大小基本相近。

        3.4 水油兩相體積分布

        3.4.1 水相體積分布

        圖6為水相體積分?jǐn)?shù)分布圖。如圖6(a)所示,特高含水情況下,水相占相當(dāng)大的部分,并關(guān)于油柱呈對稱分布;由于水的密度更大,水相體積分?jǐn)?shù)越靠近器壁處較大。如圖6(b)所示,越往下水相體積分?jǐn)?shù)越大,表明水相在外旋流的作用下往下運動,并從下方底流口流出。

        圖6 水相分布情況

        3.4.2 油相體積分布

        圖7為油相分布情況圖。如圖7(a)所示,在特高含水工況下,含油率較低、油相密度較低,所以經(jīng)過旋流分離后,油相更易集中在旋流中心附近,能清楚看到有一個與溢流口直徑大小相當(dāng)?shù)挠椭鶑囊缌骺谝恢毖由斓降琢骺诟浇?。如圖7(b)所示,越靠近溢流口附近油相體積分?jǐn)?shù)越大,越靠近底流口附近油相體積分?jǐn)?shù)越??;表明油相在內(nèi)旋流的作用下往上運動,從上方的溢流口流出。

        圖7 油相分布情況

        3.5 溢流口直徑與分離效率的關(guān)系

        圖8為溢流口直徑分別為d0=4 mm、d0=6 mm、d0=8 mm和d0=10 mm的分離效率比較圖。由圖8所示,在特高含水情況下,溢流口直徑大小對分離效率有重要影響。在其他參數(shù)不變的條件下,當(dāng)d0≤6 mm時,分離效率在95%左右,分離效率較好,當(dāng)d0>6 mm時,分離效率在93%左右,可知d0≤6 mm時分離效率相對更好。

        圖8 分離效率比較圖

        4 結(jié) 論

        1)在特高含水工況下,溢流口直徑大小對旋流分離器切向速度有重要影響,當(dāng)d0<6 mm時,切向速度隨著d0的增大而增大,當(dāng)d0≥6 mm時,切向速度大小基本相近。

        2)在特高含水工況下,溢流口直徑大小對旋流分離器的分離效率有顯著影響,與其它相比,d0=6 mm時分離效率相對更好。

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