魏 艷

(天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油工程系 天津 301607)

0 引 言

對于勘探評價(jià)井的試油求產(chǎn)，由于井內(nèi)返出液為油水同出，且存在“低含油、間斷出油”的特點(diǎn)，如何在地面精確計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)的原油產(chǎn)出量，為油氣勘探開發(fā)方案的制定提供可靠的數(shù)據(jù)支撐是困擾油氣開發(fā)者的一大難題。目前，還沒有精確計(jì)量油水混合流體中含油量的技術(shù)和方法。由于油水的密度差異，將油水靜置分層后測含油高度的方法，會(huì)導(dǎo)致各類型液位計(jì)的測量結(jié)果存在較大的誤差，且不能實(shí)時(shí)求取原油產(chǎn)量。為了實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確的原油產(chǎn)出量，最好是在地面將油水徹底分離。因此，研究高效的油田地面油水分離技術(shù)具有重要意義。

目前，井場使用的分離設(shè)備主要是氣液兩相分離器和油氣水三相分離器，均是依靠重力實(shí)現(xiàn)分離[1]，并無專用的油水分離器。旋流分離器因結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、運(yùn)行費(fèi)用低而備受青睞，在液固、氣固、氣液等多相流體的分離設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，如鉆井固控裝置、石油煉化的循環(huán)流化床、海上油氣分離設(shè)備等[2-3]。但關(guān)于不同密度的液-液兩相旋流分離器的研究較少，目前在石油方面也只局限于井下油水分離及同井回注技術(shù)的研究與應(yīng)用，如高揚(yáng)等[4]、張勇等[5]均利用數(shù)值模擬方法對采出液含砂量、離散相粒徑和采出液黏度對井下兩級串聯(lián)旋流器的分離性能進(jìn)行了研究，邢雷等[6]采用CFD-PBM耦合方法對導(dǎo)錐式旋流器內(nèi)油滴聚集并破碎行為及分離特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并將該裝置應(yīng)用到了井下的油水分離和廢水回注。但是，應(yīng)用于地面試油求產(chǎn)過程中的油水分離器未見報(bào)道。

為此，本文以經(jīng)典的切向流入式旋流分離器為模型基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬的方法評價(jià)不同工作參數(shù)、原油物性條件下的油水分離性能，以獲得該裝置的最佳使用工況，從而指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

經(jīng)典的切向流入式旋流油水分離器如圖1所示，利用旋流產(chǎn)生的離心力實(shí)現(xiàn)油水分離。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了應(yīng)用于流場數(shù)值模擬的三維物理模型，并做了網(wǎng)格劃分[7]，如圖2所示。物理模型所對應(yīng)的各部分尺寸：圓錐段角度為11°，排油口直徑為3 mm，進(jìn)液口直徑為12 mm，排水口直徑為6 mm，圓柱段長度為80 mm。

圖1 旋流油水分離器

圖2 旋流油水分離器物理模型及網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學(xué)模型

油水分離的數(shù)值計(jì)算過程中，涉及水相和油相流體的控制方程，將油水兩相分別離散為顆粒。在拉氏坐標(biāo)系下對油相顆粒作用力微分方程進(jìn)行積分，可以求解得到離散相顆粒的軌道。在笛卡爾坐標(biāo)系下(x方向)顆粒的作用力平衡方程表示為[8]：

(1)

其中FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力[9-10]：

(2)

式(1)和式(2)中：up為油相顆粒速度，m/s；u為水相速度，m/s；t為時(shí)間，s；ρp為油相的密度，kg/m3；ρ為水相的密度，kg/m3；Re為相對雷諾數(shù)(油相雷諾數(shù))；gx為重力加速度，m/s2；FX為顆粒上的附加力，N；μ為連續(xù)相的動(dòng)力黏度，N·s/m2；CD為曳力系數(shù)；dp為油相顆粒直徑，m。

2 各參數(shù)對油水分離性能的影響

影響旋流油水分離器分離性能的主要工作參數(shù)是工作壓力和排量，原油物性參數(shù)主要是油水比和黏度[11]。采用控制單一變量的方法[12]，通過數(shù)值模擬獲得不同工作參數(shù)和原油物性條件下的分離性能，分析旋流油水分離器的適用工況。

2.1 工作壓力的影響

在數(shù)值模擬時(shí)，根據(jù)油田實(shí)際工況，以日產(chǎn)油5 m3，日產(chǎn)水33 m3的生產(chǎn)實(shí)際為例，選取工作壓力范圍為0～5 MPa進(jìn)行研究，在關(guān)鍵壓力點(diǎn)處加密取值，獲取不同工作壓力條件下的油水分離效率，如圖3所示。

圖3 工作壓力對油水分離效率的影響

由圖3可見，隨著工作壓力的增大，油水分離效率呈現(xiàn)出由0躍升到最大值并基本保持不變而后驟降的規(guī)律，表明壓力的變化對分離效率的影響非常敏感。不同工作壓力下旋流流線的形態(tài)如圖4所示，圖中曲線顏色由藍(lán)到紅，表示旋流速度由低到高。分析認(rèn)為，在0～0.6 MPa的低壓工作區(qū)，由于工作壓力太低，流體流動(dòng)的動(dòng)力不足，反映為流動(dòng)速度較低，如圖4(a)工作壓力為0.3 MPa時(shí)，流體在旋流分離器內(nèi)只能形成微弱的旋流流動(dòng)，旋流的流線較為稀疏。圖4(b)中工作壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)，旋流開始增強(qiáng)，旋流的流線開始密集，但油水仍未分離就直接由排水口流出。繼續(xù)增大工作壓力，在0.7～1.1 MPa范圍內(nèi)，油水分離效率急劇變化，0.7 MPa為油水分離的啟動(dòng)壓力，之后流體將獲得一定的速度，并在旋流分離器內(nèi)形成足夠強(qiáng)的旋流，使油水分離效率持續(xù)升高。當(dāng)工作壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí)，流體在旋流分離器內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)旋流流動(dòng)，水相產(chǎn)生的離心力完全克服徑向運(yùn)動(dòng)的阻力到達(dá)壁面，油相在中心聚集形成油核，如圖4(c)所示，油水兩相流動(dòng)趨于穩(wěn)定，分離效率達(dá)到最高。但是，當(dāng)工作壓力繼續(xù)增大到4.2～5 MPa范圍時(shí)，由于流體的速度過快，對油相的離心力增強(qiáng)，導(dǎo)致油相向壁面移動(dòng)的趨勢增大，并且較大的離心力會(huì)使油滴更容易破碎，形成不連續(xù)流體。同時(shí)，流速過快，使得油水兩相的分離時(shí)間減小，小油滴沒有足夠的時(shí)間進(jìn)入中心油核，導(dǎo)致分離效率下降。

圖4 不同工作壓力下旋流流線的形態(tài)

由此可見，存在最佳的工作壓力范圍，使得旋流油水分離器的分離效率達(dá)到最大。在本研究條件下，最佳工作壓力范圍為1.2～4.1 MPa。在實(shí)際工作過程中，可通過調(diào)整放噴油嘴的尺寸控制井內(nèi)回壓，使工作壓力控制在最佳范圍內(nèi)。

2.2 排量的影響

在數(shù)值模擬時(shí)，選取工作壓力1.5 MPa，排量5～60 m3/d(油水比均設(shè)定為15%)，獲取不同排量條件下的油水分離效率，如圖5所示。

由圖5可見，隨著排量的增加，油水分離效率基本持續(xù)穩(wěn)定在最優(yōu)值而后突然下降，說明該旋流油水分離器存在一個(gè)工作排量的極限。分析認(rèn)為，在工作壓力確定時(shí)，可以給一定排量的流體提供足夠大的流動(dòng)動(dòng)力，從而使流體獲得足夠強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，保證最佳的油水分離效率。但是當(dāng)排量過大時(shí)，又面臨流體旋流速度過大的問題，導(dǎo)致穩(wěn)定的油水分離過程遭到破壞，分離效率持續(xù)下降。由此可見，該旋流油水分離器的日處理量應(yīng)控制在45 m3以內(nèi)，才能保證最佳的油水分離效果。

圖5 排量對油水分離效率的影響

但是，在油田實(shí)際的試油求產(chǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)日產(chǎn)上百立方米液體的情況，單根的旋流油水分離器將無法滿足工況要求。因此，需將多根分離器并聯(lián)使用，如圖6所示，在保證油水分離效率的同時(shí)，成倍提高油水分離設(shè)備的處理能力。

圖6 并聯(lián)使用

2.3 油水比和黏度的影響

根據(jù)油田實(shí)際工況，以工作壓力1.5 MPa，排量40 m3/d為例，選取油水比為5%～30%，原油黏度為10～60 mPa·s進(jìn)行研究，獲取不同原油物性條件下的油水分離效率，如圖7所示。

圖7 原油物性對油水分離效率的影響

由圖7可知，當(dāng)油水比和原油黏度在一定范圍內(nèi)，油水分離效率隨油水比和黏度的增加平緩下降，當(dāng)超出此范圍時(shí)，油水分離效率陡然下降。分析認(rèn)為，當(dāng)油水比和原油黏度較小時(shí)，對油水分離效率影響不大。隨著油水比的增加，一定排量流體中的原油量增加，小部分油相未能進(jìn)入中心油核就被水相帶出排水口。當(dāng)油水比達(dá)25%以上時(shí)，油水分離效率快速下降，表明小直徑的旋流油水分離器只適用于油水比在25%以下的低含油工況。隨著原油黏度的增加，油相的流動(dòng)阻力增大，在工作壓力一定的情況下，流體的旋流運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，導(dǎo)致油水分離效率降低。當(dāng)原油黏度超過50 mPa·s時(shí)，油水分離效率急劇下降，60 mPa·s時(shí)的油水分離效率基本在90%以下，分離效率較低，無法滿足工程需要。由此可見，該旋流油水分離器適用于油水比低于25%、原油黏度低于50 mPa·s的工況。

3 結(jié) 論

1)以經(jīng)典的切向流入式旋流油水分離器為模型基礎(chǔ)(各部分尺寸：圓錐段角度為11°，排油口直徑為3 mm，進(jìn)液口直徑為12 mm，排水口直徑6 mm，圓柱段長度為80 mm)，對油水分離的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，評價(jià)了不同工作參數(shù)、原油物性條件下的油水分離性能。

2)隨著工作壓力的增大，油水分離效率呈現(xiàn)出由0躍升到最大值并基本保持不變而后驟降的規(guī)律；隨著排量的增加，油水分離效率基本持續(xù)穩(wěn)定在最優(yōu)值而后突然下降；當(dāng)油水比和原油黏度在一定范圍內(nèi)，油水分離效率隨油水比和黏度的增加平緩下降，當(dāng)超出此范圍時(shí)，油水分離效率陡然下降。

3)該旋流油水分離器的最佳工作壓力范圍為1.2～4.1 MPa，日處理量控制在45 m3以內(nèi)，適用于油水比低于25%、原油黏度低于50 mPa·s的工況。