王旱祥 許傳寶 于長(zhǎng)錄 郝志偉 張辛 車(chē)家琪 朱曉洋

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司油氣合作開(kāi)發(fā)分公司 3.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 4.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

作為21世紀(jì)極具代表性的非常規(guī)新能源，與其他能源相比，天然氣水合物具有極高的應(yīng)用價(jià)值，它具有分布范圍廣、儲(chǔ)量巨大、綠色高效、密度大等優(yōu)點(diǎn)[1]。根據(jù)國(guó)土資源部研究估算，我國(guó)的水合物儲(chǔ)量豐富，具有極大的資源前景，僅南海儲(chǔ)量就高達(dá)700億t標(biāo)準(zhǔn)油。如此巨大的儲(chǔ)量和資源優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)聚焦天然氣水合物開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)研究的重要驅(qū)動(dòng)力[2]。因此，提高水合物的采收率[3-5]、保障水合物的開(kāi)采安全[6-7]是目前研究的兩大熱點(diǎn)。

目前，天然氣水合物的開(kāi)采主要有降壓法、CO2置換法、熱激勵(lì)法、化學(xué)抑制劑法和固態(tài)流化開(kāi)采方法[8-9]。其中，降壓法是天然氣水合物傳統(tǒng)開(kāi)采方法中最有前景的一種技術(shù)。對(duì)于水合物的降壓開(kāi)采，由于氣層中游離水以及凝析液的存在，天然氣和水蒸氣以及液滴狀的游離水混合在一起，這也就意味著儲(chǔ)層中開(kāi)采出來(lái)的往往是氣液混合物。為降低天然氣水合物開(kāi)采的資源消耗，保證開(kāi)采的連續(xù)性，提升水合物的采收率，合理設(shè)計(jì)水合物的氣液分離裝置尤為重要。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)氣液螺旋分離裝置開(kāi)展了一系列研究。J.M.RAGLIN[10]在普通螺旋氣液分離器的基礎(chǔ)上對(duì)螺旋進(jìn)行改進(jìn)，提出了帶傾角的螺旋。王慶偉[11]針對(duì)螺旋氣液分離器開(kāi)展了理論分析和研究，發(fā)現(xiàn)氣泡體積和混合物流量對(duì)氣液分離器分離效率影響較大，螺距較小時(shí)，氣泡在螺旋分離器內(nèi)滯留的時(shí)間就越長(zhǎng)，分離效率越高。馮鈺潤(rùn)[12]對(duì)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化同分離效率和壓降的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著螺旋圈數(shù)的增加，分離器的分離效率和壓降都增大。A.RAOUFI等[13]設(shè)計(jì)了一種錐形的排氣管結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同的錐形結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，當(dāng)排氣管直徑增加時(shí)，內(nèi)旋區(qū)域氣流的切向速度降低，導(dǎo)致其分離效率降低。馬洋洋等[14]針對(duì)入口構(gòu)件對(duì)分離性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明，加入螺旋入口構(gòu)件可在入口流量大的工況下依舊保持較高的分離效率。李曉慧[15]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)螺旋工具并對(duì)工具內(nèi)氣液兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)未進(jìn)入工具段時(shí)氣液兩相流呈現(xiàn)明顯的分層流流態(tài)，進(jìn)入內(nèi)螺旋工具后由于工具的強(qiáng)制螺旋作用分層流消失，轉(zhuǎn)化為氣相和液相分離的螺旋層流，工具出口氣液兩相流會(huì)從螺旋層流逐漸衰減，最終恢復(fù)為層流，此時(shí)的積液高度相對(duì)于未入工具段已有明顯降低。

目前，針對(duì)天然氣水合物氣液分離裝置的研究較少，不能滿(mǎn)足水合物的高效安全開(kāi)發(fā)需求。鑒于此，本文結(jié)合我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物的開(kāi)發(fā)需求，在保證結(jié)構(gòu)合理性與可靠性的基礎(chǔ)上，完成水合物氣液螺旋分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并開(kāi)展氣液螺旋分離裝置的樣機(jī)試制和性能測(cè)試，以期為高效安全地開(kāi)發(fā)天然氣水合物資源提供技術(shù)支持。

1 設(shè)計(jì)要求及整體思路

1.1 氣液分離裝置設(shè)計(jì)要求

(1)所設(shè)計(jì)的井下氣液分離裝置應(yīng)確保結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性，氣液分離效率達(dá)到90%以上；

(2)氣液分離裝置尺寸應(yīng)適應(yīng)套管尺寸，采用的套管直徑為219.1 mm(8in)，即要求徑向尺寸小于219.0 mm，并適用于井下安裝；

(3)應(yīng)結(jié)合水合物開(kāi)采的整體工藝方案原理，與工藝方案相適應(yīng)，合理設(shè)計(jì)螺旋分離裝置結(jié)構(gòu)。

1.2 氣液分離裝置整體思路

在水合物開(kāi)采過(guò)程中，由于井下氣體流量較小，液相含量較低，故適合采用螺旋分離裝置，螺旋分離裝置的分離機(jī)理如圖1所示。

圖1 氣液螺旋分離機(jī)理Fig.1 Mechanism of gas-liquid spiral separation

氣液兩相流通過(guò)入口，軸向進(jìn)入螺旋分離裝置，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)向葉片后，兩相流由軸向運(yùn)動(dòng)變?yōu)槁菪男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，液滴受到的離心力較大，兩相分離，液滴被流道的外壁捕捉，經(jīng)過(guò)液滴的聚合以及重力和氣流的作用，液體沿螺旋體成股流下，氣體由螺旋體管向上排出，完成氣液分離過(guò)程。

2 水合物氣液螺旋分離參數(shù)計(jì)算

2.1 地層溫壓條件下流量計(jì)算

參考前人對(duì)南海北部天然氣水合物物藏?cái)?shù)值模擬過(guò)程中設(shè)置的地層參數(shù)[3]，以及南海神狐海域天然氣水合物實(shí)際工況[16]，取水合物井上產(chǎn)量30 000 m3/d，井上溫度20 ℃，井口壓力0.3 MPa。分離器井下工作壓力15 MPa，地層溫度13.5 ℃，需利用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算井下流量。

由于理想氣體在定義時(shí)忽略了分子間作用力以及氣體分子的體積，故理想氣體狀態(tài)方程并不能準(zhǔn)確地用于實(shí)際工況下的氣體計(jì)算，具體的偏離程度取決于壓力、溫度以及氣體自身的理化性質(zhì)，故引入壓縮因子Z來(lái)補(bǔ)償實(shí)際氣體改變溫壓條件后與理想氣體體積的偏差[17]，其定義式可表示為：

(1)

式中：p0為理想氣體壓力，Pa；V0為理想氣體體積，m3；n0為理想氣體物質(zhì)的量，mol；R為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T0為理想氣體熱力學(xué)溫度，K；Vm為實(shí)際氣體摩爾體積，m3/mol。

經(jīng)過(guò)壓縮因子校正后的理想氣體狀態(tài)方程是描述真實(shí)氣體性質(zhì)中最直接、最簡(jiǎn)單、最廣泛的狀態(tài)方程。Standing和Katz利用試驗(yàn)方法，建立對(duì)應(yīng)參數(shù)與壓縮因子的關(guān)系圖版，如圖2所示。

圖2 壓縮因子圖版Fig.2 Compressibility factor diagram

通過(guò)天然氣的臨界參數(shù)(包括臨界壓力pc=4.604 MPa，臨界溫度Tc=190.55K，臨界密度ρc=166 kg/m3)計(jì)算天然氣在地層壓力p=15 MPa和地層溫度t=13.5 ℃條件下的對(duì)比溫度Tr和對(duì)比壓力pr，如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

代入數(shù)據(jù)，則pr=3.258,Tr=1.504。根據(jù)Tr和pr，查圖版可獲得天然氣的壓縮因子Z=0.77。所以井下氣體流量可由式(4)計(jì)算。

(4)

式中：p為天然氣地層壓力，Pa；V為天然氣地層體積，m3；T為天然氣地層溫度，K；psc為天然氣井口壓力，Pa；Vsc為天然氣井口體積，m3；Tsc為天然氣井口溫度，K。

計(jì)算得地層流量Q=451.756 m3/d，地層天然氣的密度可根據(jù)式(5)求得。

(5)

式中：Mmol為常數(shù)，指天然氣的摩爾質(zhì)量，取值為20.78 g/mol。

計(jì)算得地層天然氣密度ρg=130.785 kg/m3。

2.2 地層溫壓條件下黏度計(jì)算

目前，天然氣黏度計(jì)算模型主要有Dempsey模型、Lee模型、LBC模型、Dean和Stiel提出的非極性高壓氣體混合物黏度計(jì)算模型(DS模型)及Londono模型[18-23]。API推薦使用Dean-Stiel黏度模型[24]計(jì)算高壓下氣體黏度。首先根據(jù)天然氣臨界密度ρc和地層天然氣密度ρg，求對(duì)比密度ρr：

(6)

代入數(shù)據(jù)，則ρr=0.788。低壓下天然氣動(dòng)力黏度μ0為0.011 5 MPa·s。黏度對(duì)比參數(shù)ξ根據(jù)式(7)計(jì)算。由于對(duì)比溫度Tr為1.504，計(jì)算黏度對(duì)比參數(shù)ξ=0.042 13。

(7)

式(8)即為Dean-Stiel黏度模型，其中，k0和k1為常數(shù)，其值分別為k0=1.439，k1=-1.11。

(μg-μ0)ξ=10.8×10-5×

(8)

式中：μg為地層高壓下氣體的動(dòng)力黏度， mPa·s；μ0為低壓下氣體的動(dòng)力黏度， mPa·s。

計(jì)算得地層高壓下氣體動(dòng)力黏度μg大小為0.018 2 mPa·s。

2.3 螺距與螺旋圈數(shù)

氣液螺旋分離裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括螺距、螺旋圈數(shù)、螺旋頭數(shù)、螺旋體管徑等，在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)前需首先對(duì)螺距和螺旋圈數(shù)進(jìn)行估算[25]。課題算例水合物井采用外徑219.1 mm套管，初始設(shè)置分離裝置外徑為180.0 mm，壁厚為7 mm，螺旋體管外徑為105.0 mm，螺旋片厚度為3 mm，用于估算螺距與圈數(shù)。螺旋體和流域結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 螺旋體和流域結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Spiral structure and fluid domain

由結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，流域小徑r1=52.5 mm，流域大徑r2=83.0 mm。螺旋通道截面積為：

S=(D-3)(r2-r1)

(9)

螺旋通道流量可表示為：

(10)

兩相旋轉(zhuǎn)的平均角速度為：

(11)

式中：S為螺旋通道截面積，mm2；Qg為螺旋通道流量，其大小與地層流量Q相同，值為451.756 m3/d；ω為平均角速度，rad/s；D為螺距，mm。

代入數(shù)據(jù)，則平均角速度為：

(12)

流道環(huán)空中心的離心加速度為：

(13)

式中：a為離心加速度，m/s2。

由此推出螺距與離心加速度關(guān)系為：

(14)

根據(jù)式(14)可求出液滴獲得不同的離心加速度所要求的螺距值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 離心加速度與螺距、角速度關(guān)系表Table 1 Relationship between acceleration and pitch or angular velocity

游離的天然氣攜帶液體進(jìn)入螺旋通道后，可主要考慮液滴所受的離心力、向心浮力與黏滯阻力，列其平衡方程：

(15)

式中：d為液滴直徑，m；ρl為地層液態(tài)水密度，kg/m3；ut為液滴的切向速度，m/s；ur為液滴的徑向速度，m/s；ξ′為阻力系數(shù)。

(16)

式中：t為分離時(shí)間，s。

由式(16)可近似解出直徑為d的液滴由流域小徑r1分離到大徑r2被壁面捕捉的時(shí)間t1：

(17)

將參數(shù)代入可得液滴分離所需時(shí)間與液滴粒徑和兩相旋轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系：

(18)

根據(jù)式(18)和表1中加速度與螺距的關(guān)系，可分別計(jì)算不同粒徑的液滴在不同離心加速度下被壁面捕捉分離所需要的時(shí)間t2與螺旋圈數(shù)N，計(jì)算結(jié)果如表2所示：

表2 不同粒徑下加速度與分離時(shí)間、螺旋圈數(shù)關(guān)系Table 2 Relationship between acceleration and separation time or the number of spiral turns with different particle sizes

結(jié)合不同粒徑和離心加速度對(duì)應(yīng)的螺距與螺旋圈數(shù)對(duì)應(yīng)結(jié)果，初步選用螺距70mm，圈數(shù)7圈，螺旋體管外徑105.0mm。

3 氣液螺旋分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 螺旋體入口形式

螺旋體入口結(jié)構(gòu)對(duì)氣液分離過(guò)程也有重要的影響。運(yùn)用Soildwork軟件完成流域的三維建模，導(dǎo)入到前處理軟件ICEM完成幾何修補(bǔ)、網(wǎng)格劃分、設(shè)定流域與邊界條件等前處理工作。整個(gè)流域模型的操作壓力設(shè)置為15MPa，流域模型的入口條件為速度入口，計(jì)算速度入口為0.5m/s，液相體積分?jǐn)?shù)為10%，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口；螺旋體及管壁部分設(shè)置為默認(rèn)的壁面條件，邊界條件設(shè)置如圖4所示。利用Fluent軟件采用離散相模型，結(jié)合歐拉液膜模型分析液滴的運(yùn)動(dòng)，獲得一般入口結(jié)構(gòu)和雙螺旋引流端入口結(jié)構(gòu)的流體流線(xiàn)圖，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 流域模型邊界條件示意圖Fig.4 Boundary conditions of fluid domain

對(duì)于一般螺旋體入口結(jié)構(gòu)，流體由軸向進(jìn)入氣液分離裝置，在螺旋片作用下，氣液兩相流動(dòng)方向由軸向轉(zhuǎn)為螺旋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入螺旋分離過(guò)程。此入口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便，但普遍存在沖擊與回流現(xiàn)象，如圖5所示。由圖5可知，螺旋分離裝置內(nèi)沖擊與回流的弊端主要表現(xiàn)為：

圖5 無(wú)引流螺旋體模型與沖擊回流現(xiàn)象Fig.5 Spiral structure model without drainage entrance and impact backflow phenomenon

(1)回流與沖擊本身屬于無(wú)效功，會(huì)消耗氣液運(yùn)動(dòng)的能量，影響裝置的分離性能，增加氣體在裝置內(nèi)的壓力損失；

(2)回流的兩相流體會(huì)占據(jù)流體通道，減小部分流道面積，改變流體流動(dòng)角度，增加流體流動(dòng)的無(wú)序性；

(3)沖擊與回流都會(huì)產(chǎn)生漩渦，加劇湍流程度，更會(huì)造成液滴的破碎，提高液滴分離的難度。

設(shè)置引流段形狀為圓形輪廓，直徑與分離裝置外徑相同，同時(shí)將單螺旋變?yōu)殡p螺旋結(jié)構(gòu)后，該結(jié)構(gòu)下的入口處流線(xiàn)圖如圖6所示。由流線(xiàn)圖可以看出，其沖擊回流現(xiàn)象已基本消失，兩相流體的運(yùn)動(dòng)流線(xiàn)趨于有序，有效減少了沖擊與回流現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖6 引流螺旋體模型與流線(xiàn)圖Fig.6 Spiral structure model with drainage entrance and streamline diagram

3.2 分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合井下氣液分離裝置的設(shè)計(jì)條件、原理及要求，根據(jù)確定螺距、螺旋圈數(shù)、螺旋體管外徑以及分離裝置入口結(jié)構(gòu)形式等，確定氣液分離裝置的工況及結(jié)構(gòu)參數(shù)：壓力15MPa，溫度13.5 ℃，套管直徑219.1mm，油管直徑114.3mm(4in)，中心管(水管)直徑48.3mm(1.9in)，初選螺距70mm，初選螺旋圈數(shù)7圈，初選螺旋體管外徑105.0mm。整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1—上接頭；2—入口環(huán)；3—連接管；4—O形密封圈；5—螺旋體；6—筒體；7—下接頭。圖7 螺旋分離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of spiral separator

氣液兩相在經(jīng)過(guò)防砂裝置后，由入口環(huán)上開(kāi)孔進(jìn)入螺旋分離裝置，經(jīng)過(guò)螺旋片引流段后由軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng)進(jìn)入螺旋流道，在流道內(nèi)氣液兩相由于密度不同產(chǎn)生的離心力不同而分開(kāi)，氣相在流出流道后，從螺旋體管經(jīng)過(guò)上接頭舉升至井上，液相則由下接頭流過(guò)封隔器進(jìn)入存液腔，完成氣液分離過(guò)程。

3.2.2 螺旋體

井下氣液螺旋分離裝置的核心即為螺旋體，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1—雙螺旋引流段；2—螺旋分離段；3—筒體。圖8 螺旋體結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Spiral structure

螺旋體上部通過(guò)管螺紋與連接管和上接頭相連。螺旋片前端設(shè)置有引流段，結(jié)合雙螺旋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可有效降低氣液兩相由于運(yùn)動(dòng)方向改變引起的沖擊與回流現(xiàn)象。氣液兩相在螺旋通道內(nèi)分離，液滴逐漸在邊壁上匯集成流并順著螺旋片流出。為了防止液流再次破碎，將螺旋片由水平方向向下傾斜10°以保證液流在近壁面流動(dòng)。

3.2.3 上接頭

氣液螺旋分離裝置上接頭材料采用42CrMo，共由3部分螺紋組成，左側(cè)內(nèi)螺紋錐度為1∶16，為4inTBG油管接箍，中部?jī)?nèi)螺紋用于連接管與螺旋體的固定與連接，右側(cè)外螺紋M180與筒體相連。上接頭總長(zhǎng)215.5mm，最大外徑195.0mm。

3.2.4 下接頭

氣液螺旋分離裝置下接頭材料同樣采用42CrMo，左側(cè)內(nèi)螺紋M180與分離裝置筒體相連，右側(cè)螺紋錐度為1∶16，為4inTBG油管接箍，用于連接后置的油管與封隔器等裝置。氣液兩相在分離后，液相逐漸聚集成流，從螺旋流道流出，在下接頭內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流。

4 氣液螺旋分離裝置樣機(jī)試制

分離裝置樣機(jī)的外殼(包括排氣管、入口管、筒體、存液腔)由有機(jī)玻璃制成，各部分通過(guò)法蘭盤(pán)螺栓連接，螺旋體參數(shù)為：螺距70mm，圈數(shù)7，螺旋體管外徑105.0mm，材料304不銹鋼，其上的螺旋片通過(guò)焊接與螺旋體管相連。連接管由不銹鋼管車(chē)削而成，通過(guò)螺紋與螺旋體相連。氣液分離試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖與螺旋分離器樣機(jī)分別如圖9和圖10所示。

1—排液管；2—排氣管；3—連接管；4—入口管；5—螺栓；6—螺旋體；7—筒體；8—電纜；9—磁翻板液位儀；10—電潛泵；11—液位傳感器。圖9 試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of experiment prototype

圖10 螺旋分離裝置樣機(jī)Fig.10 Prototype of spiral separator

在室內(nèi)溫壓條件下進(jìn)行氣液分離試驗(yàn)，探究氣液比對(duì)分離性能的影響。由上述計(jì)算結(jié)果可知，穩(wěn)定狀態(tài)下，地層流量Q=451.756m3/d，液相體積分?jǐn)?shù)在10%以下。控制氣體處理量為20m3/h，設(shè)置液相體積分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%、7%和9%，室內(nèi)試驗(yàn)得出分離效率分別為94.0%、93.2%、93.8%、94.6%和95.1%。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在液相積體分?jǐn)?shù)10%以下，分離效率整體在90%以上，分離效果較好，氣液比對(duì)分離效率的影響較小。

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于天然氣水合物開(kāi)采的氣液分離方案，在氣體流量較小、液相體積分?jǐn)?shù)較低的情況下適宜采用螺旋分離裝置。

(2)計(jì)算出開(kāi)采地層溫壓條件下的天然氣密度為130.785kg/m3，高壓下氣體動(dòng)力黏度為0.018 2mPa·s，螺旋體的螺距為70mm，圈數(shù)為7圈，螺旋體管外徑為105.0mm。

(3)在保證合理性與可靠性的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，完成了氣液螺旋分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(4)完成了氣液螺旋分離裝置的樣機(jī)試制與性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在液相體積分?jǐn)?shù)10%以下時(shí)分離效率整體在90%以上。