海上用井下旋流油水分離器的設計研究

鄒潔純　李增亮　康強

【摘 要】水力旋流油水分離器是井下油水分離系統的核心部件。目前旋流分離器在陸上油井已得到廣泛的應用，但是這種旋流器組不適應于高產油量的油井，對大流量的海上用旋流器仍處于研發階段。筆者設計了將多個旋流器并聯的井下水力旋流器，根據油井的特征確定了水力旋流器的結構及其尺寸，對旋流油水分離器的內部流場進行數值模擬，選取RNG k-？雙方程湍流模型，得到旋流器內部壓力分布、速度矢量圖、切向、徑向、軸向和湍動能的分布規律。在分流比為25%時，得到了所設計的旋流器分離效率較高，能夠滿足高產油量的需求。

【關鍵詞】大流量；井下油水分離器；并聯；模擬

0 引言

井下油水分離系統的分離效率和處理能力與井下水力旋流器的性能直接相關，傳統的井下油水分離系統都是配置單級或多級串聯形式的井下水力旋流器[1]。為適應陸地或海上油田產液量高的油井，必須配置大公稱直徑的井下水力旋流器，但水力旋流器的分離效率隨著公稱直徑的增加而下降，傳統的旋流器組并不適合高產液量的油井[1]。

1 油水分離系統的構成及其設計

1.1 井下分離系統構成

井下油水分離系統包括產出層、注入層、電潛泵、多相管流和井下油水分離器5個子系統構成。井下油水分離器系統和電潛泵系統是井下油水分離系統最重要的兩個部分。井下油水分離系統由水力旋流器組和流體流道組成，原油和電泵增壓后的能量在該處分別進行油水分離和能量分配，是保證油水分離正常工作的核心[2-4]。

1.2 并聯旋流器井下分離裝置設計

針對井下油水分離器的結構形式和工藝特點數據：所設計的井下旋流器最大外殼直徑不得超過210mm，旋流入口處理流量Q=1000m3/d，原油含水率為90%，要求采注比為1：4（即溢流量口流量為Q=200m3/d，底流口下注流量為Q=800m3/d），整個旋流器要求耐壓滿足35MPa。

2 旋流油水分離器的模擬計算

2.1 幾何模型的建立及網格劃分

將水力旋流器組的整體流道作為研究對象，用Gambit軟件建模，采用結構網格法，選擇合適的網格生成網格，局部旋流器組計算模型結構如圖2所示。

2.2 設定計算條件

（1）湍流模型

k-epsilon模型中的RNG k-□雙方程湍流模型。

圖2 旋流器組計算模型結構

（2）物性條件

單項模型介質為水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3 kg/（m.s），兩相模型介質為油和水的混合物，主項為水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3 kg/（m.s），次項為油，密度為850kg/m3，粘度為3×10-3 kg/（m.s），油滴內徑30um。

（3）邊界條件

介質切向進入旋流器，設置入口平面為速度入口VELOCITY-INLET，設置出口平面為壓力出口PRESSURE_OUELET。

2.3 并聯仿真結果及其分析

在旋流器的重要部位（旋流入口、旋流出口等）選取六個垂直于旋流器幾何軸線（Z軸）的平面，分別為Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600，下文模擬仿真圖中line17、line18、line19、line20、line21、line22分別為面在Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600處沿半徑分布的線。油水兩相流下得到壓力、速度、湍動能等仿真結果。

（1）壓力分布

如圖4所示，旋流器軸截面靜壓分布圖，旋流器旋流口及其以上部位，靜壓力較大，靜壓力隨著半徑的減小而減小；如圖5所示，靜壓沿半徑分布曲線圖，越靠近旋流器入口處的靜壓越大，越靠近旋流器底流口靜壓力越小，靜壓力隨著半徑的減小而減小；如圖6所示，旋流器入口靜壓分布圖，旋流器內部靜壓比旋流器流道小。造成靜壓變化的原因：油水混合物經過增壓泵增壓后，切向進入旋流器，壓力較大，在旋流口以下面，由于旋流器的壓降，壓力曲線沿Z軸向下而逐漸減小，越靠近底流口，能量損失就越大[5]。

（2）速度矢量圖

如圖7所示，七個并聯旋流器入口內部流場的速度矢量圖，向內旋流器運動的流體速度較小，向上運動，從溢流口排出，向外旋流器運動的流體速度較大，向下運動，從底流口排出。

（3）切向速度

如圖8所示，各截面切向速度沿半徑分布曲線，沿半徑的方向由外到內，可以將曲線分為三段：靠近旋流器表面的邊界層、上升段、中心區域的下降段。切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在某一位置達到最大，而后隨著徑向位置進一步減小，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低。在r=20mm左右的區域，切向速度達到最大。

（4）軸向速度

如圖9所示，各截面軸向速度的變化規律基本相同，沿半徑方向向下，速度方向也為下，隨半徑的減小而減小，再轉變為向上的速度，隨半徑的增大而增大，在旋流器半徑的中部通過零點。軸向速度影響到流體在旋流器內的停滯時間，速度太大將會影響到油相顆粒在流場的滯留時間，不利于油水分離。

（5）徑向速度

如圖10所示，可以看出相對于切向速度和軸向速度，徑向速度分布規律相對復雜，而且比切線速度和軸向速度小得多，隨著半徑的變化，徑向速度沒有明顯的規律，難以測定，軸心等一些區域，徑向速度為0，在軸心處徑向速度梯度較大，隨著半徑的增大而快速降低，這說明在各個旋流器中心附近產生的內旋流場是分離的有效區域。

圖10 徑向速度沿半徑分布曲線

3 分離效率

分流比在25%時，如表1和表2所示，旋流器組分離數據，旋流器組在不同出口處油水混合、油和水的流量。

根據表1和表2給定的數據，得到分流效率：

η=溢流口油流量/（溢流口油流量+底流口油流量）×100%

=0.907/（0.907+0.026）×100%=97.21%

可以得到，所設計的并聯旋流器的分離效率和處理能力較高，能夠滿足海上用大流量油水分離的需求。

4 結論與展望

4.1 設計了并聯結構的旋流油水分離器系統的結構，根據井下油井的特征確定了水力旋流器的結構尺寸。

4.2 對旋流油水分離器的內部流場進行數值模擬，結果表明，靜壓力隨著半徑的減小而減小，切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低，軸向速度，先隨半徑的減小而減小，再隨半徑的增大而增大，徑向速度沒有明顯的規律，靠近旋流器器壁的邊界處的湍動能值比旋流器的內部區域大等規律。

4.3 根據溢流口和底流口的模擬數據，計算得到旋流器的分離效率，分析得到所設計的并聯旋流器分離效率高、處理能力強等優點。

4.4 國外海上用大流量井下油水分離系統已進入應用階段，而國內旋流器的研究仍處于起步階段，還有許多具體的工作需要進一步研究、探索和開發。今后的研究工作中，要對海上用旋流器的結構和加工方面進一步的完善、通過仿真處理進一步優化設計，提高旋流器的分離效率和處理能力。

【參考文獻】

[1]李增亮，董祥偉，趙傳偉.一種帶多級并聯水力旋流器的井下油水分離裝置[P].國家發明專利，2013.05.15.

[2]李增亮，孫浩玉.井下水力旋流油水分離器的研制與性能試驗[J].石油機械，2005，33（11）：44-46.

[3]李增亮，張來斌，婁暉，等.電潛單螺桿泵油井生產系統優化設計方法研究[J].石大學學報：自然科學版，2003，27（5）：66-70.

[4]顏廷俊，李增亮，王旱祥，李自力.電潛泵井下油水分離系統方案設計[J].石油機械，2000，28（9）：5-6.

[5]劉海生，賀會群，艾志久，等.雷諾應力模型對旋流器內流場的數值模擬[J].計算機仿真，2006，23（9）：243-245.

[6]楊琳，梁政，田家林.雙錐型油水分離旋流器內部流場數值模擬[J].FLUID MACH NERY，2008，36（5）：30-34.

[責任編輯：曹明明]

根據表1和表2給定的數據，得到分流效率：

η=溢流口油流量/（溢流口油流量+底流口油流量）×100%

=0.907/（0.907+0.026）×100%=97.21%

可以得到，所設計的并聯旋流器的分離效率和處理能力較高，能夠滿足海上用大流量油水分離的需求。

4 結論與展望

4.1 設計了并聯結構的旋流油水分離器系統的結構，根據井下油井的特征確定了水力旋流器的結構尺寸。

4.2 對旋流油水分離器的內部流場進行數值模擬，結果表明，靜壓力隨著半徑的減小而減小，切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低，軸向速度，先隨半徑的減小而減小，再隨半徑的增大而增大，徑向速度沒有明顯的規律，靠近旋流器器壁的邊界處的湍動能值比旋流器的內部區域大等規律。

4.3 根據溢流口和底流口的模擬數據，計算得到旋流器的分離效率，分析得到所設計的并聯旋流器分離效率高、處理能力強等優點。

4.4 國外海上用大流量井下油水分離系統已進入應用階段，而國內旋流器的研究仍處于起步階段，還有許多具體的工作需要進一步研究、探索和開發。今后的研究工作中，要對海上用旋流器的結構和加工方面進一步的完善、通過仿真處理進一步優化設計，提高旋流器的分離效率和處理能力。

【參考文獻】

[1]李增亮，董祥偉，趙傳偉.一種帶多級并聯水力旋流器的井下油水分離裝置[P].國家發明專利，2013.05.15.

[2]李增亮，孫浩玉.井下水力旋流油水分離器的研制與性能試驗[J].石油機械，2005，33（11）：44-46.

[3]李增亮，張來斌，婁暉，等.電潛單螺桿泵油井生產系統優化設計方法研究[J].石大學學報：自然科學版，2003，27（5）：66-70.

[4]顏廷俊，李增亮，王旱祥，李自力.電潛泵井下油水分離系統方案設計[J].石油機械，2000，28（9）：5-6.

[5]劉海生，賀會群，艾志久，等.雷諾應力模型對旋流器內流場的數值模擬[J].計算機仿真，2006，23（9）：243-245.

[6]楊琳，梁政，田家林.雙錐型油水分離旋流器內部流場數值模擬[J].FLUID MACH NERY，2008，36（5）：30-34.

[責任編輯：曹明明]

根據表1和表2給定的數據，得到分流效率：

η=溢流口油流量/（溢流口油流量+底流口油流量）×100%

=0.907/（0.907+0.026）×100%=97.21%

可以得到，所設計的并聯旋流器的分離效率和處理能力較高，能夠滿足海上用大流量油水分離的需求。

4 結論與展望

4.1 設計了并聯結構的旋流油水分離器系統的結構，根據井下油井的特征確定了水力旋流器的結構尺寸。

4.2 對旋流油水分離器的內部流場進行數值模擬，結果表明，靜壓力隨著半徑的減小而減小，切向速度隨半徑的減小而迅速增大，在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低，軸向速度，先隨半徑的減小而減小，再隨半徑的增大而增大，徑向速度沒有明顯的規律，靠近旋流器器壁的邊界處的湍動能值比旋流器的內部區域大等規律。

4.3 根據溢流口和底流口的模擬數據，計算得到旋流器的分離效率，分析得到所設計的并聯旋流器分離效率高、處理能力強等優點。

4.4 國外海上用大流量井下油水分離系統已進入應用階段，而國內旋流器的研究仍處于起步階段，還有許多具體的工作需要進一步研究、探索和開發。今后的研究工作中，要對海上用旋流器的結構和加工方面進一步的完善、通過仿真處理進一步優化設計，提高旋流器的分離效率和處理能力。

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[2]李增亮，孫浩玉.井下水力旋流油水分離器的研制與性能試驗[J].石油機械，2005，33（11）：44-46.

[3]李增亮，張來斌，婁暉，等.電潛單螺桿泵油井生產系統優化設計方法研究[J].石大學學報：自然科學版，2003，27（5）：66-70.

[4]顏廷俊，李增亮，王旱祥，李自力.電潛泵井下油水分離系統方案設計[J].石油機械，2000，28（9）：5-6.

[5]劉海生，賀會群，艾志久，等.雷諾應力模型對旋流器內流場的數值模擬[J].計算機仿真，2006，23（9）：243-245.

[6]楊琳，梁政，田家林.雙錐型油水分離旋流器內部流場數值模擬[J].FLUID MACH NERY，2008，36（5）：30-34.

[責任編輯：曹明明]