海上用井下旋流油水分離器的設計研究

2014-12-25 05:55:26鄒潔純李增亮

科技視界 2014年22期

鄒潔純李增亮康強

（中國石油大學〈華東〉機電工程學院，山東青島 266555）

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。

如圖1 指示所示，并聯旋流器井下分離裝置，箭頭所指為流體的運動方向，為了提高入口流道的導流能力，采用圓弧曲線型入口流道形式。

圖1 并聯旋流器井下分離裝置

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

已知Q 為入口流量，S 為入口面積，入口為圓形，直徑為50mm，其中Q=1000/d，S=πR2=3.14×25×25=1962.5mm2。得到

水力直徑DH：DH=50mm

入口速度：V=Q/S=1000/(1962.5×10-6×24×3600)=5.9m/s

雷諾數:Re=(VDH)/γ=(5.9×50×10-3)/(1.003×10-6)=2.94×105

湍流強度：I=0.16×Re-1/8=3.3%

（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

圖3

（2）物性條件

單項模型介質為水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3kg/(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1.003×10-3kg/(m.s)，次項為油，密度為850kg/m3，粘度為3×10-3kg/(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。