采出液脫氣除砂一體化內(nèi)錐式旋流器數(shù)值模擬

趙立新，李宜強，徐保蕊，王　羕，車 鑫，成慶林

采出液脫氣除砂一體化內(nèi)錐式旋流器數(shù)值模擬

趙立新1，2，李宜強1，徐保蕊2，王羕2，車 鑫3，成慶林2

（1．中國石油大學(xué)（北京），北京102249；2．東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318；3．大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶163414）

油田生產(chǎn)中面臨多相介質(zhì)的處理問題，采用單一結(jié)構(gòu)設(shè)備實現(xiàn)脫氣除砂一體化處理，對于簡化工藝、降低壓力損耗都具有十分重要的意義。設(shè)計了一種內(nèi)錐式脫氣除砂一體化三相介質(zhì)分離水力旋流器，并對內(nèi)錐直徑、內(nèi)錐高度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)選。通過對旋流器脫氣、除砂效果和溢流口與底流口壓力損失的數(shù)值模擬分析，優(yōu)選旋流器內(nèi)錐直徑為30 mm、內(nèi)錐高度為96 mm。所設(shè)計的內(nèi)錐式脫氣除砂一體化旋流器具有較好的分離效果，可有效用于油田采出液的脫氣除砂一體化分離處理。

旋流器；脫氣除砂；內(nèi)錐；數(shù)值模擬

在工程實踐中存在許多氣、液、固三相分離的問題，在油田生產(chǎn)中也是如此。隨著我國油田開發(fā)的不斷深入，某些地層由于膠結(jié)疏松、生產(chǎn)壓差過大，導(dǎo)致地層出砂［1］；另外，地層壓力下降、原油中的溶解氣過早析出等因素使得采出液的含砂量以及伴生氣量逐年增加。同時，隨著聚合物驅(qū)油及三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用，使得采出液處理的難度逐漸加大，原有的沉降式處理設(shè)備逐漸不能適應(yīng)高黏度介質(zhì)的處理。因此，實現(xiàn)油田高效脫氣除砂已成為迫在眉睫的關(guān)鍵技術(shù)問題。

目前，油田上應(yīng)用的除砂設(shè)備主要有重力沉降、過濾除砂、離心除砂以及旋流器除砂等幾種形式。無論對于液固分離（除砂）還是氣液分離（脫氣），每一項分離過程通常都需要通過相應(yīng)的設(shè)備來實現(xiàn)，并產(chǎn)生一定的壓力損失［2］。如果能將多相脫氣與除砂過程集于一體，會使設(shè)備及工藝得到很大程度的簡化，系統(tǒng)能耗也會得到進一步降低［3］。隨著石油、化工等生產(chǎn)設(shè)備向高效節(jié)能和多功能化發(fā)展，開發(fā)一機多能的新裝置已成為21世紀的技術(shù)發(fā)展方向，一體化設(shè)備也將具有更為廣闊的市場應(yīng)用前景［4］。

水力旋流器是一種高效的離心分離設(shè)備，具有設(shè)備體積小、處理時間短、分離效率高等突出的特點［5-8］。本文介紹了開發(fā)設(shè)計的一種脫氣除砂一體化水力旋流器及其參數(shù)優(yōu)化分析，對于石油、石化行業(yè)多相介質(zhì)處理及旋流分離技術(shù)研究提供一定的借鑒。

1　結(jié)構(gòu)原理

本文設(shè)計的脫氣除砂一體化旋流器外型為圓柱型，上部有切向入口；頂部為溢流富氣流出口，溢流管伸入到分離器內(nèi)部；下端有一切向的側(cè)向富固流出口；在筒體內(nèi)部有一錐形空心體，在此錐體中段布置若干出水通道，在錐形空心體下端連接底流富液流排出管。該旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　三相分離旋流器結(jié)構(gòu)

氣、液、固三相混合介質(zhì)從旋流器的切向入口高速流入，在離心力的作用下，氣體從液固介質(zhì)中分離出，并集中于倒錐的錐尖附近，然后由頂部溢流口排出［8］；液固混合介質(zhì)在后續(xù)介質(zhì)的推動下繼續(xù)下行。由于環(huán)空截面積逐步減小，旋轉(zhuǎn)速度得到一定程度的補償，因此在離心力的作用下，液體介質(zhì)和固體介質(zhì)實現(xiàn)進一步分離，大部分固體介質(zhì)聚集于旋流器的邊壁附近，最終由底部切向固體出口排出；與此同時，液體介質(zhì)聚集在旋流器的內(nèi)錐面附近，通過錐面上的孔道進入倒錐內(nèi)部，并最終由底部液體出口排出，由此實現(xiàn)氣-液-固三相介質(zhì)的一體化分離。

考慮到氣體排出后液固混合介質(zhì)在流場中仍然以旋轉(zhuǎn)運動為主，因此將排液孔設(shè)計為切向流道的形式（其旋向與旋流器的切向入口相同），這樣可不破壞旋流器內(nèi)的液流旋轉(zhuǎn)運動，對于旋流器內(nèi)的離心分離過程是有益的。排液孔布置方式如圖2所示。

圖2　排液孔布置方式

該旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：旋流器主直徑、入口尺寸、底流口尺寸、側(cè)向出口尺寸、排液孔中心高度、內(nèi)錐直徑、內(nèi)錐高度、旋流腔長度、溢流管直徑以及溢流管伸入長度等。旋流器設(shè)計采用內(nèi)錐結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)脫氣處理，并在內(nèi)錐與旋流器外筒間的環(huán)空內(nèi)進一步實現(xiàn)液固分離，并將分離后的液體通過排液孔進入內(nèi)錐結(jié)構(gòu)中而隨后由底流排液管排出。因此，內(nèi)錐的結(jié)構(gòu)尺寸對于脫氣和除砂都會產(chǎn)生較大的影響。本文將重點分析內(nèi)錐直徑和內(nèi)錐高度的影響及其參數(shù)優(yōu)選。

2　數(shù)值模擬

水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的微小變化都會對分離特性產(chǎn)生很大的影響。本文應(yīng)用Fluent軟件，對旋流器內(nèi)部流場分布及其參數(shù)變化規(guī)律開展了數(shù)值模擬分析。因流體在旋流器內(nèi)的運動為強湍流運動，故采用雷諾應(yīng)力模型（R S M）［9］，算法、介質(zhì)物性參數(shù)及網(wǎng)格劃分等詳見文獻［10］。

通過對速度場分布、壓力場分布、氣相和固相體積分數(shù)分布等的分析，可以較為全面地了解和掌握三相分離器內(nèi)流場的分布和變化規(guī)律，為研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作運行參數(shù)對分離器內(nèi)流場分布及氣液固三相分離效果的影響提供理論依據(jù)，進而為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選和操作參數(shù)的合理選擇提供借鑒。

2．1 內(nèi)錐直徑

離散時間問題表述如下:將0～tf的連續(xù)時間離散為N個相等長度的區(qū)間.對式(7)的成本函數(shù)進行離散化,可以寫成

圖3為不同內(nèi)錐直徑時氣相體積分數(shù)云圖，可以看出：隨著內(nèi)錐直徑的增大，底流口排出的氣相體積分數(shù)逐漸減少。分析原因可能是由于內(nèi)錐直徑的增大，在內(nèi)錐高度不變的前提下，錐度加大，更有利于氣相介質(zhì)的分離，因此使得底流出口中氣相體積分數(shù)減少。

圖3　不同內(nèi)錐直徑時氣相體積分數(shù)云圖

圖4為不同內(nèi)錐直徑時固相分離效率曲線，可以看出：當(dāng)內(nèi)錐直徑為25 mm和30 mm時，旋流器具有較好的分離效率，且30 mm時相對最高。

圖4　不同內(nèi)錐直徑時固相分離效率曲線

圖5～6分別是不同內(nèi)錐直徑時溢流壓力降和底流壓力降對比曲線，可以看出：當(dāng)內(nèi)錐直徑增大時，壓力降隨之增大。

圖5　不同內(nèi)錐直徑時溢流壓力降對比

圖6　不同內(nèi)錐直徑時底流壓力降對比

根據(jù)以上分析，本研究選定內(nèi)錐直徑為30 mm。

2．2 內(nèi)錐高度

在內(nèi)錐直徑已定的情況下，通過改變內(nèi)錐高度來觀察分離器的分離效果，最終確定適合的內(nèi)錐尺寸。

圖7　不同內(nèi)錐高度時氣相體積分數(shù)云圖

圖8為不同內(nèi)錐高度時側(cè)向出口固體體積分數(shù)曲線圖，可以看出：隨著內(nèi)錐高度的增大，側(cè)向出口的固相體積分數(shù)基本呈逐漸增高的趨勢。結(jié)合不同內(nèi)錐高度時固相分離效率曲線圖（如圖9）可知：旋流器固相分離效率隨內(nèi)錐高度的增加而提高，至一定值后略有減少。在本研究中，當(dāng)內(nèi)錐高度為96 mm時分離效率最高。

圖8　不同內(nèi)錐高度時側(cè)向出口固體體積分數(shù)變化

圖9　不同內(nèi)錐高度時固相分離效率曲線

圖10～11分別為不同內(nèi)錐高度時溢流壓力降和底流壓力降對比曲線，可以看出：壓力損失的變化趨勢并沒有如預(yù)想的那樣，呈現(xiàn)單調(diào)變化趨勢；當(dāng)內(nèi)錐高度為96 mm時，旋流器具有較低的溢流壓力損失和底流壓力損失。

圖10　不同內(nèi)錐高度時溢流壓力降對比

圖11　不同內(nèi)錐高度時底流壓力降對比

根據(jù)以上分析，確定內(nèi)錐高度為96 mm。

圖12為優(yōu)選設(shè)計后的旋流器固相體積分數(shù)分布圖和氣相體積分數(shù)分布圖，可以看出：內(nèi)錐結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選后的旋流器具有較好的固相分離效果和氣相分離效果。

圖12　最優(yōu)結(jié)構(gòu)固相與氣相分布云圖

3　結(jié)論

1） 通過內(nèi)錐式結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得采用單一結(jié)構(gòu)旋流器實現(xiàn)脫氣除砂一體化成為可能。

2） 考慮到內(nèi)錐式結(jié)構(gòu)為該旋流器的主體結(jié)構(gòu)，因此本文對內(nèi)錐直徑和內(nèi)錐高度2個主要參數(shù)進行了優(yōu)選分析。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：隨著內(nèi)錐直徑的增大，底流排出的氣相體積分數(shù)降低，而側(cè)向出口排出的固相體積分數(shù)也基本呈下降趨勢；同時，隨著內(nèi)錐直徑增大，溢流口和底流口壓力損失同時增加。因此，旋流器的內(nèi)錐直徑優(yōu)選為30 mm。

3） 隨著內(nèi)錐高度的增大，側(cè)向出口的固相體積分數(shù)基本呈逐漸增高的趨勢，至一定值后略有減少。內(nèi)錐高度為96 mm時分離效率最高。壓力損失并沒有呈現(xiàn)單調(diào)變化的趨勢，而是在內(nèi)錐高度為96 mm時，溢流壓力損失和底流壓力損失相對較低。

4） 本文所設(shè)計的內(nèi)錐式脫氣除砂一體化旋流器具有較好的分離效果，可用于采出液的脫氣除砂一體化分離處理。

［1］ 萬仁溥．采油工程手冊［K］．北京：石油工業(yè)出版社，2000：385-390．

［2］ 蔣明虎，劉曉敏，趙立新，等．脫油型動態(tài)水力旋流器操作參數(shù)的試驗研究：壓力、壓差及壓降比的試驗測定與分析［J］．石油礦場機械，2002，31（4）：18-21．

［3］ 趙立新，李宜強，徐保蕊，等．內(nèi)錐直徑對脫氣除砂一體化旋流器影響研究［J］．石油礦場機械，2014，43（10）：已錄用．

［4］ 周厚云．日本對21世紀化工裝置的設(shè)想［J］．現(xiàn)代化工，1997（8）：38-40．

［5］ 蔣明虎，趙立新，李楓，等．旋流分離技術(shù)［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000．

［6］ 趙立新，蔣明虎，孫德智．旋流分離技術(shù)研究進展［J］．化工進展，2005，24（10）：1118-1123．

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［8］ Zhao Lixin，Jiang Minghu，Xu Baorui，Zhu Baojun．Develop ment of anewtypehigh-efficient inner-cone hydrocyclone［J］．Chemical Engineering Research and Design，2012，90（12）：2129-2134．

［9］ 單永波，李玉星．雷諾應(yīng)力（RS M）模型對旋流器分離性能預(yù)測研究［J］．煉油技術(shù)與工程，2005，35（1）：18-21．

［10］ 趙立新，王羕，羅雅君，等．溢流管結(jié)構(gòu)對三相分離器分離效率的影響［J］．流體機械，2014，42（3）：6-9．

Numerical Sim ulation on a Produced-Fluid De-Gassing and De-Sanding Integrated Inner-Cone Hydrocyclone

ZHAO Lixin1，2，LI Yiqiang1，XU Baorui2，WANG Yang2，C H E Xin3，CHENG Qinglin2
（1.China Uniuersity of Petroleu m（Beijing），Beijing102249，China；2.N ortheast Petroleu m Uniuersity，Daqing163318，China；3.Daqing Oilfield Com pany Ltd.，Daqing163414，China）

M ulti-phase treatment is one ofinevitable problems that should be solved during oilfield operation．Realizing de-gassing and de-sanding integrated treatment using a one-unitis very essential for sim plifying technical process and lowering pressure loss．A kind of inner-cone de-gassing and de-sanding three-phase separation hydrocyclone（G LSC）was designed．N u merical sim ulation analysis and parametric optimization on its main structure para meters，i．e．，diameter and height of the inner cone，were carried out．By sim ulation analysis on these para meters on de-gassing／de-sanding effects，overflow and underflow pressure loss，30 mm was optimized to as the dia meter ofinner cone，and 96 mm as the height．The designed G LSC has a satisfied separation effect．It could be applied for de-gassing and de-sanding of oilfield produced fluid．

hydrocyclone；de-gassing and de-sanding；inner cone；nu merical sim ulation

T E931．102

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．001

1001-3482（2015）01-0001-05

2014-07-11

中國博士后科學(xué)基金特別資助項目（2014 T70191）；黑龍江省省院科技合作項目（H Z201205）；東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室開放課題資助項目（N E P U-E O R-2012-0014）

趙立新（1972-），男，黑龍江安達人，教授，博士，主要從事旋流分離技術(shù)及油田水處理技術(shù)研究，E-mail：Lx＿zhao ＠126．co m。