海上油井用井下高處理流量旋流分離器的仿真分析

張磊

【摘 要】根據(jù)對海上油井用井下高處理流量（500m3/d）旋流器進(jìn)行仿真分析，介紹了油水分離用旋流器的CFD數(shù)值模擬及結(jié)果分析方法。針對海上油井高產(chǎn)液量的特點(diǎn)，從能耗和效率兩方面評價(jià)了高處理流量旋流器的分離性能。利用仿真結(jié)果，分析旋流器流場速度、壓力、油滴切應(yīng)力、湍動(dòng)能等隨流量的變化規(guī)律，通過分析可知，當(dāng)流量增加時(shí)，切向速度及徑向壓力梯度增大，在一定程度上使得分離效率增加；渦流場中油滴時(shí)均切應(yīng)力隨流量變化較小，但由湍流引起的瞬時(shí)切應(yīng)力受流量影響較大，這是加劇油滴破碎的主要原因；流量相同時(shí)，多級小名義直徑旋流器并聯(lián)的分離性能要優(yōu)于單級旋流器，但單級旋流器結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置流道，更適合井下應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】海上油井；井下油水分離器；高處理流量；旋流器切應(yīng)力；分離性能

中圖分類號： TE952 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）32-0094-003

【Abstract】The numerical simulation and analysis of hydrocyclone for high flow rate oil/water separation are conducted. The simulation results of the high flow rate （500m3/d） hydrocyclone are analyzed. The separation performance of the high flow rate cyclone was evaluated from the aspects of energy consumption and efficiency in view of the characteristics of high oil production in offshore oil wells. The results show that the tangential velocity and the radial pressure gradient of the hydrocyclone increase with the increase of the flow rate， and the velocity and pressure of the hydrocyclone， the shear stress of the oil droplet and the turbulent kinetic energy vary with the flow rate. The shear stress of the oil droplet in the eddy current field is smaller than that of the flow， but the instantaneous shear stress caused by the turbulence is greatly affected by the flow rate， which is the main factor that aggravates the breakage of small oil droplet. The separation performance of the multi-stage small nominal diameter cyclone is better than that of the single-stage cyclone， but the single-stage cyclone is compact and easy to arrange the runner， which is more suitable for downhole application.

【Key words】Offshore oil well； High flow rate； Hydrocyclone； Shear stress； Separation performance

0 引言

液-液水力旋流器基于離心分離原理，可用于油水兩相分離，是井下油水分離技術(shù)的核心部件[6]。為適應(yīng)海上油井高產(chǎn)液量的特點(diǎn)，需要配置相應(yīng)的高處理流量井下旋流器，但是相關(guān)設(shè)計(jì)理論并不完善，且缺乏經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停虼吮疚氖褂肅FD數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。近些年來，學(xué)者們利用計(jì)算機(jī)模擬對油水分離旋流器進(jìn)行研究，在內(nèi)流場機(jī)理以及分離性能預(yù)測方面取得了一些成果，其仿真結(jié)果被證明具備一定的可信度。

目前關(guān)于旋流式油水分離器的數(shù)值仿真研究大多針對地面用的小流量油水分離器，該類分離器的特點(diǎn)就是入口流量相對較低（一般低于200m3/d） ，管徑較小（小于50mm）[3-5]。而對于海上油井用的高處理流量（高達(dá)500m3/d） 水力旋流器未見有文獻(xiàn)報(bào)道。我國海上平臺油水分離技術(shù)采用較多的是利用重力物理原理分離方式，即通過油水兩相介質(zhì)存在密度差，將混合液靜放至一段時(shí)間，對不同的液相進(jìn)行分離，重力分離器最常見的是形式是臥式分離器。相對于水力旋流技術(shù)而言，重力式分離裝備體積大、分離周期長，并適合于海上油井井下應(yīng)用。

為解決傳統(tǒng)方法無法指導(dǎo)海上油井高流量井下水力旋流器設(shè)計(jì)的問題，本文運(yùn)用數(shù)值模擬手段，分析旋流器對高處理流量的適應(yīng)性，包括高處理流量下分離性能預(yù)測及評價(jià)，以及流場特征量隨流量的變化規(guī)律等。數(shù)值模擬作為一種手段，雖然在定量計(jì)算上存在一定誤差，但在定性分析及橫向比較方面具備顯著的優(yōu)勢。

1 井下水力旋流器結(jié)構(gòu)

本文仿真模型是基于G.A.B.Young的單錐旋流器模型[7]，如圖1所示，主結(jié)構(gòu)由圓柱段、錐段、尾管段組成，圖中給出了基本結(jié)構(gòu)尺寸的比例關(guān)系。單錐旋流器是基于離心分離原理，利用油水兩相的密度差而實(shí)現(xiàn)分離，無運(yùn)動(dòng)部件，徑向尺寸小，特別適合于井下應(yīng)用[8]。endprint

2 數(shù)值模擬方法與結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬方法

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD 軟件被廣泛用于水力旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流場研究中，并取得了良好的效果[2-3]。對于湍流模型的選擇，應(yīng)用較多的則是基于雷諾平均（RANS）湍流模型。NARASIMHA 等采用LES 模型、RSM模型、k-e模型預(yù)測了旋流器空氣核大小，結(jié)果LES模型和RSM模型（雷諾應(yīng)力模型）取得了預(yù)實(shí)驗(yàn)更吻合的結(jié)果。

依據(jù)圖1中所示的結(jié)構(gòu)尺寸比例關(guān)系，建立不同名義直徑（Dc=60，70，80，90mm）的單錐旋流器幾何模型。采用掃掠法生成六面體網(wǎng)格，以旋流器頂面為源面，沿軸向掃掠，控制掃掠尺度，得到既滿足質(zhì)量要求又考慮計(jì)算時(shí)間的網(wǎng)格，圖2為劃分的網(wǎng)格圖。

使用FLUENT定常非耦合求解器求解旋流器內(nèi)流場，控制方程基于時(shí)均化的N-S方程，結(jié)合雷諾應(yīng)力模型（RSM）及歐拉多相流模型，離散格式采用適合于六面體的高精度格式QUICK格式，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法。

邊界條件采用速度入口（Velocity Inlet），入口速度值根據(jù)不同的流量來設(shè)定，流量分別為150、200、250、300、350、400、450、500（單位m3/d，立方米/天）。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 速度分布

旋流器速度分布包括切向速度分布和軸向速度分布。

圖3（a）為切向速度分布圖，切向速度分布呈蘭金組合渦結(jié)構(gòu)，沿半徑由邊壁向中心先升高后降低，存在最大值Vtmax，該值標(biāo)定了所在截面的切向速度等級。單錐旋流器由于錐段的縮頸，沿軸向保持了切向速度的量級。

圖3（b）為軸向速度分布圖，軸向速度分布特征在于存在零軸速包絡(luò)面（簡稱LZVV，如紅色線所示），即軸向速度為零的點(diǎn)包絡(luò)成的空間曲面。LZVV為內(nèi)、外旋流的分界面，由圖中還可以看出LZVV的形狀及位置隨流量變化較小。

2.2.2 壓力分布

壓力分布包括徑向壓力分布和軸向壓力分布。圖4中包括壓力分布云圖和邊壁壓力沿軸向的變化曲線。對于徑向壓力分布，基于渦流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，徑向壓力分布呈中間低兩邊高的特征；對于軸向壓力分布，學(xué)者們往往并不多加注意，而是更關(guān)心代表離心力的徑向壓力分布。圖中給出了流量為350m3/d和300m3/d時(shí)邊壁壓力沿軸向的變化曲線，壓力沿邊壁向下產(chǎn)生壓力降，本文用此壓力降代表軸向壓降，如圖所示隨著流量的升高軸向壓降也相應(yīng)增大。

2.2.3 油相濃度分布

通過兩相流模擬，得到旋流器內(nèi)油相濃度分布。如圖5所示，為油相濃度分布云圖及分布曲線，圖中比較了250m3/d和350m3/d油相分布情況，流量越高油相聚結(jié)程度越好。

3 高處理流量旋流器分離性能預(yù)測與評價(jià)

由圖6可知，分離效率隨流量的增加而增加，達(dá)到一定值后開始變平緩，且在同一流量下，小名義直徑的旋流器分離效率更優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）特征截面切向速度最大值隨流量的增加而增大且呈線性關(guān)系，比例因子k與截面位置有關(guān)，而軸向速度分布受流量影響較小；切向速度和徑向壓力梯度隨流量的增加而增大，是分離效率隨流量提升的主要原因；

（2）分散相油滴所受的時(shí)均切應(yīng)力與切向速度梯度呈正比，在邊壁和近中心處具有較高值；外旋流大部分區(qū)域時(shí)均切應(yīng)力較小且受流量影響較弱；時(shí)均切應(yīng)力不是加劇油滴破碎的主要原因；

（3）分離效率隨流量的增加而增大，且名義直徑越小分離效率越高，但能耗也相應(yīng)增加，在選型時(shí)應(yīng)綜合考慮效率與能耗，在滿足分離效率的條件下盡可能降低能耗；多級小名義直徑旋流器并聯(lián)的分離性能優(yōu)于單級大名義直徑。

【參考文獻(xiàn)】

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[6]李增亮，張瑞霞，董祥偉.井下油水分離系統(tǒng)電泵機(jī)組匹配研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2010，34（3）：94-98.

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