井下兩級(jí)旋流分離技術(shù)流場(chǎng)模擬研究

大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院

因開(kāi)采技術(shù)、開(kāi)采地層條件的共同限制，在原油開(kāi)采過(guò)程中往往伴隨大量含油污水的產(chǎn)生[1-2]，部分油田含水率已超過(guò)90%，為地面分離、儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)，需配套大量的地面設(shè)施以解決含油污水對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。大量含油污水的存在不僅增加油田的生產(chǎn)成本，降低了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)增加了油田的環(huán)保壓力。全國(guó)每年因原油生產(chǎn)而產(chǎn)生的廢水超過(guò)4×108t，已成為油田污水的最主要來(lái)源[3]。通過(guò)改進(jìn)開(kāi)采技術(shù)，降低油田生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量含油污水，緩解含油污水對(duì)油田企業(yè)所造成的發(fā)展阻礙，已成為全球油田企業(yè)、環(huán)保部門(mén)、生態(tài)保護(hù)組織等各方的關(guān)注焦點(diǎn)。

1 井下油水分離技術(shù)

20 世紀(jì)90 年代在工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)了井下油水分離DOWS（Downhole oil-water separation）技術(shù)[4-5]。DOWS 技術(shù)同傳統(tǒng)油田分離技術(shù)相比，既不需要龐大的地面處理裝置，也不需要化學(xué)試劑的參與，在井下原油套管內(nèi)即可完成油水兩種介質(zhì)的分離[6]，圖1 為井下油水分離工藝示意圖[4]。該項(xiàng)技術(shù)在保障原油采收率的過(guò)程中，極大地減少了含油污水的產(chǎn)生，降低地面水處理費(fèi)用，保護(hù)了油田所在地的生產(chǎn)環(huán)境，是一項(xiàng)一舉多得的新型采油工藝。水力旋流器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、分離用時(shí)短、便于安裝及維護(hù)[7]，是DOWS系統(tǒng)的首選分離裝置[8-11]。

圖1 井下油水分離工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of downhole oil-water separation process

然而，井下工作的單級(jí)旋流器操作參數(shù)往往不易調(diào)節(jié)，最佳工作區(qū)間較為固定，對(duì)井況變化的適應(yīng)能力較弱[11]。主要原因是：井筒內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，采出液中含有較多雜質(zhì)，易磨損、堵塞旋流器的入口，使其工作性能隨時(shí)間的累積而降低[12-13]；另一方面，井下采出液的流動(dòng)較地面環(huán)境復(fù)雜，往往呈現(xiàn)脈沖流動(dòng)方式，對(duì)旋流器的最佳處理量范圍有較高要求，分離效率受井況變化影響較大。而井下兩級(jí)旋流分離技術(shù)在克服單級(jí)旋流器工作區(qū)間狹小的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步降低地面采出液量及采出液含水率，極大提升地下回注水水質(zhì)，減小地面無(wú)效水循環(huán)，降低地面水處理設(shè)備的投入。該工藝由兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的旋流器單體組成，分別為新型螺旋流道式旋流器和Thew 常規(guī)雙切向入口旋流器，通過(guò)兩級(jí)旋流器串聯(lián)應(yīng)用，可在降低采出液規(guī)模的基礎(chǔ)上，達(dá)到提高采出液含油濃度，降低回注水含油量[14]，提升回注水質(zhì)量的目的。

2 流場(chǎng)分析

為了解兩級(jí)串聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律并對(duì)兩級(jí)串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)兩級(jí)串聯(lián)旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析其速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的變化特征，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可行性的研究方向。為便于研究各部分的流場(chǎng)規(guī)律，對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)不同位置的流場(chǎng)截面均進(jìn)行了研究，圖2 為井下兩級(jí)旋流裝置三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，一級(jí)旋流器（Hy1）為螺旋流道旋流器，對(duì)油水兩相的混合液進(jìn)行初分離；二級(jí)旋流器（Hy2）為T(mén)hew 常規(guī)雙切向入口旋流器（經(jīng)典結(jié)構(gòu)，僅簡(jiǎn)要分析），對(duì)一級(jí)底流液體進(jìn)行二次精細(xì)分離。在Hy1 及Hy2 內(nèi)部選取不同軸向位置的徑向截面，以便于觀察不同位置的流場(chǎng)分布，徑向截面選取位置如圖3。

圖2 井下兩級(jí)旋流裝置三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Three-dimensional structure diagram of downhole twostage cyclone device

DOWS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖只包含旋流分離的核心部位，依次為：一級(jí)旋流器、兩級(jí)旋流器過(guò)渡結(jié)構(gòu)、二級(jí)旋流器。圖4 為簡(jiǎn)化后的井下兩級(jí)旋流裝置網(wǎng)格劃分示意圖，通過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性檢查[15]，確定模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量（約為48 萬(wàn)網(wǎng)格），以避免精度引起誤差[16]，在一級(jí)旋流器的螺旋流道及二級(jí)旋流器的切向入口處進(jìn)行網(wǎng)格加密以減小網(wǎng)格的扭曲變形。

2.1 速度矢量

圖3 井下兩級(jí)旋流裝置徑向截面劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of radial section division of downhole two-stage cyclone device

無(wú)論是螺旋流道的新型螺旋流道式旋流器還是Thew 常規(guī)雙切向入口旋流器，均是靠入口結(jié)構(gòu)改變流體的原有運(yùn)動(dòng)方式，使其經(jīng)過(guò)入口的特殊結(jié)構(gòu)后具有切向速度vt、軸向速度vz、徑向速度vr這三個(gè)方向的速度分量。對(duì)于旋流分離來(lái)說(shuō)，切向速度vt的大小直接影響油水兩相介質(zhì)的分離程度，對(duì)旋流器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要[17]。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of mesh generation

從Hy1 內(nèi)各徑向截面速度矢量圖（圖5）可知，流體在螺旋流道兩側(cè)的速度矢量是不同的，螺旋流道兩側(cè)的速度矢量差異明顯，經(jīng)過(guò)螺旋流道的加速作用后，流體速度得到明顯提升，說(shuō)明螺旋流道可提高介質(zhì)流動(dòng)速度，增加介質(zhì)所受離心力的作用。隨著介質(zhì)在Hy1 軸向方向的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，在截面Ⅲ處表現(xiàn)出以軸心為中心點(diǎn)，中心、壁面處速度矢量明顯高于過(guò)渡位置的現(xiàn)象，說(shuō)明介質(zhì)所受離心力在此處發(fā)生較大變化，有利于油滴向軸心位置移動(dòng)，水向壁面位置移動(dòng)，利于混合介質(zhì)的分離。當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)至截面Ⅳ時(shí)，軸心處流體速度明顯降低，這是因?yàn)樵撐恢玫牧鲌?chǎng)受循環(huán)流的影響較為嚴(yán)重，使流場(chǎng)發(fā)生了紊亂。在截面Ⅴ位置上，靠近軸心處位置明顯小于其他位置，這是因?yàn)樵摱谓Y(jié)構(gòu)主要起到穩(wěn)定流體流場(chǎng)的作用，不在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生旋流分離。

圖5 Hy1 徑向截面速度矢量分布Fig.5 Vector distribution of radial cross section velocity in Hy1

在Hy1 軸向截面速度矢量圖（圖6）中可明顯地看到，當(dāng)流體從入口處進(jìn)入螺旋流道后，因螺旋流道的特殊結(jié)構(gòu)使流體的速度矢量快速增加，令流體在進(jìn)入旋流腔后能夠保持高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為油水兩相的分離創(chuàng)造了必要條件。在Hy1 的溢流管附近可以看到較為明顯的循環(huán)流，具體表現(xiàn)在軸心處向上運(yùn)動(dòng)的流體在溢流口附近發(fā)生運(yùn)動(dòng)方向的改變，部分流體由朝向溢流管運(yùn)動(dòng)變?yōu)樘右葜烈缌鞴芡獠浚俅螀⑴c流體的旋流分離，并不斷重復(fù)此過(guò)程。進(jìn)行循環(huán)流的這部分流體除占據(jù)其他流體正常的運(yùn)動(dòng)區(qū)域外，還將造成旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)紊亂，降低分離性能。在二級(jí)旋流器的溢流管下方同樣發(fā)生了循環(huán)流，令軸心處流體的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，如圖7 所示，循環(huán)流是影響旋流器分離性能的共性問(wèn)題。

圖6 Hy1 軸向截面速度矢量分布Fig.6 Vector distribution of axial cross section velocity in Hy1

2.1.1 切向速度

從Hy1 徑向截面切向速度分布曲線(xiàn)（圖8）可知，當(dāng)混合介質(zhì)進(jìn)入Hy1 時(shí)，因無(wú)螺旋流道，受入口結(jié)構(gòu)的限制，流體只能夠沿軸向運(yùn)動(dòng)，只有到達(dá)螺旋流道后，受螺旋流道的強(qiáng)制作用，流體開(kāi)始從單一的軸向運(yùn)動(dòng)變?yōu)榫哂星邢颉⑤S向、徑向速度分量的旋流運(yùn)動(dòng)。截面Ⅲ處于溢流管、旋流腔所在的共同位置，此處流體的切向速度以軸心為中心點(diǎn)呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布。從壁面開(kāi)始至溢流管外壁處，切向速度快速上升，達(dá)到最大值4.25 m/s 后穩(wěn)步下降，且在徑向位置10 mm 左右，切向速度有小幅回升后繼續(xù)快速降低，這是因?yàn)樾髌鞅诿鎸?duì)流體的運(yùn)動(dòng)具有一定的滯后功能，且離心力隨徑向距離的減少而降低；在溢流管內(nèi)，流體的切向速度從溢流管內(nèi)壁至軸心處亦呈現(xiàn)出先增后降低的趨勢(shì)。流體在截面Ⅳ、截面Ⅴ的切向運(yùn)動(dòng)規(guī)律同截面Ⅲ相似，但因其所處位置遠(yuǎn)離螺旋流道，流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)在此處已有所減少，故各切向速度在降低后無(wú)上升趨勢(shì)，靠近中心處切向速度最低。

圖7 Hy2 溢流口處軸向截面速度矢量放大分布圖Fig.7 Vector amplification distribution of axial cross section velocity in Hy2 overflow tube

圖8 Hy1 徑向截面切向速度分布曲線(xiàn)Fig.8 Tangential velocity distribution curve of radial cross section in Hy1

2.1.2 軸向速度

圖9 為Hy1 徑向截面軸向速度分布曲線(xiàn)圖，流體的軸向速度以軸心為分界點(diǎn)呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，有利于流場(chǎng)穩(wěn)定和油水兩相的均勻分布。在入口位置（截面Ⅰ）處，軸向速度隨徑向位置的縮減，表現(xiàn)出先增加、后平穩(wěn)過(guò)渡、再降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)流體在壁面處產(chǎn)生紊流，使流體的軸向運(yùn)動(dòng)有所降低。流經(jīng)螺旋流道進(jìn)入截面Ⅲ時(shí)，混合介質(zhì)的軸向速度表現(xiàn)為先增大后平穩(wěn)降低，直至軸向速度降低為0 時(shí)，在反方向重復(fù)先升高后降低的過(guò)程，在溢流管外壁處達(dá)到軸向速度的0 點(diǎn)。此處靠近溢流管下部易發(fā)生循環(huán)流，使流體正常的軸向運(yùn)動(dòng)受到干擾，降低流場(chǎng)的穩(wěn)定性。在溢流管內(nèi)部，從溢流管內(nèi)壁開(kāi)始，軸向速度表現(xiàn)為先增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)（以軸心為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)）。這是因?yàn)樵谛髌鲀?nèi)部準(zhǔn)強(qiáng)制渦的作用下，該部分流體的軸向速度增加后可得到有效保持，維持在較高水平下，軸向速度在0 點(diǎn)附近的平均值為7.0 m/s。

2.1.3 徑向速度

從Hy1 徑向截面徑向速度分布曲線(xiàn)（圖10）可以看出，在入口段及底流段內(nèi)代表徑向速度的曲線(xiàn)變化幅度較小，僅略微產(chǎn)生波動(dòng)，說(shuō)明這兩處結(jié)構(gòu)內(nèi)徑向速度較小且變化幅度小。結(jié)合徑向截面軸向速度分布曲線(xiàn)可知，在Hy1 入口處和底流管部分，流體的運(yùn)動(dòng)以軸向運(yùn)動(dòng)為主。代表截面Ⅲ的曲線(xiàn)徑向速度的波動(dòng)較為劇烈，這是因?yàn)樵撎幗孛嫖挥谛髑缓鸵缌鞴芴帲鲌?chǎng)變化幅度較大。以0 點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)，徑向速度在截面Ⅲ的曲線(xiàn)上隨徑向位置的減少呈現(xiàn)出先增加、后降低至0，隨后在10 mm位置時(shí)反向增加再降低的趨勢(shì)，直至達(dá)到溢流管外壁處徑向速度再次變?yōu)?。結(jié)合以上分析，在10 mm 位置處，流體受循環(huán)流影響較大，導(dǎo)致流場(chǎng)發(fā)生局部改變。在溢流管內(nèi)部，流體受準(zhǔn)強(qiáng)制渦的影響，從溢流管內(nèi)壁開(kāi)始至軸向處，徑向速度表現(xiàn)為先增加后降低的對(duì)稱(chēng)分布，在徑向位置0 點(diǎn)處達(dá)到溢流管內(nèi)部徑向速度的最低點(diǎn)。

2.2 壓力分布

在混合介質(zhì)因密度差被離心力分離的過(guò)程中，必然伴隨著流體的能量耗損，壓力降是流體能量耗損的最直觀體現(xiàn)。降低壓力降，減少能力損失，是優(yōu)化旋流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主攻方向。因旋流器內(nèi)部存在以軸向速度包絡(luò)面（LVZZ）為分界點(diǎn)的準(zhǔn)自由渦和準(zhǔn)強(qiáng)制渦，導(dǎo)致旋流器內(nèi)部不同位置的流體具有不同的壓力。其中，軸心處流體受準(zhǔn)強(qiáng)制渦的影響較大，流體的運(yùn)動(dòng)方向從軸心處向溢流管方向運(yùn)動(dòng)，直至排出旋流器，所用壓力較小；遠(yuǎn)離軸心處的外部流體受準(zhǔn)自由渦的作用較大，此部分流體在離心力的作用下發(fā)生旋流分離，密度較小的油滴向軸心運(yùn)動(dòng)，密度較大的水滴向旋流器壁面運(yùn)動(dòng)，流體具有較大的壓力。

從Hy1 徑向截面壓力降分布曲線(xiàn)（圖11）可以看出，截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ所代表的曲線(xiàn)從旋流器壁面開(kāi)始至軸向處，壓力降均呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，在軸向處達(dá)到壓力降的最大值，與上述外部流體壓力高、軸心處流體壓力低的分析相吻合。而入口處，因?yàn)榘l(fā)生混合介質(zhì)的旋流分離和流動(dòng)方向的改變，其壓力降保持平穩(wěn)，無(wú)變化。

圖11 Hy1 徑向截面壓力降分布曲線(xiàn)Fig.11 Pressure drop distribution curve of radial cross section in Hy1

圖12 為螺旋流道兩側(cè)速度矢量對(duì)比圖。流體經(jīng)過(guò)螺旋流道的強(qiáng)制加速及改變運(yùn)動(dòng)方向后，速度矢量增加明顯，最低值增加至1.8 m/s，最高值增加至6.0 m/s，增速效果明顯。結(jié)合壓力降曲線(xiàn)及各速度分布曲線(xiàn)可知，流體在經(jīng)過(guò)螺旋流道時(shí)運(yùn)動(dòng)空間迅速變小，壓力損失增大并轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（最高壓力損失超過(guò)0.24 MPa），尤其在切向、軸向速度分量上的增加更為明顯，有利于提高分離效率。

圖12 螺旋流道前后速度矢量對(duì)比Fig.12 Contrast of velocity vector in front and at the back of spiral channel

2.3 油相體積分?jǐn)?shù)

Hy1 為具有螺旋流道結(jié)構(gòu)的新型水力旋流器，研究其內(nèi)部的油相分布規(guī)律有助于了解分離過(guò)程中油滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要意義。由圖13 可知，Hy1 在軸心處具有較深的顏色代表此處具有較高的油相體積分?jǐn)?shù)，大量油滴在此處聚集形成油核并從溢流管排至旋流器外部。然而，聚集的油滴在溢流管下部發(fā)生了一定程度的耗散，油滴運(yùn)動(dòng)至溢流管下部時(shí)顏色變淺，軸心附近流體顏色變深但低于軸心處，油相體積分?jǐn)?shù)在溢流管下部由0.382 降至溢流管內(nèi)部的0.17，降幅明顯；而溢流管周?chē)黧w的油相體積分?jǐn)?shù)增至0.084 9，增幅顯著。這是因?yàn)檠h(huán)流的存在，干擾了油滴的上移運(yùn)動(dòng)，使聚集在一起的油滴發(fā)生了一定程度的離散，降低了Hy1 的分離效率。

圖13 Hy1 軸向截面油相分布云圖Fig.13 Oil phase distribution cloud chart of axial cross section in Hy1

3 結(jié)論

新型螺旋流道式水力旋流器所具有的特殊結(jié)構(gòu)可有效增加流體的速度矢量和運(yùn)動(dòng)方向，使流體由軸向運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體速度矢量大幅增加，各速度分量增加明顯。其中，切向速度的增加最為主要，利于離心分離的進(jìn)行，可提高旋流器性能。一級(jí)旋流器各徑向截面上切向速度從壁面至軸心處，均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，這種兩邊低中心高的對(duì)稱(chēng)分布，有助于提高密度不同的油水兩相介質(zhì)的分離效果。

流體在經(jīng)過(guò)螺旋流道后，其能量形式會(huì)有所改變，部分壓力將轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的動(dòng)能，為旋流器分離提供動(dòng)力。各徑向截面的軸心處（油核）具有較高的壓力降，壓力降最高值超0.24 MPa，說(shuō)明軸心處壓力較低，有助于細(xì)小的油滴向軸心移動(dòng)。

新型的螺旋流道旋流器，因循環(huán)流使溢流管油相體積分?jǐn)?shù)由0.382 降至溢流管內(nèi)部的0.17，降幅明顯。結(jié)合流場(chǎng)分析可知，循環(huán)流是降低旋流器分離效率的內(nèi)在因素，不論是新型的螺旋流道旋流器還是Thew 常規(guī)雙切向入口旋流器，都因循環(huán)流的存在而使軸心處的油核發(fā)散，影響油滴的排出，降低了分離效率。因此，消除或減少循環(huán)流的影響可促進(jìn)油核的聚集和排出，提高旋流器的分離性能。