海上井下軸入式旋流油水分離器入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用

郭沛文， 王瑤， 王勝， 張成福， 史仕熒， 史仕軍

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452；2. 中國科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京100190;3.武漢世紀(jì)金輝農(nóng)業(yè)科技有限公司，武漢430000）

0 引言

井下油水分離是指對于開采中后期的油井，在井下對產(chǎn)出液進(jìn)行分離，分出的水直接回注地層，剩余的富油相產(chǎn)出地面，這種措施會大大節(jié)省油田開采成本[1-2]。雖然井下油水分離具有很多優(yōu)點，但是井下也有諸多挑戰(zhàn)，如空間狹窄、井下無法手工操作等，這就要求分離器不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且性能穩(wěn)定高效[3]?；谛髟淼挠退鞣蛛x是一種高效的分離方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是應(yīng)用于井下的油水旋流分離器還不成熟[4]。

對于油水旋流分離而言，入口結(jié)構(gòu)是其形成旋流場的關(guān)鍵，是旋流器分離性能高低的關(guān)鍵[5-6]。王軍[7]研究了單切向入口和雙切向入口對旋流流場的影響，得到切向雙入口更能提高油水分離效率的結(jié)論。馬藝[8]研究了兩種不同入口結(jié)構(gòu)即切向式入口和軸流式入口，發(fā)現(xiàn)軸入式入口結(jié)構(gòu)更有利于提高油水分離效率。趙立新[9]用數(shù)值計算的方法研究了軸入式入口的螺旋葉片圈數(shù)、角度等結(jié)構(gòu)對油水旋流分離效果的影響。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，采用軸入式入口進(jìn)行油水分離是油水旋流分離的發(fā)展方向[10]。故本文研究軸入式旋流油水分離器入口結(jié)構(gòu)對油水分離的影響，為其井下應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 軸入式旋流器油水分離原理及設(shè)計

本文中設(shè)計的軸入式旋流油水分離器分離原理示意圖如圖1所示，其由中心帶有棒的流線型導(dǎo)流片起旋形成旋流場，在旋流場中，油水兩相因密度的差異，油相向管道中心運動，水相向管道壁面附近運動，然后分布在管道中心區(qū)的油核從出油口流出，分布在管道壁面附近水相從切向管的出水口流出，從而實現(xiàn)了油水兩相分離。這種分離器結(jié)構(gòu)緊湊，適合用于井下進(jìn)行大產(chǎn)液量油水的分離。

圖1 軸入式旋流油水分離器結(jié)構(gòu)原理圖

基于上述原理所設(shè)計的油水旋流分離器，其入口結(jié)構(gòu)由纏繞在中心棒上的具有流線型形狀的葉片固定安裝在管道中，其中葉片的安裝角度α和中心棒出口的橢球體長細(xì)比b/a是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了研究其對油水分離性能的影響，在保持其余尺寸完全一致的前提下，加工了α為35°、60°兩種導(dǎo)流片，并加工了長細(xì)比b/a為2、4的兩種導(dǎo)流片。針對上述不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流片對軸流式旋流油水分離器分離性能的影響，本文開展了室內(nèi)實物對比實驗。

2 實驗系統(tǒng)和測試方法

為了研究入口結(jié)構(gòu)對軸入式旋流油水分離器的分離性能的影響規(guī)律，在中國科學(xué)院力學(xué)研究所多相流實驗室內(nèi)搭建了實驗系統(tǒng)，實驗流程如圖2所示，油、水兩相經(jīng)計量后到達(dá)目標(biāo)實驗工況混合進(jìn)入流線型油水旋流分離器，分離后的富水相、富油相經(jīng)過計量后流回重力沉降分離罐。

圖2 實驗系統(tǒng)

表1 實驗介質(zhì)物性參數(shù)表

常 壓下、實驗溫度在20 ℃左右，此時，實驗介質(zhì)LP-14白油和水的物性參數(shù)如表1所示。

3 實驗結(jié)果

3.1 安裝角度影響

軸入式旋流油水分離器入口結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是導(dǎo)流片，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對于旋流油水分離效果具有重要的影響。其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括導(dǎo)流片的角度、導(dǎo)流片安裝的中心橢圓棒體直徑、中心棒末端橢球體的長細(xì)比等參數(shù)，如圖3所示。

圖3 （續(xù)）

本實驗在入口含油率為0.045、入口流速為1.00 m/s 時，對比了兩種導(dǎo)流片角度所對應(yīng)的油水分離效果隨分流比（出水口流量/入口流量）變化所帶來分離性能變化?？梢钥闯?，在入口條件一致的前提下，導(dǎo)流片的角度越小，所形成的油核越細(xì)，即油滴凝聚成核的效果越好。因此在分出較多比例水的前提下，水中含油率也會越低。

3.2 變化的入口流速下安裝角度影響

上述規(guī)律是在入口流速一定的情況下得到安裝角度小有利于油水分離，本文還開展了當(dāng)入口流速變化時葉片安裝角度的影響實驗。從圖4可以看出，當(dāng)入口流速從0.56 m/s增大到2.04 m/s時，隨著入口流速增大，兩者的分離性能都有所提高。但是在所有的入口流速下，35°比60°形成的旋流場油水分離性能更優(yōu)，即水出口含油率更低。這主要是由于角度小，來流的管流直線運動更多地轉(zhuǎn)換成切向速度，而切向速度是形成旋流場的關(guān)鍵，切向速度大則離心加速度大，因此油水分離性能得到提高。

3.3 中心棒體末端橢球體長細(xì)比影響

當(dāng)入口含油率為0.902，入口混合流速為1.00 m/s，變化中心棒末端的長細(xì)比從2增 到4，實驗對比結(jié)果如圖4所示。可以看出，隨著中心棒長細(xì)比的增大，所形成的油核更細(xì)，分出的水中含油率更低。這是由于中心棒末端長細(xì)比越長，中心區(qū)域的軸向速度越大，則有利于所形成的油核快速流出分離器，則油核越細(xì)，越有利于油滴向中心區(qū)域集中。故中心棒末端的長細(xì)比應(yīng)大于2倍。

圖4 中心棒長細(xì)比變化對分離性能影響結(jié)果

圖4 （續(xù)）

4 現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用

通過前期的研究，軸入流線型旋流油水分離器在中海油 LH11 -1 -D05P1井中實施了現(xiàn)場應(yīng)用，圖5（a）為分離器下井前在平臺上安裝的圖片。通過井下取樣裝置取出分離后的水樣分析發(fā)現(xiàn)，分離器分出的水非常清澈，清華大學(xué)質(zhì)檢中心檢測發(fā)現(xiàn)，水中含油率低于0.01%。

圖5 軸入流線型旋流油水分離器現(xiàn)場中試

4 結(jié)論

1）本文提出的軸入流線型旋流油水分離器通過室內(nèi)實驗，研究證實了這種分離器能夠有效地進(jìn)行油水分離。在此基礎(chǔ)上研究了入口結(jié)構(gòu)對其油水分離性能的影響，其中入口結(jié)構(gòu)主要研究了葉片安裝角度和安裝葉片中心棒末端長細(xì)比對油水分離性能的影響，并進(jìn)行了對比分析。

2）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，35°比60°的葉片安裝角度更有利于油水分離，葉片角度小更有利于油滴向中心附近遷移運動。當(dāng)入口流速增大時，葉片安裝角度的影響呈現(xiàn)相同的規(guī)律。

3）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，安裝葉片的中心棒體末端長細(xì)比對油水分離效果也是有影響的，隨著中心棒長細(xì)比的增大，所形成的油核更細(xì)，分出的水中含油率更低。通過實驗優(yōu)選出長細(xì)比應(yīng)大于2。

4）通過現(xiàn)場中試實驗表明，優(yōu)化后的軸入式旋流油水分離器分離性能優(yōu)良，該研究為我國高含水油井的經(jīng)濟(jì)開采提供了一種新工藝。