基于響應(yīng)面法的井下旋流分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邢 雷 李金煜 趙立新 蔣明虎 韓國(guó)鑫

1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶，1633182.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大慶，163318

0 引言

目前，我國(guó)油田含水率超過95%的油井多達(dá)四萬余口，大量高含水油井的出現(xiàn)一方面使舉升、集輸和污水處理能量消耗及基建費(fèi)用急劇增加，另一方面，污水處理化學(xué)試劑的大量使用使油田開發(fā)面臨的環(huán)保壓力越來越大[1]。如何降低油井舉升及地面污水處理成本，實(shí)現(xiàn)油田中后期經(jīng)濟(jì)開采是保障國(guó)家能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵[2]。

同井注采技術(shù)可實(shí)現(xiàn)井下油水分離(即水相回注到地下水層，油相舉升至地面)，可有效降低傳統(tǒng)舉升方式中的無效水循環(huán)及地面水處理負(fù)荷，減少地面注水管網(wǎng)建設(shè)，使高含水、特高含水油井實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采，大幅提高采收率，為保障我國(guó)石油能源供給戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水和節(jié)能降耗提供技術(shù)支撐。研發(fā)出適用于采用井筒內(nèi)的油水分離設(shè)備以及進(jìn)一步提高井下油水分離精度是保障同井注采工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵。

水力旋流分離器因具有設(shè)備小型、分離高效的特點(diǎn)已被應(yīng)用于井下油水分離領(lǐng)域，為適應(yīng)井下狹窄套管空間，趙立新等[3]、盛慶嬌[4]、宋民航[5]相繼提出了徑向尺寸相對(duì)較小的可實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)液的螺旋流道式及導(dǎo)流葉片式水力旋流器，并采用單因素法對(duì)兩種旋流器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選。王振波等[6]針對(duì)導(dǎo)葉式旋流器開展離散相運(yùn)動(dòng)行為分析，建立了粒級(jí)效率數(shù)學(xué)模型，研究得出最佳油水分離效率可達(dá)92.23%。趙傳偉等[7-8]提出了一種切向進(jìn)液式的井下兩級(jí)式水力旋流器結(jié)構(gòu)，并針對(duì)兩級(jí)串聯(lián)旋流器開展流場(chǎng)特性及分離性能評(píng)估，確定出了井下油層產(chǎn)量在120～140 m3/d范圍內(nèi)時(shí)，最佳分流比為0.36～0.74，為兩級(jí)串聯(lián)旋流器的進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了指導(dǎo)和參考。王羕[9]、邢雷等[10]設(shè)計(jì)了一種井下軸入式兩級(jí)串聯(lián)旋流器結(jié)構(gòu)，針對(duì)串聯(lián)過渡區(qū)域開展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選研究，確定出了特定參數(shù)下最佳處理量為4.8 m3/h，最佳分流比為32%，并獲得了處理量、分流比對(duì)流場(chǎng)特性及分離性能的影響規(guī)律。目前已經(jīng)形成了多種形式的井下油水旋流分離器結(jié)構(gòu)，相關(guān)學(xué)者采用數(shù)值模擬、流場(chǎng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)研究等方法對(duì)井下旋流器的流場(chǎng)特性、介質(zhì)分布規(guī)律及分離性能等開展了大量研究，為拓寬旋流器應(yīng)用范圍，提高井下油水分離精度提供理論依據(jù)[11]。隨著同井注采技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，所面臨的井況愈加復(fù)雜化，井內(nèi)出砂、含聚、含氣及產(chǎn)液量的變化都會(huì)對(duì)井下旋流器的分離性能產(chǎn)生影響[12-14]，因此有必要開展旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高井下旋流器的適用性。部分學(xué)者采用單因素優(yōu)選[15-16]、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[17]等方法對(duì)水力旋流器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)開展了大量研究，但上述方法無法構(gòu)建各結(jié)構(gòu)參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，僅能在試驗(yàn)組所涉及的因素水平范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。ZHAO等[18]采用響應(yīng)面法對(duì)井下兩級(jí)串聯(lián)水力旋流器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)參數(shù)與底流管含油體積濃度間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，形成了水力旋流器的多參數(shù)優(yōu)化方法，確定出了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)配比，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的底流含油質(zhì)量濃度較優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的底流含油質(zhì)量濃度降低了54.7%，該研究為井下旋流器的優(yōu)化提供了思路。

目前關(guān)于井下軸入式水力旋流器的優(yōu)化研究主要采用單因素法和正交試驗(yàn)法[19]，本研究在已有井下旋流分離器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于響應(yīng)曲面優(yōu)化方法建立了可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率及底流壓力損失間的數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)及優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

同井注采系統(tǒng)主要由采出泵、橋式通道、井下旋流分離器、封隔器、回注泵等配套裝置構(gòu)成，主要安裝方式及流道布置如圖1a所示。為了減少產(chǎn)出液在進(jìn)入井下旋流分離器時(shí)的乳化現(xiàn)象，同時(shí)保障在采油井筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)分流比的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在井下分別設(shè)置采出泵及回注泵，形成雙泵抽吸式井下油水分離及同井回注系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，井下產(chǎn)出液在地層壓力作用下由入口進(jìn)入到分離器內(nèi)，經(jīng)過螺旋流道后使液流的軸向運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢蜻\(yùn)動(dòng)，在分離器的旋流腔內(nèi)形成高速的切向旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。在旋流場(chǎng)內(nèi)離心力的作用下，密度較小的油相向軸心聚集，水相則運(yùn)動(dòng)至邊壁。分離器軸心區(qū)域的富油相在采出泵的抽吸作用下，沿分離器的溢流口進(jìn)入到溢流腔內(nèi)，進(jìn)而被舉升至地面。分離后的凈化水則在底部回注泵的抽吸作用下進(jìn)入到底流腔內(nèi)，進(jìn)而經(jīng)回注螺桿泵回注至地下水層，至此完成采油井筒內(nèi)的油水分離器及同井回注。井下旋流分離器的主要結(jié)構(gòu)形式如圖1b所示，由溢流管、入口腔、螺旋流道、導(dǎo)流錐、大錐段、小錐段及底流管等部分組成，初始結(jié)構(gòu)參數(shù)按照實(shí)驗(yàn)室前期通過單因素法優(yōu)化后的數(shù)據(jù)確定[10]，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸見表1，其中Ls為螺旋流道長(zhǎng)度，L1為導(dǎo)流錐長(zhǎng)度，L2為大錐段長(zhǎng)度，L3為小錐段長(zhǎng)度，L4底流管長(zhǎng)度L4，D為旋流分離器的主直徑，du為溢流管直徑。在構(gòu)建流體域數(shù)值分析模型時(shí)，螺旋流道結(jié)構(gòu)參數(shù)遵從文獻(xiàn)[4]優(yōu)化后結(jié)果，由于旋流分離器的徑向尺寸受到井下空間的限制，因此在開展優(yōu)化研究時(shí)需保障旋流器的徑向尺寸不變，同時(shí)保持文獻(xiàn)[20-21]確定的主直徑、小錐段直徑及底流管直徑之間的最佳比例關(guān)系(圖1b)不變，對(duì)分離器的導(dǎo)流錐長(zhǎng)度L1、大錐段長(zhǎng)度L2、小錐段長(zhǎng)度L3、底流管長(zhǎng)度L4以及溢流管直徑du的參數(shù)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析。以上述5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為輸入自變量，以旋流器分離效率以及壓力損失為因變量，分別構(gòu)建結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率及底流壓力損失間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，進(jìn)而確定出最佳的多參數(shù)優(yōu)化匹配方案。

(a)同井注采系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖

表1 井下旋流分離器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 研究方法

2.1 響應(yīng)面法基本原理

響應(yīng)面優(yōu)化方法可以將復(fù)雜的未知函數(shù)關(guān)系在一定區(qū)域內(nèi)用簡(jiǎn)單的一次或二次多項(xiàng)式模型擬合，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)尋優(yōu)時(shí)，可對(duì)不同因素的不同水平實(shí)現(xiàn)連續(xù)分析，進(jìn)而獲得較為準(zhǔn)確的最優(yōu)解[22]。由于二階多項(xiàng)式模型具有較高的精度且模型簡(jiǎn)單，可預(yù)測(cè)性強(qiáng)，因此本文選用二階多項(xiàng)式模型，分別構(gòu)建輸入指標(biāo)(導(dǎo)流錐長(zhǎng)度L1、大錐段長(zhǎng)度L2、小錐段長(zhǎng)度L3、底流管長(zhǎng)度L4以及溢流管直徑du)與響應(yīng)目標(biāo)(分離效率及壓力損失)間的函數(shù)關(guān)系。選用的二階多項(xiàng)式模型基函數(shù)為[23]

(1)

其中，y為響應(yīng)目標(biāo)，本文中分別代表井下旋流分離器的分離效率及壓力損失；xi、xj為獨(dú)立設(shè)計(jì)變量，本文中代表被優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)；k為設(shè)計(jì)變量的數(shù)量，本文針對(duì)5個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)開展優(yōu)化研究，所以k=5；β0為回歸方程常數(shù)(即偏移項(xiàng))；βi、βii、βij分別為回歸方程的線性偏移系數(shù)、二階偏移系數(shù)和交互系數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬方法

2.2.1數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬過程中水和油兩相的連續(xù)性方程分別如下[24]：

(2)

(3)

式中，φc、ρc、uc分別為連續(xù)相(水)的體積分?jǐn)?shù)、密度和速度矢量；φd、ρd、ud分別為分散相(油)的體積分?jǐn)?shù)、密度和速度矢量。

采用歐拉-歐拉的方法模擬水-油兩相流，在此方法中，每一相都有單獨(dú)的質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程，對(duì)于不可壓縮流體來說，以水相為例，其平均動(dòng)量方程可表示為

(4)

考慮油滴直徑以及油水兩相間的密度差相對(duì)較小，因此忽略升力和虛擬質(zhì)量力對(duì)油滴的影響，只考慮曳力和湍流耗散力。其中曳力的計(jì)算表達(dá)式如下[25]：

(5)

其中，dd為離散油滴的直徑；CD為曳力系數(shù)，根據(jù)Schiller-Naumann經(jīng)驗(yàn)公式，CD可通過如下公式計(jì)算：

(6)

式中，Red為油滴的雷諾數(shù)。

湍流耗散力可表示為

(7)

式中，CTD為湍流耗散系數(shù)；υt，c為水相湍流運(yùn)動(dòng)黏度；Scd為油相湍流施密特?cái)?shù)。

采用精確度較高的雷諾應(yīng)力模型完成流場(chǎng)中湍流的計(jì)算。雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程可表示為[26]

(8)

2.2.2參數(shù)設(shè)置及邊界條件

油水兩相間模擬計(jì)算采用多相流混合模型(Mixture模型)。以含水率為98%、產(chǎn)液量為96 m3/d的油井為研究對(duì)象，設(shè)置井下油水分離器入口為速度入口，入口流量為4.0 m3/h，依據(jù)產(chǎn)出泵與注入泵的抽吸比，設(shè)置溢流及底流的分流比為1∶4。同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原油物性參數(shù)，數(shù)值模擬時(shí)設(shè)置油相密度為850 kg/m3，油相動(dòng)力黏度為1.03 Pa·s，水相動(dòng)力黏度為1.003 mPa·s，油相體積分?jǐn)?shù)為2%。選用雙精度壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，湍流計(jì)算選用Reynolds應(yīng)力方程模型，SIMPLEC算法用于進(jìn)行速度壓力耦合，墻壁設(shè)置為無滑移邊界條件，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率設(shè)為二階迎風(fēng)離散格式，收斂精度設(shè)為10-6，壁面設(shè)置為不可滲漏、無滑移邊界條件。

3 結(jié)果分析

3.1 CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方程構(gòu)建

響應(yīng)面分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有中心組合設(shè)計(jì)(central composite design，CCD)和Box-Behnken設(shè)計(jì)(BBD)、二次飽和設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、田口設(shè)計(jì)等，其中較為常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法主要為CCD及BBD兩種。CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)的空間點(diǎn)分布如圖2所示，其中1表示設(shè)計(jì)因素的上水平，-1表示設(shè)計(jì)因素的下水平。CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)有利于更好地?cái)M合出各個(gè)因素與輸出指標(biāo)間的響應(yīng)關(guān)系，由于軸向點(diǎn)α值的存在，致使CCD獲得最優(yōu)解過程的搜索范圍較BBD獲得的搜索范圍更廣[27]，因此本文采用CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)井下油水旋流分離器分離效率及壓力損失影響的試驗(yàn)方案。將本研究團(tuán)隊(duì)前期采用單因素法獲得的最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為本次正交試驗(yàn)的中心點(diǎn)，設(shè)計(jì)各因素水平及編碼值如表2所示。

(a)設(shè)計(jì)點(diǎn)二維投影分布圖 (b)設(shè)計(jì)點(diǎn)三維分布圖

表2 CCD試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

基于CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以待優(yōu)化的5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量，設(shè)置因素?cái)?shù)為5，中心點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為8，軸向點(diǎn)α值為2.3784。因變量個(gè)數(shù)為2，分別為井下油水旋流分離器的分離效率Ez與底流壓降值(壓力損失)Δp。其中底流壓力損失計(jì)算方法為入口截面上的平均靜壓值減去底流出口截面上的平均靜壓值[28]。分離效率的計(jì)算表達(dá)式如下：

(9)

式中，f為溢流分流比；Cd為底流出口油相質(zhì)量濃度，mg/L；Ci為分離器入口油相質(zhì)量濃度，mg/L。

基于表2中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)因素水平，形成CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)50組，按照不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)組的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別完成井下旋流分離器的流體域模型建立，對(duì)模型進(jìn)行相同水平的網(wǎng)格劃分并開展數(shù)值模擬分析，再對(duì)不同試驗(yàn)組的分離效率Ez及底流壓力損失Δp進(jìn)行計(jì)算，最終得出響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

采用二階模型對(duì)表3所示的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，通過多元線性回歸分析可得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)與井下旋流分離器的分離效率y1和底流壓力損失y2之間的回歸方程分別如下：

表3 CCD設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

(10)

y2=451.062 48-3.102 71x1-2.331 14x2+0.014 554x3-0.032 99x4-3.047 23x5+0.015 048x1x2-

1.736 56×10-4x1x3-5.903 13×10-5x1x4+5.540 63×10-3x1x5-6.685 94×10-5x2x3+1.404 53×

10-4x2x4-4.782 81×10-3x2x5-6.822 19×10-5x3x4+1.295 94×10-3x3x5-1.135 31×10-3x4x5+

(11)

3.2 方差分析

采用方差分析法對(duì)響應(yīng)面構(gòu)建的5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率及壓力損失間的數(shù)學(xué)模型分別進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，可得出表4所示的方差分析結(jié)果。由表4可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率y1及壓力損失y2間的回歸方程的P<0.0001<0.05，表明兩個(gè)回歸方程所反映的函數(shù)關(guān)系均顯著，說明在表2所示的上下限參數(shù)變化范圍內(nèi)，可以用兩個(gè)回歸方程(式(10)和式(11))分別對(duì)井下旋流器的導(dǎo)流錐長(zhǎng)度L1、大錐段長(zhǎng)度L2、小錐段長(zhǎng)度L3、底流管長(zhǎng)度L4以及溢流管直徑du多參數(shù)條件變量下的分離效率及底流壓力損失值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4 回歸方程的方差分析結(jié)果

為了驗(yàn)證回歸方程的預(yù)測(cè)精度，對(duì)式(10)和式(11)分別進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析，可得出表5所示的誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。由表5可知，相關(guān)系數(shù)R-Squared值越接近1，說明相關(guān)性越好；Adj R-Squared及Pred R-Squared值越大且越相近，說明回歸模型可更加充分地反映輸入與輸出變量間的關(guān)系；變異系數(shù)小于10%，說明試驗(yàn)結(jié)果具有較高的精度及可信度；Adeq Precision為有效信號(hào)與噪聲的比值，該值大于4說明模型合理。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，所得的回歸模型均符合上述檢驗(yàn)原則，說明兩個(gè)模型均具有較好的適用性。

表5 回歸模型誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.3 模型求解及精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證導(dǎo)流錐長(zhǎng)度L1、大錐段長(zhǎng)度L2、小錐段長(zhǎng)度L3、底流管長(zhǎng)度L4以及溢流管直徑du五個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)在表2所示范圍內(nèi)變化時(shí)，反映結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率間的預(yù)測(cè)模型(式(10))以及反映結(jié)構(gòu)參數(shù)與底流壓力損失間的預(yù)測(cè)模型(式(11))的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，在各因素上限及下限范圍內(nèi)隨機(jī)取值，開展10組不同于表3試驗(yàn)中參數(shù)匹配的隨機(jī)附加試驗(yàn)，附加試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表6所示。

表6 附加試驗(yàn)組結(jié)構(gòu)參數(shù)

按照表6所示附加試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別構(gòu)建井下油水分離器流體域模型，采用與響應(yīng)面試驗(yàn)相同的數(shù)值模擬方法對(duì)附加試驗(yàn)組開展數(shù)值模擬分析。通過將10組附加試驗(yàn)參數(shù)代入式(10)、式(11)可得出不同附加試驗(yàn)組的模型預(yù)測(cè)值與數(shù)值模擬實(shí)際值的對(duì)比情況，如圖3所示。由圖3可以看出，無論是分離效率還是壓力損失，預(yù)測(cè)值及實(shí)際值隨不同附加試驗(yàn)組均呈現(xiàn)出了相同的規(guī)律性，說明預(yù)測(cè)值與實(shí)際值呈現(xiàn)出了較好的一致性。為了對(duì)預(yù)測(cè)值的精度進(jìn)行核驗(yàn)，采用下式對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的平均相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算：

圖3 模型預(yù)測(cè)值與數(shù)值模擬實(shí)際值對(duì)比

(12)

式中，ei為第i組附加試驗(yàn)的模型預(yù)測(cè)值；ti為第i組附加試驗(yàn)?zāi)M得到的實(shí)際值；n為附加試驗(yàn)組數(shù)。

通過計(jì)算得出不同附加試驗(yàn)組分離效率的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的平均相對(duì)誤差Δ1=0.104%，壓力損失的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的平均相對(duì)誤差為Δ2=4.562%。可以看出模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值間的平均相對(duì)誤差很小，從而驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 優(yōu)化結(jié)果及驗(yàn)證

采用最小二乘法對(duì)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率間的回歸方程進(jìn)行偏微分求導(dǎo)，計(jì)算得出可使分離效率取極大值的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配方案即為響應(yīng)面優(yōu)化后的最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。計(jì)算得出優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為導(dǎo)流錐長(zhǎng)度L1=20.3 mm、大錐段長(zhǎng)度L2=60.6 mm、小錐段長(zhǎng)度L3=635.7 mm、底流管長(zhǎng)度L4=489.2 mm、溢流管直徑du=10 mm，優(yōu)化前后井下旋流分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化如圖4所示。圖5所示為大錐段及小錐段上，不同截面過軸心截線的油相體積分?jǐn)?shù)分布曲線的對(duì)比。由圖5可以看出，在截面Ⅰ及截面Ⅱ上，與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后旋流分離器在軸心區(qū)域的油相體積分?jǐn)?shù)明顯更大，說明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可使更多的油相聚集在臨近油相出口的軸心區(qū)域，從而使更多的油相由溢流口流出，提高旋流器的油水分離性能。數(shù)值模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的油水分離效率可達(dá)88.35%，明顯高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的油水分離效率86.01%。

圖4 井下旋流分離器優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)變化

圖5 優(yōu)化前后旋流器在分析截面上的油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后井下旋流分離器的高效性，針對(duì)優(yōu)化前后井下旋流分離器的結(jié)構(gòu)開展不同入口油滴粒徑的數(shù)值模擬對(duì)比研究，入口油滴粒徑分別設(shè)置為50 μm、100 μm、300 μm、400 μm、500 μm，數(shù)值模擬方法及邊界條件與前述一致，對(duì)比在不同入口油滴粒徑條件下優(yōu)化前后旋流器的分離性能。數(shù)值模擬得出優(yōu)化前后旋流器的分離效率對(duì)比情況如圖6所示。由圖6可以看出，隨入口油滴粒徑的增大，旋流器的分離效率均呈逐漸升高趨勢(shì)。入口油滴粒徑在50～500 μm范圍內(nèi)變化時(shí)，優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的分離效率由58.92%提高到98.56%，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的分離效率由60.35%提高到99.48%，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的分離效率明顯高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的分離效率。這說明采用響應(yīng)面優(yōu)化后的旋流器結(jié)構(gòu)對(duì)不同粒徑油滴呈現(xiàn)出了更好的分離性能。

圖6 不同油滴粒徑條件下旋流器優(yōu)化前后分離效率對(duì)比

為了驗(yàn)證不同含水率條件下優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的適用性，開展了不同含水率條件下優(yōu)化前后井下旋流分離器數(shù)值模擬對(duì)比研究。數(shù)值模擬時(shí)分別設(shè)置含水率為94%、95%、96%、97%、98%、99%，油滴粒徑設(shè)置為300 μm，得出不同含水率條件下井下旋流器優(yōu)化前后分離效率對(duì)比情況，如圖7所示。圖7結(jié)果顯示，隨著含水率的增加，旋流器的分離效率也逐漸提高。優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的分離效率由74.61%提高到88.07%，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的分離效率由75.26%提高到91.56%。在不同含水率條件下優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的分離效率均高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的分離效率，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)對(duì)不同含水率條件呈現(xiàn)出了較好的適用性。這充分驗(yàn)證了響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性及高效性。

圖7 不同含水率條件下旋流器優(yōu)化前后分離效率對(duì)比

4 結(jié)論

(1)采用響應(yīng)面的中心組合設(shè)計(jì)(CCD)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法構(gòu)建結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率及底流壓力損失間的數(shù)學(xué)模型具有可行性。基于二階多項(xiàng)式構(gòu)建的分離效率預(yù)測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)為0.8671，構(gòu)建的底流壓力損失預(yù)測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)為0.9969。方差分析結(jié)果驗(yàn)證了模型具有較好的顯著性及較高的精度。

(2)通過開展10組附加試驗(yàn)，驗(yàn)證了構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型可以對(duì)參數(shù)上下限范圍內(nèi)的分離效率及壓力損失進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，分離效率的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的平均相對(duì)誤差為0.104%，壓力損失的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的平均相對(duì)誤差為4.562%。

(3)基于構(gòu)建的分離效率預(yù)測(cè)模型得出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效提高井下旋流器的分離效率，針對(duì)油滴粒徑在50～500μm范圍內(nèi)變化的采出液，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的分離效率最高可達(dá)99.48%，高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的分離效率98.56%。針對(duì)含水率在94%～99%范圍內(nèi)變化的采出液，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的分離效率最高可達(dá)91.56%，高于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的分離效率88.07%。