一種新型井下分離器仿真分析及優化

梅紅山 張志強

摘 ?要：螺桿鉆具和渦輪鉆具是常用的兩種井下動力鉆具。針對含有泥沙鉆井液會導致金屬螺桿鉆具劇烈磨損甚至卡死等問題。該文提出了一種直螺旋葉片的分離器，對鉆井液中的泥沙進行固液分離處理。利用CFD對分離器的內流場進行仿真分析，驗證了該分離器結構的可行性，同時改變螺旋葉片起始角度和葉片數，優化分離器結構，進一步提高其分離效果。結果表明：當分離器螺旋葉片起始角度為5°、最佳葉片數為8片時，分離效果最佳。

關鍵詞：分離器 ? 固液分離 ?CFD ? 優化

中圖分類號：TE921 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0046-04

Simulation Analysis and Optimization of a New Downhole Separator

MEI Hongshan ?ZHANG Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering， Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434000 ?China）

Abstract： Screw drill and turbine drill are two kinds of common downhole power drilling tools. The drilling fluid containing sediment will cause severe wear and even jamming of metal screw drilling tools. In this paper， a kind of separator with straight spiral blade is presented to separate and treat the sediment in drilling fluid. CFD was used to simulate the flow field of the separator， and the feasibility of the structure of the separator was verified. At the same time， the initial angle and number of helical blades were changed to optimize the structure of the separator and further improve the separation effect. The results show that when the initial angle of the spiral blade is 5°and the optimum blade number is 8， the separation effect is the best.

Key Words： Separator; Solid-liquid separation; CFD; Optimization

分離器是一種廣泛用于液-液、固-液、固-液-液等多相混合物的分離設備，其最顯著的優點就是結構簡單、分離效果良好、質量小、費用低、處理量大等等[1]。

目前，我國大多數陸上油田已進入開采的中后期，油井壓力降低，產量減少。隨著注水強驅技術的大規模應用，油井含水量逐年上升，使得原油開采的成本提高[2]。當前應用的分離器按照工作原理可以分為常規分離器和軸入式分離器兩種。常規分離器是指混合液從分離器外壁面以一定的切向速度進入分離器內部，混合液在分離器內壁快速旋轉，利用離心力進行分離，最終輕質部分從分離器上端導出，而固體顆粒從分離器底部排出。軸入式分離器則是分離器內部有導流葉片，混合液從軸向進入，經過葉片使混合液進行圓周旋轉進行分離，輕質部分集中在軸心處，而固體顆粒等集中在內壁附近[3]。

該文設計了一種軸入式分離器對鉆井液中的泥沙進行固液分離處理。而螺旋葉片起始角度和葉片數又影響著分離器的性能[4]，所以對于這兩大因素的優化分析十分重要。

1 ?分離器結構

該文設計的直螺旋葉片的分離器其結構如圖1所示。葉片裝配在減速器內壁上，其葉片數為8，螺旋葉片起始角度為10°，螺旋螺距為100 mm，螺旋圈數為1圈。同時為了更好地分離泥沙，在分離器下端設有導流板，導流板距離葉片下端距離為50 mm。

鉆井液從分離器軸向方向進入分離器內部，經過螺旋葉片之后，鉆井液在分離器內部進行圓周運動，泥沙等固體顆粒由于離心力作用被甩到分離器內壁表面，經過導流板隔離之后，從分離器底部的導流孔排出分離器;而較為純凈的鉆井液則沿著分離器中心軸往下運動[5]。

2 ?分離器仿真分析及優化

為了驗證該分離器結構的可行性，利用CFD對分離器模型的內部流場進行數值模擬分析，查看不同粒徑的顆粒分離效果[6]。之后再對螺旋葉片起始角度和葉片數進行優化選擇，從而進一步提高分離器的分離效果。

2.1 劃分網格及邊界條件

圖2為螺旋葉片起始角度為5°、葉片數為8的分流器的流道模型和分流器流道模型網格劃分。

其模擬介質主要為水-泥沙混合物，水相的密度為998.2 kg/m3，黏度為 0.001 003 kg/m·s，沙相（二氧化硅）的密度為2 650 kg/m3。根據相關資料知，當粒徑小于0.05的顆粒稱之為泥，大于0.05顆粒稱之為沙，因此沙相設置為3組，粒徑分別為0.01 mm、0.05 mm、0.1 mm，取體積分數均為6%，則水相體積分數為82%。

湍流模型采用雷諾應力模型，多相流模型采用混合相模型，入口流量最小為16 L/s，最大為36 L/s，即最小軸向入口速度為2.30 m/s，最大軸向入口速度為 5.17 m/s。設置速度入口為入口邊界條件，自由出流為出口邊界條件。

2.2 求解計算

設置軸向入口速度為5.17 m/s，以螺旋葉片起始角度為5°、葉片數為8進行仿真，分離器的分離效果云圖見圖3～圖6。

由圖3至圖6可知，當軸向入口速度為5.17 m/s時，其出口處液相的體積分數為94.1%;粒徑為0.1 mm出口體積分數近似為0.11%;粒徑為0.05 mm出口體積分數為1.37%;粒徑為0.01 mm出口體積分數為4.42%。由仿真結果可知，該文設計的分離器基本滿足預期的固液分離效果。但是為了進一步提高分離效果，需要對螺旋葉片起始角度和葉片數進行優化選擇。

2.3 旋葉片起始角度優化

在分析過程中，多數研究者只考慮單因素影響，沒有考慮多因素間的交互作用[7]。所以為了考慮多因素間的影響，利用正交實驗法進行分析。首先分別對0°、5°、10°、15°、20°這5種不同的螺旋葉片起始角度進行仿真分析。考慮到其他結構參數會對分離器分離效果產生影響，因此在仿真過程中固定分離器葉片數為6。表1即為分離器葉片數為6時，不同螺旋葉片起始角度時的出口體積分數。

根據表1可知，當分離器葉片數為6片時，螺旋葉片起始角度為5°分離效果最佳。

2.4 葉片數優化

同理可知，為了研究分離器葉片數對其分離效果的影響，得到最佳的分離效果。保持其他設置不變，固定螺旋葉片起始角度為5°，改變分離器葉片數分別為4片、6片、8片、10片。表2即為螺旋葉片起始角度為5°時，不同葉片數時的出口體積分數。

根據表2可知當螺旋葉片起始角度為5°時，葉片數為8片時的分離效果最佳。綜合表1和2的數據可知，當分離器的螺旋葉片起始角度為5°、葉片數為8片時，其分離效果最佳。

3 ?結論

通過對設計的井下固液分離器的仿真分析，得出如下主要結論。

（1）該文設計的分離器基本滿足預期的井下鉆井液的固液分離效果。但為了進一步提高其分離效果，需要對其結構經行優化分析。

（2）通過分析數據可知，當分離器的螺旋葉片起始角度為5°、葉片數為8片時，其分離效果最佳。

參考文獻

[1] Shastri R，Wasilewski M，Brar L S. Analysis of the novel hybrid cyclone separators using large-eddy simulation[J]. Powder Technology，2021，394：951-969.

[2] 董祥偉，張立軍，李增亮，等.游梁抽油機井井下油水分離器設計及仿真分析[J].石油礦場機械，2020，49（1）：20-26.

[3] 王勝，史仕熒.導流片型油水旋流分離器的入口結構優化[J].石油機械，2019，47（4）：80-83，89.

[4] 蔣明虎，邢雷，張勇.采出液黏度對井下旋流器分離性能影響[J].東北石油大學學報，2018，42（4）：116-122，12.

[5] 陳璨.井下油水分離器改型設計及流場數值模擬研究[D].大慶：東北石油大學，2017.

[6] ZHAO C W，SUN H Y，LI Z L.Structural Optimization of Downhole Oil-water Separator[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2017，148：115-126.

[7] 彭麗，石戰勝，董方.基于CFD-DPM的旋風分離器結構優化[J].發電技術，2021，42（3）：343-349.

作者簡介：梅紅山（1996—），男，碩士在讀，研究方向為井下工具設計。