新型氣-液-固三相分離器操作參數優選

孫春龍 王羕 胡俊卿 邢黎 李驥楠 裴冠中 王鳳穎 宋陽

1大慶油田有限責任公司采油工程研究院

2黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室

3大慶油田有限責任公司第一采油廠

在我國各大油田逐漸步入開發中后期的情況下，采出液含砂、含氣已成為影響油田生產、環境保護和經濟效益的重要因素[1-2]。采出液含砂過多將引起流體的摩擦阻力增加，導致抽油泵快速磨損、卡泵，管道爆裂，閥門失靈等后果，造成采油系統及地面集輸設備的損壞[3]。以勝利油田孤東油區為例，每萬立方米采出液含砂量為3～5 m3，粒徑在0.15～0.9 mm 的砂量占77.4%，粒徑在0.074～0.15 mm 的砂量占22.6%，極大地影響了原油生產與集輸[4]。

石油伴生氣是重要的清潔型資源，既是能源物質也是化工原材料，地位顯著[5]。以延長油田、長慶油田為例，2005 年延長油田原油產量838.24×104t，初步估算油田伴生氣產量約為10 000×104m3以上[6-8]；長慶油田2006 年原油產量514×104t，初步估算伴生氣產量約為8 386×104m3。而每年全球因地形及生產條件限制燃燒的石油伴生氣高達10×108m3，相當于10×106t 石油[9-10]，資源浪費嚴重。因此，石油伴生氣的回收再利用對全球應對能源危機具有重大的戰略意義，實現油田高效脫氣除砂成為迫在眉睫的技術問題。

目前油田上應用的除砂方法主要有重力沉降、過濾除砂、離心除砂以及旋流器除砂等幾種形式[11]，伴生氣的分離則主要有重力分離、離心分離、碰撞聚結分離等幾種方法[12-13]。在實際生產過程中，由于脫氣、除砂均使用單獨的處理設備，使設備投入、系統能耗同步增加[14]。本文提出一種新型的高效旋流氣-液-固三相分離器，集脫氣、除砂功能一體化，結構簡單、體積小、占地面積少，便于安裝操作，可根據采出液量單獨使用或集成橇裝。該分離器在提升脫氣除砂效率的同時，能夠降低系統壓力損失，減少設備能耗。

1 工作原理

圖1 為氣-液-固三相分離器的結構簡圖，該三相分離器以柱狀氣液分離器為基礎，在底部首次增加具有切向排液口的內部倒錐結構，加快分離器中心位置氣核的形成、排出，并通過空間的減少來提高旋流器底部的旋流作用，利于底流口的攜砂排液，實現氣-液-固三相介質的高效分離。當采出液從切向入口進入旋流腔時，流體將由單一的切向運動轉變為復雜的旋轉運動，使流體內部的各個顆粒均具備切向、軸向、徑向三個方向的速度分量，為離心分離不同密度的介質顆粒創造條件。流體在分離器內部進行離心分離時，氣相（原油伴生氣）因密度最小，在分離器的軸心處形成氣核從溢流口排出；固相（砂等細小顆粒）因密度最大，在離心力的作用下被甩至流體旋轉運動的最外層且靠近分離器內壁，同時沿分離器內壁做向下的旋轉運動從側向出口排出；液相（大部分的含油液體）密度處于氣相與固相顆粒之間，在運動時沿內錐外壁從排液孔進入底流管排出，最終完成采出液中三相介質的高效分離。內錐的存在有利于分離器軸心處氣核的形成及向溢流口方向運移，內錐上的切向排液孔與采出液在分離器內部的旋轉運動方向相同，有助于液相進入底流管內部，且內錐由頂端至末端直徑逐漸變大，利于液體在旋轉運動過程中吸附于內錐外壁從而進入排液孔。

圖1 氣-液-固三相分離器結構簡圖Fig.1 Structural diagram of gas-liquid-solid three-phase separator

2 模擬分析

結合現場所提供的相關資料，明確油井采出液中的氣-液-固三相介質及其物性參數。氣相以甲烷氣體為主，密度0.623 9 kg/m3，黏度1.789 4×10-5Pa·s，體積分數58.61%；井下細小沙粒為固相的主要成分，密度2 330 kg/m3，黏度1.72×10-2mPa·s，體積分數58.61%；液相是油、水混合介質，水油比為24.641，液相密度999.85 kg/m3，黏度3.42 mPa·s。

采用四面體網格進行模型的網格劃分，經網格獨立性檢驗后，最終確定的網格數量為80 000 個。入口邊界條件為速度入口inlet，溢流、底流、排液口的邊界條件為完全出流outflow。選用非耦合定常態隱式的3D 模型、RSM 湍流方程、Mixture 模型對數值模型進行聯合求解，收斂精度為10-5。

該新型氣-固-液三相分離器有溢流、底流和側向三個出口和雙切向入口，流量分別是溢流出口流量Qo、底流出口流量Qu、側向出口流量Qc、雙切向入口流量Qi（初始處理量4.6 m3/h）。其溢流分流比Fo和底流分流比Fu分別定義為

2.1 溢流分流比

圖2 為不同溢流分流比時側向出口固相體積分數曲線圖。在溢流分流比增加的過程中，側向出口的固相體積分數有明顯增加的趨勢，這是因為在底流分流比不變的前提下，增加溢流分流比時，流體從側向出口流出體積有所減小，且流出的流體體積減少幅度小于固相質量的降低幅度，故造成固相體積分數有所增加。

圖2 不同溢流分流比時側向出口固相體積分數曲線Fig.2 Curve of solid volume fraction at lateral outlet under different overflow diversion ratio

圖3 為不同溢流分流比時溢流壓力降對比曲線，溢流壓力降隨溢流分流比的增加而升高，在軸心處達到各溢流分流比下壓力降的最大值。底流壓力降在數值分析過程中其變化趨勢同溢流壓力降相同。通過質量分析，發現當溢流分流比為0.6 時，分離器具有較好的分離效率，且溢流壓力降、底流壓力降皆處于較低的水平，故確定分離器的最佳溢流分流比為0.6。

圖3 不同溢流分流比時溢流壓力降對比曲線Fig.3 Contrast curve of over flow pressure drop under different overflow diversion ratio

2.2 底流分流比

當分離器溢流分流比固定為0.6 時，改變底流分流比，發現分離器的溢流壓力降、底流壓力降均隨底流分流比的增大而增大，說明隨底流分流比的增加，分離器的能耗逐漸增多。這是因為當底流分流比增加時，底流管排出的液體數量隨之增加，排液孔瞬時流入的液體量快速上升，而排液孔的口徑不變，造成流體的流動阻力增加，能耗上升。通過數值分析，當底流分流比為0.35 時，分離器達到此結構參數下的最佳固相分離效率（91%）。

2.3 處理量

圖4 為不同處理量時氣相體積分數云圖。在處理量由1.5 m3/h 增加至4.83 m3/h 的過程中，氣相在溢流口附近的顏色越來越深，隨著處理量的增加溢流口附近的氣體逐漸增多并被排出分離器，此時處理量的增加有助于氣體氣核的形成和排出。但當處理量由4.83 m3/h 增大至5.35 m3/h 的過程中，溢流口附近的氣相體積分數增加微弱，且當處理量上升時，底流管排出的氣體體積亦緩慢增加，說明當處理量增加至一定值后，氣體的排出能力將不再隨處理量的增加而上升。

圖4 不同處理量時氣相體積分數云圖Fig.4 Cloud diagram of gas phase volume fraction under different treatment capacity

當處理量為4.83 m3/h 左右時，分離器具有較好的分離性能，此時的固相分離效率達到94.11%，為排除模擬數據的偶然性，細化4.83 m3/h 的處理量區間，對此數據點進行重復性試驗。圖5 為最佳處理量附近固相分離效率曲線圖。在處理量為4.83 m3/h 左右時，固相分離效率雖有所變化，但處理量為4.6 m3/h 至5.35 m3/h 時，分離效率仍保持較高水平，平均分離效率超過90%以上。

圖5 最佳處理量附近固相分離效率曲線Fig.5 Curve of solid phase separation efficiency under optimal treatment capacity

2.4 采出液黏度

液體的黏度是影響分離效率的重要因素，在氣-液-固三相分離器的設計中必須對其進行專項論證，以實現分離器的高效分離[15]。圖6 為低采出液黏度下氣相體積分數云圖。在采出液黏度不斷增加的過程中，分離器氣相的分離效率逐漸降低，溢流口處氣相濃度隨黏度的增加而減少，且分離器側向出口的固相體積分數亦隨采出液黏度的增加而減小。由此可知，分離器的工作性能隨采出液黏度的升高而降低。

圖6 低黏度采出液下氣相體積分數云圖Fig.6 Cloud diagram of gas phase volume fraction under low produced liquid viscosity

為滿足現場采出液黏度變化較大的實際情況，在低黏度基礎上模擬采出液高黏度時的分離性能。圖7 為黏度分別為15、20、30、40、50 mPa·s 時分離器的氣相分離性能。當黏度從15 mPa·s 增加至50 mPa·s 的過程中，溢流口附近的氣相濃度降低明顯，說明氣相的分離性能隨黏度的升高而快速降低，表現為高黏度云圖中的氣相體積分數顏色明顯淺于低黏度采出液。

圖7 高黏度采出液下氣相體積分數云圖Fig.7 Cloud diagram of gas phase volume fraction under high produced liquid viscosity

圖8 為高黏度采出液下固相分離性能曲線。隨黏度的增加，固相的分離效率呈直線降低，且下降速度明顯高于采出液黏度在較低時的狀態。黏度越高對分離器工作性能的影響越大，分離效率隨黏度的上升呈現出指數降低的趨勢。采出液黏度的升高將導致固-液兩相顆粒連接親密性隨之上升，而離心力在處理量為定值時將保持不變，這將導致固-液兩相顆粒間分離難度增加，分離器工作性能下降。

圖8 高黏度采出液下固相分離效率曲線Fig.8 Curve of solid phase separation efficiency under high produced liquid viscosity

3 室內實驗

理論模擬與實際情況往往并不完全一致，甚至出現相反的結果，故需要用室內實驗驗證數值模擬的正確性和可行性。通過室內實驗研究，可真實反映出操作參數（如處理量、溢流分流比）等對分離效率的影響，進而完成結構優化設計并確定分離器的最佳工作區間，為后續氣-液-固三相分離器的現場應用起指導作用。

3.1 處理量

圖9 為溢流、底流、側向壓力降隨處理量變化曲線。隨著處理量的增加，溢流壓力降和底流壓力降均呈增大趨勢，且底流壓力降上升趨勢和增加數值明顯高于溢流壓力降，這是因為隨處理量的增加，分離器內部流體的旋轉運動速度快速上升，流體通過排液孔進入底流管時將受到更多的阻力，增加流體的能量損失；且流速過快時將在排液孔表面產生液體薄膜現象，堵塞部分排液孔，使流體從排液孔進入底流管的過程中流動空間變小，順勢流動速度變快，造成更多的壓力損失，即壓力降快速上升。側向壓力降雖有波動，但整體保持相對平穩，并未隨處理量的增加產生過大的波動幅度。

圖9 壓力降隨處理量變化曲線Fig.9 Curve of pressure drop varies with treatment capacity

圖10 為分離器脫氣、除砂效率隨處理量變化曲線。脫氣效率隨處理量的增加而逐漸增加，但除砂效率隨處理量的增加而呈現出先增加后降低的趨勢（該現象同前文分析相符合）。這是因為處理量的增加有助于分離器軸心處氣核的形成，提升氣核向溢流口方向的移動速度，利于氣體從分離器內部的排出；分離器內部的離心力隨處理量的增加而呈現出快速上升的趨勢，雖然離心力有助于分離器內部的旋流分離，提升不同密度顆粒的分離概率，但處理量過大將破壞分離器內部的流場穩定性，使固相顆粒被離心力壓迫至分離器內壁無法進行離心分離，而隨流體進入底流管排出分離器。

圖10 分離效率隨處理量變化曲線Fig.10 Curve of separation efficiency varies with treatment capacity

3.2 溢流分流比

圖11 為壓力降隨溢流分流比變化曲線（底流分流比固定在0.35）。隨溢流分流比（0.54～0.60）逐漸增大，分離器的溢流壓力降、底流壓力降、側向壓力降均呈現出逐漸降低的趨勢，各壓力降的數值在降低至一定值后將保持相對平穩，不再隨溢流分流比的增加而發生變化。此趨勢與數值模擬過程（前文）中溢流、底流壓力降隨溢流分流比的增加而上升的趨勢相反。這是因為數值模擬中溢流、底流處為完全出流無背壓，而實驗時流體從溢流口、底流管處流出分離器的過程中始終存在背壓。實驗中各壓力降下降的具體原因為：處理量不變時增加溢流分流比，則溢流口排出的流體體積將增加，并以氣體成分居多，溢流口內徑保持不變，氣體體積則被進一步壓縮，排出時能量消耗降低，壓力降減少；底流口、側向出口內的流體體積隨溢流分流比的增加而減少，能量損失隨流體體積的減少而降低，故壓力降有所下降。

圖11 壓力降隨溢流分流比變化曲線Fig.11 Curve of pressure drop varies with overflow diversion ratio

圖12 為分離效率隨溢流分流比變化曲線。分離器的脫氣分離效率隨溢流分流比的升高呈上升趨勢，除砂效率則呈現出隨溢流分流比的增加先上升后下降的變化趨勢（與前文結論相符合）。溢流分流比的增加將造成從溢流口所流出的流體體積增加，有助于氣體從溢流口排出，溢流分流比越大，溢流口流出的流體體積越多，氣體越容易從溢流口排出分流器；而除砂效率保持較高值則需分離器處于最佳工作區間，隨溢流分流比的不斷增加，使分離器的工作性能在進入最佳工作區間后，快速脫離最佳工作區間，分離效率表現為先增高后降低。

圖12 分離效率隨溢流分流比變化曲線Fig.12 Curve of separation efficiency varies with overflow diversion ratio

4 結論

針對油田現有脫氣除砂工藝的不足，提出了一種新型結構的氣-液-固三相分離器，探討了其操作參數對工作性能的影響，并通過室內實驗予以驗證。

在流場分析中，最高分離效率出現在溢流分流比0.6、底流分流比0.35 時，此時分離器的固相分離效率為91.68%，最佳處理量為4.83 m3/h，最佳工作區間為4.6 m3/h～5.35 m3/h，適應于低黏度采出液的處理。

在室內實驗中，確定最佳操作參數為溢流分流0.6，底流分流比0.35，處理量1.1 m3/h，在此操作參數下，除砂效率達到最高點，脫氣效率亦處于較高水平。

此新型氣-液-固三相分離器具有結構簡單、分離效率高的優點，但其最佳工作區間還應進一步拓展，使其適應采出液量波動較大、黏度較大的工作環境。