天然氣水合物舉升管氣液分離過程數值模擬與方案優選

王旱祥 任京文 于長錄 車家琪 鄧君宇 徐鴻志 劉延鑫 朱曉洋

1. 中國石油大學(華東)；2. 中國石油渤海鉆探工程有限公司油氣合作開發分公司；3. 中國石油集團工程技術研究院有限公司

0 引言

天然氣水合物是天然氣和水在低溫、高壓環境下形成的一種似冰狀物質，廣泛分布在大陸邊緣的海底沉積物和高緯度永久凍土中［1-2］。天然氣水合物開采方法主要包括降壓法、注熱法和注化學試劑法。降壓法具有開采過程簡單、效率高、能耗低等優點，是目前最為有效的一種開采方法［3-4］。對于水合物降壓開采，由于氣層中游離水以及凝析液的存在，天然氣和水蒸氣以及液滴狀游離水混合在一起，這也就意味著從儲層中開采出來的往往是氣液混合物。為降低天然氣水合物開采的資源消耗，保證開采的連續性，提升采收率，需要針對井下氣液情況合理設計井下氣液分離管柱系統和分離裝置，以達到更高的采氣效率和質量［5-6］。

井下氣液分離裝置是井下氣液分離系統的核心裝置，其分離性能對整個分離系統的分離效率起著至關重要的作用。國內外學者著重于氣液分離器結構研究，尤其著重于油氣的分離研究。王尊策等［7］、余佳敏等［8］、吉雷等［9］對螺旋式、軸流導葉式分離器進行了結構參數分析。黎亞洲等［10］、池燕妮等［11］對油氣分離裝置以及新型分離裝置進行了研究。總體來說，目前氣液分離器可大致分為兩類：一類是重力分離型，另一類是離心分離型。由于氣液分離裝置應用在海底天然氣水合物開采，不僅要適應天然氣水合物開采工藝，還要適應具體工況和井下安裝條件［12-14］。筆者以我國南海水合物開采工況為基礎，結合天然氣水合物開采工藝方案設計原則，采用計算機流體力學數值模擬方法分別對軸流導葉式、管柱式、螺旋式3 種氣液分離裝置進行數值模擬分析，重點研究不同液相含量對3 種氣液分離裝置氣液分離效率的影響，并得到3 種氣液分離裝置的具體適用工況，從而為天然氣水合物氣液分離方案的設計與優選提供指導。

1 天然氣水合物開采系統

南海海域水合物層溫度約為10～20 ℃，井深約1 500～2 000 m(包括水深和泥線下垂深)；水合物儲層地質疏松，液體濾失量大，在開采過程中液體含量一般在10%以下。以此為基礎，計算條件設定為產氣量30 000 m3/d、井口壓力0.3 MPa、井深2 000 m、儲層溫度13.5 ℃、壓力15 MPa、井下液體含量10%、套管外徑219 mm，進行天然氣水合物氣液分離系統裝置優選和設計［15］。

在海上天然氣水合物開采方面，電潛泵系統排液量變頻可調，靈活性最好，再配置合適的氣液分離裝置，完全可以滿足天然氣水合物的開采要求［16-18］。因此基于電潛泵排水采氣基本原理，針對天然氣水合物的開采特征，設計天然氣水合物開采系統，如圖1 所示。開采系統主要由電力與檢測控制系統、氣液分離系統和舉升系統組成［19-20］。其中，電力與檢測控制系統為井下電潛泵機組提供電力，檢測存液腔溫度、井下壓力、機組振動等信息；氣液分離系統是利用天然氣與液滴密度差異，通過旋轉產生不同的離心力，將進入井筒的氣液兩相分離；舉升系統即為電潛泵排水采氣系統，將氣液分離后暫存于存液腔的液體舉升至井口［21-22］。

圖1 天然氣水合物開采系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the natural gas hydrates production system

目前常用的氣液分離裝置主要包括重力式氣液分離裝置和離心式氣液分離裝置。其中，重力式氣液分離裝置結構簡單，使用方便，應用廣泛，但是由于其對分離空間要求較大，受井下空間限制，不適宜在井下應用。離心式氣液分離裝置對空間要求較小，而且分離效率高，結構簡單，離心式氣液分離主要包括旋流式氣液分離和螺旋式氣液分離。旋流式氣液分離又可分為常規旋流分離、軸流導葉式和管柱式旋流分離等。下面分別對軸流導葉式、管柱式、螺旋式3 種氣液分離方式進行數值模擬分析，優選出適用于天然氣水合物開采的氣液分離工藝。

2 仿真模型建立及驗證

2.1 仿真模型建立

為了更準確地分析螺旋式氣液分離裝置內部流場，利用Solidworks 進行了三維建模，螺旋式氣液分離裝置流域模型如圖2 所示。

劃分六面體網格，總網格數為807 982 個，網格質量達0.6 以上，總體質量較好。進行環境參數和物性參數設置，15 MPa、13.5 ℃條件下天然氣和液滴的密度分別為131 kg/m3和998 kg/m3，動力黏度分別為0.018 mPa·s 和1.003 mPa·s。

對連續相模型進行邊界條件與參數設置。整個流域模型操作壓力設置為15 MPa，流域模型的入口條件為速度入口，氣體流量為451.756 m3/d，入口速度為0.403 m/s；出口邊界條件設置為壓力出口；單元中心變量梯度離散方法為Least-Squares Cell Based，壓力差值方法為“PRESTO!”，對流項插值方法為“QUICK”。離散相液滴粒子入射速度設置為0.403 m/s，質量流率為0.522 kg/s，液滴粒徑分布為Rosin-Rammler 分布。加入粒子的動態曳力模型和隨機軌道模型，液滴破碎模型為TAB 模型，同時采用歐拉液膜模型表達液滴與壁面碰撞后的黏滯、擴散、反彈、飛濺等。

液體含量低于10%使用離散相模型，結合歐拉液膜模型分析液滴的聚合、破碎及液滴與壁面間的黏滯、反彈、擴散、飛濺，獲得分離效率及液膜厚度云圖；液相含量高于10%用歐拉多相流模型［23］。

2.2 仿真模型實驗驗證

研制了氣液分離實驗裝置［24］，如圖3 所示，該裝置由供液系統、供氣系統、霧化及氣液混合單元、螺旋分離器試樣機等組成。其中，螺旋分離器試樣機的螺旋體參數為：螺距70 mm，圈數10，螺旋體管外徑115 mm。

圖3 氣液分離實驗裝置Fig. 3 Gas-liquid separation test device

采用相同的水合物氣液分離模型進行氣液分離室內實驗，并進行數值模擬。模擬介質為空氣，控制流量為20 m3/h，液相含量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、20%、30%。對比數值模擬與實驗結果偏差，并分析氣液分離裝置的分離性能。結果顯示：在液相含量10%以下，分離效率整體在90%以上，分離效果較好，氣液比對分離效率影響較小；室內實驗與數值模擬結果偏差最大為2.8%，最小為0.9%，均在3%以內，說明水合物氣液分離模型可較好地模擬分離過程，故可依托水合物氣液分離模型進一步進行影響規律分析。

3 天然氣水合物井下氣液分離裝置優選

3.1 軸流導葉式氣液分離裝置

根據軸流導葉式氣液分離裝置結構建立流域模型，分離裝置流域模型和速度矢量圖如圖4 所示。

圖4 軸流導葉式氣液分離流域模型與速度矢量圖Fig. 4 Flow domain model and velocity vector diagram of axial flow guide vane gas-liquid separation

氣液兩相由入口進入，經過導葉片后液體被甩向邊壁而被捕捉，聚集成股后由底流口排出，氣體則由上方溢流口排出。影響該分離裝置的主要結構參數包括入口尺寸、溢流口尺寸、底流口尺寸、螺旋形狀及高度、溢流口伸入長度、錐體角度、錐體高度等。

軸流導葉式氣液分離裝置利用入口處的導葉片為氣液兩相造旋，再利用錐形體提高氣液旋流速度，同時減少液滴在旋轉過程的剪切破碎，利用兩相所受離心力不同將兩相分離開。根據軸流導葉式氣液分離裝置結構建立流域模型，氣液兩相由入口進入，液體聚集成股后由底流口排出，氣體則由上方溢流口排出。設置液流入口速度為0.5 m/s，其液相含量分別為2%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，分析不同液相含量的液流在分離裝置內部的分離效率，軸流導葉式氣液分離裝置液相分布云圖如圖5 所示。

以出入口液相流量計算分離效率，繪制液相含量-分離效率曲線，如圖6 所示，可以看出，液相含量在10%前后，曲線斜率并未出現驟變，因此兩種模型之間銜接性良好。氣液比會影響液相流量，當液相含量低于20%時，液相流量較小，無法產生高于底流口的液位，氣體可由底流口流出，分離效率低；若液相含量高于20%，產生的液位高于底流口，分離效率逐漸提高；當液相流量超過分離裝置的承載上限時，分離裝置無法正常工作，分離效率最低，故底流口和溢流口尺寸需要適應液相流量。

圖6 液相含量對液流分離效率影響Fig. 6 Effects of liquid content on separation efficiency

由此可知，液相含量越高，即氣液比越低，氣液分離裝置分離效率總體呈升高,趨勢。軸流導葉式旋流分離裝置更適用于液相流量相對較高(低氣液比)的氣液分離。液相含量過小造成流量過低時，部分氣體會通過底流口流出，流量過高則超過承載上限。

3.2 管柱式氣液分離裝置

管柱式氣液分離裝置是旋流分離的另一種結構形式，其流域模型及速度矢量圖如圖7 所示。影響管柱式氣液分離裝置的結構參數主要包括：入口尺寸、溢流口尺寸、底流口尺寸、柱體深度、溢流口沉入深度等，其中氣液分離裝置的2 個切向入口的設置可提高氣液分離的造旋能力，攜液氣流由切向方向流入分離裝置后開始旋轉，在旋轉過程中，由于天然氣與液滴的密度不同，使得氣相和液相產生了不同的離心力，從而實現兩相分離。最后，氣相部分由頂部溢流口流出，液相則被甩到邊壁，聚集成股后由底流口排出。

圖7 管柱式氣液分離流域模型與速度矢量圖Fig. 7 Flow domain model and velocity vector diagram of the tubular gas-liquid separation

設置液流入口速度為0.5 m/s，液相含量為2%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，計算管柱式氣液分離裝置的分離效率。液相含量低于10%時采用離散相模型，結合歐拉液膜模型；對于液相含量高于10%時采用歐拉多相流模型，重點分析液相分布情況和分離效率，如圖8 所示。

圖8 管柱式氣液分離裝置液相分布云圖Fig. 8 Liquid phase distribution nephogram of the tubular gas-liquid separator

利用溢流口液體流量和總液體流量計算分離效率，繪制管柱式氣液分離裝置液相含量與分離效率曲線。由圖9 可知，在液相含量10%附近曲線斜率逐漸增大，但并未出現驟變，因此2 種模型之間銜接性良好。當液相含量低于20%時，液相流量相對較小，由于無法產生高于底流口的液位高度，所以部分氣體會由底流口流出，分離效果比較差，分離效率整體相對較低；若液相含量高于20%，此時已經具有足夠大的液相流量，可產生高于底流口的液位，分離效率較高，基本達到分離效率峰值范圍；隨著液相含量進一步升高，液位也會隨之升高，筒體分離工作部分相應減少，部分液體開始從溢流口逃出，分離效率逐漸降低；當液相流量超過分離裝置承載上限時，管柱式氣液分離裝置無法正常工作，分離效率最低。

圖9 液相含量對分離效率影響Fig. 9 Effects of liquid content on separation efficiency

3.3 螺旋式氣液分離裝置

井下螺旋式氣液分離裝置阻力小、耗能少、分離效率高，其工作性能主要取決于螺旋圈數、螺距以及氣液流速、氣液比。該裝置主要結構參數為螺距、螺旋圈數、螺旋體管徑。螺旋式氣液分離裝置由外筒、排液管、導氣管和螺旋片組成。導氣管為分離后的氣液兩相流提供各自的通道出口，收集管壁內側的大量分離氣體并保證夾雜較少的液體，避免了螺旋分離后氣液兩相流二次混合。螺旋式氣液分離裝置流域模型與速度矢量圖如圖10 所示。

圖10 螺旋式氣液分離流域模型與速度矢量圖Fig. 10 Flow domain model and velocity vector diagram of spiral gas-liquid separation

在地層壓力和排水泵抽汲作用下，氣液兩相流沿入口進入分離裝置螺旋段。螺旋式氣液分離裝置主要就是利用螺旋片構建內部螺旋通道，氣液兩相在螺旋通道內做螺旋運動，利用離心力實現相間分離，氣液兩相相態不同，螺旋式氣液分離裝置的運作方式也不同。若氣相為分散相，液相為連續相，氣液兩相由下向上運動，上方排氣；若液相為分散相，氣相為連續相，氣液兩相由上向下運動，下方排液。根據螺旋式氣液分離裝置結構建立流域模型，由于天然氣水合物含液較少，氣液兩相由上方入口進入，通過螺旋通道時氣液兩相分離開，液滴被邊壁捕捉，聚合后沿螺旋片成股流下，由底流口排出，氣相則流出螺旋通道，由溢流口排出。

設置入口速度為0.5 m/s，其液相含量分別為2%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，計算螺旋式氣液分離裝置的分離效率。當氣液兩相介質共存時，兩相存在情況或分布狀況可以是各種各樣的。有氣體以細微氣泡形式均勻充滿液體中的泡狀情況，有以巨大氣泡形式自液體中涌出的浮泡情況，還有液體以細小水滴分散在氣體中的霧狀情況等。兩相流還存在密集與分散之分，當其密集時可能有不同程度的聚并現象，不同的分散狀態下，氣液兩相流流動的狀態不同，流體力學特性也不同。因此，在對兩相流進行計算時選擇合適的計算模型是非常關鍵的。液相含量低于10%采用離散相模型，結合歐拉液膜模型分析液滴運動；液相含量高于10%時采用歐拉多相流模型。螺旋式氣液分離裝置液相分布云圖如圖11 所示。

圖11 螺旋式氣液分離裝置液相分布云圖Fig. 11 Liquid phase distribution nephogram of the spiral gas-liquid separator

以溢流口出液量計算液相分離效率，繪制液相含量-分離效率關系曲線見圖12。螺旋式氣液分離裝置外壁面要適應套管尺寸，螺旋體管徑、螺距、螺旋圈數、螺旋頭數等參數需適應氣液比和處理量。氣液比和總處理量可影響液相流量，若液相流量過小，氣液分離效率會有所降低；若液相流量過高，氣液分離效率下降，超出分離裝置的承載極限，會有較多液體從溢流口流出，所以螺旋式氣液分離裝置適用于氣液比較高或液相流量較低的氣液分離。其結構參數需根據分離性能進行計算優化。

圖12 液相含量對分離效率影響Fig. 12 Effects of liquid content on separation efficiency

由此可知，液相含量越低，即氣液比越高，螺旋式氣液分離裝置分離效率越高；相反，氣液比越低，分離效率越低。螺旋式氣液分離裝置更適用于高氣液比分離。在此結構參數下，液相含量過低(≤4%)會造成分離效率下降，含量過高(≥60%)也會處于非正常工作狀態。

4 結論

(1)采用計算機流體力學數值模擬方法分別對軸流導葉式、管柱式、螺旋式3 種氣液分離方式進行數值模擬分析，重點分析了不同液相含量對3 種氣液分離裝置氣液分離效率的影響，得到了3 種氣液分離裝置的具體適用工況，為天然氣水合物氣液分離裝置的設計與優選提供理論指導。

(2)軸流導葉式旋流分離裝置更適用于液相流量相對較高，即低氣液比的氣液分離，液相含量過低造成流量過低時，部分氣體會通過底流口流出，流量過高則會超過承載上限；管柱式氣液分離裝置適用于可形成液位的較高氣液比的氣液分離，液相含量過小造成流量過低時，部分氣體會通過底流口流出，流量過高超過承載上限時，管柱式氣液分離裝置無法正常工作；螺旋式氣液分離裝置更適用于高氣液比分離，液相含量過低(≤4%)會造成分離效率下降，含量過高(≥60%)則會處于非正常工作狀態。

(3)結合我國在南海開采天然氣水合物的出水狀態，以液相含量10%、產氣量30 000 m3/d 為優選條件，以分離效率和壓降為優化目標參數來看，螺旋式氣液分離裝置更適用于天然氣水合物開采。