中心過軸式油水分離水力旋流器性能分析

同井注采技術在井下對高含水采出液進行油水分離，而水力旋流器是同井注采技術高效運行的關鍵設備。為進一步提高井下油水分離水力旋流器的分離性能，結合旋流分離原理與3D打印技術，提出了中心過軸式油水分離水力旋流器。通過數值模擬方法結合試驗研究，系統地對不同操作參數下旋流器內的流場分布特性和油水分離效率進行了分析，包括不同油滴粒徑、入口速度及分流比。研究結果表明：當含油體積分數為4%，油滴粒徑為0.7 mm，入口進液速度為6.33 m/s，分流比為30%時，旋流器的分離效率達到最大。在上述工況下，旋流器模擬與試驗的分離效率分別達到98.8%和98.0%。數值模擬與試驗在油核位置和分離效率方面呈現出良好的一致性，驗證了中心過軸式油水分離水力旋流器結構的可行性。研究結果可為井下油水高效分離設備的研發及應用提供一定參考。

油水分離；旋流器；油滴粒徑；入口速度；分流比；分離性能

Performance Analysis of Central-Axial Hydrocyclone for Oil-Water Separation

Li Weiwei^1，2 Xing Lei^1，3，4 Cai Meng² Jiang Minghu^1，3 Ma Zhiquan² Guo Bingqian¹ Guan Shuai^1，3

（1.School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University；2.Daqing Oilfield Production Technology Institute；3.Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multi-phase Media Treatment and Pollution Prevention；4.Daqing Oilfield Postdoctoral Research Workstation）

The single-well injection and production technology separates oil and water from high water-cut produced fluid in the wellbore，and the hydrocyclone is a key equipment for the efficient operation of this technology.To further improve the downhole oil-water separation performance of hydrocyclone，by combining cyclone separation principle and 3D printing technology，a central-axial hydrocyclone for oil-water separation was proposed.With the help of numerical simulation，together with experiment，the flow field distribution inside the cyclone and the oil-water separation efficiency under different operating parameters （incl.oil droplet size，inlet flow rate，and split ratio） were systematically analyzed.The results show that the maximum separation efficiency of the cyclone is realized when the oil volume fraction is 4%，the oil droplet size is 0.7 mm，the inlet flow rate is 6.33 m/s，and the split ratio is 30%.Under these operating conditions，the simulated and experimental separation efficiencies reach 98.8% and 98.0%，respectively.The numerical simulation and experiment yield consistent results in respect of oil nucleus position and separation efficiency，verifying the feasibility of the proposed central-axial hydrocyclone.The study results provide a reference for the development and application of efficient downhole oil-water separation equipment.

oil-water separation；cyclone；oil droplet size；inlet flow rate；split ratio；separation performance

0 引 言

隨著油田采出程度的日益加深，我國大部分油田的開采模式已進入中后期階段。此階段油田的采出液具有較高的含水量，增加了開采難度及開采成本。因此，發展石油開采的新技術十分必要^［1-3］。為降低油田開采成本，研究人員提出了井下油水分離及同井注采技術^［4-5］，即在井下通過水力旋流器對采出液進行油水分離，分離后的油舉升至地面，分離出的水直接回注到地層，以大幅降低地面采出液量，節約開采成本^［6-7］。此技術可以實現一井兩用，提高單井利用率，同時可以減少無效的水循環，進而降低地面管道的鋪設規模，極大節省開采成本，對于提高國內油氣資源的開采效率具有重要意義。

井下油水分離設備作為同井注采技術的核心，逐步受到諸多學者的關注與研究^［8-13］。任向海等^［14］針對高含水低產量稠油井工況，設計了小直徑油水旋流分離器，采用正交試驗方法，對分離器結構參數進行了優選，得出了處理量及油相黏度對水力旋流器分離過程的影響規律。李云鵬^［15］通過現場調試和數據分析找出影響水力旋流器處理效果的因素，對水力旋流器系統進行了優化改造。ZHAN M.等^［16］通過優化導葉出口角度、葉片扭曲直徑和葉片數等結構參數，提升了軸流式水力旋流器的分離性能。王曉靜等^［17］采用數值模擬方法對水力旋流器的分離過程進行計算，研究在高海拔地區下水力旋流器筒徑、溢流口直徑、入口流速、錐角等因素對其流動特性和分離性能的影響。齊加剛^［18］基于數值仿真分析了水力旋流器進口參數對旋流器分離性能的影響規律。郭樂^［19］采用單因素法對內錐式油水分離旋流器的主要結構參數進行了分析，得到了操作參數對內錐式油水分離旋流器分離性能的影響規律。LI S.等^［20］研究了在周期性激勵下油-水兩相流雙錐水力旋流器的內部流動模式。龔俊等^［21］采用阿基米德螺旋線入口形式設計了一種水力旋流器，通過仿真分析了水力旋流器內部流場的流線、速度及壓力等分布情況，為水力旋流器入口結構及參數的合理設計提供了依據。由上述研究可知，為提高油水分離效率，諸多學者從多個維度對水力旋流器內部的結構設計、流場特性及介質分布等規律進行研究，為適應復雜工況下的水力旋流器研制提供了理論及方向指導。

然而，在實際井下工況中，常采取雙電泵抽吸工藝，而該工藝通常要求1根軸從旋流器的中心位置穿過。針對這一特定工況的水力旋流器結構，目前的研究仍較為有限。針對此工況下因井下空間狹小、工藝集成難的問題，筆者提出了中心過軸式油水分離水力旋流器。系統研究了不同操作參數下該旋流器的流場分布特性和油水分離效率，以期為實現井筒內油水兩相的高效分離，拓寬井下油水分離及同井注采技術的應用范圍奠定理論基礎。

1 技術分析

中心過軸式油水分離水力旋流器的結構及工作原理如圖1所示，其主要由溢流口、切向入口、底流口、倒錐及中心軸構成，主要技術參數如表1所示。其工作原理為：油水兩相介質通過切向入口進入旋流腔內，在入口壓力的作用下，會在旋流腔內形成高速的旋轉液流，產生較強的離心力場。此時密度較大的液相在離心力的作用下會快速地向邊壁運動，并沿旋流腔內壁向分離器底流口方向運動，而密度較小的油相在壓力梯度力的作用下快速地靠近中心軸，沿中心軸形成油核，最終從溢流口排出。

2 研究方法

雷諾應力模型（Reynolds Stress Model，RSM）被廣泛應用于多種湍流場景，包括均勻湍流、自由射流、邊界層射流、尾流以及二維和三維管道中等。該模型在預測平均流速分布和雷諾應力分布等方面與實測值較為接近。中心過軸式油水分離水力旋流器中油相做旋轉湍流運動且表現為各向異性，與湍流模型中雷諾應力模型使用的各向異性假設相符，且相比于標準k-ε模型和RNG k-ε模型，雷諾應力模型更適合模擬旋流分離器內的高速旋轉流場，因此這里湍流計算采用雷諾應力模型。

連續性方程：

?ρ?t+?ρu_i?x_i=0（1）

動量方程：

?（ρu_i）?t+?（ρu_iu_j）?x_j=-?p?x_i+??x_jμ?u_i?x_j-ρu′_iu′_j（2）

式中：u_i為平均速度分量，m/s;x_i為空間位置，m;

u′_iu′_j為雷諾應力分量，m²/s²;p為平均壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m³；μ為流體動力黏度，Pa·s；t為時間，s。

雷諾應力模型運輸方程：

?（ρu′_iu′_j）?t+?（ρu_ku′_iu′_j）?x_k=D_ij+P_ij+G_ij+φ_ij-ε_ij+F_ij（3）

式中：D_ij為擴散項，Pa/s;P_ij為應力產生項，Pa/s;G_ij為浮力產生項，Pa/s;φ_ij為壓力應變再分配項，Pa/s;ε_ij為離散相，Pa/s;F_ij為旋轉系統產生項，Pa/s。

湍動能方程和湍動能耗散率方程為：

?（ρk）?t+?（ρku_i）?x_i=??x_iμ+μ_tσ_k?k?x_j+12（P_ij+G_ij）-ρε（1+2Ma²）（4）

?（ρε）?t+?（ρεu_i）?x_i=??x_jμ+μ_iσ_ε?ε?x_j+12C_ε1（P_ij+G_ε3G_ij）εk-C_ε2ρε²k（5）

式中：C_ε1=1.44，C_ε2=1.92，C_ε3是某點相對于重力的流動性質函數;u_i為瞬時速度分量，m/s;μ_t為湍流動黏度，Pa·s;k為湍流動能，m²/s²;ε為湍流動能耗散率，m²/s³；σ_k、σ_ε分別為k、ε方程的湍流普朗特指數，無量綱；Ma為流體馬赫數，無量綱。

利用ANSYS-Fluent軟件進行數值模擬，采用多相流混合模型（Mixture）進行計算。入口邊界條件設定為速度入口（Velocity-inlet）；離散相介質為油，密度為889 kg/m³，黏度為1.03 Pa·s；主相介質為水，密度為998.2 kg/m³，黏度為1.003×10^-3 Pa·s。油相體積分數設置為4%。使用標準壁函數法作為邊界條件。使用雙精度壓力基準算法進行隱式求解器的穩態求解，湍流計算采用RNG k-ε模型，速度壓力耦合采用SIMPLEC算法。邊界條件設定為無滑移壁面，動量、湍動能和湍流耗散率采用二階迎風格式進行離散。收斂標準設置為10^-6，壁面為不可滲透且無滑移邊界條件。

3 模擬結果與討論

3.1 不同油滴粒徑下的分離性能

油滴粒徑對旋流器的分離效率具有重要影響。一般而言，油滴粒徑越大，旋流器的分離效率越高。選取具有代表性入口速度6.33 m/s，溢流分流比30%為恒定條件。經過數值模擬得到不同油滴粒徑下旋流分離器的油相體積分布云圖，如圖2所示。從圖2可以看出，當油滴粒徑d=0.1 mm時，由于油滴粒徑較小，在溢流口附近油相分布不明顯。當油滴粒徑為0.2～0.7 mm時，油滴粒徑越大，油相越集中在旋流器頂部溢流口位置，分離效果越好。

在入口速度6.33 m/s、溢流分流比30%的恒定條件下，靠近溢流口的同一截面油相體積分數隨油滴粒徑的變化如圖3所示。從圖3可以看出：隨著油滴粒徑的增大，油相體積分數逐漸增大；當油滴粒徑超過0.5 mm之后，隨著油滴粒徑的增大，溢流口油相體積分數的提升明顯減緩；油滴粒徑為0.7 mm時，油相體積分數達到最大，值為78%。

3.2 不同入口速度下的分離性能

入口進液速度是影響旋流分離器分離效率的另一重要因素。當入口進液速度過高時，油相極易乳化，導致分離效率降低；而當入口速度過低時，旋流強度不足，不利于油水兩相分離。入口速度v范圍設置在1.69～7.26 m/s之間。為了縱向對比分析不同入口進液速度對油水兩相分布的影響，選取具有代表性含油體積分數（4%），溢流口分流比30%為恒定條件，得到油相體積分數分布云圖，如圖4所示。隨著入口進液速度的升高，溢流口處的油相體積分數顯著上升，在入口進液速度v=6.33 m/s時油相體積分數達到98%。

由圖4可知，當進液速度為v=2.71 m/s時，溢流口油相體積分數約為30%，隨著進液速度的不斷升高，溢流口位置的油相體積分數顯著增大。當進液速度達到3.21 m/s時，溢流口油相體積分數達到60%。這表明進液速度越高，流場內的切向速度也越大，從而對油水兩相的分離過程產生積極影響。當進液速度達到5.79 m/s時，溢流口油相體積分數最高可達到94%。

同時，不同進液速度下的旋流器分離效率規律如圖5所示。由圖5可以看出：隨著進液速度的升高，旋流器的分離效率呈現先增加后降低的趨勢，當進液速度5.79 m/s時，分離效率達到93%；當入口進液速度為6.33 m/s時，分離效率達到98%；當入口進液速度提升至6.85 m/s時，分離效率下降至88%。因此，該型旋流器在v=5.79～6.33 m/s時具有較高的分離效率。為明確旋流器內部切向速度的變化，設置入口進液速度為6.33 m/s，并選取圖6所示的3個截面進行研究，分別為旋流器大錐段中心處的Z3截面、小錐段中心處的Z2截面，以及底流管中心處的Z1截面。截面處的切向速度分布云圖及不同徑向位置的切向速度曲線對比如圖6所示。研究結果表明：在相同操作條件下，Z3截面處的切向速度最大，Z1截面次之，Z2截面最小。這是因為Z3截面距離入口較近，流體速度較大；而Z1截面由于過流面積相較于Z2截面急劇減小，所以切向速度出現短暫回升。從同一截面的徑向位置來看，隨著位置向中心靠近，切向速度呈現出先增大后減小的趨勢，其中Z3截面處的最高切向速度可達5.4 m/s。

3.3 不同分流比下的分離性能

3.3.1 試驗驗證

按照圖7所示的試驗工藝圖構建室內試驗系統。采用3D打印技術加工樣機外壁，便于直觀地對流場內部情況進行分析。以試驗樣機溢流口分流比為研究對象，開展不同分流比條件下優化后旋流器分離性能試驗研究。借助變頻控制器來控制螺桿泵頻率繼而控制水相的進液量，通過調節油泵，繼而控制油罐中油相的供液量。通過在入口、溢流口、底流口管線上安裝截止閥來調控分流比，采用密度與模擬密度相仿的重載荷齒輪油作為試驗用油。利用浮子流量計和壓力表分別對入口處流量和壓力進行監測。試驗時，水和油分別通過螺桿泵以及油泵泵出，油水混合液在經過靜態混合器充分混合后，進入旋流器樣機內，在實現油水兩相的旋流分離后，中心軸處油相由溢流口流出，邊壁處水相由底流口流出，油相和水相循環流至廢液罐中。在試驗系統穩定運行后，通過接樣閥分別在入口、溢流口取樣。最終，使用紅外分光測油儀對樣品進行含油質量濃度的檢測。

3.3.2 分流比對旋流分離器分離效果的影響

為分析分流比F對中心過軸式油水分離水力旋流器分離性能的影響，選取油滴粒徑為0.7 mm、入口速度6.33 m/s以及含油體積分數4%為恒定條件，模擬分流比分別為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%條件下油水兩相分布及分離效率變化規律，對比分析分流比對油相分布的影響。經過模擬得到不同分流比下油相體積分數分布云圖，如圖8所示。油相在旋流場的作用下主要集中在溢流口的位置。當分流比在10%～20%時，溢流口附近油相體積分數較低。隨著分流比的增加，越來越多的油相集中在溢流口位置，當分流比超過30%之后，溢流口處的油相體積分數呈現降低趨勢。中心過軸式油水分離水力旋流器分離效率隨分流比變化曲線如圖9所示，從圖9可以看出，當溢流分流比在10%～25%區間內，隨著分流比的升高，油相分離效率保持穩定升高。在分流比達到30%時分離效率最高，分流比超過30%之后，隨著分流比的增加，油相分離效率呈現降低趨勢。

為了驗證數值模擬方法的準確性，選取溢流分流比F=20%和30%時流場內部的油核狀態進行研究，試驗與模擬對比如圖9所示。隨著分流比的增加，油相聚集成油核的區域底部逐漸變短，并且在相同的參數條件下模擬與試驗的油核位置相近，變化規律相似。

由圖9可以看出，在試驗及模擬條件下，隨著溢流分流比的增加，分離效率都呈現先增加后降低的趨勢。模擬與試驗的分離效率最大值分別為98.8%和98.0%。試驗與數值模擬旋流器內部油核以及分離效率呈現出較為一致的變化形態和相似的變化規律，充分驗證了數值模擬方法的可靠性。

4 結 論

（1）當油滴粒徑在0.1～0.2 mm區間時，溢流口附近油相體積分數較低；當油滴粒徑在0.3～0.7 mm區間時，油滴粒徑越大，油相越易集中在旋流器頂部溢流口位置，在油滴粒徑為0.7 mm時，油相體積分數達到78%。

（2）旋流器分離效率隨入口速度的升高呈現先增后減的趨勢，以油滴粒徑0.7 mm、分流比30%為恒定條件，當入口速度為6.33 m/s時，旋流器的分離效率達到最大98%。水力旋流器的切向速度直接受入口速度的影響，在靠近溢流口的Z3截面，切向速度達到5.4 m/s，隨著位置靠近底流口，切向速度呈現先增后減的趨勢。

（3）隨著分流比的增大，旋流器分離效率呈現先增后減的趨勢，在分流比為30%時，模擬和試驗的分離效率均達到最大值，分別為98.8%和98.0%；數值模擬與試驗在油核位置和分離效率方面表現出了較好的一致性，充分證明了數值模擬的正確性。

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第一作者簡介：李巍巍，高級工程師，生于1992年，2014年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，現主要從事井下油水分離同井注采技術的研發及應用工作，地址：（163318）黑龍江省大慶市，email：cyylww@qq.com。

通信作者：邢雷，教授，博士生導師。 email：Nepuxinglei@163.com。