采出液含砂量對(duì)井下兩級(jí)串聯(lián)旋流器分離性能的影響

高 揚(yáng)， 劉 合， 張 勇

( 1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2. 東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

我國(guó)主力油田已進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)期，含水率多數(shù)超過(guò)90%。隨原油開(kāi)采成本的日益增加，有些油井失去開(kāi)采的價(jià)值[1-3]。同時(shí)，高含水采出液使人工舉升設(shè)備、集輸管線、地面處理設(shè)備及水處理系統(tǒng)等達(dá)到操作運(yùn)行的設(shè)計(jì)極限[4-6]。井下油水分離及同井回注技術(shù)是對(duì)油井產(chǎn)出液在井下通過(guò)重力或機(jī)械方式進(jìn)行油水分離，分離的水被直接注入油井的注水層，分離的富油流被舉升到地面[7-8]，一方面可以控制無(wú)效產(chǎn)液，減少油井產(chǎn)出液量，有效延長(zhǎng)油田開(kāi)發(fā)周期和提高采收率；另一方面，可以緩解后續(xù)水處理壓力，減少地面油氣集輸系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模和數(shù)量，降低地面設(shè)備能耗水平和水處理成本[9-11]。井下油水分離及同井回注技術(shù)的核心是實(shí)現(xiàn)井下油水分離，其中雙泵抽吸式兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器具有分離高效、穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。隨同井注采工藝的推廣，應(yīng)用井況條件漸趨復(fù)雜，多數(shù)井出現(xiàn)采出液攜砂現(xiàn)象，對(duì)雙泵抽吸式兩級(jí)串聯(lián)旋流系統(tǒng)分離性能產(chǎn)生影響。

以往的研究主要集中于旋流器自身匹配工藝設(shè)計(jì)[12-13]、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)選[14-16]、液流通道設(shè)計(jì)[17]、操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響，以及多參數(shù)優(yōu)化等[18]，有關(guān)采出液含砂量對(duì)井下旋流系統(tǒng)分離性能影響研究相對(duì)較少。筆者借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合方法，分析采出液含砂量對(duì)井下雙泵抽吸式兩級(jí)串聯(lián)旋流系統(tǒng)分離性能的影響，為井下旋流分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)及同井注采工藝應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 物理模型

井下兩級(jí)串聯(lián)旋流器流體域模型見(jiàn)圖1，整體分為一級(jí)旋流分離器、過(guò)渡段及二級(jí)旋流凈化器，通過(guò)過(guò)渡結(jié)構(gòu)將兩種不同形式的旋流器串聯(lián)起來(lái)。其中一級(jí)旋流分離器為軸向式入口，主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)圖2。二級(jí)旋流凈化器為切向式入口，主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)見(jiàn)圖3。雙泵抽吸式兩級(jí)串聯(lián)旋流器主要結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

圖1 兩級(jí)串聯(lián)旋流器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of dual-stage tandem cyclone separator

圖2 一級(jí)旋流分離器結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)Fig.2 The structure and main parameters of first cyclone separator

圖3 二級(jí)旋流凈化器結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)Fig.3 The structure and main parameters of second cyclone separator

一級(jí)旋流器二級(jí)旋流器旋流腔長(zhǎng)度L159.0溢流管深度L412.0底流管長(zhǎng)度L363.0主直徑D142.0溢流管直徑Du16.8內(nèi)錐底徑Dz111.0底流管直徑Dd121.0錐角β13.0葉片數(shù)N5.0出口面積S1250.0旋流腔長(zhǎng)度L642.0溢流管深度L720.0底流管長(zhǎng)度L8420.0主直徑D242.0溢流管直徑Du28.4小錐段直徑d20.0底流管直徑Dd210.0入口面積S252.0大錐角α20.0小錐角β22.0

2 數(shù)值模型

2.1 網(wǎng)格劃分

利用Gambit軟件建立幾何模型并完成網(wǎng)格劃分，為具有較高的計(jì)算精度，整體采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。同時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，以?xún)杉?jí)串聯(lián)旋流器分離效率為指標(biāo)，對(duì)串聯(lián)旋流器網(wǎng)格數(shù)分別為2.856 97×105、3.806 79×105、4.207 92×105、5.675 93×105、6.267 30×105的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到4.207 92×105時(shí)，串聯(lián)旋流器分離效率不再隨網(wǎng)格數(shù)的增加而發(fā)生變化，因此選用網(wǎng)格數(shù)為4.207 92×105的模型進(jìn)行數(shù)值分析。一級(jí)旋流分離器及二級(jí)旋流凈化器的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4，網(wǎng)格有效率為100%。

圖4 兩級(jí)串聯(lián)旋流器網(wǎng)格劃分示意
Fig.4 Schematic diagram of grid division of dual-stage tandem hydrocyclone separator

2.2 邊界條件

模擬介質(zhì)為油、水、砂三相，連續(xù)相介質(zhì)為水，密度為998.2 kg/m3，黏度為1.000×10-3mPa·s；離散相介質(zhì)為油，密度為889.0 kg/m3，黏度為1.060 mPa·s；砂相密度為2 000.0 kg/m3，將利用馬爾文粒度儀測(cè)量的、現(xiàn)場(chǎng)采出液的砂相粒度中值300 μm作為模擬砂相粒徑，含砂量分別為0、0.008、0.010、0.020、0.040、0.060。入口邊界條件為速度入口(Velocity)，根據(jù)兩級(jí)旋流器處理量設(shè)計(jì)要求為4 m3/h；為保障兩種結(jié)構(gòu)處理量相同，出口邊界條件設(shè)置為自由出口(Outflow)，一級(jí)溢流分流比為20%，二級(jí)溢流分流比為15%，采用多相流混合模型(Mixture)進(jìn)行油水兩相數(shù)值計(jì)算。選用壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，湍流計(jì)算模型為雷諾應(yīng)力方程模型(RSM)，采用SIMPLEC算法進(jìn)行速度壓力耦合，墻壁為無(wú)滑移邊界條件，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率為二階迎風(fēng)離散格式，收斂精度設(shè)為10-7，壁面為不可滲漏，無(wú)滑移邊界條件。

3 計(jì)算模型

湍流的基本方程組包括連續(xù)性方程、雷諾方程、雷諾應(yīng)力方程、湍動(dòng)能方程及湍動(dòng)能耗散率方程等。

對(duì)于兩級(jí)串聯(lián)旋流器流場(chǎng)，采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)對(duì)雷諾應(yīng)力進(jìn)行處理。由于在雷諾方程中出現(xiàn)新的脈動(dòng)速度的二階關(guān)聯(lián)項(xiàng)——雷諾應(yīng)力項(xiàng)，它與連續(xù)性方程不能封閉，需要選擇適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ褪狗匠探M封閉。

模型化的雷諾應(yīng)力方程為

(1)

式中：SK為用戶自定義的源項(xiàng)；Di,j為擴(kuò)散項(xiàng)；Pi,j為應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；Gi,j為浮力產(chǎn)生項(xiàng)；φi,j為應(yīng)力應(yīng)變?cè)俜峙漤?xiàng)；ξi,j為離散項(xiàng)；Fi,j為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生項(xiàng)；k為流體介質(zhì)黏性系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；μ為介質(zhì)黏度。

模型化的湍動(dòng)能方程為

(2)

式中：Mt為湍流馬赫數(shù)。基本方程組封閉，完成模型構(gòu)建[19-22]。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 速度場(chǎng)分布

旋流器主要是在離心力的作用下使兩相密度不同介質(zhì)完成分離，因此速度場(chǎng)分布可以反映旋流器分離特性。含砂量為0～0.080時(shí)，對(duì)不同含砂量的兩級(jí)串聯(lián)旋流器速度場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析含砂量對(duì)一級(jí)旋流分離器、過(guò)渡段、二級(jí)旋流凈化器的切向、軸向、徑向速度的影響規(guī)律。

4.1.1 一級(jí)旋流分離器

按照截面選取方式(見(jiàn)圖1)，不同含砂量時(shí)S1截面的徑向速度分布見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，由邊壁向軸心含砂量對(duì)徑向速度的影響逐漸減小，在邊壁附近隨含砂量的增加，徑向速度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在半徑為20 mm內(nèi)，徑向速度受含砂量的變化影響較小。由于砂相為重質(zhì)相，在旋流分離過(guò)程中沿邊壁處向底流口方向運(yùn)移，影響旋流器邊壁處流場(chǎng)的徑向速度分布。當(dāng)含砂量為0時(shí)，流場(chǎng)徑向速度由邊壁向軸心運(yùn)動(dòng)；當(dāng)含砂量逐漸增加時(shí)，邊壁處流場(chǎng)徑向速度逐漸減小并向相反方向運(yùn)動(dòng)。說(shuō)明當(dāng)含砂量較小時(shí)，液相運(yùn)動(dòng)不改變流場(chǎng)邊壁處運(yùn)動(dòng)方向；當(dāng)含砂量增大到一定程度時(shí)，砂相在邊壁處徑向向外運(yùn)動(dòng)，徑向速度主要反映固相顆粒運(yùn)動(dòng)。

不同含砂量時(shí)S1截面的軸向速度和切向速度分布見(jiàn)圖6-7。由圖6-7可以看出，軸向及切向速度在S1截面呈對(duì)稱(chēng)分布。軸向速度由邊壁向軸心先增大后減小，零軸向速度包絡(luò)面(LZVV)不隨含砂量的變化而改變。切向速度由邊壁到軸線先增大后減小，準(zhǔn)自由渦與強(qiáng)制渦的分界面也未隨含砂量的變化而改變。因此，含砂量增大對(duì)一級(jí)旋流分離器S1截面的軸向速度和切向速度影響較小，幾乎不隨含砂量的變化而改變。

圖5 一級(jí)旋流分離器不同含砂量時(shí)S1截面的徑向速度

Fig.5 The radial velocity of S1cross section in the first cyclone separators with different sand content

圖6 一級(jí)旋流分離器不同含砂量時(shí)S1截面的軸向速度

Fig.6 The axial velocity of S1cross section in the first cyclone separators with different sand content

4.1.2 過(guò)渡段

一級(jí)旋流分離器與二級(jí)旋流凈化器的過(guò)渡結(jié)構(gòu)為狹長(zhǎng)的環(huán)形通道，徑向及切向速度對(duì)混合液進(jìn)入二級(jí)旋流器影響相對(duì)較小。按照截面選取方式(見(jiàn)圖1)，不同含砂量時(shí)S2截面的軸向速度見(jiàn)圖8。由圖8可以看出，在過(guò)渡結(jié)構(gòu)中隨含砂量的增加，軸向速度先增大后減小，當(dāng)含砂量為0.010時(shí)，軸向速度達(dá)到最大；隨含砂量繼續(xù)增加，軸向速度逐漸減小。說(shuō)明當(dāng)含砂量小于0.010時(shí)，混合液含砂量可以增加軸向速度，有助于增加二級(jí)旋流凈化器的入口速度，從而增加二級(jí)旋流凈化器的分離效率。

圖7 一級(jí)旋流分離器不同含砂量時(shí)S1截面的切向速度

Fig.7 The tangential velocity of S1cross section in the first cyclone separators with different sand content

圖8 過(guò)渡段不同含砂量時(shí)S2截面的軸向速度

Fig.8 The radial velocity of S2cross section in the transition structure with different sand content

4.1.3 二級(jí)旋流凈化器

按照截面選取方式(見(jiàn)圖1)，不同含砂量時(shí)S3截面的徑向速度見(jiàn)圖9。由圖9可以看出，在二級(jí)旋流腔軸心附近及邊壁區(qū)域，徑向速度隨含砂量的增加而逐漸減?。辉诹鲌?chǎng)中間區(qū)域，徑向速度隨含砂量的增加而逐漸增大。在流場(chǎng)中間區(qū)域，砂相對(duì)流體起到一定的攜帶作用，加速由軸心向邊壁運(yùn)動(dòng)的速度；當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)到邊壁時(shí)，受固相顆粒的堆積影響，徑向速度減小。

不同含砂量時(shí)S3截面的軸向速度見(jiàn)圖10。由圖10可以看出，S3截面的軸向速度整體呈對(duì)稱(chēng)分布，且在零軸速包絡(luò)面附近區(qū)域隨含砂量的增大，零軸速包絡(luò)面位置也隨之偏移；當(dāng)含砂量增大到0.060時(shí)，軸向速度值始終不為零。

圖9 二級(jí)旋流凈化器不同含砂量時(shí)S3截面的徑向速度

Fig.9 The radial velocity of S3cross section in the second cyclone purifier with different sand content

圖10 二級(jí)旋流凈化器不同含砂量時(shí)S3截面的軸向速度

Fig.10 The axial velocity of S3cross section in the second cyclone purifier with different sand content

圖11 二級(jí)旋流凈化器不同含砂量時(shí)S3截面的切向速度Fig.11 The tangential velocity of S3 cross section in the second cyclone purifier with different sand content

不同含砂量時(shí)S3截面的切向速度見(jiàn)圖11。由圖11可以看出，S3截面只有邊壁處的切向速度隨含砂量的不同而變化，隨含砂量逐漸增加，邊壁處切向速度逐漸減小。砂相相對(duì)于液相跟隨性較差，在二級(jí)旋流凈化器S3截面邊壁處砂相堆積，流場(chǎng)整體切向速度有所降低。

4.2 濃度場(chǎng)分布

兩級(jí)串聯(lián)旋流器不同含砂量時(shí)砂相體積分?jǐn)?shù)分布云圖見(jiàn)圖12。由圖12可以看出，砂相在一級(jí)旋流分離器內(nèi)附壁堆積效果較差，在二級(jí)旋流凈化器內(nèi)壁附壁堆積效果明顯。因此，一級(jí)旋流分離器速度場(chǎng)受砂相影響較小，二級(jí)旋流凈化器速度場(chǎng)受含砂量變化影響較大。

一級(jí)旋流分離器不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖見(jiàn)圖13。由圖13可以看出，在一級(jí)旋流分離器內(nèi)含砂量對(duì)油相分布影響不大。一級(jí)溢流口不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)曲線見(jiàn)圖14。由圖14可以看出，含砂量對(duì)一級(jí)旋流分離器的分離性能影響較小，油相分布幾乎不隨含砂量變化而改變，與速度場(chǎng)規(guī)律一致。

圖12 兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器不同含砂量時(shí)砂相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.12 Sand volume fraction distribution cloud map of dual-stage tandem cyclone separators with different sand content

圖13 一級(jí)旋流分離器不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖14 一級(jí)溢流口不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)Fig.14 Oil volume fraction of first overflow with different sand content

二級(jí)旋流凈化器不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖見(jiàn)圖15。二級(jí)溢流口不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖16。由圖15-16可以看出，二級(jí)溢流口的濃度隨含砂量的增加而先增大后減小。當(dāng)含砂量為0.010時(shí)，溢流口油相體積分?jǐn)?shù)分布最大，二級(jí)旋流分離器的分離性能最佳；當(dāng)含砂量繼續(xù)增加時(shí)，溢流口油相體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)。

4.3 分離效率

對(duì)不同含砂量時(shí)的一級(jí)分離效率、二級(jí)分離效率及總分離效率進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖17)。由圖17可以看出，隨含砂量逐漸增加，一級(jí)分離效率變化幅度較小，為90.00%～91.00%。二級(jí)分離效率變化幅度較大，當(dāng)含砂量小于0.010時(shí)，隨含砂量增大而逐漸升高；在含砂量為0.010時(shí)達(dá)到最高(92.96%)；隨含砂量繼續(xù)增大，分離效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。受二級(jí)分離效率影響，總分離效率在含砂量為0.010時(shí)，達(dá)到最高(99.67%)；隨含砂量繼續(xù)增加，總分離效率明顯降低；當(dāng)含砂量大于0.010時(shí)，旋流器總分離效率小于99.00%，不能滿足井下分離精度要求，需要采取防砂措施。

圖15 二級(jí)旋流凈化器不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖16 二級(jí)溢流口處不同含砂量時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)分布

Fig.16 Oil volume fraction of second overflow with different sand content

圖17 兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器不同含砂量時(shí)分離效率

Fig.17 Separation efficiency of dual-stage tandem cyclone separator with different sand content

5 實(shí)驗(yàn)

加工兩級(jí)串聯(lián)旋流器樣機(jī)，開(kāi)展分離效率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置及工藝見(jiàn)圖18。以現(xiàn)場(chǎng)收集的采出液為介質(zhì)，加入水、砂并在罐內(nèi)混合，按一定比例加入砂相，分別調(diào)配砂相體積分?jǐn)?shù)與數(shù)值模擬參數(shù)相同；在混合罐內(nèi)加熱攪拌后，經(jīng)螺桿泵增壓泵入管匯，調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)頻，根據(jù)入口電磁流量計(jì)讀數(shù)，將入口流量調(diào)至數(shù)值模擬流量4 m3/h；調(diào)整溢流口及底流口閥門(mén)，通過(guò)電磁流量計(jì)控制分流比與數(shù)值模擬參數(shù)相同；待流場(chǎng)穩(wěn)定后，在入口、底流口及溢流口分別接5組樣品。配比不同含砂量并重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

圖18 實(shí)驗(yàn)裝置及工藝Fig.18 Experiment equipments and process

圖19 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分離效率Fig.19 Numerical simulation and separation efficiency of experimental prototype

測(cè)量每種工況下的5組樣品含油濃度并取平均值，按照文獻(xiàn)[23]方法計(jì)算分離效率，得出不同含砂量時(shí)的分離效率，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖19)。由圖19可以看出，不同含砂量時(shí)，數(shù)值模擬分離效率與實(shí)驗(yàn)分離效率變化趨勢(shì)基本相同，呈先增大后減小趨勢(shì)。在含砂量達(dá)到0.01時(shí)，分離效率達(dá)到最大，為99.67%；隨含砂量的繼續(xù)增大，分離效率呈明顯下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，證明數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)一種兩級(jí)串聯(lián)旋流分離器，由一級(jí)旋流分離器、過(guò)渡結(jié)構(gòu)及二級(jí)旋流凈化器組成。含砂量的變化對(duì)一級(jí)旋流分離器的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及分離效率影響較小，分離效率基本不隨含砂量的變化而改變。

(2)二級(jí)旋流凈化器的分離性能隨含砂量的增大呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)含砂量為0.010時(shí)，分離效率達(dá)到最高(為99.67%)；當(dāng)含砂量繼續(xù)增大時(shí)，旋流器總效率低于99.00%，不滿足井下分離精度要求，需要采取防砂措施。

(3)過(guò)渡結(jié)構(gòu)的軸向速度隨含砂量的增加而逐漸增大，在一定范圍內(nèi)含砂量的增加可以增加流經(jīng)環(huán)形過(guò)渡結(jié)構(gòu)的液流。

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