油田放空裝置的安全節(jié)能優(yōu)化

修麗群（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

在油田生產(chǎn)過程中由于維修維護(hù)的需要，通常要對(duì)站所或注水井進(jìn)行放空。在放空時(shí)，通常是將水龍帶或軟管通過鐵絲或卡子與放空管連接，水龍帶或軟管的另一端放入污水罐或污油池內(nèi)進(jìn)行放空。從放空閥門出來的液體壓力較大，高壓放空時(shí)瞬間可產(chǎn)生十幾個(gè)大氣壓，常伴有大量的氣體，導(dǎo)致放空管內(nèi)的壓力較大，致使放空管連接處被繃裂或繃斷，或是水龍帶或軟管出現(xiàn)“擺龍”的現(xiàn)象，導(dǎo)致污油水四處噴濺，極大地影響了生產(chǎn)和維修，而且還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，研制了一種減壓防噴的放空裝置。從放空管流出的高壓油氣水混合液經(jīng)過該防噴裝置的緩沖后，緩沖盤內(nèi)的液體壓力明顯下降，通過緩沖盤的出水口進(jìn)入水龍帶或軟管的壓力減小，避免了因壓力過大造成水龍帶或軟管與放空管連接處發(fā)生繃裂或繃斷的現(xiàn)象，近而避免了在管網(wǎng)放空的過程中發(fā)生污油水噴濺的現(xiàn)象。

1 裝置構(gòu)造及其工作原理

該裝置（圖1、圖2）包括緩沖盤、螺紋變頭及放空連接頭。緩沖盤兩側(cè)設(shè)有對(duì)稱分布的內(nèi)螺紋連接頭，左側(cè)的內(nèi)螺紋連接頭與螺紋變頭連接，右側(cè)的內(nèi)螺紋連接頭與放空連接頭連接。緩沖盤的圓腔左端焊接有分水盤，分水盤的外圓周上設(shè)有圓周均布的四個(gè)正向分水管，分水盤右端設(shè)有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管上設(shè)有圓周均布的四個(gè)反向分水管，反向分水管和正向分水管的出水孔在同一條中心線上。緩沖盤左端的內(nèi)螺紋連接頭、螺紋變頭及放空連接頭的外圓周上焊接有對(duì)稱分布套管，分水盤與緩沖盤在同一條中心線上。螺紋變頭按照內(nèi)螺紋尺寸的大小設(shè)計(jì)為一組螺紋變頭，以滿足不同螺紋接頭的需要；螺紋變頭左端加工為內(nèi)螺紋連接頭或焊接有卡箍片。

圖1 放空減壓防噴裝置二維圖

圖2 放空減壓防噴裝置三維圖

在對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行放空時(shí)，選擇相配的螺紋變頭與放空管螺紋連接，將加力桿插入螺紋變頭的套管內(nèi)，通過加力桿進(jìn)行螺紋的連接和拆卸，方便快捷，省時(shí)省力。與使用管鉗進(jìn)行管件連接相比，不會(huì)發(fā)生管鉗打滑或脫卡現(xiàn)象，再使用加力桿將螺紋變頭與緩沖盤連接。在放空的過程中，高壓油氣水混合液經(jīng)過分水盤分流泄壓后進(jìn)入緩沖盤的空腔內(nèi)，混合液中一部分通過分水盤的四個(gè)正向分水管噴入緩沖盤內(nèi)，另一部分通過四個(gè)反向分水管噴入緩沖盤內(nèi)，正向分水管和反向分水管噴出的水流形成對(duì)向噴發(fā)的狀態(tài)，使得水流的能量相互抵消，達(dá)到緩沖泄壓的目的。放空管噴出的混合液流經(jīng)緩沖盤后壓力減小，尤其是緩沖盤滿液的狀態(tài)下，壓力減小更為明顯，壓力降低的混合液通過水龍帶或軟管排出時(shí)，不會(huì)發(fā)生污油水噴濺的現(xiàn)象。放空連接頭與緩沖盤采用螺紋連接，便于根據(jù)放空的需要將其更換為螺紋變頭或帶有卡箍片的螺紋連接頭。

該裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)合理，防噴防濺，安全可靠，拆裝簡便，制造成本低廉，經(jīng)濟(jì)適用，只需1人即可安裝，可有效降低放空過程中的污油污水亂噴及軟管炸裂現(xiàn)象，具有廣泛的推廣價(jià)值。

2 裝置內(nèi)流體特點(diǎn)分析

運(yùn)用FLUENT流體軟件對(duì)該裝置內(nèi)部的流體運(yùn)行進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。將對(duì)稱彎管及流體流出的通道進(jìn)行簡化，運(yùn)用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，

采用VOF模型及一階精度計(jì)[1-5]。在VOF模型[6-10]中，不同流體成分均使用一套動(dòng)量方程。計(jì)算過程中，流場(chǎng)的每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)，都記錄下各流體成分所占有的體積率，由此確定界面的運(yùn)動(dòng)位置。又因?yàn)榱黧w流動(dòng)隨時(shí)間發(fā)生劇烈變化，選擇瞬態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算過程中對(duì)該裝置的核心部位作了以下簡化[11-12]：

1）裝置內(nèi)的流體流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)。各種工況下壓力和溫度不再變化，絕熱過程中不計(jì)流動(dòng)的能量損失。

2）裝置內(nèi)壁光滑，不計(jì)摩擦阻力，忽略重力對(duì)于流動(dòng)造成的影響。

設(shè)置模型左右兩端均為水和氣體的混合物入口。一般情況下，放空頭兒的壓力在0.1 MPa和1 MPa之間，流體在管中流速介于1 m/s和5 m/s之間，這里取速度5m/s，上下兩端為與大氣相通的開放出口。初始時(shí)刻裝置內(nèi)全部為空氣。

圖3 裝置內(nèi)流體沖擊

圖4 裝置內(nèi)流體沖擊過程中的壓力分布

通過軟件計(jì)算（圖3、圖4）求解可知，流體從模型的左右入口分別流入，入口初始?jí)毫? MPa，在模型的中間地區(qū)匯合碰撞，瞬間產(chǎn)生的壓力可達(dá)5 MPa，并且該壓力會(huì)通過流體介質(zhì)的傳達(dá)，增大橫向圓管的壓力，使橫向圓管的壓力增高至2 MPa。但是經(jīng)過對(duì)向流動(dòng)的緩沖，流體從上下出口流出時(shí)的壓力降為0.2 MPa，即經(jīng)過該裝置后流體壓力降低至其初始?jí)毫Φ?/5。

該裝置共設(shè)計(jì)四組對(duì)向流圓管，可有效降低來液壓力，實(shí)際在該緩沖裝置中流體發(fā)生碰撞的位置為裝置內(nèi)的空腔部分，模擬計(jì)算中瞬間產(chǎn)生的5 MPa高壓并不會(huì)完全施加在裝置的內(nèi)壁上。并且該裝置實(shí)際的緩沖腔要大于模型中的上下出口圓管，因此可有效緩沖由于碰撞帶來的高壓。

該裝置目前在試驗(yàn)區(qū)塊中應(yīng)用效果良好。放空過程中使用該裝置可有效降低壓力，減少因污油和污水導(dǎo)致環(huán)境污染的概率。該區(qū)塊以往在一個(gè)月內(nèi)由于井、間放空，平均可由瞬間高壓而產(chǎn)生的水龍帶跳動(dòng)4次，油水混合物由于滲漏撒噴導(dǎo)致地面污染1.5 m2。使用該裝置后，有效降低了防空時(shí)瞬間產(chǎn)生的高壓，再未出現(xiàn)水龍帶跳動(dòng)和滲漏撒噴現(xiàn)象，避免了環(huán)境污染。

3 結(jié)論

結(jié)合油田生產(chǎn)實(shí)際，提出一種減壓防噴的放空裝置。通過簡化模型、數(shù)值模擬可得出：模型內(nèi)部的流體在回流地點(diǎn)發(fā)生劇烈碰撞，瞬間產(chǎn)生高壓，經(jīng)過緩沖從出口流出的流體壓力大幅度下降。

該裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，有效減少由于站所放空而導(dǎo)致的安全隱患，減少了環(huán)境污染，降低了能源損耗。

[1]CURTIS J B.Fractured shale-gas system[J].AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921-1938.

[2]JARIE D M，Hill R J，Ruble T E，et al.Unconventional shalegas system：the Mississippan Barnett Shale of north-central Tex as one model for thermogenic shale-gas assessment[J].AAPG Bulletin，2007，91（4）：475-499.

[3]BPWKER K A.Barrnett Shale gas prodution，F(xiàn)ort Worth Basin：issues and discussion[J].AAPG Bulletin，2007，91（4）：523-533.

[4]楊勝來，魏俊之.油層物理學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004：23-30.

[5]袁恩熙.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005：80-90.

[6]周前紅.瑞利—泰勒不穩(wěn)定性的理論研究[D].安徽合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[7]陳勇.水平管內(nèi)油水兩相流型數(shù)值模擬[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014，13（20）：64-65.

[8]李琦瑰，郭賢賢，程浩，等.基于Fluent的水平管油水兩相分散流數(shù)值模擬[J].油氣田地面工程，2013，32（9）：68-69.

[9]倪玲英.物性對(duì)油滴剪切變形影響的模擬分析[J].化工機(jī)械，2012，39（4）：500-502.

[10]孫波，孫立成，幸奠川，等.豎直大圓管內(nèi)兩相流界面分布機(jī)理[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（12）：3812-3817.

[11]SMITH T R，SCHLEGEL J P ，HIVIKI T ，et al.Two-phase flow structure in large diameter pipes[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2012，33（1）：156-157.

[12]孫皓，馬貴陽，汪笑楠，等.集輸管道彎管內(nèi)油水兩相流壓力變化數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（3）：51-54.