雙級分流傘氣液分離裝置的設(shè)計及數(shù)值模擬*

姜兆宇，楊韻桐

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153) (2.東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

生產(chǎn)測井是監(jiān)測油氣田開發(fā)動態(tài)的主要技術(shù)手段，可為評價油氣藏開發(fā)動態(tài)提供重要的數(shù)據(jù)信息。目前，我國陸上老油田開發(fā)不斷深化，油井內(nèi)流體呈油氣水三相混合流動特征日益普遍[1]。在實際生產(chǎn)過程中，油井三相流產(chǎn)出剖面測井主要采用阻抗式過環(huán)空產(chǎn)出剖面測試儀測試，實際測量的含水率包括含氣率，致使儀器測量精度偏低，與實際結(jié)果差別很大，根本原因在于阻抗式過環(huán)空產(chǎn)出剖面測井儀未能擺脫氣相的干擾。由于油井中的介質(zhì)大多情況下是以油水氣三相流的狀態(tài)存在的，因此，油井產(chǎn)氣是不可避免的現(xiàn)象[2,3]。鑒于現(xiàn)有油田測井設(shè)備能夠較準(zhǔn)確測量兩相流油井產(chǎn)液剖面的流量和含水率，本文設(shè)計一種新型雙級分流傘式氣液分離裝置，實現(xiàn)氣液分離，用以配合渦輪流量計和電導(dǎo)持水率計對三相流油井產(chǎn)液剖面進行測量，不但可顯著降低油井產(chǎn)氣對流量和含水率的影響，而且能提高測量的精度。

1 雙級分流傘式氣液分離裝置的設(shè)計

雙級分流傘式氣液分離裝置的分流傘部分采用兩個分流式集流傘垂直連接，用同一個電機帶動兩個串行分流式集流傘張開。另外，在下級傘的上圓錐面頂端，打開等間距3條寬2 mm的細(xì)小孔洞，作為下級傘的排氣導(dǎo)流通道，使進入下級分流式集流傘的氣體排出，并導(dǎo)出下級傘中未進入樣機通道的油和水，使油、水更易沿樣機壁流進上級分流式集流傘，減少油漏失[4,5]。雙級分流傘結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 工作原理

在垂直管道中，當(dāng)油、氣、水流經(jīng)下級分流式集流傘孔洞時，流體在孔洞處產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，高能氣泡不易變形進入孔洞，而堆積到下級集流傘與井壁接觸面(圓柱面)的下部，由于傘筋與井壁之間會有一定縫隙，氣泡就會從縫隙中排出到傘的外部，但仍會有少量氣體進入下級傘，氣體在傘頂堆積并由傘頂上的排氣孔洞流出，流向上級分流式集流傘，進行二次氣、液分離。同時，油、水混合物通過打開的孔洞集入下級傘內(nèi)部。油泡雖然也存在賈敏效應(yīng)，但相對氣泡更容易變形進入到孔洞，因此大部分油泡會隨水相進入集流傘內(nèi)。在中心管上設(shè)置有進液口，液體進入集流傘后從進液口流入中心管，流經(jīng)測量傳感器，而通過傘頂?shù)呐艢鈱?dǎo)流孔洞流出的液體與初步分出的氣體混合。液體的粘度高且由于阻力效應(yīng)，油泡被流體擠迫，易沿樣機壁流入上級傘的孔洞，進一步實現(xiàn)液相集流，增加了樣機的集油率；氣體粘度低，不易與液體混合，以分散的形式流向上級傘孔洞，且氣體具一定的剛性，在孔洞處產(chǎn)生氣阻效應(yīng)，被阻礙在分流傘外，再次實現(xiàn)氣、液分流，使剩余的氣體也排出集流傘外，樣機只收集油、水計量流量和含水率。上級傘與下級傘氣、液分流原理相同，采用雙級分流式集流傘對三相流進行兩次分流，達(dá)到更好的氣、液分流效果。三相流在雙級分流傘中的流動情況如圖2所示。

圖1 雙級分流傘結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 三相流在雙級分流傘中的流動情況

3 數(shù)值模擬

數(shù)值仿真的最終目的是找到分流式集流傘實現(xiàn)最優(yōu)分流效果、分流雙傘的設(shè)置參數(shù)。有幾種設(shè)計方案，改變流量參數(shù)及油氣水三相比例，其它位置保持不變。油氣水三相比例設(shè)置根據(jù)現(xiàn)場實際選取了三組數(shù)據(jù)。設(shè)計方案滿足井下儀器適用范圍，通過仿真分析、比較各方案的分流效果、分流比率等，選取最佳模型，確定分流式集流傘油氣水三相在何種比例、流量下分離效果最佳。

3.1 油氣水比例為1∶1∶8時的分布情況分析

雙級分流傘式氣液分離裝置在油氣水比例為1∶1∶8，流量為10、20、30、40 m3/d的含氣體積分布如圖3所示。

圖3 對比不同流量下含氣體積分布云圖

通過模擬仿真，可明顯觀察到排氣效果明顯，但直接觀察難以定量分析，獲取較理想的分流方案。通過對中心環(huán)管處持氣率的計算結(jié)果整理，比較分析并擇取具有最優(yōu)集油效果和分流效果方案。使用Fluent軟件中的Report功能，在儀器中心管處選取有限元，插入計算點，通過單位時間內(nèi)經(jīng)過此單元的平均流量，計算流體通過中心管處的流量，同時，計算出中心管持氣率的變化，計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同流量下氣液分離效率表

由于中心管持氣率越高，表示氣液分離效率越低，所以在油氣水三相流時，由表中數(shù)據(jù)可以看出不同流量氣液分離效率變化趨勢。隨著總流量增加，分離效率降低，說明中心管的持氣率越高，流量越大，氣液分離效率越低。

3.2 油氣水比例為2∶1∶17時的分布情況分析

雙級分流傘式氣液分離裝置在油、氣、水三相比例為2∶1∶17，流量分別為10、20、30、40 m3/d條件下的含氣體積分布，如圖4所示。

圖4 對比不同流量下含氣體積分布云圖

通過模擬仿真計算，油氣水比例為2∶1∶17，在入口流量分別為10、20、30、40 m3/d時，從仿真云圖上可明顯觀察到排氣效果明顯，但直接觀察難以定量分析，獲取較理想的分流方案。因此計算出中心管含氣率的變化分析結(jié)果更為直觀，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同流量下氣液分離效率表

由上表可知，油氣水三相流時采用不同流量測得中心管持氣率的變化趨勢，隨著流量增加，中心管的持氣率降低，說明流量越大，分離效率越高。

3.3 油氣水比例1∶1∶3時的分布情況分析

雙級分流傘式氣液分離裝置在油、氣、水三相比例為1∶1∶3，流量分別為10、20、30、40 m3/d的情況下含油與含氣體積分布如圖5所示。

圖5 對比不同流量含氣體積分布云圖

通過仿真計算出的中心管持氣率變化分析結(jié)果更為直觀，如表3所示。在油氣水三相流時，在該配比下隨著流量增加，中心管的持氣率升高，說明流量越大，氣液分離效率越低。

表3 不同流量下氣液分離效率表

4 結(jié) 論

1)由不同流速下含氣體積云圖可以看出：油、水具有相同流動趨勢，絕大部分油、水在垂直管道內(nèi)上升流動，幾乎全部流入分流傘的孔洞。流量越大，分流傘集油效果越明顯，集油率越高。說明集流傘集流效果明顯，油的漏失量很小，可實現(xiàn)井筒內(nèi)含水率的準(zhǔn)確測量，絕大部分氣體由傘與井壁之間的通道中流出，只有很少的氣體流進分流式集流傘，可實現(xiàn)氣、液分流功能。

2)由仿真模擬結(jié)果可知，在油氣水比例在1∶1∶8、2∶1∶17、1∶1∶3時，隨著流速的逐漸增大，油氣水比例為1∶1∶8、1∶1∶3時分離效率逐漸降低，油氣水比例為2∶1∶17時，分離效率增加，但效率整體不高，油氣水比例為1∶1∶3時，分離效率達(dá)60%以上，效果最好，油氣水比例為2∶1∶17時，分離效果最差。

3)驗證了雙級分流傘式氣液分離實現(xiàn)氣液分離效果的可行性，但分離效率總體并不理想，還需進一步改進探究。由模擬結(jié)果可知，中心管持氣率與氣液分離效率成反比，氣液分離效果與油氣水三相比例也有關(guān)。