地面旋流油水分離器的數(shù)值模擬研究*

魏 艷

(天津石油職業(yè)技術學院石油工程系 天津 301607)

0 引 言

對于勘探評價井的試油求產，由于井內返出液為油水同出，且存在“低含油、間斷出油”的特點，如何在地面精確計量單位時間內的原油產出量，為油氣勘探開發(fā)方案的制定提供可靠的數(shù)據(jù)支撐是困擾油氣開發(fā)者的一大難題。目前，還沒有精確計量油水混合流體中含油量的技術和方法。由于油水的密度差異，將油水靜置分層后測含油高度的方法，會導致各類型液位計的測量結果存在較大的誤差，且不能實時求取原油產量。為了實時獲取準確的原油產出量，最好是在地面將油水徹底分離。因此，研究高效的油田地面油水分離技術具有重要意義。

目前，井場使用的分離設備主要是氣液兩相分離器和油氣水三相分離器，均是依靠重力實現(xiàn)分離[1]，并無專用的油水分離器。旋流分離器因結構簡單、安裝方便、運行費用低而備受青睞，在液固、氣固、氣液等多相流體的分離設備中得到廣泛應用，如鉆井固控裝置、石油煉化的循環(huán)流化床、海上油氣分離設備等[2-3]。但關于不同密度的液-液兩相旋流分離器的研究較少，目前在石油方面也只局限于井下油水分離及同井回注技術的研究與應用，如高揚等[4]、張勇等[5]均利用數(shù)值模擬方法對采出液含砂量、離散相粒徑和采出液黏度對井下兩級串聯(lián)旋流器的分離性能進行了研究，邢雷等[6]采用CFD-PBM耦合方法對導錐式旋流器內油滴聚集并破碎行為及分離特性進行了數(shù)值模擬分析，并將該裝置應用到了井下的油水分離和廢水回注。但是，應用于地面試油求產過程中的油水分離器未見報道。

為此，本文以經(jīng)典的切向流入式旋流分離器為模型基礎，采用數(shù)值模擬的方法評價不同工作參數(shù)、原油物性條件下的油水分離性能，以獲得該裝置的最佳使用工況，從而指導現(xiàn)場應用。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

經(jīng)典的切向流入式旋流油水分離器如圖1所示，利用旋流產生的離心力實現(xiàn)油水分離。根據(jù)其結構特點，建立了應用于流場數(shù)值模擬的三維物理模型，并做了網(wǎng)格劃分[7]，如圖2所示。物理模型所對應的各部分尺寸：圓錐段角度為11°，排油口直徑為3 mm，進液口直徑為12 mm，排水口直徑為6 mm，圓柱段長度為80 mm。

圖1 旋流油水分離器

圖2 旋流油水分離器物理模型及網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)學模型

油水分離的數(shù)值計算過程中，涉及水相和油相流體的控制方程，將油水兩相分別離散為顆粒。在拉氏坐標系下對油相顆粒作用力微分方程進行積分，可以求解得到離散相顆粒的軌道。在笛卡爾坐標系下(x方向)顆粒的作用力平衡方程表示為[8]：

(1)

其中FD(u-up)為顆粒的單位質量曳力[9-10]：

(2)

式(1)和式(2)中：up為油相顆粒速度，m/s；u為水相速度，m/s；t為時間，s；ρp為油相的密度，kg/m3；ρ為水相的密度，kg/m3；Re為相對雷諾數(shù)(油相雷諾數(shù))；gx為重力加速度，m/s2；FX為顆粒上的附加力，N；μ為連續(xù)相的動力黏度，N·s/m2；CD為曳力系數(shù)；dp為油相顆粒直徑，m。

2 各參數(shù)對油水分離性能的影響

影響旋流油水分離器分離性能的主要工作參數(shù)是工作壓力和排量，原油物性參數(shù)主要是油水比和黏度[11]。采用控制單一變量的方法[12]，通過數(shù)值模擬獲得不同工作參數(shù)和原油物性條件下的分離性能，分析旋流油水分離器的適用工況。

2.1 工作壓力的影響

在數(shù)值模擬時，根據(jù)油田實際工況，以日產油5 m3，日產水33 m3的生產實際為例，選取工作壓力范圍為0～5 MPa進行研究，在關鍵壓力點處加密取值，獲取不同工作壓力條件下的油水分離效率，如圖3所示。

圖3 工作壓力對油水分離效率的影響

由圖3可見，隨著工作壓力的增大，油水分離效率呈現(xiàn)出由0躍升到最大值并基本保持不變而后驟降的規(guī)律，表明壓力的變化對分離效率的影響非常敏感。不同工作壓力下旋流流線的形態(tài)如圖4所示，圖中曲線顏色由藍到紅，表示旋流速度由低到高。分析認為，在0～0.6 MPa的低壓工作區(qū)，由于工作壓力太低，流體流動的動力不足，反映為流動速度較低，如圖4(a)工作壓力為0.3 MPa時，流體在旋流分離器內只能形成微弱的旋流流動，旋流的流線較為稀疏。圖4(b)中工作壓力達到0.6 MPa時，旋流開始增強，旋流的流線開始密集，但油水仍未分離就直接由排水口流出。繼續(xù)增大工作壓力，在0.7～1.1 MPa范圍內，油水分離效率急劇變化，0.7 MPa為油水分離的啟動壓力，之后流體將獲得一定的速度，并在旋流分離器內形成足夠強的旋流，使油水分離效率持續(xù)升高。當工作壓力達到1.2 MPa時，流體在旋流分離器內部產生強旋流流動，水相產生的離心力完全克服徑向運動的阻力到達壁面，油相在中心聚集形成油核，如圖4(c)所示，油水兩相流動趨于穩(wěn)定，分離效率達到最高。但是，當工作壓力繼續(xù)增大到4.2～5 MPa范圍時，由于流體的速度過快，對油相的離心力增強，導致油相向壁面移動的趨勢增大，并且較大的離心力會使油滴更容易破碎，形成不連續(xù)流體。同時，流速過快，使得油水兩相的分離時間減小，小油滴沒有足夠的時間進入中心油核，導致分離效率下降。

圖4 不同工作壓力下旋流流線的形態(tài)

由此可見，存在最佳的工作壓力范圍，使得旋流油水分離器的分離效率達到最大。在本研究條件下，最佳工作壓力范圍為1.2～4.1 MPa。在實際工作過程中，可通過調整放噴油嘴的尺寸控制井內回壓，使工作壓力控制在最佳范圍內。

2.2 排量的影響

在數(shù)值模擬時，選取工作壓力1.5 MPa，排量5～60 m3/d(油水比均設定為15%)，獲取不同排量條件下的油水分離效率，如圖5所示。

由圖5可見，隨著排量的增加，油水分離效率基本持續(xù)穩(wěn)定在最優(yōu)值而后突然下降，說明該旋流油水分離器存在一個工作排量的極限。分析認為，在工作壓力確定時，可以給一定排量的流體提供足夠大的流動動力，從而使流體獲得足夠強的旋轉流動，保證最佳的油水分離效率。但是當排量過大時，又面臨流體旋流速度過大的問題，導致穩(wěn)定的油水分離過程遭到破壞，分離效率持續(xù)下降。由此可見，該旋流油水分離器的日處理量應控制在45 m3以內，才能保證最佳的油水分離效果。

圖5 排量對油水分離效率的影響

但是，在油田實際的試油求產過程中，會出現(xiàn)日產上百立方米液體的情況，單根的旋流油水分離器將無法滿足工況要求。因此，需將多根分離器并聯(lián)使用，如圖6所示，在保證油水分離效率的同時，成倍提高油水分離設備的處理能力。

圖6 并聯(lián)使用

2.3 油水比和黏度的影響

根據(jù)油田實際工況，以工作壓力1.5 MPa，排量40 m3/d為例，選取油水比為5%～30%，原油黏度為10～60 mPa·s進行研究，獲取不同原油物性條件下的油水分離效率，如圖7所示。

圖7 原油物性對油水分離效率的影響

由圖7可知，當油水比和原油黏度在一定范圍內，油水分離效率隨油水比和黏度的增加平緩下降，當超出此范圍時，油水分離效率陡然下降。分析認為，當油水比和原油黏度較小時，對油水分離效率影響不大。隨著油水比的增加，一定排量流體中的原油量增加，小部分油相未能進入中心油核就被水相帶出排水口。當油水比達25%以上時，油水分離效率快速下降，表明小直徑的旋流油水分離器只適用于油水比在25%以下的低含油工況。隨著原油黏度的增加，油相的流動阻力增大，在工作壓力一定的情況下，流體的旋流運動逐漸減弱，導致油水分離效率降低。當原油黏度超過50 mPa·s時，油水分離效率急劇下降，60 mPa·s時的油水分離效率基本在90%以下，分離效率較低，無法滿足工程需要。由此可見，該旋流油水分離器適用于油水比低于25%、原油黏度低于50 mPa·s的工況。

3 結 論

1)以經(jīng)典的切向流入式旋流油水分離器為模型基礎(各部分尺寸：圓錐段角度為11°，排油口直徑為3 mm，進液口直徑為12 mm，排水口直徑6 mm，圓柱段長度為80 mm)，對油水分離的流場進行了數(shù)值模擬研究，評價了不同工作參數(shù)、原油物性條件下的油水分離性能。

2)隨著工作壓力的增大，油水分離效率呈現(xiàn)出由0躍升到最大值并基本保持不變而后驟降的規(guī)律；隨著排量的增加，油水分離效率基本持續(xù)穩(wěn)定在最優(yōu)值而后突然下降；當油水比和原油黏度在一定范圍內，油水分離效率隨油水比和黏度的增加平緩下降，當超出此范圍時，油水分離效率陡然下降。

3)該旋流油水分離器的最佳工作壓力范圍為1.2～4.1 MPa，日處理量控制在45 m3以內，適用于油水比低于25%、原油黏度低于50 mPa·s的工況。