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海上油井用井下高处理流量旋流分离器的仿真分析

2018-08-19 21:19:27 科技视界2017年32期
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张磊

【摘 要】根据对海上油井用井下高处理流量(500m3/d)旋流器进行仿真分析,介绍了油水分离用旋流器的CFD数值模拟及结果分析方法。针对海上油井高产液量的特点,从能耗和效率两方面评价了高处理流量旋流器的分离性能。利用仿真结果,分析旋流器流场速度、压力、油滴切应力、湍动能等随流量的变化规律,通过分析可知,当流量增加时,切向速度及径向压力梯度增大,在一定程度上使得分离效率增加;涡流场中油滴时均切应力随流量变化较小,但由湍流引起的瞬时切应力受流量影响较大,这是加剧油滴破碎的主要原因;流量相同时,多级小名义直径旋流器并联的分离性能要优于单级旋流器,但单级旋流器结构紧凑,便于布置流道,更适合井下应用。

【关键词】海上油井;井下油水分离器;高处理流量;旋流器切应力;分离性能

中图分类号: TE952 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2017)32-0094-003

【Abstract】The numerical simulation and analysis of hydrocyclone for high flow rate oil/water separation are conducted. The simulation results of the high flow rate (500m3/d) hydrocyclone are analyzed. The separation performance of the high flow rate cyclone was evaluated from the aspects of energy consumption and efficiency in view of the characteristics of high oil production in offshore oil wells. The results show that the tangential velocity and the radial pressure gradient of the hydrocyclone increase with the increase of the flow rate, and the velocity and pressure of the hydrocyclone, the shear stress of the oil droplet and the turbulent kinetic energy vary with the flow rate. The shear stress of the oil droplet in the eddy current field is smaller than that of the flow, but the instantaneous shear stress caused by the turbulence is greatly affected by the flow rate, which is the main factor that aggravates the breakage of small oil droplet. The separation performance of the multi-stage small nominal diameter cyclone is better than that of the single-stage cyclone, but the single-stage cyclone is compact and easy to arrange the runner, which is more suitable for downhole application.

【Key words】Offshore oil well; High flow rate; Hydrocyclone; Shear stress; Separation performance

0 引言

液-液水力旋流器基于离心分离原理,可用于油水两相分離,是井下油水分离技术的核心部件[6]。为适应海上油井高产液量的特点,需要配置相应的高处理流量井下旋流器,但是相关设计理论并不完善,且缺乏经验模型,因此本文使用CFD数值模拟方法进行研究。近些年来,学者们利用计算机模拟对油水分离旋流器进行研究,在内流场机理以及分离性能预测方面取得了一些成果,其仿真结果被证明具备一定的可信度。

目前关于旋流式油水分离器的数值仿真研究大多针对地面用的小流量油水分离器,该类分离器的特点就是入口流量相对较低(一般低于200m3/d) ,管径较小(小于50mm)[3-5]。而对于海上油井用的高处理流量(高达500m3/d) 水力旋流器未见有文献报道。我国海上平台油水分离技术采用较多的是利用重力物理原理分离方式,即通过油水两相介质存在密度差,将混合液静放至一段时间,对不同的液相进行分离,重力分离器最常见的是形式是卧式分离器。相对于水力旋流技术而言,重力式分离装备体积大、分离周期长,并适合于海上油井井下应用。

为解决传统方法无法指导海上油井高流量井下水力旋流器设计的问题,本文运用数值模拟手段,分析旋流器对高处理流量的适应性,包括高处理流量下分离性能预测及评价,以及流场特征量随流量的变化规律等。数值模拟作为一种手段,虽然在定量计算上存在一定误差,但在定性分析及横向比较方面具备显著的优势。

1 井下水力旋流器结构

本文仿真模型是基于G.A.B.Young的单锥旋流器模型[7],如图1所示,主结构由圆柱段、锥段、尾管段组成,图中给出了基本结构尺寸的比例关系。单锥旋流器是基于离心分离原理,利用油水两相的密度差而实现分离,无运动部件,径向尺寸小,特别适合于井下应用[8]。endprint

2 数值模拟方法与结果分析

2.1 数值模拟方法

随着计算流体动力学CFD及计算机技术的不断发展,CFD 软件被广泛用于水力旋流器的结构优化及流场研究中,并取得了良好的效果[2-3]。对于湍流模型的选择,应用较多的则是基于雷诺平均(RANS)湍流模型。NARASIMHA 等采用LES 模型、RSM模型、k-e模型预测了旋流器空气核大小,结果LES模型和RSM模型(雷诺应力模型)取得了预实验更吻合的结果。

依据图1中所示的结构尺寸比例关系,建立不同名义直径(Dc=60,70,80,90mm)的单锥旋流器几何模型。采用扫掠法生成六面体网格,以旋流器顶面为源面,沿轴向扫掠,控制扫掠尺度,得到既满足质量要求又考虑计算时间的网格,图2为划分的网格图。

使用FLUENT定常非耦合求解器求解旋流器内流场,控制方程基于时均化的N-S方程,结合雷诺应力模型(RSM)及欧拉多相流模型,离散格式采用适合于六面体的高精度格式QUICK格式,压力速度耦合采用SIMPLEC算法。

边界条件采用速度入口(Velocity Inlet),入口速度值根据不同的流量来设定,流量分别为150、200、250、300、350、400、450、500(单位m3/d,立方米/天)。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 速度分布

旋流器速度分布包括切向速度分布和轴向速度分布。

图3(a)为切向速度分布图,切向速度分布呈兰金组合涡结构,沿半径由边壁向中心先升高后降低,存在最大值Vtmax,该值标定了所在截面的切向速度等级。单锥旋流器由于锥段的缩颈,沿轴向保持了切向速度的量级。

图3(b)为轴向速度分布图,轴向速度分布特征在于存在零轴速包络面(简称LZVV,如红色线所示),即轴向速度为零的点包络成的空间曲面。LZVV为内、外旋流的分界面,由图中还可以看出LZVV的形状及位置随流量变化较小。

2.2.2 压力分布

压力分布包括径向压力分布和轴向压力分布。图4中包括压力分布云图和边壁压力沿轴向的变化曲线。对于径向压力分布,基于涡流运动特点,径向压力分布呈中间低两边高的特征;对于轴向压力分布,学者们往往并不多加注意,而是更关心代表离心力的径向压力分布。图中给出了流量为350m3/d和300m3/d时边壁压力沿轴向的变化曲线,压力沿边壁向下产生压力降,本文用此压力降代表轴向压降,如图所示随着流量的升高轴向压降也相应增大。

2.2.3 油相浓度分布

通过两相流模拟,得到旋流器内油相浓度分布。如图5所示,为油相浓度分布云图及分布曲线,图中比较了250m3/d和350m3/d油相分布情况,流量越高油相聚结程度越好。

3 高处理流量旋流器分离性能预测与评价

由图6可知,分离效率随流量的增加而增加,达到一定值后开始变平缓,且在同一流量下,小名义直径的旋流器分离效率更优。

4 结论

(1)特征截面切向速度最大值随流量的增加而增大且呈线性关系,比例因子k与截面位置有关,而轴向速度分布受流量影响较小;切向速度和径向压力梯度随流量的增加而增大,是分离效率随流量提升的主要原因;

(2)分散相油滴所受的时均切应力与切向速度梯度呈正比,在边壁和近中心处具有较高值;外旋流大部分区域时均切应力较小且受流量影响较弱;时均切应力不是加剧油滴破碎的主要原因;

(3)分离效率随流量的增加而增大,且名义直径越小分离效率越高,但能耗也相应增加,在選型时应综合考虑效率与能耗,在满足分离效率的条件下尽可能降低能耗;多级小名义直径旋流器并联的分离性能优于单级大名义直径。

【参考文献】

[1]赵立新,蒋明虎,李枫,等.旋流器分散相液滴受力分析——液-液水力旋流器速度场研究之五.石油机械.1999,5(27):12-15.

[2]徐光明,舒朝晖,陈文梅.液-液水力旋流器中的液滴破碎.过滤与分离.2003,1(13):10-14.

[3]赵传伟,李增亮,邓良驹,等.井下双级串联式油水分离器工作特性研究[J].机械工程学报,2014(18).

[4]王振波,马艺,金有海.导叶式旋流器内油滴的聚结破碎及影响因素[J].化工学报,2011,62(2):399-406.

[5]苏劲,袁智,侍玉苗,等.水力旋流器细粒分离效率优化与数值模拟[J].机械工程学报,2011,47(20):183-190.

[6]李增亮,张瑞霞,董祥伟.井下油水分离系统电泵机组匹配研究[J].中国石油大学学报自然科学版,2010,34(3):94-98.

[7]李增亮,赵传伟,吴海燕,等.轴向力平衡式螺杆泵井下油水分离系统设计[J].石油机械,2012,40(12):68-72.

[8]赵传伟,李增亮,董祥伟.螺杆泵井下油水分离系统设计及地面试验[J].中国石油大学学报,2013,37(1):129-133.endprint

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