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组合式钻井液气体分离器研制

2011-12-11朱焕刚燕修良杨德京孙伟涛薄其场

石油矿场机械 2011年5期
关键词:离心力处理量旋流

朱焕刚,燕修良,杨德京,孙伟涛,薄其场

(胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017) *

组合式钻井液气体分离器研制

朱焕刚,燕修良,杨德京,孙伟涛,薄其场

(胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)*

为满足大排量、高含气钻井液的气体分离要求,通过结构优选、数值模拟和室内试验,研制了组合式钻井液气体分离器。该分离器结合重力式分离器和管柱式旋流分离器的优点,处理量大,分离效率高,可以应用于欠平衡钻井工艺中。

钻井液;气体分离器;管柱式;组合式

1 国内外研究现状

钻井液气体分离器是处理气侵钻井液的专用设备。目前,国内开式钻井液循环系统中广泛应用的还是传统的重力式分离器(立式或卧式)。这种分离器利用气相与液相的密度差进行重力分离,体积大、笨重、投资大,操作弹性较低。在来气量变化较大时,直接影响液体停留时间,分离效果明显下降,气体处理能力远小于生产商提供的气体处理量,不能适应欠平衡钻井,特别是充气钻井作业的发展要求。

旋流分离器依靠旋流筒产生的离心力进行分离,具有结构简单、体积小、处理能力大、效率高等优点,已经成为国内外油气钻采领域的研究热点[1-6]。在采油作业中,美国NACTOGROUP公司的油水分离计量系统利用管柱式分离器,其液体处理量为1 325 m3/h,气体处理量达到8.3×104m3/h。在钻井作业中,大处理量的钻井液气体分离器的液体处理量7 200 m3/h,气体处理量72×104m3/h。德国国际石油设备公司(Oiltools)和美国威德福公司的密闭循环系统中的关键设备——四相分离器也应用了旋流分离技术。

从当前国内外的发展情况看,气液分离器的发展方向是提高处理量、提高额定工作压力、提高分离效率、减小体积、研发采用旋流分离原理等新技术的高效气液分离器。

2 旋流分离器结构选择

目前,常用的旋流分离器结构主要有管柱式、叶片式和常规式3种结构,其中,管柱式分离器结构最简单。在流场特性方面,管柱式分离器中流场分布相对简化,能量损失较少,离心力的作用得到充分发挥,其气液分离特性优于另外2种结构的分离器。因此,在本设计中选用管柱式结构。

管柱式旋流分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone,简写 GLCC)是一种新型分离装置,既没有可移动部件,也无需内部装置,如图1。气液混合物由切向入口进入旋流分离器后形成的旋流产生了比重力高出许多倍的离心力,由于气、液相密度不同,所受离心力差别很大,重力、离心力和浮力联合作用将气体和液体分离。液体沿径向被推向外侧,并向下由液体出口排出;而气体则运动到中心,并向上由气体出口排出[7]。这一成本低、质量轻的新型分离器将替代传统容器式分离器。

图1 管柱式气液旋流分离器

3 数值模拟与室内试验

影响钻井液气液旋流分离器分离效率的因素有很多,例如,入口速度、长径比、钻井液含气量、入口位置(即分离器气相段和液相段的长度)以及钻井液粘度等。为了降低模拟次数,而又不降低模拟的可行度,选择正交试验方法进行模拟计算和室内试验。

3.1 模拟目的

采用CFD(计算机流体动力学)软件对气液旋流分离器的内流场进行了模拟分析,对管柱式旋流分离器内部流动规律、分离机理有了更加深刻的认识,得到了分离器的水力参数和结构参数对分离效率的影响规律。由于旋流分离器内部流场非常复杂,所以在CFD分析时,紊流模型和多相流模型的选择是非常重要的,必须在数值模拟分析后利用室内试验进行检验。

3.2 试验目的

通过室内试验掌握旋流分离器的分离性能,指导分离器工艺参数设计,并通过室内试验验证利用CFD对分离器进行模拟分析的可行性。室内试验流程图和正交试验表分别如图2和表1。

图2 气液旋流分离器室内试验装置流程

表1 室内试验的独立因素及其水平值

3.3 存在的问题

通过对管柱式气液旋流分离器的数值模拟以及室内试验验证得知,管柱式气液旋流分离器除具有处理量大、分离效率高、结构简单、操作维护方便的优点外,也存在2个问题。

1) 长径比要求较高。从模拟和试验数据得知长径比都要求在10以上,仅使用这种管柱式旋流分离技术则可能会造成占地面积太大,以及运输困难。

2) 通用性较差。当钻井液及气体流量发生变化以及含气量发生变化时,分离器的分离效率会发生比较大的变化,适应工艺范围有限。

4 组合式钻井液气体分离器结构

进一步分析模拟和试验结果发现,管柱式气液旋流分离器入口区域的离心力场最强,气液的分离主要集中在入口区附近。因此,可以将管柱式旋流器长径比缩短,仍可以完成大部分的气液分离。未完全分离的钻井液可以在底部的分离板上撞击继续分离。结合旋流分离技术和重力分离技术的优点设计了组合式钻井液气体分离器,结构如图3。

图7 组合式钻井液气体分离器结构

该组合式分离器是在常规重力式分离器顶部设计1个管柱式旋流分离器,具有3个优点。

1) 组合式分离器结合了重力式分离和管柱式旋流分离的优点,处理量大,分离效率高。

2) 挡气板的伞状结构设计使得气流形成向下离心力,进一步降低了排气管带液的现象。

3) 倾斜入口利于形成分层流,实现气液两相的初步分离,也降低了气相对泥浆的携带能力。

5 结论

1) 在钻井液的气体分离中,重力式分离器存在体积大、投资多、分离效率低等缺点,特别不适用于欠平衡和充气钻井工艺。

2) 国内外都对旋流分离技术进行了研究,并在国外成功应用。数值模拟和室内试验证明,管柱式气液旋流分离器存在长径比要求高、通用性差的缺点。

3) 结合管柱式气液旋流分离技术和重力式分离技术的优点设计了组合式钻井液气体分离器,具有处理量大、分离效率高、体积小等优点,建议推广应用。

[1] 欧益宏,杜 杨.柱型水力旋流器单相流场数值模拟[J].石油矿场机械,2006,35(3):15-18.

[2] 王尊策,张 双,吕凤霞,等.脱水型动态水力旋流器影响因素试验研究[J].石油矿场机械,2009,38(4): 44-47.

[3] 郭广东,邓松圣,张福伦.操作参数对固-液-液三相水力旋流器分离效率的影响[J].石油矿场机械,2010,39 (5):17-19.

[4] Coelho MAZ,Medronho RA.A model for performance prediction of hydrocyclones[J].Chemical Engineering Journal,2001(84):7-l4.

[5] Bednarski S,Listewnik J.Separation of liquid-liquidsolid mixtures in a hydrocyclone Coalescer system[C]. 14th Int.Conf.on Hydrocyclones,Southampton,England,1992:329-358.

[6] Changirwa R,Rockwell M C,Frimpong S,et al.Hybrid simulation for Oil-solid-water separation in oil sands production[J].Minerals Engineering,1999,12(12): 1 459-1 468.

[7] 魏 洪.管柱式气液旋流分离器速度分布数值模拟[J].中国石油大学胜利学院学报,2006(3):17-19.

Development of Combined Mud-G as Separator

ZHU Huan-gang,YAN Xiu-liang,YANG De-jing,SUN Wei-tao,BO Qi-chang
(Drilling Technology Reseach Institute,S hengli Petroleum A dministration,Dongying257017,China)

We have developed the Combined Mud-Gas Separator to meet the situation of large displacement and high gas concentration in the mud-gas separation,by means of structural optimization,numerical simulation and laboratory experiments.This separator which can be used in underbalanced drilling has the advantage of large capacity and high separation efficiency,combining the advantage of gravity separator and Gas-Liquid Cylindrical Cyclone.

drilling fluid;gas separator;cylindrical type;combined application

1001-3482(2011)05-0056-03

TE926

A

2010-11-30

胜利石油管理局试验室项目“钻井液高效气液旋流分离技术”的部分研究成果(GS0804)。

朱焕刚(1978-),男,山东莱芜人,工程师,2005年毕业于长江大学,现从事欠平衡技术研究工作,E-mail:zhuhuangang@126.com。

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