海上用井下旋流油水分离器的设计研究

2014-12-25邹洁纯李增亮

科技视界 2014年22期

邹洁纯李增亮康强

（中国石油大学〈华东〉机电工程学院，山东青岛 266555）

0 引言

井下油水分离系统的分离效率和处理能力与井下水力旋流器的性能直接相关，传统的井下油水分离系统都是配置单级或多级串联形式的井下水力旋流器[1]。为适应陆地或海上油田产液量高的油井，必须配置大公称直径的井下水力旋流器，但水力旋流器的分离效率随着公称直径的增加而下降，传统的旋流器组并不适合高产液量的油井[1]。

1 油水分离系统的构成及其设计

1.1 井下分离系统构成

井下油水分离系统包括产出层、注入层、电潜泵、多相管流和井下油水分离器5 个子系统构成。井下油水分离器系统和电潜泵系统是井下油水分离系统最重要的两个部分。井下油水分离系统由水力旋流器组和流体流道组成，原油和电泵增压后的能量在该处分别进行油水分离和能量分配，是保证油水分离正常工作的核心[2-4]。

1.2 并联旋流器井下分离装置设计

针对井下油水分离器的结构形式和工艺特点数据：所设计的井下旋流器最大外壳直径不得超过210mm，旋流入口处理流量Q=1000m3/d，原油含水率为90%，要求采注比为1：4（即溢流量口流量为Q=200m3/d，底流口下注流量为Q=800m3/d），整个旋流器要求耐压满足35MPa。

如图1 指示所示，并联旋流器井下分离装置，箭头所指为流体的运动方向，为了提高入口流道的导流能力，采用圆弧曲线型入口流道形式。

图1 并联旋流器井下分离装置

2 旋流油水分离器的模拟计算

2.1 几何模型的建立及网格划分

将水力旋流器组的整体流道作为研究对象，用Gambit 软件建模，采用结构网格法，选择合适的网格生成网格，局部旋流器组计算模型结构如图2 所示。

2.2 设定计算条件

已知Q 为入口流量，S 为入口面积，入口为圆形，直径为50mm，其中Q=1000/d，S=πR2=3.14×25×25=1962.5mm2。得到

水力直径DH：DH=50mm

入口速度：V=Q/S=1000/(1962.5×10-6×24×3600)=5.9m/s

雷诺数:Re=(VDH)/γ=(5.9×50×10-3)/(1.003×10-6)=2.94×105

湍流强度：I=0.16×Re-1/8=3.3%

（1）湍流模型

k-epsilon 模型中的RNG k-□双方程湍流模型。

图2 旋流器组计算模型结构

图3

（2）物性条件

单项模型介质为水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3kg/(m.s)，两相模型介质为油和水的混合物，主项为水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3kg/(m.s)，次项为油，密度为850kg/m3，粘度为3×10-3kg/(m.s)，油滴内径30um。

（3）边界条件

介质切向进入旋流器，设置入口平面为速度入口VELOCITY-INLET，设置出口平面为压力出口PRESSURE_OUELET。

2.3 并联仿真结果及其分析

在旋流器的重要部位（旋流入口、旋流出口等）选取六个垂直于旋流器几何轴线(Z 轴)的平面，分别为Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600，下文模拟仿真图中line17、line18、line19、line20、line21、line22 分别为面在Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600 处沿半径分布的线。油水两相流下得到压力、速度、湍动能等仿真结果。

（1）压力分布

如图4 所示，旋流器轴截面静压分布图，旋流器旋流口及其以上部位，静压力较大，静压力随着半径的减小而减小；如图5 所示，静压沿半径分布曲线图，越靠近旋流器入口处的静压越大，越靠近旋流器底流口静压力越小，静压力随着半径的减小而减小；如图6 所示，旋流器入口静压分布图，旋流器内部静压比旋流器流道小。造成静压变化的原因：油水混合物经过增压泵增压后，切向进入旋流器，压力较大，在旋流口以下面，由于旋流器的压降，压力曲线沿Z 轴向下而逐渐减小，越靠近底流口，能量损失就越大[5]。

（2）速度矢量图

如图7 所示，七个并联旋流器入口内部流场的速度矢量图，向内旋流器运动的流体速度较小，向上运动，从溢流口排出，向外旋流器运动的流体速度较大，向下运动，从底流口排出。

（3）切向速度

如图8 所示，各截面切向速度沿半径分布曲线，沿半径的方向由外到内，可以将曲线分为三段：靠近旋流器表面的边界层、上升段、中心区域的下降段。切向速度随半径的减小而迅速增大，在某一位置达到最大，而后随着径向位置进一步减小，在靠近中心轴线处随着半径的减小急剧降低。在r=20mm 左右的区域，切向速度达到最大。