重力式气液分离器结构优化及分离性能数值模拟

叶卫东，仇亭亭

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

0 引言

在油田开发中，抽油泵抽油是目前国内外油田最主要的生产方式。随着油田开采的深入，我国部分油田已进入中、高含气开采阶段，气相对油井的影响也日益明显，同时有些油田采用注入二氧化碳等气驱的方法提高采收率[1]，使油气比较高，油气两相同时进泵，影响了抽油泵的泵效，甚至气相含量较大时会产生“气锁”现象[2]，严重影响生产。

为了提高抽油泵的泵效，多种防气技术已应用于抽油泵中，重力式气液分离器便为其中之一[3]。因其在防气方面效果显著，在泵的入口处安装重力式气液分离器，将油流中的自由气相在进泵之前分离出来，通过油套环形空间排到地面，提高抽油泵泵效[4]。

本文在气液两相流理论的基础上，针对重力式气液分离器的分气机理及分气效率进行探索性研究[5]，优选出分气效率最佳的气液分离器结构参数。其研究成果可为实际生产中估算气液分离器气液分离效率、优化气液分离器结构尺寸提供理论依据，进而为提高泵效奠定理论基础。

1 重力式气液分离器的设计计算

气液分离器结构对气液分离效率的影响主要有以下2方面：1) 气液分离器的结构对流体的流动有控制作用，可以令流体的流动状态发生改变，进而达到油气分离的目的。在气液分离器的外筒上开一些小孔，将流体的向上流动转变成横向流动。在流体进入分离器内部后，流体的流动方向会继续发生改变，直到转变成向下流动，这些都是影响气液分离效果的因素。2) 气液分离器外筒上的小孔会阻挡气泡的运动，这种阻挡作用也有利于使油气分离[6]。

因为气液分离器的结构会影响分气效率，所以气液分离器结构参数越合理,分离器的分气效率就会提高得越大。

1.1 气液分离器内外径计算

根据斯托克公式[7]：

(1)

要想达到提高气液分离器分气效率的目的，通常令分离器环形空间中液相速度vf与需要分离的最小气泡在静止液体中的上浮速度vd相等。

气液分离器环形空间的液相速度为：

(2)

根据设计原则：vd=vf得：

(3)

D2需要考虑结蜡与摩阻压降不能过大，通常选取直径为32mm，或考虑摩阻压降<0.001MPa。

1.2 气液分离器分离室长度计算

要想使在上冲程的吸入过程中，分离室内气泡不会被带入到吸入管中，分离室的体积至少要与泵的一个冲程的吸入体积相等[8]，所以：

(4)

气液分离器分离室的最大长度要达到能够保证泵在任何一个冲程的排油时间内，待分离的最小气泡能够上浮到气帽内，即：

(5)

所选分离室的长度应在分离室最小长度lmin与分离室最大长度lmax之间。

2 重力式气液分离器数值模拟

2.1 气液分离器结构

重力式气液分离器结构如图1，由外管、中心管、上接头和下接头组成。上接头上开有吸入口，上接头上方与抽油泵相连，气液分离器外部是套管。井下气液两相介质在气液分离装置与套管的环形空间向上流动。

图1 气液分离器结构及边界条件

2.2 气液分离器数值模拟边界条件

抽油泵上冲程时的边界条件设置如图1(a)，气液分离器下方与套管之间的环形空间设置为速度入口，速度的大小与抽油井的供液有关，与抽油机的冲程、冲次匹配，可由抽油泵的冲程、冲次得到。气液分离器与抽油泵连接口设置为自由出口，气液分离器上方与套管之间的环形空间也设置为自由出口。在抽油泵上冲程时，流体主要从抽油泵连接口流出，占总流量的80%；气液分离器上方与套管之间的环形空间占20%。

抽油泵下冲程时的边界条件设置如图1(b)，由于抽油泵下冲程时固定阀关闭，抽油泵连接口此时的流量为0，因此边界条件设置为壁面。下冲程时，流体全部由气液分离器上方与套管之间的环形空间流出。

2.3 气液分离器数值模拟方法

本文采用Fluent软件进行数值仿真。使用基于压力的分离求解器求解，选取Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程来分析相互渗透的各种流体或各相流体。设置入口流速、介质含气率、建立气液分离装置有效长度、内管外径、进液孔面积、外管内径，求解气液分离装置出口介质的含液相率。模拟冲次为6次/min时，0～5 s(时间步长是0.02 s，迭代250步)是上冲程，中心管出口设置为自由出口；5～10 s为下冲程，中心管出口关闭；以周期为10 s循环计算，直到中心管出口介质含液相率稳定。

图2是气液分离器中心管出口介质含液相率稳定后26～35 s时的云图，即一个周期的云图。

图2 不同时刻气液分离装置含液相量云图

26～30s属于下冲程，如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，中心管上端出口停止排出介质，中心管内的气液混合介质开始分离，气相上浮到中心管上端，液相下沉到中心管下端；同时气液分离装置外管内气液混合介质也分离，气相上浮液相下沉。深色(液相含量95%以上)界面上移显示分离的液相下沉到气液分离装置外管下部，且分离的数量越来越多，到30s时分离出的液相最多。

31～35s属于上冲程，如图2(d)、图2(e)、图2(f)所示，31～33s中心管出口排出的介质中液相含量达到95%以上，到33s以后液相含量降低。主要原因是在下冲程时间内分离出液相的体积小于抽油泵一个冲程的排量，即气液分离装置分离出的液相不够抽油泵抽吸，因此在33s以后气液分离装置出口的介质含液相率大幅下降。

图3是上冲程时气液分离装置出口含液相率曲线。

图3 上冲程时气液分离装置出口含液相率随时间变化曲线

2.4 气液分离装置不同参数下的模拟结果分析

利用以上方法，对气液分离装置不同参数下的出口含水率进行模拟计算，得出影响气液分离装置分离效果的主要因素。

考虑到实际工况，选定冲程为3m的抽油泵为模拟对象，冲次6时的入口流速为0.3m/s，气液混合介质含气率80%。

1) 外管内径对分离效率的影响

建立气液分离装置长度1 000mm，内管外径32mm，进液孔6个直径16mm，外管内径分别为100mm、90mm、80mm模型。求解气液分离装置出口介质的含液相率如图4所示。

图4 不同外管内径下含液相率随时间变化曲线

从图4中可以看出，不同气液分离装置外管内径尺寸越大，分离效果越好。从模拟结果来看，外管内径为100mm的气液分离装置出口含液相率可以达到50%，即含气率为80%的气液混合介质通过气液分离装置后含气率降低到50%左右，含气率下降30%，分离效果非常理想；而外管内径为80mm的气液分离装置出口含液相率在35%左右，含气率为80%的气液混合介质通过气液分离装置后含气率降低到65%左右，含气率下降15%，分离效果相对较差。所以选取的气液分离装置外管内径为100mm。

2) 中心管外径对分离效率的影响

建立气液分离装置长度1 000mm，外管内径100mm，6个进液孔直径16mm，内管外径分别为42mm、37mm、32mm模型。求解气液分离装置出口介质的含液相率如图5所示。

图5 不同中心管外径下含液相率随时间变化曲线

从图5中可以看出，气液分离装置中心管外径尺寸越小，分离效果越好。从模拟结果来看，中心管外径为32mm的气液分离装置出口含液相率达到50%，分离效果较好。考虑到结蜡及阻尼等问题的影响[9-10]，通常选取的中心管外径为32mm。

3) 吸入口尺寸对分离效率的影响

建立气液分离装置外管内径100mm，分离室长度1 000mm，内管外径32mm，6个吸入口直径分别为20mm、16mm、10mm模型。求解气液分离装置出口介质的含液相率如图6所示。

图6 不同吸入口直径下含液相率随时间变化曲线

从图6中来看，气液分离装置吸入口直径对其分离效率影响较复杂。其中吸入口直径及个数主要是为了保证足够的过流面积。在吸入口个数一定的情况下，若吸入口直径较小会增加进液阻力或井液中的杂质阻塞吸入口；若吸入口直径较大，随着油流进入气液分离装置的气泡增加，而且直径更大的气泡也能进入气液分离装置内部，使得分气效率降低。从模拟结果来看，吸入口直径为16mm的气液分离装置出口含液相率为50%，分离效果较好。所以选取的吸入口直径为16mm。

4) 分离室长度对分离效率的影响

建立气液分离装置外管内径100mm，内管外径32mm，6个进液孔直径16mm，分离室长度分别为1 500mm、1 000mm、500mm模型。求解气液分离装置出口介质的含液相率如图7所示。

图7 不同分离室长度下含液相率随时间变化曲线

从图7中可以看出，气液分离装置分离室有效长度对分离效果的影响较复杂。分离室长度较小，在抽油泵吸入过程，分离室内气泡会被带入到吸入管；分离室长度较大，在抽油泵一个冲程的排油时间内，待分离的最小气泡不能上浮到气帽内。从模拟结果来看，分离室长度为1 000mm的气液分离装置出口含液相率达到50%，分离效果较好。所以选取分离室长度为1 000mm的气液分离装置。

5) 冲次对分离效率的影响

建立气液分离装置外管内径100mm，分离室长度1 000mm，内管外径32mm，6个进液孔直径16mm，冲次12时入口流速为0.6m/s、冲次6时入口流速为0.3m/s、冲次3时入口流速为0.15m/s模型。求解气液分离装置出口介质的含液相率如图8所示。

图8 不同冲次下含液相率随时间变化曲线

从图8中可以看出，气液分离装置冲次越小，分离效果越好，冲次小，可以有充足的时间进行气液分离。从模拟结果来看，冲次为3的抽油泵，气液分离装置的出口含液相率为60%左右，即含气率由80%降低到40%，含气率下降了40%，分离效果最好。冲次为6的抽油泵，气液分离装置的出口含液相率为50%左右，含气率下降了30%，分离效果一般。冲次为12的抽油泵，气液分离装置的出口含液相率为40%左右，含气率下降了20%，分离效果最差。又考虑到实际抽油效率，选取的冲次为6。

3 结语

1) 建立了气液分离装置的数值模拟模型并进行了模拟分析，得出了气液分离装置出口含液相率变化规律。

2) 模拟分析了气液分离装置结构参数对分离效率的影响，结果表明：外管内径越大、中心管外径越小、冲次越小气液分离装置的分离效率越好。分离室长度和进液孔直径及个数对分离效率影响较复杂。

3) 对于高含气抽油井来说，采用气液分离器分气是提高泵效的有效途径之一。

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