新型气-液-固三相分离器操作参数优选

2022-03-30孙春龙王羕胡俊卿邢黎李骥楠裴冠中王凤颖宋阳

油气田地面工程 2022年3期

孙春龙王羕胡俊卿邢黎李骥楠裴冠中王凤颖宋阳

1大庆油田有限责任公司采油工程研究院

2黑龙江省油气藏增产增注重点实验室

3大庆油田有限责任公司第一采油厂

在我国各大油田逐渐步入开发中后期的情况下，采出液含砂、含气已成为影响油田生产、环境保护和经济效益的重要因素[1-2]。采出液含砂过多将引起流体的摩擦阻力增加，导致抽油泵快速磨损、卡泵，管道爆裂，阀门失灵等后果，造成采油系统及地面集输设备的损坏[3]。以胜利油田孤东油区为例，每万立方米采出液含砂量为3～5 m3，粒径在0.15～0.9 mm 的砂量占77.4%，粒径在0.074～0.15 mm 的砂量占22.6%，极大地影响了原油生产与集输[4]。

石油伴生气是重要的清洁型资源，既是能源物质也是化工原材料，地位显著[5]。以延长油田、长庆油田为例，2005 年延长油田原油产量838.24×104t，初步估算油田伴生气产量约为10 000×104m3以上[6-8]；长庆油田2006 年原油产量514×104t，初步估算伴生气产量约为8 386×104m3。而每年全球因地形及生产条件限制燃烧的石油伴生气高达10×108m3，相当于10×106t 石油[9-10]，资源浪费严重。因此，石油伴生气的回收再利用对全球应对能源危机具有重大的战略意义，实现油田高效脱气除砂成为迫在眉睫的技术问题。

目前油田上应用的除砂方法主要有重力沉降、过滤除砂、离心除砂以及旋流器除砂等几种形式[11]，伴生气的分离则主要有重力分离、离心分离、碰撞聚结分离等几种方法[12-13]。在实际生产过程中，由于脱气、除砂均使用单独的处理设备，使设备投入、系统能耗同步增加[14]。本文提出一种新型的高效旋流气-液-固三相分离器，集脱气、除砂功能一体化，结构简单、体积小、占地面积少，便于安装操作，可根据采出液量单独使用或集成橇装。该分离器在提升脱气除砂效率的同时，能够降低系统压力损失，减少设备能耗。

1 工作原理

图1 为气-液-固三相分离器的结构简图，该三相分离器以柱状气液分离器为基础，在底部首次增加具有切向排液口的内部倒锥结构，加快分离器中心位置气核的形成、排出，并通过空间的减少来提高旋流器底部的旋流作用，利于底流口的携砂排液，实现气-液-固三相介质的高效分离。当采出液从切向入口进入旋流腔时，流体将由单一的切向运动转变为复杂的旋转运动，使流体内部的各个颗粒均具备切向、轴向、径向三个方向的速度分量，为离心分离不同密度的介质颗粒创造条件。流体在分离器内部进行离心分离时，气相（原油伴生气）因密度最小，在分离器的轴心处形成气核从溢流口排出；固相（砂等细小颗粒）因密度最大，在离心力的作用下被甩至流体旋转运动的最外层且靠近分离器内壁，同时沿分离器内壁做向下的旋转运动从侧向出口排出；液相（大部分的含油液体）密度处于气相与固相颗粒之间，在运动时沿内锥外壁从排液孔进入底流管排出，最终完成采出液中三相介质的高效分离。内锥的存在有利于分离器轴心处气核的形成及向溢流口方向运移，内锥上的切向排液孔与采出液在分离器内部的旋转运动方向相同，有助于液相进入底流管内部，且内锥由顶端至末端直径逐渐变大，利于液体在旋转运动过程中吸附于内锥外壁从而进入排液孔。

图1 气-液-固三相分离器结构简图Fig.1 Structural diagram of gas-liquid-solid three-phase separator

2 模拟分析

结合现场所提供的相关资料，明确油井采出液中的气-液-固三相介质及其物性参数。气相以甲烷气体为主，密度0.623 9 kg/m3，黏度1.789 4×10-5Pa·s，体积分数58.61%；井下细小沙粒为固相的主要成分，密度2 330 kg/m3，黏度1.72×10-2mPa·s，体积分数58.61%；液相是油、水混合介质，水油比为24.641，液相密度999.85 kg/m3，黏度3.42 mPa·s。

采用四面体网格进行模型的网格划分，经网格独立性检验后，最终确定的网格数量为80 000 个。入口边界条件为速度入口inlet，溢流、底流、排液口的边界条件为完全出流outflow。选用非耦合定常态隐式的3D 模型、RSM 湍流方程、Mixture 模型对数值模型进行联合求解，收敛精度为10-5。

该新型气-固-液三相分离器有溢流、底流和侧向三个出口和双切向入口，流量分别是溢流出口流量Qo、底流出口流量Qu、侧向出口流量Qc、双切向入口流量Qi（初始处理量4.6 m3/h）。其溢流分流比Fo和底流分流比Fu分别定义为

2.1 溢流分流比

图2 为不同溢流分流比时侧向出口固相体积分数曲线图。在溢流分流比增加的过程中，侧向出口的固相体积分数有明显增加的趋势，这是因为在底流分流比不变的前提下，增加溢流分流比时，流体从侧向出口流出体积有所减小，且流出的流体体积减少幅度小于固相质量的降低幅度，故造成固相体积分数有所增加。

图2 不同溢流分流比时侧向出口固相体积分数曲线Fig.2 Curve of solid volume fraction at lateral outlet under different overflow diversion ratio

图3 为不同溢流分流比时溢流压力降对比曲线，溢流压力降随溢流分流比的增加而升高，在轴心处达到各溢流分流比下压力降的最大值。底流压力降在数值分析过程中其变化趋势同溢流压力降相同。通过质量分析，发现当溢流分流比为0.6 时，分离器具有较好的分离效率，且溢流压力降、底流压力降皆处于较低的水平，故确定分离器的最佳溢流分流比为0.6。

图3 不同溢流分流比时溢流压力降对比曲线Fig.3 Contrast curve of over flow pressure drop under different overflow diversion ratio

2.2 底流分流比

当分离器溢流分流比固定为0.6 时，改变底流分流比，发现分离器的溢流压力降、底流压力降均随底流分流比的增大而增大，说明随底流分流比的增加，分离器的能耗逐渐增多。这是因为当底流分流比增加时，底流管排出的液体数量随之增加，排液孔瞬时流入的液体量快速上升，而排液孔的口径不变，造成流体的流动阻力增加，能耗上升。通过数值分析，当底流分流比为0.35 时，分离器达到此结构参数下的最佳固相分离效率（91%）。

2.3 处理量

图4 为不同处理量时气相体积分数云图。在处理量由1.5 m3/h 增加至4.83 m3/h 的过程中，气相在溢流口附近的颜色越来越深，随着处理量的增加溢流口附近的气体逐渐增多并被排出分离器，此时处理量的增加有助于气体气核的形成和排出。但当处理量由4.83 m3/h 增大至5.35 m3/h 的过程中，溢流口附近的气相体积分数增加微弱，且当处理量上升时，底流管排出的气体体积亦缓慢增加，说明当处理量增加至一定值后，气体的排出能力将不再随处理量的增加而上升。

图4 不同处理量时气相体积分数云图Fig.4 Cloud diagram of gas phase volume fraction under different treatment capacity

当处理量为4.83 m3/h 左右时，分离器具有较好的分离性能，此时的固相分离效率达到94.11%，为排除模拟数据的偶然性，细化4.83 m3/h 的处理量区间，对此数据点进行重复性试验。图5 为最佳处理量附近固相分离效率曲线图。在处理量为4.83 m3/h 左右时，固相分离效率虽有所变化，但处理量为4.6 m3/h 至5.35 m3/h 时，分离效率仍保持较高水平，平均分离效率超过90%以上。

图5 最佳处理量附近固相分离效率曲线Fig.5 Curve of solid phase separation efficiency under optimal treatment capacity

2.4 采出液黏度

液体的黏度是影响分离效率的重要因素，在气-液-固三相分离器的设计中必须对其进行专项论证，以实现分离器的高效分离[15]。图6 为低采出液黏度下气相体积分数云图。在采出液黏度不断增加的过程中，分离器气相的分离效率逐渐降低，溢流口处气相浓度随黏度的增加而减少，且分离器侧向出口的固相体积分数亦随采出液黏度的增加而减小。由此可知，分离器的工作性能随采出液黏度的升高而降低。

图6 低黏度采出液下气相体积分数云图Fig.6 Cloud diagram of gas phase volume fraction under low produced liquid viscosity

为满足现场采出液黏度变化较大的实际情况，在低黏度基础上模拟采出液高黏度时的分离性能。图7 为黏度分别为15、20、30、40、50 mPa·s 时分离器的气相分离性能。当黏度从15 mPa·s 增加至50 mPa·s 的过程中，溢流口附近的气相浓度降低明显，说明气相的分离性能随黏度的升高而快速降低，表现为高黏度云图中的气相体积分数颜色明显浅于低黏度采出液。

图7 高黏度采出液下气相体积分数云图Fig.7 Cloud diagram of gas phase volume fraction under high produced liquid viscosity

图8 为高黏度采出液下固相分离性能曲线。随黏度的增加，固相的分离效率呈直线降低，且下降速度明显高于采出液黏度在较低时的状态。黏度越高对分离器工作性能的影响越大，分离效率随黏度的上升呈现出指数降低的趋势。采出液黏度的升高将导致固-液两相颗粒连接亲密性随之上升，而离心力在处理量为定值时将保持不变，这将导致固-液两相颗粒间分离难度增加，分离器工作性能下降。

图8 高黏度采出液下固相分离效率曲线Fig.8 Curve of solid phase separation efficiency under high produced liquid viscosity

3 室内实验

理论模拟与实际情况往往并不完全一致，甚至出现相反的结果，故需要用室内实验验证数值模拟的正确性和可行性。通过室内实验研究，可真实反映出操作参数（如处理量、溢流分流比）等对分离效率的影响，进而完成结构优化设计并确定分离器的最佳工作区间，为后续气-液-固三相分离器的现场应用起指导作用。

3.1 处理量

图9 为溢流、底流、侧向压力降随处理量变化曲线。随着处理量的增加，溢流压力降和底流压力降均呈增大趋势，且底流压力降上升趋势和增加数值明显高于溢流压力降，这是因为随处理量的增加，分离器内部流体的旋转运动速度快速上升，流体通过排液孔进入底流管时将受到更多的阻力，增加流体的能量损失；且流速过快时将在排液孔表面产生液体薄膜现象，堵塞部分排液孔，使流体从排液孔进入底流管的过程中流动空间变小，顺势流动速度变快，造成更多的压力损失，即压力降快速上升。侧向压力降虽有波动，但整体保持相对平稳，并未随处理量的增加产生过大的波动幅度。

图9 压力降随处理量变化曲线Fig.9 Curve of pressure drop varies with treatment capacity

图10 为分离器脱气、除砂效率随处理量变化曲线。脱气效率随处理量的增加而逐渐增加，但除砂效率随处理量的增加而呈现出先增加后降低的趋势（该现象同前文分析相符合）。这是因为处理量的增加有助于分离器轴心处气核的形成，提升气核向溢流口方向的移动速度，利于气体从分离器内部的排出；分离器内部的离心力随处理量的增加而呈现出快速上升的趋势，虽然离心力有助于分离器内部的旋流分离，提升不同密度颗粒的分离概率，但处理量过大将破坏分离器内部的流场稳定性，使固相颗粒被离心力压迫至分离器内壁无法进行离心分离，而随流体进入底流管排出分离器。

图10 分离效率随处理量变化曲线Fig.10 Curve of separation efficiency varies with treatment capacity

3.2 溢流分流比

图11 为压力降随溢流分流比变化曲线（底流分流比固定在0.35）。随溢流分流比（0.54～0.60）逐渐增大，分离器的溢流压力降、底流压力降、侧向压力降均呈现出逐渐降低的趋势，各压力降的数值在降低至一定值后将保持相对平稳，不再随溢流分流比的增加而发生变化。此趋势与数值模拟过程（前文）中溢流、底流压力降随溢流分流比的增加而上升的趋势相反。这是因为数值模拟中溢流、底流处为完全出流无背压，而实验时流体从溢流口、底流管处流出分离器的过程中始终存在背压。实验中各压力降下降的具体原因为：处理量不变时增加溢流分流比，则溢流口排出的流体体积将增加，并以气体成分居多，溢流口内径保持不变，气体体积则被进一步压缩，排出时能量消耗降低，压力降减少；底流口、侧向出口内的流体体积随溢流分流比的增加而减少，能量损失随流体体积的减少而降低，故压力降有所下降。

图11 压力降随溢流分流比变化曲线Fig.11 Curve of pressure drop varies with overflow diversion ratio

图12 为分离效率随溢流分流比变化曲线。分离器的脱气分离效率随溢流分流比的升高呈上升趋势，除砂效率则呈现出随溢流分流比的增加先上升后下降的变化趋势（与前文结论相符合）。溢流分流比的增加将造成从溢流口所流出的流体体积增加，有助于气体从溢流口排出，溢流分流比越大，溢流口流出的流体体积越多，气体越容易从溢流口排出分流器；而除砂效率保持较高值则需分离器处于最佳工作区间，随溢流分流比的不断增加，使分离器的工作性能在进入最佳工作区间后，快速脱离最佳工作区间，分离效率表现为先增高后降低。