油田采出液沉降处理数值模拟分析

任永良 何树威 高 胜 王 妍 侯瑞麟 祝洪伟

（东北石油大学机械科学与工程学院）

我国大多数油田已进入高含水阶段，采出的原油中平均含水率高达90%以上， 如何有效解决污水问题一直是油田开采面临的难题［1～3］。传统的油田污水处理方法具有一定的局限性，如生产过程中工艺参数不能随意更改、现场取样困难及实际参数需要保密等［4～6］。 为此，笔者根据实际油田污水处理工艺，针对沉降这个关键工艺环节设计了相应的物理模型，基于此模型，结合数值分析方法建立数学模型，利用有限元分析软件对不同参数条件下的实验结果进行模拟，分析不同工艺参数对沉降结果的影响，并结合现场数据验证仿真结果，进而为实际生产提供参考。

1 沉降处理工艺

1.1 重力沉降罐

重力沉降罐也称自然沉降罐，根据外形的不同，沉降罐分为立式和卧式两种类型［7，8］。图1是大庆某采油厂污水沉降处理用立式重力沉降罐，其内部结构主要有进水管、配水装置、集水集油装置及排水管等，根据设备参数，整个罐体的体积约7 900 m3，配水与集水结构如图2所示。

图1 立式重力沉降罐

图2 沉降罐配水与集水结构

在沉降罐内部结构中，配水口和集水口方向相反，配水口开口朝上，集水口开口朝下，整个罐内部共有8个配水总管和8个集水总管，另外罐内还有其他一些结构和辅助元件（如集油盘、油箱、加热盘管、冲洗管、集泥坑及溢流管等）。 通过现场观测，此沉降罐内部各结构尺寸参数见表1。

表1 沉降罐内部结构尺寸参数

1.2 沉降除油工作原理

油田污水沉降处理利用油水物理属性的不同，依靠重力的作用，借助沉降罐来进行油水两相物质的分离［4，9］。其工作原理主要包含两个方面的内容，分别是同种物质相互聚结和油珠上升的过程。

如图3所示， 油水混合物通过进水管进入到中心筒的内部，经过一段时间后，随着液位的升高，中心筒中的混合液将进入配水管，通过配水口后进入罐的内部空间；配水结构整体位于罐体的上半部分，液体从配水口出来时具有一定的速度，此时混合物将会向上运动一定的距离，在这一段时间内， 因为油水两相物质密度的差异，较小密度并且粒径较大的油珠将上浮到集油区的下表面，而密度较大的水相将会携带粒径较小的油滴往罐体的底部流动；油水混合液在向下运动时会有两个明显的区域差别，首先在向中部区域流动时，此阶段油水混合液中的油相成分相对较多，水中的油滴就会有较高的碰撞几率，碰撞的越多形成的油珠粒径越大， 等到流动稳定之后，这些油珠将因为密度小的原因上升到集油区中，并与油层混合，随着油层的加厚，通过打开污油管处的阀门开关将集油区中的污油排到罐体外部；当混合液继续往罐底方向运动时，此时含油量已经很少，故难以聚结形成较大的油滴，最终将随着水在罐内压力的作用下通过集水管进入到中心集水管中，再由出水管流入到下一污水处理环节［5，6，10，11］。

图3 沉降罐模型二维简图

2 沉降仿真模型建立

2.1 沉降模型简化

实际沉降装置内部结构是相当复杂的，附加的零部件很多。 为了方便分析并减少工作量，同时保证计算精度，需要在实际沉降结构的基础上进行简化，具体如下：

a. 忽略罐体中不影响分析结果的一些结构和装置，如支撑架、集油槽、加热盘管、油箱、冲洗管、集泥坑及一些辅助结构（如换气阀、清扫孔）等；

b. 将罐体内部的压强视为常压，不考虑周围环境温度的变化；

c. 假设罐内只有油水两相物质，并且充满整个罐体内部；

d. 假设分散相物质油滴的大小均一；

e. 假设入水管的流速稳定，没有波动；

f. 假设装置整体结构呈对称形式， 那么其内部的速度场与浓度场的分布也以对称的形式分布， 故取其结构的八分之一进行分析和研究，从而减少计算成本。 简化后的沉降罐模型如图4所示。

图4 沉降罐简化模型

2.2 物理场及数值模型的选取与建立

本研究对象是油水两相混合物， 是典型的液-液两相流问题，而一般求解多相流问题时，欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法是常用的计算求解方法。 根据研究对象的属性，这两种方法各有优势，前者主要针对的是分散型介质，后者是把各相均视为连续相。 考虑到本研究对象中各物质所占比例及其研究目的， 最终选取欧拉-欧拉模型中的混合物模型作为数值计算方法。

混合物模型的基本控制方程包含以下3个。

2.3 两相流数值模型

选取RNG k-ε混合物两相流模型为物理场接口条件，进行模拟分析研究，其表达式如下：

3 仿真模型求解

3.1 初始参数和边界条件的设定

水的性质：密度1 000 kg/m3，粘度1 mPa·s。

油的性质：密度886 kg/m3，黏度0.027 6 Pa·s。原水含油量1%，油滴粒径0.5 mm，沉降时间10 h。

湍流强度计算公式为：

设置入口为速度入口， 流体出口为压力出口，除出口和入口外，整个模型的外部以及内部只要不进行运动的都视为壁面，然后按照壁面边界条件的情况进行处理，将沉降罐的壁面视为无滑移边界，即流体在壁面处的速度不为0。

3.2 网格划分与质量评价

划分网格之前需对几何域进行拆分， 集水、配水等较为细小的部件选择较细化的网格，罐体选择较粗化的网格，中心集水管与中心配液管选择常规网格， 然后生成网格并进行网格质量检查。 网格划分情况与网格质量如图5所示，划分后的网格最小单元质量为0.14， 大于计算所需的最小单元质量0.10，平均单元质量为0.64，网格总体积为8.937×1011mm3。

图5 网格划分与网格质量评价

4 仿真结果分析

4.1 沉降罐内速度场

图6为沉降罐流场速度矢量图。由图6可以看出，沉降罐中部的速度场较为稳定，有利于油水分离，所以沉降罐中部是油水重力分离的主要区域。 沉降罐上部的流场流速较大且不均匀，主要原因在于配水口处流速较大，带动周围的流场不稳定，极易形成局部涡流，影响沉降效果。沉降罐下部流场靠近出水口附近的区域速度也有一定的提高。

图6 沉降罐流场速度矢量图

图7为沉降罐内流线图。 由图7可以看出，油水混合物由配水口进入沉降罐内，由于本身具有初速度， 油水混合物会继续向上运动一小段距离，在配液喷头附近流线密集且杂乱，对油水分离产生一定影响。 沉降罐中部的流场稳定，流体的速度方向向下，没有明显的紊流和涡流，有利于油水分离。 沉降罐下部靠近集水口的位置流动复杂， 这是由于当流体运动到沉降罐下部时，水和极少量的油在罐内压力的作用下流出沉降罐，而集水口表面积较小，导致该区域附近流场不稳定。 由此可见，整体仿真结果与实际工况下的油水分离规律是一致的。

图7 沉降罐内流线图

4.2 沉降罐内浓度场

图8为沉降3、6、8、10 h后沉降罐内油的浓度分布图。 由图8可以看出，随着沉降时间的增加，沉降罐内的油液开始向顶部聚集，沉降罐内出现油水分层，顶部油的浓度开始增加，超过8 h后，油水分离效果不再明显，所以，沉降时间会影响沉降罐内的油水分离效果， 但一味提高沉降时间，则会影响沉降罐的工作效率。

图8 不同沉降时间下沉降罐内油的浓度分布图

为了能够将沉降罐内浓度场变化更直观地利用曲线图表达出来， 选择一条位于配水支管之间的垂线作为观测线， 观测线位置避开了配液口与集水口，流场稳定，对整个沉降罐浓度分析具有代表性，观测线的位置如图9中红色部分所示。

图9 观测线轴测图与俯视图

图10为沉降3、6、8、10 h后观测线不同高度下油的体积分数。 由图10可以看出，在沉降8 h后继续增大沉降时间， 并不能改善油水分离效果。

图10 不同沉降时间下观测线上油的体积分数变化

4.3 油滴粒径对油水分离的影响

选择0.1、0.5、1.0 mm3种不同粒径的油滴进行沉降分离实验，油滴除粒径不同外，其余参数均一致。 为了减少计算工作量，设置仿真时间为3 h，得到沉降罐观测线上油的体积分数如图11所示。

由图11可以看出，随着油滴粒径的增加，沉降罐顶部含油量也随之增加，也就是说，粒径越大的油滴越容易从沉降罐中分离出来。 在实际油田污水处理过程中， 可以添加相应的化学物质，使小粒径的油滴聚集，增大油滴粒径，从而实现更高效的油水分离。

图11 不同粒径下观测线上油的体积分数变化

5 仿真结果验证

为了验证仿真结果的正确性，取样大庆某采油污水处理厂一次沉降后的处理液样品，利用实验室的浓度测量仪测量沉降后的油相浓度，绘制两者的对比结果如图12所示。 由图12可以看出，利用COMSOL得到的仿真结果与实际污水处理沉降罐工作后的结果基本相同，验证了仿真模型的正确性。

图12 实际油相浓度与仿真结果对比

6 结束语

沉降处理是油田采出液处理的重要一步，其处理结果影响着后续污水处理的质量。 笔者通过分析油田污水沉降处理工艺过程，建立相应的沉降物理模型与仿真数学模型，利用CFD方法，通过COMSOL物理场分析软件， 对沉降罐内的速度场和浓度场进行了仿真分析，研究了沉降时间与油滴粒径对分离效率的影响，对实际油田污水沉降处理具有一定的参考意义。