大錐段注氣對液-液水力旋流器分離性能的影響*

陳德海 魏振祿 蔣明虎 趙立新

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司)

大慶油田已進(jìn)入高含水開發(fā)期，為了進(jìn)一步提高油藏的原油采收率，需加大化學(xué)驅(qū)油技術(shù)的推廣力度[1]?；瘜W(xué)驅(qū)油技術(shù)主要包括聚合物驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)[2]，其采出液中殘留堿、表面活性劑和聚合物，導(dǎo)致采出液油水乳化程度和穩(wěn)定性增強，采出污水黏度大，懸浮固體含量增高，使地面油水分離和含油污水的處理難度增大。另外，油田采用平衡開采方式，將從地層采出的污水處理后作為驅(qū)油用水全部回注地層，以補充地下水，因此采出污水的處理是油田生產(chǎn)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

常規(guī)旋流器對油田含聚合物污水的處理效果不理想[3]，因此，筆者對常規(guī)旋流器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)加以改進(jìn)，通過微孔管向旋流器內(nèi)注入氣體，把旋流分離技術(shù)和氣浮選技術(shù)巧妙地結(jié)合在一起，其耦合效應(yīng)將有效地改善水力旋流器對含聚污水的分離效果。水力旋流器的結(jié)構(gòu)比較簡單，但內(nèi)部流場卻非常復(fù)雜，氣體的注入對流場產(chǎn)生較大的影響，使液-液水力旋流器的流場更加復(fù)雜。為了明確注氣對旋流器流場的影響，筆者主要對在大錐段注氣條件下水力旋流器內(nèi)部壓力場和速度場的分布規(guī)律進(jìn)行模擬研究，進(jìn)而明確大錐段注氣對旋流器分離性能的影響。

1 計算模型的建立

選擇典型的雙錐型液-液水力旋流器建模，然后采用貼體坐標(biāo)法生成3D六面體單元的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[4]，分別對各部分進(jìn)行貼體網(wǎng)格劃分，在大錐段外填加一層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，作為微孔注氣段(圖1)。以這一區(qū)域作為多孔介質(zhì)區(qū)域，厚度為3mm[5]。大錐段注氣的面積為106.32cm2，氣體入口壓力為0.55MPa，氣液體積比為30%，空氣密度為1.279kg/m3，多孔介質(zhì)模型，孔隙率為0.5，黏性阻力系數(shù)為4.92×1010，慣性阻力系數(shù)為1.77×105。

圖1 注氣時旋流器網(wǎng)格劃分

選擇旋流器模型的邊界條件和操作參數(shù)：入口流量(處理量)4.5m3/h，入口速流8.223 7m/s，入口油相體積分?jǐn)?shù)2%，入口壓力0.46MPa；溢流管出口壓力0.09MPa，溢流分流比25%，尾管出口壓力0.12MPa。所選主相水的密度為998.2kg/m3，黏度為3.003g/(m·s)；次相油的密度為889kg/m3，黏度為3.06kg/(m·s)。湍流模型選為RNGk-ε模型。旋流管壁面包括周向邊壁和頂端壁面，按照無滑移條件處理[6]，即：

vt=vr=vz=k=ε=0

(1)

旋流管的中心軸線作對稱軸處理，即：

(2)

vt=vr=0

(3)

在旋流管的對稱面上設(shè)置循環(huán)邊界，使液體能夠循環(huán)流動。令各變量沿圓周方向的梯度為零，即：

(4)

為了便于表達(dá)旋流器內(nèi)部流場的分布規(guī)律，選取5個截面進(jìn)行取值(圖2)：截面Ⅰ在旋流腔，距旋流器頂端0.06m處；截面Ⅱ在大錐段，距旋流器頂端0.10m處；截面Ⅲ、IV、V選取在小錐段，分別距旋流器頂端0.20、0.40、0.55m處。

圖2 旋流器分析截面示意圖

2 速度場分布

2.1切向速度分布

隨著計算流體力學(xué)(CFD)理論和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD仿真成為研究大錐段注氣旋流器內(nèi)多相流體速度場和壓力場分布規(guī)律的有效方法[7]。數(shù)值模擬計算出注氣旋流器的切向速度分布(圖3)，其中z表示5個取值截面到旋流器頂端的距離。由圖3可知，大錐段注氣時水力旋流器切向速度的變化規(guī)律和常規(guī)旋流器切向速度的變化規(guī)律基本一致。切向速度呈周向?qū)ΨQ分布，從器壁到軸心切向速度由零逐漸增大，到達(dá)一個最大值后逐漸減小，軸心處降至最低，接近零。不同之處在于，大錐段注氣后使得旋流器各段的切向速度最大值減小，梯度變緩，特別是大錐段變化明顯。

圖3 注氣旋流器切向速度分布

2.2軸向速度分布

注氣旋流器的軸向速度分布如圖4所示。由圖4可知，軸向速度呈軸對稱分布；在旋流腔和大錐段從器壁到軸心軸向速度由零增加到最大，后減小至零，繼續(xù)減小到負(fù)值，表明液流反指向溢流口；在小錐段液流方向都是指向底流口的；由此可推知，在液流區(qū)存在一個與旋流器錐度方向相同的圓錐面，面上的軸向速度皆為零，稱為零軸向速度包絡(luò)面，液流被包絡(luò)面分割成兩部分——內(nèi)中心渦流和外渦流，內(nèi)中心渦流流向溢流口，速度逐漸減小，直到零；外渦流流向底流口，流速越來越大，由尾管排出。

圖4 注氣旋流器軸向速度分布

零軸向速度包絡(luò)面的尾端形狀隨操作參數(shù)和旋流器結(jié)構(gòu)的變化而變化，呈V形、W形或其他形狀分布，將這一區(qū)域稱為“分界區(qū)”。試驗證明在分界區(qū)注氣可使旋流器的分離效率明顯提高，因此確定旋流器的分界區(qū)位置十分重要，它將為注氣部位的確定提供依據(jù)。分界區(qū)的位置決定于結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣液體積比及分流比等參數(shù)。

筆者數(shù)值模擬時采用的分流比是25%，流場軸向速度分布云圖如圖5所示。液流分界區(qū)比較明顯，注氣后分界區(qū)位置仍在大錐段，分離過程主要發(fā)生在旋流腔和大錐段。大錐段注氣后，向底流方向和向溢流方向流動速度明顯提高。

圖5 注氣后流場軸向速度矢量圖

2.3徑向速度分布

注氣旋流器徑向速度分布如圖6所示。由圖6可知，大錐段注氣后，徑向速度的分布產(chǎn)生了較大區(qū)別。旋流腔內(nèi)由于氣體的注入，中心氣核明顯加粗，速度值為正，表明液體都是向器壁方向移動的；在大錐段軸向速度值都為負(fù)值，表明液體都是向軸心運移的，速度有大幅度提高，表明大錐段是主要分離區(qū)域；在小錐段速度接近零，表明沒有分離作用。

圖6 注氣旋流器徑向速度分布

3 壓力場分布

3.1軸向壓力分布

大錐段注氣旋流器的軸向壓力分布曲線如圖7所示，圖中r是指旋流器的徑向(由軸線向器壁方向)距離。由圖7可知，大錐段注氣后旋流器內(nèi)整體壓力值有所上升，變化規(guī)律基本同常規(guī)旋流器，但沿徑向的壓力降和軸向的壓力降都明顯低于常規(guī)旋流器。

圖7 注氣旋流器軸向壓力分布

3.2徑向壓力分布

注氣旋流器徑向壓力分布如圖8所示。大錐段注氣后，整體壓力水平有所上升，但壓力梯度明顯降低，到小錐段壓力梯度降為零，但不影響分離效果，因為分離仍主要在大錐段完成。雖然大錐段的壓力梯度較常規(guī)旋流器變小了，但由于氣體的注入，使油氣復(fù)合體的密度比油的密度小，產(chǎn)生氣浮選作用，仍能保證良好的分離效率。試驗研究結(jié)果證明了這一點[8,9]。

圖8 注氣旋流器徑向壓力分布

4 注氣對旋流器分離性能的影響

混合液具有一定的速度是實現(xiàn)有效分離的必要條件，只有保證一定的切向速度，液流才能旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，保證油滴向旋流器中心運移。軸向速度保證了油相快速流向溢流口，水相順利流出底流口。

注氣后，除旋流區(qū)外，其他區(qū)域的切向速度明顯降低，這是由于注入的氣體對大錐段和小錐段的液流產(chǎn)生擾動所致，但軸向速度和徑向速度都有所升高，特別是在旋流區(qū)和大錐段區(qū)的徑向速度和流向溢流口的軸向速度有較大幅度的提高。這主要是因為注氣后產(chǎn)生的氣浮選作用，使分離效果明顯改善。

壓力是影響旋流器分離效果的重要因素，它為混合液分離提供必要的能量，分離是以壓力損失(壓力降)為代價來完成的[10]。因此，在保證分離效率的前提下，壓力降越小越好。壓力降除用于加速液流旋轉(zhuǎn)形成分離場外，還消耗在其他各種阻力損失和摩擦損失上，因此并不是壓力降越大，分離效果越好，只能說在旋流器結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)等不變的情況下，壓力降越大，為旋流器提供的能量越多，則分離效果越好。分離效果還取決于混合液分離的難易。對于較難分離的混合液，需要產(chǎn)生較大的壓力降，才能實現(xiàn)液體的有效分離，反之，則無需產(chǎn)生較大的壓力降就能有效分離。

旋流器在大錐段注氣后，增加了內(nèi)部能量，壓力水平整體有所提高；壓力降都不同程度地有所降低，軸向壓力降降低較小，徑向壓力降降低較明顯。這是因為注氣后，形成油氣復(fù)合體，密度減小，與水介質(zhì)的密度差加大，產(chǎn)生氣浮選效應(yīng)，使混合液的分離難度降低，從而利用較少的能力就產(chǎn)生了有效分離，同時也在一定程度上節(jié)約了能源。

5 結(jié)論

5.1對大錐段注氣旋流器的壓力場和速度場分析表明，在大錐段注氣可提高旋流器的分離性能。

5.2提出了旋流分離中的分界區(qū)概念，旋流器分界區(qū)的位置與其結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)密切相關(guān)。

5.3在大錐段注氣，旋流器的分界區(qū)仍在大錐段，在分界區(qū)注氣會產(chǎn)生了較好的分離效果。

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