旋流除砂器流場特性分析

于 馳，王 剛，王景昌，詹世平

（1．大連大學 環(huán)境與化工學院，遼寧 大連 116622；2. 大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

常規(guī)旋流器以其結構簡單、維護方便的優(yōu)點在分離機械中占有重要的地位[1,2]。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)對旋流分離器提出了更高的要求。為了提高常規(guī)旋流分離器的性能，多年來專家學者們設計制造了各種結構形式的旋流器[3-10]。

早在1891年，Bretney就在美國專利上申請了第一個旋流器專利。1914年水力旋流器正式應用于磷肥的工業(yè)生產(chǎn)。20世紀60年代以后，人們開始將旋流器用于試驗設備以及其他更廣泛的工業(yè)領域，主要有礦產(chǎn)冶金行業(yè)中的顆粒分級、礦物質(zhì)回收與水處理，化學工業(yè)中液液萃取、固-液濾取、結晶，空間技術中的零重力場分離，機械加工行業(yè)中回收潤滑油及貴重金屬，電子工業(yè)中回收稀有金屬，生物化學工程中的酶、微生物的回收，食品與發(fā)酵工業(yè)中的淀粉、果汁、酵母等與水的分離，石油工業(yè)中的油水分離、油水氣分離與油水泥分離等。目前，旋流器已經(jīng)在廣泛的領域被認同，而且其應用領域也越來越多[11-14]。

為解決油田采出液攜砂的問題，目前我國油砂分離仍普遍采用傳統(tǒng)方法，如大罐沉降分離、篩管過濾等。國外已經(jīng)研制推出了可用于分離和消除井液中固體顆粒的固相/液相旋流除砂裝置。大罐沉降分離，它的占地面積大、重量重、投資及運行成本高。篩管過濾容易發(fā)生堵塞，定期除砂的周期短。與傳統(tǒng)的過濾除砂裝置比，旋流除砂具有結構緊湊，作業(yè)簡便等優(yōu)點，旋流式除砂器利用油砂密度不同，將流體成切線方向引入到旋流除砂器的殼體內(nèi)，重力與旋片的作用將固體顆粒推向旋流器的外側(cè)，并且向下運行至分離器分出物出口。在分離器殼體中產(chǎn)生的次生液體旋流作用，使得液體向上運移，并且通過旋流探測器從溢流出口排出，砂粒沉入油井底部的油管外側(cè)環(huán)形空間，而不會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，除砂周期長。旋流除砂器是一種油田鉆井中廣泛使用的鉆井液固相控制設備。在井隊現(xiàn)場使用中，它除砂除泥綜合效果好，分離效率高，不易堵塞，可有效地去除鉆井液中有害固相，大大減輕現(xiàn)場工人勞動強度。

將旋流分離作為高效除砂設備的研究方向，建立旋流除砂器三維模型，利用FLUENT對旋流除砂器的內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，得到旋流除砂器的流場特性，通過所得結果來分析旋流除砂器的運動規(guī)律，以此對旋流除砂器的工作情況進行深入的分析，證明用結構簡單、能耗低、除砂效率高的旋流除砂器進行油井井底除砂行之有效。

1 旋流除砂器主要結構及安裝

旋流式除砂器安裝在油田油井的井下抽油泵入口前。當進行采油作業(yè)時，由于壓力的作用，原油獲得一個向上的速度。夾帶一些砂粒的油水混合液進入經(jīng)旋流器殼體外壁上的多個小孔進入旋流除砂器殼體內(nèi)。由于旋流除砂器旋片的作用，液流在旋流除砂器腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)向下運動。由于砂粒重度較大，在離心力和重力的作用下，砂粒沿旋流除砂器的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)向下運動，經(jīng)外出砂口沉入油井底部的油管外側(cè)環(huán)形空間。

液流進入旋流除砂器腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)向下運動的同時，油水混合液通過被擠進入旋流除砂器的溢流管上開設的多個溢流孔，進入旋流除砂器的溢流管內(nèi)，并在管內(nèi)向上運動，通過位于旋流除砂器殼體中心上方的殼體接頭進入抽油泵以達到除砂的目的。

旋流除砂器主要有外殼、射孔、旋流片、溢流孔、溢流管、除砂口和溢流口組成，如圖1所示。射孔分布在外殼四周，旋片在外殼與溢流管之間，在溢流管底部周圍分布著溢流孔，除砂口在旋流除砂器的底部，溢流口在旋流除砂器的上端。

圖1 旋流除砂器結構示意圖

2 旋流除砂器建模與數(shù)值模擬

2.1 模型建立

在不影響計算結果的前期下，對旋流除砂器進行適當?shù)暮喕?。建立旋流除砂器三維數(shù)值模型如圖 2與圖3所示，其中圖2為旋流除砂器的旋片結構，圖3為旋流除砂器的剖面結構。

圖3 剖面結構

圖2 旋片結構

將建立的三維數(shù)值模型導入FLUENT前處理軟件GAMBIT中，進行邊界面的設置。如圖4所示，其中面1為原油入口，面2為除砂后石油出口，面3為泥沙沉降面。

將設置好邊界面的有限元模型導入FLUENT中，進行網(wǎng)格檢查后，模型如圖5所示。

圖5 FLUENT模型

圖4 GAMBIT模型

2.2 參數(shù)與邊界條件的設置

入口施加速度邊界條件：0.4 m/s，當量直徑：0.058 m，出口施加速度邊界條件：0.38 m/s，當量直徑：0.04 m，湍流強度均為5%，其他均設置成固定壁面邊界條件。選擇多相流計算模型，采用兩相流計算，分別為原油相與砂礫相。設原油相為第一相，砂礫為第二相，同時確定他們的物理參數(shù)。

壁面效應是旋渦和湍流的主要來源，因此近壁區(qū)的處理對數(shù)值求解結果的準確性有顯著影響。由于在靠近固體壁面的區(qū)域內(nèi)，湍流底層的粘性作用增強而湍流擴散相對減弱，致使作用于高雷諾數(shù)下的湍流輸運方程已不能嚴格有效。本文采用標準壁面函數(shù)法處理邊界湍流，以給出正確的壁面切應力。

3 結果分析

經(jīng)過數(shù)值計算，得到旋流除砂器的流場特性分布圖。圖6所示為旋流除砂器內(nèi)流體跡線，可見流體在旋片區(qū)域的螺旋運動形式，外部液體向下流向底流口形成外旋流，在旋流過程中由重力作用砂礫往旋流除砂器的底部沉降，內(nèi)部液體平穩(wěn)的向上流向溢流口，從而實現(xiàn)旋流分離。

圖7為旋流除砂器縱向剖面的速度矢量分布圖。從圖中可以看出，流體在旋片區(qū)域沿旋片向下旋轉(zhuǎn)流動，其速度分布紊亂。在旋流除砂器底部為砂礫的沉降區(qū)，其速度分布規(guī)則。中間為旋流除砂器溢流的速度分布，流體進入溢流管后速度分布有紊亂到規(guī)則變化。

圖8至圖10為旋流除砂器在模擬計算過程中的沉降分布云圖，由計算結果可以得到，隨著模擬計算步驟的增加，在旋流除砂器底部的砂礫沉積量越來越多，可以看出旋流除砂器的除砂功能。

圖6 旋流除砂器流體跡線圖

選取其中三個結果進行分析，分別為沉降初期，沉降中期，和沉降后期。圖8所示為沉降初期砂礫沉降圖，從圖中可以看出，砂礫已經(jīng)開始在出砂口慢慢沉積，砂礫的濃度自上向下逐步增加，在出砂口處濃度達到最大，此時，流體則自下而上濃度逐漸增加，在出砂口濃度最小。

沉降中期，如圖9所示，砂礫進一步沉降，出砂口底部的砂礫濃度增加，表明砂礫在出砂口沉積量增加，此時流體在出砂口處的濃度有所減小。

沉降后期，如圖10所示，砂礫完全沉降，出砂口砂礫濃度增加到最大，此時，砂礫開始在出砂口處大量堆積，需要采取一定措施，對已經(jīng)大量堆積的砂礫進行清理。以免砂礫堆積過多，對流體與機械設備產(chǎn)生影響。一般來說，旋流分離器每隔一段時間就要清理一次，保證設備整體的正常運轉(zhuǎn)，當砂礫濃度達到一定程度時，就需要進行及時清理。

從數(shù)值模擬結果來看，流體在旋片區(qū)域以螺旋運動形式為主，外部液體向下流向底流口形成外旋流，在旋流過程中由重力作用砂礫往旋流除砂器的底部沉降，內(nèi)部液體平穩(wěn)的向上流向溢流口。在旋片區(qū)域沿旋片向下旋轉(zhuǎn)流動，其速度分布紊亂。在旋流除砂器底部為砂礫的沉降區(qū)，其速度分布規(guī)則。中間為旋流除砂器溢流的速度分布，流體進入溢流管后速度分布有紊亂到規(guī)則變化。

圖8 沉降初期沉降分布云圖

圖9 沉降中期沉降分布云圖

隨著沉降時間的增加，旋流除砂器底部的砂礫沉積量越來越多，一般砂礫的濃度自上向下逐步增加，在出砂口處濃度最大，而流體則自下而上濃度逐漸增加，在出砂口濃度最小。同時，可以觀測沉降濃度，以判斷旋流除砂器的除砂功能。

4 結論

本文涉及一種新型旋流除砂器，應用此旋流除砂器進行原油除砂，對除砂過程進行數(shù)值計算。根據(jù)工程實際情況，進行旋流除砂器結構設計，分析旋流除砂器結構，對旋流除砂器流場進行數(shù)值模擬計算，分析其流場特性，對沉降情況進行觀察?？梢钥闯觯诵鞒捌髂軌蜻_到施工要求，沉降效果理想，并與實際情況相適應。

對于旋流除砂器的流場的分析，能夠?qū)ξ磥硇滦托鞒捌鞯脑O計與制作提供理論分析依據(jù)，可以指導油田除砂施工，為解決油田的除砂問題提供數(shù)值分析基礎。

[1]胥思平, 朱宏武, 張寶強. 固液分離水力旋流除砂器的數(shù)值模擬[J]. 石油機械, 2006, 34(3): 24-27.

[2]倪玲英. 井口除砂旋流器試驗研究[J]. 石油礦場機械,2002, 31(3): 22-24.

[3]邵春, 鄢泰寧. 旋流除砂器的改進及其試驗效果[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2006, 34(5): 71-74.

[4]任連城, 梁政, 鐘功祥, 等. 基于 CFD的水力旋流器流場模擬研究[J]. 石油機械, 2005, 33(11): 15-17.

[5]鄢泰寧, 張濤. 提高旋流除砂器凈化泥漿效果的試驗研究[J]. 探礦工程, 2002(4): 25-28.

[6]Young G A B, W D Wakley. Oil-water separation using hydrocyclones experimental search for optimum dimension[J]. Journal of Petroleum Science and Engineer, 1994, 11(1):37-50.

[7]Hargreaves J H, Silvester R S. Computational fluid dynamics applied to the analysis of deoiling hydrocyclone preferences[J]. Chemical Engineering Research and Design, 1990, 68(4):365-383.

[8]丁永強. 液-液旋流器分離效率模型[D]. 北京：中國石油大學, 2002.

[9]陸耀軍, 周力行, 沈雄. 液-液旋流分離管中強旋湍流的Reynold應力輸運方程數(shù)值模擬[J]. 中國科學（E輯）, 2000,30(1): 47-53.

[10]胡王樂元, 周力行, 時銘顯, 等. 旋風分離器內(nèi)三維強旋湍流流動數(shù)值模擬的修正壓力應變項模型[J]. 工程力學,2005, 22(5): 83-88.

[11]DYAKOWSKI T, WILLIANMS R A. Modeling turbulent flow within a small2diameter hydrocyclone [J]. Chem EngSci, 1993, 48(6): 1143-1152.

[12]Malhotra A, Branion R M R, Hayotnan E G. Modeling the flow in a hydrocyclone [J]. The Canadian Journal of Chmical Engineering, 1994, 7: 953-960.

[13]梁政, 任連城, 張梁, 等. 水力旋流器流場徑向速度分布規(guī)律研究[J]. 西南石油大學學報, 2007, 29(2): 107-108.

[14]王柏秋. 水力旋流器內(nèi)部流場數(shù)值模擬及分離效率研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學, 2006.