多杯等流分離器氣液兩相流動(dòng)中氣泡群流動(dòng)研究

劉保君，秦梓鈞，李勇生，韓洪升

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多杯等流分離器氣液兩相流動(dòng)中氣泡群流動(dòng)研究

劉保君1，秦梓鈞1，李勇生2，韓洪升1

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163000； 2. 山西天然氣有限公司， 山西 太原 030000）

隨著油田的不斷開(kāi)發(fā)，氣液兩相流中的氣相對(duì)油井的影響越來(lái)越明顯，氣體也是造成抽油機(jī)泵效率較低的重要原因。只有降低進(jìn)入泵的氣體的量才能有效的提高泵效率。所以，井下分離器技術(shù)的研究是提高泵效的方法之一。實(shí)驗(yàn)研究采用理論分析和模型相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)、搭建了一套模擬皇冠型多杯等流氣液分離器的實(shí)驗(yàn)裝置。利用高速攝像機(jī)連續(xù)記錄不同流量下沉降杯內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)情況，分析氣泡及氣泡群運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以此為依據(jù)，提出氣液分離器的結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，提高分離器的分離效率。

兩相流；多杯等流分離器；氣泡群；沉降杯傾角

本文主針對(duì)皇冠型多杯等流氣液分離器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。[1,2]對(duì)于此類(lèi)井下分離器，已經(jīng)有多人對(duì)它的脫氣機(jī)理及脫氣效率問(wèn)題都進(jìn)行過(guò)研究。而對(duì)于沉降杯內(nèi)部氣泡運(yùn)動(dòng)情況的可視化研究這方面還沒(méi)有作過(guò)深入的研究。針對(duì)該問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)制作了試驗(yàn)用的分離器模型模擬氣泡在沉降杯中的運(yùn)動(dòng)情況。通過(guò)高速攝像機(jī)把模擬分離器模型內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)情況直觀清楚的顯示出來(lái)。研究沉降杯內(nèi)氣體上浮、碰撞、聚并，得到氣泡群上升軌跡，碰撞幾率等可為油氣分離器的優(yōu)化更新設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 皇冠型多杯等流分離器氣液分離原理

1.1 分離器結(jié)構(gòu)

皇冠型多杯等流氣液分離器屬于重力式分離器。是根據(jù)重力原理、淺池原理、多杯等流理論研制的。由特有的多杯結(jié)構(gòu)制造而成。[3]

如圖1在一根光滑的鋼制中心管上套裝多個(gè)沉降杯，且保證相鄰沉降杯的間距（5~8 mm），沉降杯的底部與中心管外徑相同且保證密封，在沉降杯內(nèi)部的中心管下部均勻分布著進(jìn)液孔，孔數(shù)一般為4~8個(gè)（直徑0.8~1.5 mm）。[4-6]杯上部設(shè)計(jì)成齒狀，且正好與上一個(gè)沉降杯底部的瓦棱狀結(jié)構(gòu)相吻合，該結(jié)構(gòu)與水平成45°夾角，用來(lái)聚攏上升過(guò)程中的氣泡，增大碰撞幾率并引導(dǎo)氣泡滑出沉降杯。

圖1 氣液分離器及單個(gè)沉降杯示意圖

1.2 分離器分離原理

利用多杯多空間來(lái)分擔(dān)井下氣液下降速度，使得氣體有足夠的時(shí)間在沉降杯內(nèi)的液體中上浮，并在上浮的過(guò)程中碰撞、聚并成較大氣泡，使浮力增加，有利于其上升，而液體在重力的作用下下沉，從沉降杯底部進(jìn)入中心管，中心管下端密封，上端與抽油泵連接，因此通過(guò)減少進(jìn)入泵的氣體量從而達(dá)到油氣分離的目的。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕悄M分離器沉降杯，為滿足照片拍攝的需要，模型材料選用有機(jī)玻璃材質(zhì)，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）打開(kāi)螺桿泵，調(diào)節(jié)流量。

（2）打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)出口壓力。

（3）待流量穩(wěn)定后讀取中心管出口處流量計(jì)讀數(shù)，并做記錄。

（4）布置照明位置，調(diào)整高速相機(jī)拍攝位置。調(diào)節(jié)拍攝參數(shù)，進(jìn)行拍攝。

（5）其他參數(shù)不變，只改變流量，拍攝并記錄照片。

（6）圖像技術(shù)處理軟件Image Pro Plus 6.0處理，數(shù)據(jù)分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)

在空氣壓縮機(jī)出口壓力為2個(gè)工程壓力時(shí)，共對(duì)中心管不同流量下的氣泡運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行17組圖片的拍攝，每組圖片至少200張。相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 氣泡群分析

實(shí)驗(yàn)所得到的圖片中存在這樣一種情況：當(dāng)中心管內(nèi)達(dá)到一定流量時(shí)，多個(gè)氣泡在傾斜的小管內(nèi)聚集形成氣泡群。它們只是簡(jiǎn)單的聚集在一起，聚集的時(shí)間有長(zhǎng)有短，氣泡會(huì)發(fā)生一些變形，但是不發(fā)生合并的情況，它們還保留著各自的界面膜，一些邊緣氣泡還會(huì)隨液流的擾動(dòng)被分開(kāi)，或者又重新聚集到氣泡群中來(lái)。

3.1 氣泡群的形成

如圖3所示，氣泡群大多位于傾斜管的上壁位置。圖中的幾幅照片同樣來(lái)自于同一流速下所得照片序列。

圖3 同一流速下的氣泡群

氣泡群的形成主要有以下幾個(gè)因素，首先是小管內(nèi)的流速要適宜，適宜的流速使得有部分氣泡可以進(jìn)入到小管內(nèi)，但是速度還沒(méi)有大到直接將氣泡“吸入”中心管內(nèi)，這種情況下會(huì)有多個(gè)氣泡滯留在小管內(nèi)，這就給多個(gè)氣泡碰撞提供了很好的條件，增大了氣泡碰撞的幾率。其次是即使在內(nèi)徑僅為15 mm的傾斜小管內(nèi)，速度分布也有差異的，由于井筒內(nèi)液體流動(dòng)是從下至上的，因此在斜管內(nèi)形成兩個(gè)流速相對(duì)較小的位置:斜管進(jìn)液口的上端和斜管同中心管相連位置的上部，這兩個(gè)位置流速較小，因此最容易在這兩個(gè)位置形有徘徊的氣泡，從而形成氣泡群。

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械玫降臍馀萑壕鄱缓喜⒌牡那闆r進(jìn)行分析。氣泡的合并通常需要三個(gè)步驟。一是兩氣泡的靠近，形成初始液膜。二是液膜逐漸脫落，最后達(dá)到臨界厚度。三是液膜逐漸變薄，兩氣泡之間的距離非常小，薄膜最后在破裂，完成合并。[7-9]而且各步驟都有條件限制。然而在本實(shí)驗(yàn)中，步驟一與步驟二由于受到小管直徑與小管內(nèi)流速限制，不具備達(dá)到氣泡合并的條件。而且由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑颍盒惫軆?nèi)徑偏小。同實(shí)際沉降杯相差太多，因此導(dǎo)致在這種情況下的液流對(duì)氣泡聚并的擾動(dòng)性顯得更加明顯，而在實(shí)際沉降杯中的環(huán)空面積大約是斜管截面積的35倍，因此液體下降速度的減小也會(huì)使得氣泡外界環(huán)境比較穩(wěn)定，則在實(shí)際分離情況下這中現(xiàn)象應(yīng)該不太明顯，除非是泵產(chǎn)量太大導(dǎo)致沉降杯內(nèi)下降速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致高雷諾數(shù)的不穩(wěn)定流動(dòng)。至于氣泡聚并中的第三個(gè)階段，顯然是建立在第二個(gè)階段基礎(chǔ)之上的。是難以發(fā)生的。

綜上所述，理論上沉降杯的面積意味著杯內(nèi)液體的下降速度較低，但是沉降杯的外徑顯然是受到套管直徑的限制，因此可調(diào)節(jié)范圍有限，在此范圍內(nèi)沉降杯應(yīng)盡可能增大面積。另一個(gè)方面，泵流量的降低也有利于減小沉降杯內(nèi)液體下降速度，但是由于油井產(chǎn)量的需求，泵流量也有著相關(guān)的限定，因此可調(diào)節(jié)范圍有限。

3.2 氣泡群與流量的關(guān)系

如圖4，A到H，為不同流速下（A:0.046;B:0.055;C:0.065;D:0.074;E:0.083;F:0.092;G:0.098;H:0.122）m/s斜管內(nèi)氣泡群的形成情況?？傮w情況來(lái)看是屬于氣泡群從初始到增大再到減弱的情況。

圖A和B可以看出，是氣泡群的初始形態(tài)，此時(shí)的氣泡直徑較小，參與形成氣泡群的氣泡個(gè)數(shù)也少，且氣泡之間也有一定的距離，偶爾有個(gè)別較大直徑的氣泡進(jìn)入傾斜管，但基本不參與氣泡群的形成，且大小氣泡均不變形。主要是由于此時(shí)流量較小，管內(nèi)流動(dòng)為層流，液體相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)入到傾斜管內(nèi)的大多為小氣泡，氣泡之間的擾動(dòng)較小，各氣泡隨層流流動(dòng)。所以只有在傾斜管與中心管連接處的上部有聚集現(xiàn)象，此處是流場(chǎng)中類(lèi)似“死角”的地方，流速相對(duì)較小，氣泡群的聚集先從這里開(kāi)始。但是它也是離進(jìn)液孔最近的地方，當(dāng)有大量氣泡聚集的時(shí)候，會(huì)有一部分氣泡被帶進(jìn)中心管，當(dāng)然也有一種情況：此位置形成的眾多氣泡會(huì)整體沿著管壁上浮，最終也會(huì)有氣泡逸出斜管。

圖4 不同流速下的氣泡群

到了C圖可以看出，逐漸有直徑略大的氣泡進(jìn)入到傾斜管，并且參與到氣泡群的形成，氣泡數(shù)量還是比較少，雖然各氣泡之間的距離相比圖A和B中變小，只是氣泡邊界剛剛發(fā)生接觸，但是明顯可以看到，各氣泡仍保持自己形狀，且大部分氣泡為接近球形。

從D圖中可以看出，此時(shí)有大氣泡開(kāi)始參與氣泡群的形成，各氣泡間的距離明顯縮短，且在接觸位置處的大氣泡發(fā)生變形。

E圖是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中形成氣泡群最多的，圖中可以看出，參與氣泡群的氣泡直徑范圍廣、數(shù)量多、氣泡聚集程度高，各氣泡之間距離小，大氣泡普遍變形，龐大的氣泡群聚集在斜管上壁，接近出口的位置會(huì)有氣泡逐漸逸出，也有進(jìn)入來(lái)的氣泡新加入氣泡群，結(jié)果只有極其少的氣泡會(huì)脫離氣泡群而進(jìn)入中心管，因此斜管內(nèi)流速0.083 m/s及以下的流速情況下，模型的分離效率都很高。因?yàn)閺腇圖開(kāi)始，中心管內(nèi)氣泡逐漸增多，模型的分離效率開(kāi)始下降，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)斜管內(nèi)流速在0.083 m/s（對(duì)應(yīng)著中心管流量）附近時(shí)，分離器模型處于一個(gè)臨界點(diǎn)，該臨界點(diǎn)以下，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头蛛x器分離效果高，超過(guò)該臨界點(diǎn)，此模型分離效果開(kāi)始降低。

氣泡之間的聚集，相當(dāng)于增大了氣泡的當(dāng)量直徑，使得氣泡群相對(duì)于單個(gè)小氣泡而言浮力急劇增大，因此抵抗流體帶走的效果明顯，并在不斷增加新氣泡擴(kuò)張的情況下，逐漸上浮，因?yàn)閮A斜管體積有限，因此有部分氣泡會(huì)逸出而脫離氣泡群，但是還會(huì)有新的氣泡加入，這也是氣泡群有助于分離效率的主要作用。

從F圖可以看出，過(guò)了臨界速度，氣泡群規(guī)模明顯減小，參與氣泡群的也大多是大直徑氣泡，各氣泡之間距離也開(kāi)始增大，一個(gè)最明顯的結(jié)果是：氣泡群整體位置下移，已經(jīng)不再是貼近上壁了，這說(shuō)明，氣泡群受力情況發(fā)生了明顯變化，氣泡群效應(yīng)不再占據(jù)主導(dǎo)作用。

G圖中，顯示氣泡的數(shù)量在持續(xù)減小，到了H圖，基本能在斜管內(nèi)停留的氣泡數(shù)量已經(jīng)不多，此時(shí)的狀態(tài)已經(jīng)不是氣泡群了。主要是流速過(guò)大，氣泡直接進(jìn)入中心管，此時(shí)的分離效率幾乎為0，分離器已經(jīng)不起作用。

通過(guò)以上幾幅實(shí)驗(yàn)圖片，結(jié)合斜管內(nèi)流體流速可看出，氣泡群的形成是建立在流速前提下的，并且隨著流速的不斷變化，氣泡群經(jīng)歷了，形成、壯大、減少到消失的過(guò)程。對(duì)于實(shí)驗(yàn)而言，找到了這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的流速節(jié)點(diǎn)位置，特別是氣泡群規(guī)模最大的臨界點(diǎn)（=0.083 m/s），這對(duì)于研究沉降杯內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律尤其是氣泡聚集和合并對(duì)氣液分離器分離效果的影響有著重要的參考意義。

根據(jù)此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果分析可知，分離效率和泵產(chǎn)量不是此消彼長(zhǎng)的絕對(duì)關(guān)系，小流量的情況下分離效率自然高，但是這不符合現(xiàn)場(chǎng)需要，逐漸增加泵流量，在剛開(kāi)始階段會(huì)經(jīng)歷分離效率降低的情況，但是考慮到氣泡群是和流量有密切關(guān)系的，因此可嘗試持續(xù)增加流量，給氣泡群的形成創(chuàng)造條件，當(dāng)條件符合時(shí)，形成的氣泡群將會(huì)提高分離器的分離效率，而泵流量也有所增加。因此對(duì)于新型的井下氣液分離器，或者經(jīng)過(guò)改進(jìn)的分離器，都要做到寬范圍流量和氣液比測(cè)試，以便發(fā)揮出分離器的高效作用，提高井產(chǎn)量。

3.3 管壁對(duì)氣泡群的影響

通過(guò)觀察，本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣泡群大多是處于斜管上壁位置，也就是貼壁現(xiàn)象比較明顯，在實(shí)際的井下氣液分離器內(nèi)，我們希望沉降杯的表面，特別是沉降杯底部的瓦棱結(jié)構(gòu)，一方面其傾斜角變大，另一方面其表面是有益于氣泡聚并或者滑行的特殊材質(zhì)，通常情況下可以在分離器表面噴涂特殊材料表面層來(lái)達(dá)到這樣的目的。至于沉降杯底部瓦棱結(jié)構(gòu)的傾斜角度。在不考慮氣泡聚并的情況下，大的傾角是有利于氣液分離的，但是較大的沉降杯的單個(gè)杯體高度要明顯高于小的沉降杯高度，這是為了滿足沉降杯內(nèi)體積的需要，也就是說(shuō)，如果要制造特定沉降杯數(shù)目的氣錨，它的總長(zhǎng)度是較長(zhǎng)的，這無(wú)疑會(huì)增加分離器的生產(chǎn)成本，同時(shí)亦會(huì)增加了泵下管掛的長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致油井沉沒(méi)度變小。但是如果不斷減小，則會(huì)明顯減低分離器的分離效率，雖然降低會(huì)減小總氣錨長(zhǎng)度、節(jié)省成本，并使沉沒(méi)度變大，但這樣的設(shè)備是有很大的局限性的，分離效率的降低已經(jīng)遠(yuǎn)離了氣液分離器的設(shè)計(jì)初衷，只能應(yīng)用在較小沉沒(méi)度的油井上，并不能大范圍推廣。建議介于45°到60°之間，不宜過(guò)大。

4 結(jié) 論

本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)模型模擬了井下多杯等流氣液分離器中氣泡群的運(yùn)動(dòng)情況。對(duì)不同流速下沉降杯內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)情況做照片拍攝和后期分析研究。得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)氣液分離的模型研究，得出沉降杯底部瓦棱狀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案。底部?jī)A角越大，越有利于氣泡的上浮，增大分離器效率。根據(jù)模型中的45°傾角來(lái)看，還有增大的空間。

（2）對(duì)模型沉降杯內(nèi)流速范圍為0.022~0.181m/s共17組不同流量下的氣泡運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行拍攝、分析得出：在流量為0.055~0.098 m/s之間流速時(shí)，沉降杯內(nèi)形成氣泡群，氣泡群會(huì)提高分離器效率。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)中，在沉降杯內(nèi)流速為0.083 m/s時(shí)，氣泡群效應(yīng)最明顯。

（3）沉降杯底部?jī)?nèi)表面光滑程度也會(huì)影響氣液分離效率。建議在內(nèi)表面噴涂特殊涂層以減小摩擦阻力。

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Bubble Swarm Flow in Gas-liquid Two-phase Flow in a Multicup Isoflux Separator

LIU Bao-jun1，QIN Zi-jun1，LI Yong-sheng2，HAN Hong-sheng1

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China； 2. Shanxi Natural Gas Limited Company, Shanxi Taiyuan 030000，China）

With the continuous development of oilfield, the research of two-phase flow is an important research topic at domestic and overseas in the oil industry. The influence of gas to the well becomes more and more obvious; the influence of the gas phase is also the important reason to cause the low oil-well pump efficiency. Only reducing amount of gas entering the pump can effectively improve the efficiency of the pump. So, down-hole separator technology research is one of the ways to improve the pump efficiency. In this paper, by the method of combining theoretical analysis and model test, a set of experimental simulation device of downhole gas-liquid separator was designed and developed. High speed camera was used to continuously record bubble movement situation inside the cup under different flow, bubble motion parameters were analyzed. On this basis, improvement scheme of multiple structure of the gas-liquid separator was put forward to increase separation efficiency of the separator.

Two-phase flow; Multicup separator; Bubble group; The inclination of settlement cup

TQ 028

A

1671-0460（2016）06-1163-05

2016-03-29

劉保君（1979-），男，河南省安陽(yáng)市人，副教授，博士，2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：油氣集輸及處理技術(shù)，復(fù)雜流體流動(dòng)。E-mail：liubaojun@nepu.edu.cn。

秦梓鈞（1992-），男，碩士，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：974628268@qq.com。