重力式氣液分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分離性能數(shù)值模擬

葉衛(wèi)東，仇亭亭

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

在油田開發(fā)中，抽油泵抽油是目前國(guó)內(nèi)外油田最主要的生產(chǎn)方式。隨著油田開采的深入，我國(guó)部分油田已進(jìn)入中、高含氣開采階段，氣相對(duì)油井的影響也日益明顯，同時(shí)有些油田采用注入二氧化碳等氣驅(qū)的方法提高采收率[1]，使油氣比較高，油氣兩相同時(shí)進(jìn)泵，影響了抽油泵的泵效，甚至氣相含量較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生“氣鎖”現(xiàn)象[2]，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

為了提高抽油泵的泵效，多種防氣技術(shù)已應(yīng)用于抽油泵中，重力式氣液分離器便為其中之一[3]。因其在防氣方面效果顯著，在泵的入口處安裝重力式氣液分離器，將油流中的自由氣相在進(jìn)泵之前分離出來，通過油套環(huán)形空間排到地面，提高抽油泵泵效[4]。

本文在氣液兩相流理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)重力式氣液分離器的分氣機(jī)理及分氣效率進(jìn)行探索性研究[5]，優(yōu)選出分氣效率最佳的氣液分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)。其研究成果可為實(shí)際生產(chǎn)中估算氣液分離器氣液分離效率、優(yōu)化氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸提供理論依據(jù)，進(jìn)而為提高泵效奠定理論基礎(chǔ)。

1 重力式氣液分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算

氣液分離器結(jié)構(gòu)對(duì)氣液分離效率的影響主要有以下2方面：1) 氣液分離器的結(jié)構(gòu)對(duì)流體的流動(dòng)有控制作用，可以令流體的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到油氣分離的目的。在氣液分離器的外筒上開一些小孔，將流體的向上流動(dòng)轉(zhuǎn)變成橫向流動(dòng)。在流體進(jìn)入分離器內(nèi)部后，流體的流動(dòng)方向會(huì)繼續(xù)發(fā)生改變，直到轉(zhuǎn)變成向下流動(dòng)，這些都是影響氣液分離效果的因素。2) 氣液分離器外筒上的小孔會(huì)阻擋氣泡的運(yùn)動(dòng)，這種阻擋作用也有利于使油氣分離[6]。

因?yàn)闅庖悍蛛x器的結(jié)構(gòu)會(huì)影響分氣效率，所以氣液分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)越合理,分離器的分氣效率就會(huì)提高得越大。

1.1 氣液分離器內(nèi)外徑計(jì)算

根據(jù)斯托克公式[7]：

(1)

要想達(dá)到提高氣液分離器分氣效率的目的，通常令分離器環(huán)形空間中液相速度vf與需要分離的最小氣泡在靜止液體中的上浮速度vd相等。

氣液分離器環(huán)形空間的液相速度為：

(2)

根據(jù)設(shè)計(jì)原則：vd=vf得：

(3)

D2需要考慮結(jié)蠟與摩阻壓降不能過大，通常選取直徑為32mm，或考慮摩阻壓降<0.001MPa。

1.2 氣液分離器分離室長(zhǎng)度計(jì)算

要想使在上沖程的吸入過程中，分離室內(nèi)氣泡不會(huì)被帶入到吸入管中，分離室的體積至少要與泵的一個(gè)沖程的吸入體積相等[8]，所以：

(4)

氣液分離器分離室的最大長(zhǎng)度要達(dá)到能夠保證泵在任何一個(gè)沖程的排油時(shí)間內(nèi)，待分離的最小氣泡能夠上浮到氣帽內(nèi)，即：

(5)

所選分離室的長(zhǎng)度應(yīng)在分離室最小長(zhǎng)度lmin與分離室最大長(zhǎng)度lmax之間。

2 重力式氣液分離器數(shù)值模擬

2.1 氣液分離器結(jié)構(gòu)

重力式氣液分離器結(jié)構(gòu)如圖1，由外管、中心管、上接頭和下接頭組成。上接頭上開有吸入口，上接頭上方與抽油泵相連，氣液分離器外部是套管。井下氣液兩相介質(zhì)在氣液分離裝置與套管的環(huán)形空間向上流動(dòng)。

圖1 氣液分離器結(jié)構(gòu)及邊界條件

2.2 氣液分離器數(shù)值模擬邊界條件

抽油泵上沖程時(shí)的邊界條件設(shè)置如圖1(a)，氣液分離器下方與套管之間的環(huán)形空間設(shè)置為速度入口，速度的大小與抽油井的供液有關(guān)，與抽油機(jī)的沖程、沖次匹配，可由抽油泵的沖程、沖次得到。氣液分離器與抽油泵連接口設(shè)置為自由出口，氣液分離器上方與套管之間的環(huán)形空間也設(shè)置為自由出口。在抽油泵上沖程時(shí)，流體主要從抽油泵連接口流出，占總流量的80%；氣液分離器上方與套管之間的環(huán)形空間占20%。

抽油泵下沖程時(shí)的邊界條件設(shè)置如圖1(b)，由于抽油泵下沖程時(shí)固定閥關(guān)閉，抽油泵連接口此時(shí)的流量為0，因此邊界條件設(shè)置為壁面。下沖程時(shí)，流體全部由氣液分離器上方與套管之間的環(huán)形空間流出。

2.3 氣液分離器數(shù)值模擬方法

本文采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值仿真。使用基于壓力的分離求解器求解，選取Eulerian多相流模型通過分別求解各相的流動(dòng)方程來分析相互滲透的各種流體或各相流體。設(shè)置入口流速、介質(zhì)含氣率、建立氣液分離裝置有效長(zhǎng)度、內(nèi)管外徑、進(jìn)液孔面積、外管內(nèi)徑，求解氣液分離裝置出口介質(zhì)的含液相率。模擬沖次為6次/min時(shí)，0～5 s(時(shí)間步長(zhǎng)是0.02 s，迭代250步)是上沖程，中心管出口設(shè)置為自由出口；5～10 s為下沖程，中心管出口關(guān)閉；以周期為10 s循環(huán)計(jì)算，直到中心管出口介質(zhì)含液相率穩(wěn)定。

圖2是氣液分離器中心管出口介質(zhì)含液相率穩(wěn)定后26～35 s時(shí)的云圖，即一個(gè)周期的云圖。

圖2 不同時(shí)刻氣液分離裝置含液相量云圖

26～30s屬于下沖程，如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示，中心管上端出口停止排出介質(zhì)，中心管內(nèi)的氣液混合介質(zhì)開始分離，氣相上浮到中心管上端，液相下沉到中心管下端；同時(shí)氣液分離裝置外管內(nèi)氣液混合介質(zhì)也分離，氣相上浮液相下沉。深色(液相含量95%以上)界面上移顯示分離的液相下沉到氣液分離裝置外管下部，且分離的數(shù)量越來越多，到30s時(shí)分離出的液相最多。

31～35s屬于上沖程，如圖2(d)、圖2(e)、圖2(f)所示，31～33s中心管出口排出的介質(zhì)中液相含量達(dá)到95%以上，到33s以后液相含量降低。主要原因是在下沖程時(shí)間內(nèi)分離出液相的體積小于抽油泵一個(gè)沖程的排量，即氣液分離裝置分離出的液相不夠抽油泵抽吸，因此在33s以后氣液分離裝置出口的介質(zhì)含液相率大幅下降。

圖3是上沖程時(shí)氣液分離裝置出口含液相率曲線。

圖3 上沖程時(shí)氣液分離裝置出口含液相率隨時(shí)間變化曲線

2.4 氣液分離裝置不同參數(shù)下的模擬結(jié)果分析

利用以上方法，對(duì)氣液分離裝置不同參數(shù)下的出口含水率進(jìn)行模擬計(jì)算，得出影響氣液分離裝置分離效果的主要因素。

考慮到實(shí)際工況，選定沖程為3m的抽油泵為模擬對(duì)象，沖次6時(shí)的入口流速為0.3m/s，氣液混合介質(zhì)含氣率80%。

1) 外管內(nèi)徑對(duì)分離效率的影響

建立氣液分離裝置長(zhǎng)度1 000mm，內(nèi)管外徑32mm，進(jìn)液孔6個(gè)直徑16mm，外管內(nèi)徑分別為100mm、90mm、80mm模型。求解氣液分離裝置出口介質(zhì)的含液相率如圖4所示。

圖4 不同外管內(nèi)徑下含液相率隨時(shí)間變化曲線

從圖4中可以看出，不同氣液分離裝置外管內(nèi)徑尺寸越大，分離效果越好。從模擬結(jié)果來看，外管內(nèi)徑為100mm的氣液分離裝置出口含液相率可以達(dá)到50%，即含氣率為80%的氣液混合介質(zhì)通過氣液分離裝置后含氣率降低到50%左右，含氣率下降30%，分離效果非常理想；而外管內(nèi)徑為80mm的氣液分離裝置出口含液相率在35%左右，含氣率為80%的氣液混合介質(zhì)通過氣液分離裝置后含氣率降低到65%左右，含氣率下降15%，分離效果相對(duì)較差。所以選取的氣液分離裝置外管內(nèi)徑為100mm。

2) 中心管外徑對(duì)分離效率的影響

建立氣液分離裝置長(zhǎng)度1 000mm，外管內(nèi)徑100mm，6個(gè)進(jìn)液孔直徑16mm，內(nèi)管外徑分別為42mm、37mm、32mm模型。求解氣液分離裝置出口介質(zhì)的含液相率如圖5所示。

圖5 不同中心管外徑下含液相率隨時(shí)間變化曲線

從圖5中可以看出，氣液分離裝置中心管外徑尺寸越小，分離效果越好。從模擬結(jié)果來看，中心管外徑為32mm的氣液分離裝置出口含液相率達(dá)到50%，分離效果較好?？紤]到結(jié)蠟及阻尼等問題的影響[9-10]，通常選取的中心管外徑為32mm。

3) 吸入口尺寸對(duì)分離效率的影響

建立氣液分離裝置外管內(nèi)徑100mm，分離室長(zhǎng)度1 000mm，內(nèi)管外徑32mm，6個(gè)吸入口直徑分別為20mm、16mm、10mm模型。求解氣液分離裝置出口介質(zhì)的含液相率如圖6所示。

圖6 不同吸入口直徑下含液相率隨時(shí)間變化曲線

從圖6中來看，氣液分離裝置吸入口直徑對(duì)其分離效率影響較復(fù)雜。其中吸入口直徑及個(gè)數(shù)主要是為了保證足夠的過流面積。在吸入口個(gè)數(shù)一定的情況下，若吸入口直徑較小會(huì)增加進(jìn)液阻力或井液中的雜質(zhì)阻塞吸入口；若吸入口直徑較大，隨著油流進(jìn)入氣液分離裝置的氣泡增加，而且直徑更大的氣泡也能進(jìn)入氣液分離裝置內(nèi)部，使得分氣效率降低。從模擬結(jié)果來看，吸入口直徑為16mm的氣液分離裝置出口含液相率為50%，分離效果較好。所以選取的吸入口直徑為16mm。

4) 分離室長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響

建立氣液分離裝置外管內(nèi)徑100mm，內(nèi)管外徑32mm，6個(gè)進(jìn)液孔直徑16mm，分離室長(zhǎng)度分別為1 500mm、1 000mm、500mm模型。求解氣液分離裝置出口介質(zhì)的含液相率如圖7所示。

圖7 不同分離室長(zhǎng)度下含液相率隨時(shí)間變化曲線

從圖7中可以看出，氣液分離裝置分離室有效長(zhǎng)度對(duì)分離效果的影響較復(fù)雜。分離室長(zhǎng)度較小，在抽油泵吸入過程，分離室內(nèi)氣泡會(huì)被帶入到吸入管；分離室長(zhǎng)度較大，在抽油泵一個(gè)沖程的排油時(shí)間內(nèi)，待分離的最小氣泡不能上浮到氣帽內(nèi)。從模擬結(jié)果來看，分離室長(zhǎng)度為1 000mm的氣液分離裝置出口含液相率達(dá)到50%，分離效果較好。所以選取分離室長(zhǎng)度為1 000mm的氣液分離裝置。

5) 沖次對(duì)分離效率的影響

建立氣液分離裝置外管內(nèi)徑100mm，分離室長(zhǎng)度1 000mm，內(nèi)管外徑32mm，6個(gè)進(jìn)液孔直徑16mm，沖次12時(shí)入口流速為0.6m/s、沖次6時(shí)入口流速為0.3m/s、沖次3時(shí)入口流速為0.15m/s模型。求解氣液分離裝置出口介質(zhì)的含液相率如圖8所示。

圖8 不同沖次下含液相率隨時(shí)間變化曲線

從圖8中可以看出，氣液分離裝置沖次越小，分離效果越好，沖次小，可以有充足的時(shí)間進(jìn)行氣液分離。從模擬結(jié)果來看，沖次為3的抽油泵，氣液分離裝置的出口含液相率為60%左右，即含氣率由80%降低到40%，含氣率下降了40%，分離效果最好。沖次為6的抽油泵，氣液分離裝置的出口含液相率為50%左右，含氣率下降了30%，分離效果一般。沖次為12的抽油泵，氣液分離裝置的出口含液相率為40%左右，含氣率下降了20%，分離效果最差。又考慮到實(shí)際抽油效率，選取的沖次為6。

3 結(jié)語

1) 建立了氣液分離裝置的數(shù)值模擬模型并進(jìn)行了模擬分析，得出了氣液分離裝置出口含液相率變化規(guī)律。

2) 模擬分析了氣液分離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響，結(jié)果表明：外管內(nèi)徑越大、中心管外徑越小、沖次越小氣液分離裝置的分離效率越好。分離室長(zhǎng)度和進(jìn)液孔直徑及個(gè)數(shù)對(duì)分離效率影響較復(fù)雜。

3) 對(duì)于高含氣抽油井來說，采用氣液分離器分氣是提高泵效的有效途徑之一。

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