游梁抽油機(jī)井井下油水分離器設(shè)計(jì)及仿真分析

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580； 2.中國(guó)石油大港油田 石油工程研究院，天津 300270)①

目前，我國(guó)大多數(shù)陸上油田已進(jìn)入開采的中后期，油井壓力降低，產(chǎn)量減少。隨著注水強(qiáng)驅(qū)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，油井含水量逐年上升，使得原油開采的成本提高[1]。產(chǎn)生的大量含油污水如果采出到地面，會(huì)帶來(lái)環(huán)保問(wèn)題，增加了地面處理設(shè)施的投資。井下油水分離同井采注技術(shù)是解決目前油井高含水問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)將油水分離器置于井筒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在井下完成油水分離及回注，減少了舉升至地面的水量，降低了開采能耗和地面水處理費(fèi)用[2]。

國(guó)內(nèi)在井下油水分離技術(shù)方面取得了豐富的研究成果，大多是針對(duì)離心泵[[3-5]或螺桿泵型[6-9]井下油水分離系統(tǒng)進(jìn)行研究，包括系統(tǒng)方案研究[10]、匹配計(jì)算和運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法研究[11]、井下水力旋流器優(yōu)化研究[12]和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[15]等；然而，針對(duì)游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)的井下油水分離技術(shù)還停留在方案設(shè)計(jì)階段。

由于游梁式抽油機(jī)是我國(guó)主力油田的常用開采設(shè)備，因此包括勝利油田、遼河油田在內(nèi)的部分油田，已經(jīng)開展過(guò)與游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)配套使用的井下油水分離裝置研究，但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案復(fù)雜，沒(méi)有形成有效的結(jié)構(gòu)方案。游梁式抽油機(jī)帶動(dòng)的井下泵屬于往復(fù)式泵，其流量是不連續(xù)的，現(xiàn)階段對(duì)不連續(xù)流下的旋流分離器的分離機(jī)理理解不深刻，沒(méi)有相關(guān)理論指導(dǎo)，使得井下旋流器的分離效率低，底流含油濃度過(guò)高(體積分?jǐn)?shù)高于500×10-6)，大量未被分離的原油回注到地層，對(duì)地層造成了堵塞等危害。

本文針對(duì)游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種井下油水分離裝置，并對(duì)井下水力旋流器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。考慮抽油機(jī)抽油泵的上、下沖程運(yùn)行特點(diǎn)，分析并推導(dǎo)井下水力旋流器的入口流量隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到了流速-時(shí)間關(guān)系曲線，對(duì)間歇進(jìn)液下的旋流器底流含油濃度波動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，從而得出了波動(dòng)進(jìn)液工況下的井下旋流器的分離性能。

1 系統(tǒng)組成及原理

本文設(shè)計(jì)的井下油水分離裝置是與游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)配套使用的，總體方案包括3部分，分別為地面部分、中間部分和井下部分。其中，中間部分主要為抽油桿。地面部分與常規(guī)游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)一致，包括游梁式抽油機(jī)、井口、電控系統(tǒng)等，通過(guò)抽油桿帶動(dòng)井下泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為抽汲原油提供動(dòng)力。

井下部分是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要由井下泵、井下水力旋流器、封隔器等組成。圖1是井下部分的總體設(shè)計(jì)方案，其中，為了實(shí)現(xiàn)井下油水分離工藝，本文對(duì)常規(guī)的抽油泵進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提出了一種井下雙液流泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。采用單封隔器封隔采出層和回注層；雙液流泵有2個(gè)泵腔，分別為采泵和注泵，在抽油桿的帶動(dòng)下，采泵和注泵同時(shí)動(dòng)作，帶動(dòng)采出層的油水混合液首先進(jìn)入旋流器進(jìn)行分離，分離后的濃縮油液(溢流液)進(jìn)入到采泵，底流的水進(jìn)入到注泵。

井下水力旋流器的功能是進(jìn)行油水分離，它是基于離心沉降原理，利用油和水之間的密度差，重質(zhì)相水在旋流場(chǎng)中離心力要大于輕質(zhì)相油，因此會(huì)逐漸向旋流器器壁運(yùn)移，而輕質(zhì)相油會(huì)向旋流場(chǎng)中心運(yùn)移；中心油液在底部壓力作用下，由溢流口流出，器壁處的水相則向下，經(jīng)過(guò)底流口排出，從而完成油水分離過(guò)程[13]。

圖1 游梁式抽油機(jī)井井下油水分離系統(tǒng)

2 系統(tǒng)工作過(guò)程

1) 上沖程。

井下雙液流泵的游動(dòng)閥關(guān)閉，雙液流泵中儲(chǔ)存的濃縮油排出到桿管空間內(nèi)，向地面運(yùn)移；同時(shí)，雙液流泵注泵和采泵的泵腔容積變大，壓力降低，固定閥打開，來(lái)自油層的油水混合液(未分離前)進(jìn)入到井下旋流器中進(jìn)行油水分離；分離出的濃縮油液經(jīng)過(guò)固定閥進(jìn)入到雙液流泵的采泵泵腔內(nèi)等待舉升；此時(shí)，注水閥處于關(guān)閉狀態(tài)，旋流器分離出的凈化水經(jīng)過(guò)另一出水閥進(jìn)入到注水通道，等待注入。

2) 下沖程。

抽油桿帶動(dòng)井下雙液流泵下行，雙液流泵兩泵的泵腔均減小，腔內(nèi)壓力增大，使得固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開，采泵泵腔內(nèi)的濃縮油經(jīng)過(guò)游動(dòng)閥進(jìn)入到采泵的上泵腔；同時(shí)，下行過(guò)程中注水通道的壓力增加，使得出水閥閉合，注水閥打開，凈化水通過(guò)注水通道進(jìn)入到的地層中，完成回注過(guò)程。

由分析可知，井下水力旋流器只在上沖程時(shí)工作，下沖程時(shí)水力旋流器是不進(jìn)液的。因此，井下水力旋流器呈間歇進(jìn)液工況。此外，在上沖程的進(jìn)液過(guò)程中，由于游梁式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行特點(diǎn)，井下雙液流泵的柱塞運(yùn)動(dòng)速度并非恒定，呈現(xiàn)近正弦規(guī)律，導(dǎo)致上沖程中井下旋流器的進(jìn)液也是波動(dòng)的。這也是游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)與螺桿泵和電潛泵采油不同之處。入口流量的變化會(huì)影響水力旋流器的流場(chǎng)穩(wěn)定，因此，有必要研究間歇進(jìn)液工況下水力旋流器的分離性能及流場(chǎng)特點(diǎn)。

3 井下油水分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下水力旋流器是井下部分的核心部件。如前所述，本文根據(jù)有桿泵管柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“抽吸型”進(jìn)液方案，即采出層油液首先經(jīng)由旋流器進(jìn)行分離，然后再進(jìn)入泵進(jìn)行增壓。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：套管直徑為139.7 mm(5英寸)以上；處理流量40～80 m3/d。

如圖2所示，整個(gè)模塊的主要部件包括旋流器主體、旋流器底流閥和回注閥。其中，旋流器主體是常用的雙錐段水力旋流器，旋流器為向上開口結(jié)構(gòu)，上部為旋流器內(nèi)插管，內(nèi)插管上部連接有溢流插管，溢流插管插入到雙液流泵的溢流通道接頭中，并通過(guò)O型密封圈密封。旋流器底流閥在抽油桿上行程時(shí)開啟(與雙液流泵中的固定閥啟/閉一致)，此時(shí)旋流器進(jìn)液?；刈㈤y在抽油桿下行程時(shí)開啟，此時(shí)為注水過(guò)程。

水力旋流器采用4段式的雙錐水力旋流器，該型水力旋流器具有明確的幾何構(gòu)型和較完善設(shè)計(jì)方法；采用比例縮放來(lái)滿足不同流量的要求，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求的流量范圍，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了名義直徑為14～20 mm的旋流器，其他大部分結(jié)構(gòu)參數(shù)按照比例關(guān)系生成，借助于數(shù)值優(yōu)化來(lái)確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1—旋流器上接頭；2—旋流器溢流插管；3—旋流器內(nèi)插管；4—節(jié)流油嘴；5—交叉流道體；6—旋流器主體；7—旋流器背帽；8—底座轉(zhuǎn)接頭；9—旋流器外管；10—扶正器；11—旋流器底流閥；12—外管轉(zhuǎn)接頭；13—回注閥；14—尾管。

4 分離器入口流量波動(dòng)規(guī)律研究

圖3給出了游梁式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)行示意圖，地面游梁的曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抽油桿做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽油桿帶動(dòng)井下泵的柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成泵的吸、排液過(guò)程。井下泵的入口與井下旋流器的出口相連，泵的吸排液規(guī)律與旋流器的進(jìn)液規(guī)律一致。本節(jié)對(duì)非穩(wěn)定流進(jìn)液規(guī)律進(jìn)行分析。由游梁式抽油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)可以得到懸點(diǎn)任意時(shí)刻的速度為：

(1)

式中：θ為曲柄轉(zhuǎn)角(θ=ωt)；ω為曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；t為時(shí)間；L2和L3分別為游梁的后臂長(zhǎng)度和前臂長(zhǎng)度，r為曲柄半徑。

由圖3的節(jié)點(diǎn)傳遞關(guān)系，推導(dǎo)得到水力旋流器入口瞬時(shí)速度函數(shù)vin和入口瞬時(shí)流量函數(shù)Qin表達(dá)式分別如下：

(2)

(3)

如圖4所示為間歇進(jìn)液規(guī)律下井下旋流器入口的流量隨時(shí)間的變化曲線。由圖4中可以看出旋流器的間歇進(jìn)液規(guī)律。

圖3 抽油機(jī)采油系統(tǒng)

圖4 入口流量的波動(dòng)

5 波動(dòng)流量下的數(shù)值模擬研究

本章將結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)分析軟件，對(duì)圖4中所示的間歇進(jìn)液規(guī)律下的井下旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析旋流器在間歇進(jìn)液規(guī)律下的流場(chǎng)規(guī)律。影響水力旋流器分離性能的因素有很多，主要包括物性參數(shù)和操作參數(shù)(入口流量和采注比)、抽油機(jī)沖次等。借助于數(shù)值模擬，研究這些因素對(duì)旋流器流場(chǎng)的影響規(guī)律，得到間歇進(jìn)液波動(dòng)工況下旋流器的底流含油濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

5.1 數(shù)值模擬模型

首先建立水力旋流器的網(wǎng)格計(jì)算模型，選用雙錐段水力旋流器，名義直徑為15 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)(例如圓柱段尺寸等)按照文獻(xiàn)[14]中的設(shè)計(jì)公式得到。

所建立的旋流器網(wǎng)格模型如圖5所示，為方便結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，首先對(duì)計(jì)算域進(jìn)行分塊，然后逐漸自上而下生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。運(yùn)用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行分析，湍流模型選用基于非定常分析的大渦模型(LES)，選用QUICK格式，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-6s，按照總時(shí)間96 s設(shè)置時(shí)間步數(shù)。將推導(dǎo)得到的入口速度公式(式2)通過(guò)用戶自定義函數(shù)(UDF)設(shè)置為入口邊界(速度入口)。

圖5 水力旋流器的網(wǎng)格模型

本仿真模擬采用Mixture法，即將油相視為分散相均勻的分散在水相中。主要考慮原油中含水率較高(高達(dá)95%，98%)，為簡(jiǎn)化分析，降低計(jì)算量，在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下，選用混合物模型mixture，水為主相，油為次相。在60℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的密度為983.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為4.66×10-4Pa·s；油的密度為866.7 kg/m3，動(dòng)力黏度為2.46×10-3Pa·s，油滴粒徑為30 μm。

本文的仿真為非定常計(jì)算，入口速度隨時(shí)間不斷波動(dòng)，在1個(gè)周期內(nèi)，旋流器內(nèi)油相的分布也是隨時(shí)間變化的，如圖6所示。

圖6 1/2沖次周期內(nèi)的旋流器油相濃度分布云圖

由圖6可以看出，在不同時(shí)刻，中心油核的長(zhǎng)度是變化的，展示了1個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)旋流器內(nèi)油水兩相濃度分布規(guī)律的波動(dòng)關(guān)系。為了更直觀地展示間歇進(jìn)液工況對(duì)分離性能的影響規(guī)律，檢測(cè)底流含油濃度的平均值隨時(shí)間的變化，并繪制成曲線，如圖7所示，可以看出，底流含油質(zhì)量濃度是隨著入口波動(dòng)而呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，而且波動(dòng)頻率與進(jìn)液流量的波動(dòng)頻率相一致。通過(guò)提取底流含油質(zhì)量濃度的截面平均值，可以得到在波峰時(shí)，質(zhì)量濃度最高時(shí)可以超過(guò)2 000 mg/L，在波谷質(zhì)量濃度最低時(shí)低于100 mg/L。

5.2 波動(dòng)工況下的流場(chǎng)分析

入口截面一定，當(dāng)給定入口速度的波動(dòng)特性后，入口質(zhì)量流量也相應(yīng)的呈周期性波動(dòng)。入口速度以

圖7 底流含油質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系

v=18+Asin(2πt/T)曲線周期性波動(dòng)，在保證入口流量是30 m3/d左右的工況下，分別改變波動(dòng)幅值A(chǔ)和波動(dòng)周期T，入口速度v幅值在10～26 m/s之間周期性波動(dòng)，周期在1/3～2 s之間變化，仿真分析旋流器內(nèi)流場(chǎng)的變化規(guī)律。

1) 切向速度。

旋流器內(nèi)是組合螺線渦和螺旋流組成的復(fù)合螺旋渦運(yùn)動(dòng)。其內(nèi)部螺旋渦流體質(zhì)點(diǎn)速度可分解為切向速度、軸向速度和徑向速度。切向速度是旋流產(chǎn)生離心力的前提，在油水兩相流場(chǎng)中，離心力能促使油滴向中心遷移，離心力的強(qiáng)弱與切向速度直接相關(guān)。如圖8a和8b分別是入口流量幅值波動(dòng)和周期變化下小錐段切向速度曲線，與流量恒定下切向速度曲線A=0、F=0所示比較分析。隨著入口流量波動(dòng)幅值逐漸變大，切向速度在壁面邊緣和內(nèi)旋流部分變化較小，而“緩變區(qū)”先是變化不明顯后逐漸變大，當(dāng)波動(dòng)超過(guò)一定值，切向速度反而變小。隨著入口流量波動(dòng)周期逐漸變大，切向速度在壁面邊緣和內(nèi)旋流部分變化較小，切向速度“緩變區(qū)”變化無(wú)規(guī)則，但與流量無(wú)波動(dòng)相比，切向速度變化較小或升高，當(dāng)波動(dòng)周期增大到一定值時(shí)，切向速度急劇降低。

2) 軸向速度。

圖9為入口流量幅值波動(dòng)和周期波動(dòng)下小錐段的軸向速度變化曲線。旋流器內(nèi)的軸向速度存在零軸向速度包絡(luò)面，在圖9中，速度正值是包絡(luò)面外的外旋流流體速度沿軸向向下，速度負(fù)值是包絡(luò)面內(nèi)的內(nèi)旋流流體速度沿軸向向上，即油相由此經(jīng)溢流口流出。從圖9中可以看出，入口流量幅值波動(dòng)對(duì)近壁面的軸向速度影響小；入口流量幅值波動(dòng)變化不大時(shí)近軸線處的內(nèi)旋流速度變化較小，幅值波動(dòng)超過(guò)一定值，則軸向速度迅速變小，即油相沿軸向向上的速度減小不利于油相從溢流口流出。入口流量周期由小逐漸變大，近壁面處軸向速度變化較小，近軸線處軸向速度稍有變大，當(dāng)周期變化增加到一定值，近軸線處軸向速度會(huì)有變小的趨勢(shì)，不利于油相的流出。

圖8 切向速度曲線

圖9 軸向速度曲線

3) 底流含油質(zhì)量濃度。

依據(jù)數(shù)值仿真的底流口的油相體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算底流口的含油質(zhì)量濃度，作為評(píng)價(jià)旋流器分離性能的指標(biāo)。對(duì)于用于井下的水力旋流器，最終注入底層的含油質(zhì)量濃度越少越好，同時(shí)底流含油質(zhì)量濃度越小，說(shuō)明旋流器的分離效果越好。改變?nèi)肟诹髁康牟▌?dòng)幅值和周期，分別進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制底流含油濃度變化曲線如圖10。由圖10a 可以看出：① 隨入口流量的周期性變化，底流含油質(zhì)量濃度也呈現(xiàn)波動(dòng)的周期性；②入口流量無(wú)波動(dòng)時(shí)，底流含油質(zhì)量濃度最小，說(shuō)明旋流器分離效果最好；③入口流量幅值波動(dòng)越大，底流含油質(zhì)量濃度波動(dòng)峰值越大，分離效果越不好。由圖10b可以看出：①入口流量無(wú)波動(dòng)時(shí)，底流含油質(zhì)量濃度最小，旋流器分離效果最好；②入口流量波動(dòng)周期越小，底流含油質(zhì)量濃度波動(dòng)峰值越小。

圖10 底流含油質(zhì)量濃度變化曲線

6 結(jié)論

1) 有桿往復(fù)式泵型井下油水分離裝置的結(jié)構(gòu)和工藝流程要比電動(dòng)潛油泵型井下油水分離系統(tǒng)更復(fù)雜。在本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案及工藝流程下，旋流器為間歇進(jìn)液工況，入口流量和速度隨時(shí)間的變化規(guī)律與泵柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律近似一致。

2) 入口流量波動(dòng)的實(shí)際工況復(fù)雜，初步簡(jiǎn)化為入口流量按正弦曲線形式波動(dòng)，利用UDF函數(shù)編程在Fluent中實(shí)現(xiàn)入口邊界條件設(shè)定。研究了入口流量的波動(dòng)周期和幅值對(duì)旋流器流場(chǎng)的影響規(guī)律，得到了間歇進(jìn)液工況下的底流含油質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

3) 在入口流量波動(dòng)條件下，研究旋流器的分離效果，主要是研究旋流器底流含油質(zhì)量濃度隨入口流量波動(dòng)的規(guī)律。底流含油質(zhì)量濃度是評(píng)價(jià)旋流器工作效果的重要指標(biāo)，為以后理論與實(shí)踐研究提供指導(dǎo)。

4) 根據(jù)地面抽油機(jī)懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)了井下柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后得到了旋流器的入口速度隨時(shí)間變化的曲線。建立了CFD計(jì)算模型，并通過(guò)UDF函數(shù)將入口速度曲線設(shè)置為旋流器的速度入口邊界條件，實(shí)現(xiàn)了間歇進(jìn)液工況下旋流器的數(shù)值模擬分析，得到了間歇進(jìn)液工況下旋流器的底流含油質(zhì)量濃度波動(dòng)情況。