海上井下軸入式旋流油水分離器入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用

郭沛文， 王瑤， 王勝， 張成福， 史仕熒， 史仕軍

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452；2. 中國科學院 力學研究所，北京100190;3.武漢世紀金輝農(nóng)業(yè)科技有限公司，武漢430000）

0 引言

井下油水分離是指對于開采中后期的油井，在井下對產(chǎn)出液進行分離，分出的水直接回注地層，剩余的富油相產(chǎn)出地面，這種措施會大大節(jié)省油田開采成本[1-2]。雖然井下油水分離具有很多優(yōu)點，但是井下也有諸多挑戰(zhàn)，如空間狹窄、井下無法手工操作等，這就要求分離器不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且性能穩(wěn)定高效[3]?；谛髟淼挠退鞣蛛x是一種高效的分離方法，具有廣泛的應用前景。但是應用于井下的油水旋流分離器還不成熟[4]。

對于油水旋流分離而言，入口結(jié)構(gòu)是其形成旋流場的關(guān)鍵，是旋流器分離性能高低的關(guān)鍵[5-6]。王軍[7]研究了單切向入口和雙切向入口對旋流流場的影響，得到切向雙入口更能提高油水分離效率的結(jié)論。馬藝[8]研究了兩種不同入口結(jié)構(gòu)即切向式入口和軸流式入口，發(fā)現(xiàn)軸入式入口結(jié)構(gòu)更有利于提高油水分離效率。趙立新[9]用數(shù)值計算的方法研究了軸入式入口的螺旋葉片圈數(shù)、角度等結(jié)構(gòu)對油水旋流分離效果的影響。從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，采用軸入式入口進行油水分離是油水旋流分離的發(fā)展方向[10]。故本文研究軸入式旋流油水分離器入口結(jié)構(gòu)對油水分離的影響，為其井下應用奠定基礎(chǔ)。

1 軸入式旋流器油水分離原理及設(shè)計

本文中設(shè)計的軸入式旋流油水分離器分離原理示意圖如圖1所示，其由中心帶有棒的流線型導流片起旋形成旋流場，在旋流場中，油水兩相因密度的差異，油相向管道中心運動，水相向管道壁面附近運動，然后分布在管道中心區(qū)的油核從出油口流出，分布在管道壁面附近水相從切向管的出水口流出，從而實現(xiàn)了油水兩相分離。這種分離器結(jié)構(gòu)緊湊，適合用于井下進行大產(chǎn)液量油水的分離。

圖1 軸入式旋流油水分離器結(jié)構(gòu)原理圖

基于上述原理所設(shè)計的油水旋流分離器，其入口結(jié)構(gòu)由纏繞在中心棒上的具有流線型形狀的葉片固定安裝在管道中，其中葉片的安裝角度α和中心棒出口的橢球體長細比b/a是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了研究其對油水分離性能的影響，在保持其余尺寸完全一致的前提下，加工了α為35°、60°兩種導流片，并加工了長細比b/a為2、4的兩種導流片。針對上述不同結(jié)構(gòu)的導流片對軸流式旋流油水分離器分離性能的影響，本文開展了室內(nèi)實物對比實驗。

2 實驗系統(tǒng)和測試方法

為了研究入口結(jié)構(gòu)對軸入式旋流油水分離器的分離性能的影響規(guī)律，在中國科學院力學研究所多相流實驗室內(nèi)搭建了實驗系統(tǒng)，實驗流程如圖2所示，油、水兩相經(jīng)計量后到達目標實驗工況混合進入流線型油水旋流分離器，分離后的富水相、富油相經(jīng)過計量后流回重力沉降分離罐。

圖2 實驗系統(tǒng)

表1 實驗介質(zhì)物性參數(shù)表

常 壓下、實驗溫度在20 ℃左右，此時，實驗介質(zhì)LP-14白油和水的物性參數(shù)如表1所示。

3 實驗結(jié)果

3.1 安裝角度影響

軸入式旋流油水分離器入口結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是導流片，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對于旋流油水分離效果具有重要的影響。其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括導流片的角度、導流片安裝的中心橢圓棒體直徑、中心棒末端橢球體的長細比等參數(shù)，如圖3所示。

圖3 （續(xù)）

本實驗在入口含油率為0.045、入口流速為1.00 m/s 時，對比了兩種導流片角度所對應的油水分離效果隨分流比（出水口流量/入口流量）變化所帶來分離性能變化?？梢钥闯?，在入口條件一致的前提下，導流片的角度越小，所形成的油核越細，即油滴凝聚成核的效果越好。因此在分出較多比例水的前提下，水中含油率也會越低。

3.2 變化的入口流速下安裝角度影響

上述規(guī)律是在入口流速一定的情況下得到安裝角度小有利于油水分離，本文還開展了當入口流速變化時葉片安裝角度的影響實驗。從圖4可以看出，當入口流速從0.56 m/s增大到2.04 m/s時，隨著入口流速增大，兩者的分離性能都有所提高。但是在所有的入口流速下，35°比60°形成的旋流場油水分離性能更優(yōu)，即水出口含油率更低。這主要是由于角度小，來流的管流直線運動更多地轉(zhuǎn)換成切向速度，而切向速度是形成旋流場的關(guān)鍵，切向速度大則離心加速度大，因此油水分離性能得到提高。

3.3 中心棒體末端橢球體長細比影響

當入口含油率為0.902，入口混合流速為1.00 m/s，變化中心棒末端的長細比從2增 到4，實驗對比結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯S著中心棒長細比的增大，所形成的油核更細，分出的水中含油率更低。這是由于中心棒末端長細比越長，中心區(qū)域的軸向速度越大，則有利于所形成的油核快速流出分離器，則油核越細，越有利于油滴向中心區(qū)域集中。故中心棒末端的長細比應大于2倍。

圖4 中心棒長細比變化對分離性能影響結(jié)果

圖4 （續(xù)）

4 現(xiàn)場工業(yè)應用

通過前期的研究，軸入流線型旋流油水分離器在中海油 LH11 -1 -D05P1井中實施了現(xiàn)場應用，圖5（a）為分離器下井前在平臺上安裝的圖片。通過井下取樣裝置取出分離后的水樣分析發(fā)現(xiàn)，分離器分出的水非常清澈，清華大學質(zhì)檢中心檢測發(fā)現(xiàn)，水中含油率低于0.01%。

圖5 軸入流線型旋流油水分離器現(xiàn)場中試

4 結(jié)論

1）本文提出的軸入流線型旋流油水分離器通過室內(nèi)實驗，研究證實了這種分離器能夠有效地進行油水分離。在此基礎(chǔ)上研究了入口結(jié)構(gòu)對其油水分離性能的影響，其中入口結(jié)構(gòu)主要研究了葉片安裝角度和安裝葉片中心棒末端長細比對油水分離性能的影響，并進行了對比分析。

2）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，35°比60°的葉片安裝角度更有利于油水分離，葉片角度小更有利于油滴向中心附近遷移運動。當入口流速增大時，葉片安裝角度的影響呈現(xiàn)相同的規(guī)律。

3）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，安裝葉片的中心棒體末端長細比對油水分離效果也是有影響的，隨著中心棒長細比的增大，所形成的油核更細，分出的水中含油率更低。通過實驗優(yōu)選出長細比應大于2。

4）通過現(xiàn)場中試實驗表明，優(yōu)化后的軸入式旋流油水分離器分離性能優(yōu)良，該研究為我國高含水油井的經(jīng)濟開采提供了一種新工藝。