新型氣-液-固三相分離器操作參數(shù)優(yōu)選

孫春龍 王羕 胡俊卿 邢黎 李驥楠 裴冠中 王鳳穎 宋陽

1大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院

2黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠

在我國(guó)各大油田逐漸步入開發(fā)中后期的情況下，采出液含砂、含氣已成為影響油田生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素[1-2]。采出液含砂過多將引起流體的摩擦阻力增加，導(dǎo)致抽油泵快速磨損、卡泵，管道爆裂，閥門失靈等后果，造成采油系統(tǒng)及地面集輸設(shè)備的損壞[3]。以勝利油田孤東油區(qū)為例，每萬立方米采出液含砂量為3～5 m3，粒徑在0.15～0.9 mm 的砂量占77.4%，粒徑在0.074～0.15 mm 的砂量占22.6%，極大地影響了原油生產(chǎn)與集輸[4]。

石油伴生氣是重要的清潔型資源，既是能源物質(zhì)也是化工原材料，地位顯著[5]。以延長(zhǎng)油田、長(zhǎng)慶油田為例，2005 年延長(zhǎng)油田原油產(chǎn)量838.24×104t，初步估算油田伴生氣產(chǎn)量約為10 000×104m3以上[6-8]；長(zhǎng)慶油田2006 年原油產(chǎn)量514×104t，初步估算伴生氣產(chǎn)量約為8 386×104m3。而每年全球因地形及生產(chǎn)條件限制燃燒的石油伴生氣高達(dá)10×108m3，相當(dāng)于10×106t 石油[9-10]，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，石油伴生氣的回收再利用對(duì)全球應(yīng)對(duì)能源危機(jī)具有重大的戰(zhàn)略意義，實(shí)現(xiàn)油田高效脫氣除砂成為迫在眉睫的技術(shù)問題。

目前油田上應(yīng)用的除砂方法主要有重力沉降、過濾除砂、離心除砂以及旋流器除砂等幾種形式[11]，伴生氣的分離則主要有重力分離、離心分離、碰撞聚結(jié)分離等幾種方法[12-13]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于脫氣、除砂均使用單獨(dú)的處理設(shè)備，使設(shè)備投入、系統(tǒng)能耗同步增加[14]。本文提出一種新型的高效旋流氣-液-固三相分離器，集脫氣、除砂功能一體化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、占地面積少，便于安裝操作，可根據(jù)采出液量單獨(dú)使用或集成橇裝。該分離器在提升脫氣除砂效率的同時(shí)，能夠降低系統(tǒng)壓力損失，減少設(shè)備能耗。

1 工作原理

圖1 為氣-液-固三相分離器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該三相分離器以柱狀氣液分離器為基礎(chǔ)，在底部首次增加具有切向排液口的內(nèi)部倒錐結(jié)構(gòu)，加快分離器中心位置氣核的形成、排出，并通過空間的減少來提高旋流器底部的旋流作用，利于底流口的攜砂排液，實(shí)現(xiàn)氣-液-固三相介質(zhì)的高效分離。當(dāng)采出液從切向入口進(jìn)入旋流腔時(shí)，流體將由單一的切向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使流體內(nèi)部的各個(gè)顆粒均具備切向、軸向、徑向三個(gè)方向的速度分量，為離心分離不同密度的介質(zhì)顆粒創(chuàng)造條件。流體在分離器內(nèi)部進(jìn)行離心分離時(shí)，氣相（原油伴生氣）因密度最小，在分離器的軸心處形成氣核從溢流口排出；固相（砂等細(xì)小顆粒）因密度最大，在離心力的作用下被甩至流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最外層且靠近分離器內(nèi)壁，同時(shí)沿分離器內(nèi)壁做向下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從側(cè)向出口排出；液相（大部分的含油液體）密度處于氣相與固相顆粒之間，在運(yùn)動(dòng)時(shí)沿內(nèi)錐外壁從排液孔進(jìn)入底流管排出，最終完成采出液中三相介質(zhì)的高效分離。內(nèi)錐的存在有利于分離器軸心處氣核的形成及向溢流口方向運(yùn)移，內(nèi)錐上的切向排液孔與采出液在分離器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相同，有助于液相進(jìn)入底流管內(nèi)部，且內(nèi)錐由頂端至末端直徑逐漸變大，利于液體在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中吸附于內(nèi)錐外壁從而進(jìn)入排液孔。

圖1 氣-液-固三相分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of gas-liquid-solid three-phase separator

2 模擬分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)所提供的相關(guān)資料，明確油井采出液中的氣-液-固三相介質(zhì)及其物性參數(shù)。氣相以甲烷氣體為主，密度0.623 9 kg/m3，黏度1.789 4×10-5Pa·s，體積分?jǐn)?shù)58.61%；井下細(xì)小沙粒為固相的主要成分，密度2 330 kg/m3，黏度1.72×10-2mPa·s，體積分?jǐn)?shù)58.61%；液相是油、水混合介質(zhì)，水油比為24.641，液相密度999.85 kg/m3，黏度3.42 mPa·s。

采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，最終確定的網(wǎng)格數(shù)量為80 000 個(gè)。入口邊界條件為速度入口inlet，溢流、底流、排液口的邊界條件為完全出流outflow。選用非耦合定常態(tài)隱式的3D 模型、RSM 湍流方程、Mixture 模型對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行聯(lián)合求解，收斂精度為10-5。

該新型氣-固-液三相分離器有溢流、底流和側(cè)向三個(gè)出口和雙切向入口，流量分別是溢流出口流量Qo、底流出口流量Qu、側(cè)向出口流量Qc、雙切向入口流量Qi（初始處理量4.6 m3/h）。其溢流分流比Fo和底流分流比Fu分別定義為

2.1 溢流分流比

圖2 為不同溢流分流比時(shí)側(cè)向出口固相體積分?jǐn)?shù)曲線圖。在溢流分流比增加的過程中，側(cè)向出口的固相體積分?jǐn)?shù)有明顯增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵诘琢鞣至鞅炔蛔兊那疤嵯拢黾右缌鞣至鞅葧r(shí)，流體從側(cè)向出口流出體積有所減小，且流出的流體體積減少幅度小于固相質(zhì)量的降低幅度，故造成固相體積分?jǐn)?shù)有所增加。

圖2 不同溢流分流比時(shí)側(cè)向出口固相體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.2 Curve of solid volume fraction at lateral outlet under different overflow diversion ratio

圖3 為不同溢流分流比時(shí)溢流壓力降對(duì)比曲線，溢流壓力降隨溢流分流比的增加而升高，在軸心處達(dá)到各溢流分流比下壓力降的最大值。底流壓力降在數(shù)值分析過程中其變化趨勢(shì)同溢流壓力降相同。通過質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溢流分流比為0.6 時(shí)，分離器具有較好的分離效率，且溢流壓力降、底流壓力降皆處于較低的水平，故確定分離器的最佳溢流分流比為0.6。

圖3 不同溢流分流比時(shí)溢流壓力降對(duì)比曲線Fig.3 Contrast curve of over flow pressure drop under different overflow diversion ratio

2.2 底流分流比

當(dāng)分離器溢流分流比固定為0.6 時(shí)，改變底流分流比，發(fā)現(xiàn)分離器的溢流壓力降、底流壓力降均隨底流分流比的增大而增大，說明隨底流分流比的增加，分離器的能耗逐漸增多。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)琢鞣至鞅仍黾訒r(shí)，底流管排出的液體數(shù)量隨之增加，排液孔瞬時(shí)流入的液體量快速上升，而排液孔的口徑不變，造成流體的流動(dòng)阻力增加，能耗上升。通過數(shù)值分析，當(dāng)?shù)琢鞣至鞅葹?.35 時(shí)，分離器達(dá)到此結(jié)構(gòu)參數(shù)下的最佳固相分離效率（91%）。

2.3 處理量

圖4 為不同處理量時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖。在處理量由1.5 m3/h 增加至4.83 m3/h 的過程中，氣相在溢流口附近的顏色越來越深，隨著處理量的增加溢流口附近的氣體逐漸增多并被排出分離器，此時(shí)處理量的增加有助于氣體氣核的形成和排出。但當(dāng)處理量由4.83 m3/h 增大至5.35 m3/h 的過程中，溢流口附近的氣相體積分?jǐn)?shù)增加微弱，且當(dāng)處理量上升時(shí)，底流管排出的氣體體積亦緩慢增加，說明當(dāng)處理量增加至一定值后，氣體的排出能力將不再隨處理量的增加而上升。

圖4 不同處理量時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.4 Cloud diagram of gas phase volume fraction under different treatment capacity

當(dāng)處理量為4.83 m3/h 左右時(shí)，分離器具有較好的分離性能，此時(shí)的固相分離效率達(dá)到94.11%，為排除模擬數(shù)據(jù)的偶然性，細(xì)化4.83 m3/h 的處理量區(qū)間，對(duì)此數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。圖5 為最佳處理量附近固相分離效率曲線圖。在處理量為4.83 m3/h 左右時(shí)，固相分離效率雖有所變化，但處理量為4.6 m3/h 至5.35 m3/h 時(shí)，分離效率仍保持較高水平，平均分離效率超過90%以上。

圖5 最佳處理量附近固相分離效率曲線Fig.5 Curve of solid phase separation efficiency under optimal treatment capacity

2.4 采出液黏度

液體的黏度是影響分離效率的重要因素，在氣-液-固三相分離器的設(shè)計(jì)中必須對(duì)其進(jìn)行專項(xiàng)論證，以實(shí)現(xiàn)分離器的高效分離[15]。圖6 為低采出液黏度下氣相體積分?jǐn)?shù)云圖。在采出液黏度不斷增加的過程中，分離器氣相的分離效率逐漸降低，溢流口處氣相濃度隨黏度的增加而減少，且分離器側(cè)向出口的固相體積分?jǐn)?shù)亦隨采出液黏度的增加而減小。由此可知，分離器的工作性能隨采出液黏度的升高而降低。

圖6 低黏度采出液下氣相體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.6 Cloud diagram of gas phase volume fraction under low produced liquid viscosity

為滿足現(xiàn)場(chǎng)采出液黏度變化較大的實(shí)際情況，在低黏度基礎(chǔ)上模擬采出液高黏度時(shí)的分離性能。圖7 為黏度分別為15、20、30、40、50 mPa·s 時(shí)分離器的氣相分離性能。當(dāng)黏度從15 mPa·s 增加至50 mPa·s 的過程中，溢流口附近的氣相濃度降低明顯，說明氣相的分離性能隨黏度的升高而快速降低，表現(xiàn)為高黏度云圖中的氣相體積分?jǐn)?shù)顏色明顯淺于低黏度采出液。

圖7 高黏度采出液下氣相體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.7 Cloud diagram of gas phase volume fraction under high produced liquid viscosity

圖8 為高黏度采出液下固相分離性能曲線。隨黏度的增加，固相的分離效率呈直線降低，且下降速度明顯高于采出液黏度在較低時(shí)的狀態(tài)。黏度越高對(duì)分離器工作性能的影響越大，分離效率隨黏度的上升呈現(xiàn)出指數(shù)降低的趨勢(shì)。采出液黏度的升高將導(dǎo)致固-液兩相顆粒連接親密性隨之上升，而離心力在處理量為定值時(shí)將保持不變，這將導(dǎo)致固-液兩相顆粒間分離難度增加，分離器工作性能下降。

圖8 高黏度采出液下固相分離效率曲線Fig.8 Curve of solid phase separation efficiency under high produced liquid viscosity

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

理論模擬與實(shí)際情況往往并不完全一致，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果，故需要用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性和可行性。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，可真實(shí)反映出操作參數(shù)（如處理量、溢流分流比）等對(duì)分離效率的影響，進(jìn)而完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并確定分離器的最佳工作區(qū)間，為后續(xù)氣-液-固三相分離器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用起指導(dǎo)作用。

3.1 處理量

圖9 為溢流、底流、側(cè)向壓力降隨處理量變化曲線。隨著處理量的增加，溢流壓力降和底流壓力降均呈增大趨勢(shì)，且底流壓力降上升趨勢(shì)和增加數(shù)值明顯高于溢流壓力降，這是因?yàn)殡S處理量的增加，分離器內(nèi)部流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度快速上升，流體通過排液孔進(jìn)入底流管時(shí)將受到更多的阻力，增加流體的能量損失；且流速過快時(shí)將在排液孔表面產(chǎn)生液體薄膜現(xiàn)象，堵塞部分排液孔，使流體從排液孔進(jìn)入底流管的過程中流動(dòng)空間變小，順勢(shì)流動(dòng)速度變快，造成更多的壓力損失，即壓力降快速上升。側(cè)向壓力降雖有波動(dòng)，但整體保持相對(duì)平穩(wěn)，并未隨處理量的增加產(chǎn)生過大的波動(dòng)幅度。

圖9 壓力降隨處理量變化曲線Fig.9 Curve of pressure drop varies with treatment capacity

圖10 為分離器脫氣、除砂效率隨處理量變化曲線。脫氣效率隨處理量的增加而逐漸增加，但除砂效率隨處理量的增加而呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)（該現(xiàn)象同前文分析相符合）。這是因?yàn)樘幚砹康脑黾佑兄诜蛛x器軸心處氣核的形成，提升氣核向溢流口方向的移動(dòng)速度，利于氣體從分離器內(nèi)部的排出；分離器內(nèi)部的離心力隨處理量的增加而呈現(xiàn)出快速上升的趨勢(shì)，雖然離心力有助于分離器內(nèi)部的旋流分離，提升不同密度顆粒的分離概率，但處理量過大將破壞分離器內(nèi)部的流場(chǎng)穩(wěn)定性，使固相顆粒被離心力壓迫至分離器內(nèi)壁無法進(jìn)行離心分離，而隨流體進(jìn)入底流管排出分離器。

圖10 分離效率隨處理量變化曲線Fig.10 Curve of separation efficiency varies with treatment capacity

3.2 溢流分流比

圖11 為壓力降隨溢流分流比變化曲線（底流分流比固定在0.35）。隨溢流分流比（0.54～0.60）逐漸增大，分離器的溢流壓力降、底流壓力降、側(cè)向壓力降均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，各壓力降的數(shù)值在降低至一定值后將保持相對(duì)平穩(wěn)，不再隨溢流分流比的增加而發(fā)生變化。此趨勢(shì)與數(shù)值模擬過程（前文）中溢流、底流壓力降隨溢流分流比的增加而上升的趨勢(shì)相反。這是因?yàn)閿?shù)值模擬中溢流、底流處為完全出流無背壓，而實(shí)驗(yàn)時(shí)流體從溢流口、底流管處流出分離器的過程中始終存在背壓。實(shí)驗(yàn)中各壓力降下降的具體原因?yàn)椋禾幚砹坎蛔儠r(shí)增加溢流分流比，則溢流口排出的流體體積將增加，并以氣體成分居多，溢流口內(nèi)徑保持不變，氣體體積則被進(jìn)一步壓縮，排出時(shí)能量消耗降低，壓力降減少；底流口、側(cè)向出口內(nèi)的流體體積隨溢流分流比的增加而減少，能量損失隨流體體積的減少而降低，故壓力降有所下降。

圖11 壓力降隨溢流分流比變化曲線Fig.11 Curve of pressure drop varies with overflow diversion ratio

圖12 為分離效率隨溢流分流比變化曲線。分離器的脫氣分離效率隨溢流分流比的升高呈上升趨勢(shì)，除砂效率則呈現(xiàn)出隨溢流分流比的增加先上升后下降的變化趨勢(shì)（與前文結(jié)論相符合）。溢流分流比的增加將造成從溢流口所流出的流體體積增加，有助于氣體從溢流口排出，溢流分流比越大，溢流口流出的流體體積越多，氣體越容易從溢流口排出分流器；而除砂效率保持較高值則需分離器處于最佳工作區(qū)間，隨溢流分流比的不斷增加，使分離器的工作性能在進(jìn)入最佳工作區(qū)間后，快速脫離最佳工作區(qū)間，分離效率表現(xiàn)為先增高后降低。

圖12 分離效率隨溢流分流比變化曲線Fig.12 Curve of separation efficiency varies with overflow diversion ratio

4 結(jié)論

針對(duì)油田現(xiàn)有脫氣除砂工藝的不足，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的氣-液-固三相分離器，探討了其操作參數(shù)對(duì)工作性能的影響，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。

在流場(chǎng)分析中，最高分離效率出現(xiàn)在溢流分流比0.6、底流分流比0.35 時(shí)，此時(shí)分離器的固相分離效率為91.68%，最佳處理量為4.83 m3/h，最佳工作區(qū)間為4.6 m3/h～5.35 m3/h，適應(yīng)于低黏度采出液的處理。

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，確定最佳操作參數(shù)為溢流分流0.6，底流分流比0.35，處理量1.1 m3/h，在此操作參數(shù)下，除砂效率達(dá)到最高點(diǎn)，脫氣效率亦處于較高水平。

此新型氣-液-固三相分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其最佳工作區(qū)間還應(yīng)進(jìn)一步拓展，使其適應(yīng)采出液量波動(dòng)較大、黏度較大的工作環(huán)境。