特高含水下雙錐型旋流分離器內(nèi)油水兩相流流動(dòng)特性研究*

韓連福,唐艷敏 ,田 迪 ,付長鳳 ,劉興斌，

(1.東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163318；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 301500)

0 引 言

旋流分離器是同井注采過程中具有重要作用的生產(chǎn)工具[1]，具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、使用壽命長等特點(diǎn)[2]。自Martin Thew等人研制出第一臺(tái)靜態(tài)水力旋流器并應(yīng)用于油水分離以來，旋流分離器結(jié)構(gòu)形式及流動(dòng)特性的研究不斷優(yōu)化和發(fā)展，分離性能大幅度提升[3-5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可采用Fluent軟件對水力旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了旋流器內(nèi)的速度場、壓力場分布等信息，可以更好地揭示旋流分離器內(nèi)部油水產(chǎn)出液的運(yùn)動(dòng)情況與分離規(guī)律[6]。

隨著油田開發(fā)時(shí)間的增長，油井含水率呈逐年上升的趨勢。我國陸上油田多已進(jìn)入高含水、低產(chǎn)液開發(fā)階段，部分老油田的含水率甚至已經(jīng)高達(dá)95%以上[7]。面對老油田儲(chǔ)采失衡、穩(wěn)產(chǎn)困難及經(jīng)濟(jì)效益差等問題，如何在特高含水工況下，控制無效產(chǎn)液，減少油井出水量，提高出油率，成為老油田改革中的重點(diǎn)問題[8]。當(dāng)前旋流分離器相關(guān)研究主要聚焦于中高含水階段，而含水率高達(dá)95%以上的特高含水階段，關(guān)于旋流分離器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及分離效率研究還相對較少[9]。

為進(jìn)一步分析特高含水情況下油水分離的變化規(guī)律，提高特高含水工況下旋流分離器的分離效率，從流體力學(xué)的角度出發(fā)，在油水旋流分離器研究成果的基礎(chǔ)上，通過改變旋流器溢流口直徑大小，對雙錐型旋流分離器進(jìn)行多相流仿真建模，得到油水兩相流在分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度場、各相體積分?jǐn)?shù)分布情況以及最優(yōu)溢流口參數(shù)，為特高含水老油田同井注采井旋流分離器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 雙錐型旋流分離器內(nèi)流體控制數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行流體仿真之前，應(yīng)該先建立數(shù)學(xué)控制方程[10]。針對油水兩相流的流場變化規(guī)律,在模型設(shè)置時(shí)選擇多相流模型中的Mixture模型和雷諾應(yīng)力模型(RSM)湍流模型。首先，設(shè)油水為不可壓縮的連續(xù)流體，其密度和黏度為定值，流體的流動(dòng)形式視為定常流動(dòng)[11]；然后，建立旋流分離器內(nèi)流體的動(dòng)力學(xué)控制方程，其中，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和雷諾應(yīng)力方程。不可壓縮流體的連續(xù)性方程為：

(1)

式中:vx、vy、vz分別表示速度在x、y、z3個(gè)方向上的分量,m/s。不可壓縮流體主要受到壓力、黏性力與單位質(zhì)量力的作用，其動(dòng)量方程為：

(2)

式中：ρ表示密度，kg/m3；t表示時(shí)間，s；p表示流體壓強(qiáng)，Pa；μ表示動(dòng)力黏度，N·s/m2；fx、fy、fz分別表示x、y、z3個(gè)方向上的單位質(zhì)量力，m/s2[12-13]。

雷諾應(yīng)力模型充分考慮了由于流體旋轉(zhuǎn)或流線彎曲所帶來的應(yīng)力張量的急劇變化[14]，所以本文選擇RSM模型對高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的復(fù)雜流場進(jìn)行仿真。雷諾應(yīng)力方程為：

(3)

式中：ui為時(shí)均速度，m/s；Cij為對流項(xiàng)；DT,ij為湍動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)；DL,ij為分子粘性擴(kuò)散項(xiàng)；Pij為剪應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；Gij為浮力產(chǎn)生項(xiàng)；Φij為壓力應(yīng)變項(xiàng)；εij為粘性耗散項(xiàng)；Fij為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項(xiàng)[15]。

2 雙錐型旋流分離器物理模型及數(shù)值仿真

2.1 雙錐型旋流分離器幾何參數(shù)

雙錐型旋流分離器模型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中溢流口為旋流器上端，底流口為旋流器下端。參考現(xiàn)有雙錐型旋流分離器模型設(shè)計(jì)參數(shù)比例D/Dc=2,d0/Dc=0.35,du/Dc=0.5,Lu/Dc=16，并結(jié)合特高含水階段老油田的生產(chǎn)特點(diǎn)，得到了本文模型的結(jié)構(gòu)初始尺寸見表1。

圖1 雙錐型旋流分離器基本結(jié)構(gòu)圖

表1 雙錐型旋流分離器結(jié)構(gòu)尺寸表

2.2 雙錐型旋流分離器網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格設(shè)置時(shí)，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格法。這里主要選擇六面體和楔形體進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 最終確定網(wǎng)格數(shù)為793 890個(gè)。為便于分析，建模時(shí)以Z軸為旋流器的中心軸線，X-Y平面為入口所在面。網(wǎng)格設(shè)置結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙錐型旋流分離器網(wǎng)格劃分

2.3 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)計(jì)

對雙錐型旋流分離器進(jìn)行仿真時(shí)，邊界條件的設(shè)置對模型的收斂情況有很大影響，為分析溢流口直徑變化對分離效率的影響，仿真時(shí)除溢流口直徑大小改變，其余邊界條件及各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置如下。

1)入口邊界條件：選擇速度入口，處理量為Q=4 m3/h，入口速度為4.63 m/s，設(shè)置水為初始相(水的密度為ρ=998.2 kg/m3，黏度為μ=1.003×10-3Pa·s)，油為第二相(水的密度為ρ=889 kg/m3，黏度為μ=1.06 Pa·s)，因?yàn)楸疚难芯康氖翘馗吆闆r下油水分離效果，所以在設(shè)置入口條件時(shí)要注意設(shè)置水相體積分?jǐn)?shù)為96%，油相的體積分?jǐn)?shù)為4%；

2)出口邊界條件：溢流口和底流口設(shè)置選擇充分流動(dòng)出口，溢流口設(shè)置為5%，底流口設(shè)置為95%；

3)壁面條件：設(shè)置為無穿透無滑移邊界處理，默認(rèn)各變量在壁面處的取值為0，壁面粗糙度默認(rèn)為0.5；

4)其他相關(guān)設(shè)置：選擇壓力求解器，采用瞬態(tài)計(jì)算，壓力速度耦合選擇SMPLEC算法，殘差設(shè)置為10-6等。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 流體軌跡分布

圖3為油-水運(yùn)動(dòng)軌跡圖，在特高含水情況下，旋流器內(nèi)部流場仍呈現(xiàn)出內(nèi)旋流與外旋流相結(jié)合的組合渦運(yùn)動(dòng)。其中，內(nèi)旋流區(qū)域主要在中心附近，流體速度相對較小并向上運(yùn)動(dòng),從溢流口排出；外旋流區(qū)域的流體相對較大并向下運(yùn)動(dòng),從底流口排出，這符合旋流分離器的基本分離原理。

圖3 油-水運(yùn)動(dòng)軌跡圖

3.2 切向速度分布

圖4為溢流口直徑為d0=4 mm時(shí)的切向速度分布圖。如圖4(a)和圖4(b)所示，在特高含水情況下，切向速度整體呈準(zhǔn)自由渦流運(yùn)動(dòng)，并從分離器壁到中心不斷增大。如圖4(c)所示，切向速度從分離器壁身到中心不斷增大，當(dāng)增大到11.8 m/s左右，切向速度開始迅速衰減，當(dāng)回轉(zhuǎn)半徑為0時(shí)，切向速度接近于0 m/s；；從不同位置截面的曲線圖對比可以看出，切向速度整體隨著z值的增大而減小。

圖4 切向速度分布圖

3.3 溢流口直徑與切向速度的關(guān)系

圖5為溢流口直徑分別為d0=4 mm、d0=6 mm、d0=8 mm和d0=10 mm時(shí)切向速度圖，其中，圖5(a)為z=70 mm時(shí)不同溢流口分離器的切向速度對比圖，圖5(b)為z=600 mm時(shí)不同溢流口分離器的切向速度對比圖。

圖5 不同d0大小分離器切向速度對比圖

由圖5可知，在特高含水工況下，切向速度整體隨著z值的增大而減小，這符合切向速度在旋流分離器中的基本規(guī)律；溢流口直徑的大小對切向速度的大小有明顯影響，當(dāng)d0<6 mm時(shí)，切向速度隨著d0的增大而增大，當(dāng)d0≥6 mm時(shí),切向速度大小基本相近。

3.4 水油兩相體積分布

3.4.1 水相體積分布

圖6為水相體積分?jǐn)?shù)分布圖。如圖6(a)所示，特高含水情況下，水相占相當(dāng)大的部分，并關(guān)于油柱呈對稱分布；由于水的密度更大，水相體積分?jǐn)?shù)越靠近器壁處較大。如圖6(b)所示，越往下水相體積分?jǐn)?shù)越大，表明水相在外旋流的作用下往下運(yùn)動(dòng)，并從下方底流口流出。

圖6 水相分布情況

3.4.2 油相體積分布

圖7為油相分布情況圖。如圖7(a)所示，在特高含水工況下，含油率較低、油相密度較低，所以經(jīng)過旋流分離后，油相更易集中在旋流中心附近，能清楚看到有一個(gè)與溢流口直徑大小相當(dāng)?shù)挠椭鶑囊缌骺谝恢毖由斓降琢骺诟浇?。如圖7(b)所示，越靠近溢流口附近油相體積分?jǐn)?shù)越大，越靠近底流口附近油相體積分?jǐn)?shù)越小；表明油相在內(nèi)旋流的作用下往上運(yùn)動(dòng)，從上方的溢流口流出。

圖7 油相分布情況

3.5 溢流口直徑與分離效率的關(guān)系

圖8為溢流口直徑分別為d0=4 mm、d0=6 mm、d0=8 mm和d0=10 mm的分離效率比較圖。由圖8所示，在特高含水情況下，溢流口直徑大小對分離效率有重要影響。在其他參數(shù)不變的條件下，當(dāng)d0≤6 mm時(shí)，分離效率在95%左右，分離效率較好，當(dāng)d0>6 mm時(shí)，分離效率在93%左右，可知d0≤6 mm時(shí)分離效率相對更好。

圖8 分離效率比較圖

4 結(jié) 論

1)在特高含水工況下，溢流口直徑大小對旋流分離器切向速度有重要影響，當(dāng)d0<6 mm時(shí)，切向速度隨著d0的增大而增大，當(dāng)d0≥6 mm時(shí),切向速度大小基本相近。

2)在特高含水工況下，溢流口直徑大小對旋流分離器的分離效率有顯著影響，與其它相比,d0=6 mm時(shí)分離效率相對更好。