高速聚結(jié)型井下氣液分離器多參數(shù)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決天然氣井井下氣相夾液及超高氣液比氣液分離器分離效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適用于高氣液比井下的氣液分離裝置。通過(guò)數(shù)值模擬研究及正交試驗(yàn)法確定了分離器較優(yōu)結(jié)構(gòu)模型，并分析了不同進(jìn)口速度、氣液比以及分流比對(duì)其分離效率的影響。研究結(jié)果表明：影響分離器分離效率因素的主次程度依次為聚集擋板角度＞聚集擋板間距＞聚集擋板數(shù)，在27 m3/d的流量下，75.9 mm內(nèi)徑的井下氣液分離裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為聚集擋板數(shù)18個(gè)，聚集擋板間距40 mm，聚集擋板角度45°，且當(dāng)氣液比為7∶1、裝置進(jìn)口速度為15 m/s、分流比為7∶1時(shí)，分離效率達(dá)93.6％；將裝置第一級(jí)設(shè)置為聚結(jié)螺旋軸入式旋流分離可使氣液分離效率得以提升。所得結(jié)論可為天然氣井井下氣液分離器的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

天然氣井；氣液分離器；高速聚結(jié)；仿真分析；正交試驗(yàn)；操作參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE934

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.013

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目“同井注采井筒內(nèi)關(guān)鍵湍流場(chǎng)域離散相運(yùn)聚機(jī)理及運(yùn)移動(dòng)力學(xué)行為研究”（U21A20104）；863計(jì)劃項(xiàng)目“井下油水分離及同井注采技術(shù)與裝備”（2012AA061303）；臺(tái)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于兩相體積三維精準(zhǔn)重構(gòu)的氣液混合在線智能流量計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”（23gyb10）。

Multi-parameter Optimization for High-Speed Coalescing

Downhole Gas-Liquid Separator

Wang He1，2" Zhang Yong2，3" Zhang Xincheng4

（1.School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University；2.Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multi-phase Media Treatment and Pollution Prevention；3.Zhejiang Provincial Engineering Research Center of High-Performance Industrial Pump and Vacuum Equipment，Taizhou University;4.Daqing Oilfield Water and Environmental Protection Company）

Considering the low efficiency of downhole gas-liquid separator in gas wells with fluid in gas phase and ultrahigh gas-liquid ratio，a downhole gas-liquid separator suitable for wells with high gas-liquid ratio was designed.Then，the numerical simulation and orthogonal test were used to determine the optimal structural model of the separator，and analyze the influences of inlet speeds，gas-liquid ratios and diversion ratios on the separation efficiency.The results show that the factors are ranked as accumulation baffle angle gt; accumulation baffle spacing gt; accumulation baffle number in an order of impact on the separation efficiency.At a flow rate of 27 m3/d，the optimal structure of the 75.9 mm ID downhole gas-liquid separator is designed with： 18 accumulation baffles，40 mm accumulation baffle spacing，and 45° accumulation baffle angle.When the gas-liquid ratio is 7∶1，the inlet speed of the separator is 15 m/s，and the diversion ratio is 7∶1，the separation efficiency reaches 93.6%.When the first stage of the separator is set as a coalescing spiral axial cyclone separation，the gas-liquid separation efficiency is improved.The conclusions provide reference for the design of downhole gas-liquid separator in gas wells.

gas well;gas-liquid separator；high speed coalescence；simulation；orthogonal test；operating parameter

0" 引" 言

氣相夾液現(xiàn)象是天然氣井開(kāi)采所面臨的一個(gè)難題，若無(wú)法在井下通過(guò)排水采氣實(shí)現(xiàn)氣液有效分離，將會(huì)造成產(chǎn)量降低直至無(wú)法生產(chǎn)。常規(guī)氣液分離方法如重力分離、過(guò)分離、旋流分離和慣性分離［1］等受井下空間限制，無(wú)法在井下使用或達(dá)不到分離精度要求。

S.DAVIE等［2］經(jīng)過(guò)多年研究首次提出氣液旋流分離器的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)它在重力、成本、占用面積、分離效率等方面都要優(yōu)于傳統(tǒng)重力式分離器。WANG Y.A.等［3］和YUE T.等［4］研究了氣液圓柱型旋流器（GLCC）中氣液流動(dòng)中液膜的上旋液膜（USLF）特性，并在最小氣液界面應(yīng)力理論下建立了流型轉(zhuǎn)變的預(yù)判準(zhǔn)則，但對(duì)氣液分離沒(méi)有進(jìn)一步研究。O.E.OLALEYE等［5］提出了一種緊湊的立式氣液分離器的設(shè)計(jì)，研究了0.75 m/s進(jìn)口速度下進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)分離性能的影響，但其對(duì)多入口速度條件下性能沒(méi)有深層研究。 苗春雨等［6］以緊湊型氣液旋流分離器為研究對(duì)象，基于PB（Plackett-Burman）試驗(yàn)設(shè)計(jì)，開(kāi)展不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)緊湊型氣液旋流分離器分離性能影響的顯著性分析，但其并沒(méi)有對(duì)高氣液比進(jìn)行研究。YIN J.L.等［7］描述了一種形態(tài)自適應(yīng)多場(chǎng)雙流體模型，將其應(yīng)用于葉片式氣液分離器中，但對(duì)葉片式分離器內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)缺乏有力驗(yàn)證。王夢(mèng)陽(yáng)等［8］為提高井口天然氣回收系統(tǒng)中氣液分離器的分離性能，設(shè)計(jì)了一種適合橇裝的雙筒臥式氣液分離器，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)氣液分離器分離性能進(jìn)行研究，但對(duì)于高氣液比分離情況適用性不強(qiáng)。蔣明虎等［9］采用試驗(yàn)方法，對(duì)不同進(jìn)口條件下的管柱式氣液旋流分離器兩相分離特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但缺乏一定新理論技術(shù)。唐建信等［10］提出一種用于重力式氣液分離器的新型葉片式入口構(gòu)件結(jié)構(gòu)，雖能提高分離效率，但其在實(shí)際應(yīng)用中，消耗時(shí)間較長(zhǎng)。LI T.等［11］提出了一種用于天然氣脫水凈化的新型氣液旋流分離器，采用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)排氣管高度為140 mm、開(kāi)口高度為60 mm時(shí)，分離效率最佳，但其對(duì)于高氣液比氣液的分離適用性不強(qiáng)。王亞安等［12］進(jìn)行了管柱式氣液分離器上部筒體內(nèi)旋流液膜分布特征對(duì)分離性能影響的分析，證實(shí)了液膜逃逸是GLCC液相分離效率降低的直接原因，但對(duì)氣液分離后續(xù)研究缺乏有力證據(jù)。劉培坤等［13］以柱段直徑為50 mm的水力旋流器為研究對(duì)象，模擬了較大范圍氣液比（介于0%～50%）下水力旋流器的分離性能，總結(jié)了入口不同氣液比對(duì)水力旋流器分離性能的影響規(guī)律，但對(duì)其他操作參數(shù)研究較少。YANG L.L.等［14-15］通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)柱式旋流分離器的分離特性進(jìn)行了研究，基于液滴受力分析和旋流流體力學(xué)原理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了柱式分離器的分離性能，但對(duì)高氣液比的氣液分離研究較少。周云龍等［16］設(shè)計(jì)了一種多管束管柱式氣液旋流分離器，其根據(jù)流體力學(xué)方法，采用雷諾應(yīng)力輸運(yùn)模型（RSM））和大渦仿真相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)值仿真，得到不同進(jìn)口速度工況下分離效率的變化情況和湍流流動(dòng)情況，大大提高了分離器的分離效率，但對(duì)高氣液比情況使用性較差。

筆者以蘇里格氣田某X-1井為研究對(duì)象，提出一種高速聚結(jié)原理結(jié)合旋流分離技術(shù)的氣井井下超高氣液比氣液分離裝置，通過(guò)正交試驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)分離器結(jié)構(gòu)的多參數(shù)優(yōu)化，并針對(duì)目標(biāo)井的實(shí)際工況開(kāi)展了適用性研究。該井井口日產(chǎn)氣1.295×104 m3，日產(chǎn)水26.4 m3，井下氣液比在490∶1之內(nèi)。

1" 技術(shù)分析

1.1" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)天然氣井井下高氣液比工況，基于高速聚結(jié)原理完成了高速聚結(jié)型井下氣液分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。該裝置由兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成，第一級(jí)為高速聚結(jié)單元，第二級(jí)為螺旋軸入式旋流分離器。其中，第一級(jí)的高速聚結(jié)單元實(shí)現(xiàn)在氣體連續(xù)相條件高氣液比下霧化液滴的高速聚結(jié)，第二級(jí)的螺旋軸入式旋流分離器實(shí)現(xiàn)在液體連續(xù)相條件下的氣液旋流分離。由于螺旋軸入式旋流分離器的研究相對(duì)成熟，所以?xún)H對(duì)第一級(jí)高速聚結(jié)單元開(kāi)展多參數(shù)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，得到結(jié)構(gòu)最優(yōu)解后與第二級(jí)結(jié)合進(jìn)行效果驗(yàn)證。在高速聚結(jié)單元，聚集擋板采用正向和反向的設(shè)計(jì)，并開(kāi)有扇形小孔來(lái)保證氣液精細(xì)分離。

1.2" 工作原理

該井下氣液分離裝置在工作時(shí)，氣液混合物從中間切向入口進(jìn)入裝置第一級(jí)后沖擊固定管，在重力作用下做重力沉降運(yùn)動(dòng)。因聚集擋板的作用使得液滴得以聚集逐級(jí)向下沉降，氣體向上沿固定管排出。相鄰2個(gè)擋板安裝時(shí)，將小孔位置垂直安裝，以防止氣液混合物未經(jīng)聚集直接從小孔流出。聚集擋板距離邊壁留有空隙，在邊壁上聚集的流體可以沿其向下運(yùn)動(dòng)，最終在管的底部沉降聚集。聚集后的氣液混合物從一級(jí)底部出口進(jìn)入到下一級(jí)旋流分離器內(nèi)，受離心力的作用，氣液混合物在螺旋流道內(nèi)形成旋流，密度小的氣核由底錐托舉從固定管底部向上排出，分離后的液體從底部出口排出。

2" 仿真分析

2.1" 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

結(jié)合蘇里格氣田某X-1井的具體尺寸和氣液比開(kāi)展井下氣液分離裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，該井最大氣液比為490∶1。利用SolidWorks軟件建立分離器第一級(jí)部分的初始流體域模型并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖2所示。該模型主要由進(jìn)口、聚集擋板及出口組成，湍流計(jì)算模型采用雙方程k-ε模型［17］，其適應(yīng)性相比較其他模型適用性更強(qiáng)。為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，求解的離散格式采用二階迎風(fēng)格式。邊界條件為：入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，壁面選用2層全y+壁面處理。使用Starccm+軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的模型面網(wǎng)格數(shù)為480 536。檢驗(yàn)情況絕大多數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量分布在0.95以上，滿足仿真模擬計(jì)算的要求。

2.2" 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果，對(duì)網(wǎng)格數(shù)為30萬(wàn)～80萬(wàn)的范圍進(jìn)行仿真分析得出，液相出口質(zhì)量流量隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而降低，在480 536達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)在保證計(jì)算精度以及節(jié)約時(shí)間的情況下，選取網(wǎng)絡(luò)數(shù)量為480 536個(gè)進(jìn)行分離器的數(shù)值模擬。

2.3" 結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交優(yōu)化分析

2.3.1" 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

聚集擋板數(shù)、聚集擋板角度、聚集擋板間距是影響第一級(jí)裝置氣液分離的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，聚集擋板數(shù)為擋板數(shù)目，聚集擋板角度為聚集擋板相對(duì)于水平方向的張開(kāi)角度，聚集擋板間距為兩擋板之間的間距。由于需要選取水平的數(shù)值，采用正交試驗(yàn)方法對(duì)聚集擋板的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化篩選，尋求較優(yōu)組合解。根據(jù)井下工況的實(shí)際性、尺寸的局限性，為了得到更加充分的各參數(shù)數(shù)據(jù)并對(duì)其規(guī)律進(jìn)行揭示，選擇了4個(gè)水平來(lái)進(jìn)行優(yōu)化（見(jiàn)表1）。

根據(jù)參數(shù)的個(gè)數(shù)以及水平個(gè)數(shù)確定采用3因素4水平的正交表，為了確保各因素及各層面的一致分散及規(guī)整，各水平在表中各呈現(xiàn)4次，通過(guò)對(duì)每組數(shù)據(jù)的模型開(kāi)展試驗(yàn)得出試驗(yàn)結(jié)果。此外，分離效率可根據(jù)下式求得。

E=M1M2-M3M4M4M2×100%（1）

式中：E為質(zhì)量分離效率，%；

M1為氣相出口中氣體的含量，g；

M2為入口混合相中液體的含量，g;

M3為氣相出口中液體的含量，g;

M4為入口混合相中氣體的含量，g。

2.3.2" 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化分析結(jié)果如表2所示。表2中，Ki（i=1，2，3，4）表示該因素i水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)和，ki（i=1，2，3，4）表示該因素i水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)平均值，R表示ki最大值與最小值的差。從表2可知：K值越大，表明該水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響越大；R值越大，表明該參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。因此，聚集擋板角度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響最大。

2.3.3" 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。由表3可以得出，因素影響指標(biāo)的主次關(guān)系為：聚集擋板角度＞聚集擋板間距＞聚集擋板數(shù)；同時(shí)得出最優(yōu)參數(shù)搭配方案為聚集擋板數(shù)18、聚集擋板間距40 mm、聚集擋板角度45°，在其他條件設(shè)置相同的條件下，該搭配方案分離效率最高。此時(shí)分離的效率為93.3％。

3" 操作參數(shù)的適應(yīng)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證多參數(shù)組合優(yōu)化得到的高速聚結(jié)井下分離器高速聚結(jié)段的分離效果和在不同操作參數(shù)下的適用性，根據(jù)目標(biāo)井井下工況條件選取進(jìn)口速度、氣液比、分流比3類(lèi)參數(shù)分別進(jìn)行仿真分析。

3.1" 進(jìn)口速度對(duì)分離效率的適用性

3.1.1" 進(jìn)口速度對(duì)流場(chǎng)分布的影響

進(jìn)口速度作為主要影響處理量的參數(shù)決定了分離器內(nèi)的整體流場(chǎng)速度分布?；谡辉囼?yàn)法得出的較優(yōu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)口速度對(duì)分離效率影響的研究，選用5、10、15、20及25 m/s的進(jìn)口速度來(lái)進(jìn)行分析。高速聚結(jié)單元內(nèi)液體聚結(jié)的體積云圖如圖3所示。從圖3可知：進(jìn)口速度為5和10 m/s的情況下，高速聚結(jié)單元下端積液腔內(nèi)堆積液體，但液相出口的出液效果以及入口下端聚集擋板的液核堆集效果不明顯，表明在高速聚結(jié)單元底部存在氣相逃逸現(xiàn)象；速度為15 m/s的情況下，入口下端的聚集擋板下液體堆積現(xiàn)象顯著，且在積液腔內(nèi)，液體聚集效果好，并在下方出口處出液較為穩(wěn)定；速度為20和25 m/s的情況下，在入口下端的聚集擋板下液體堆積現(xiàn)象也較為顯著，但是積液腔內(nèi)液體變化紊亂，表明速度過(guò)大會(huì)引起流場(chǎng)紊亂進(jìn)而導(dǎo)致液相逃逸，分離效果不佳。

3.1.2" 進(jìn)口速度對(duì)液相上行距離的影響

進(jìn)口速度影響了液體在分離器內(nèi)上行的距離。圖4為高速聚結(jié)單元內(nèi)正向聚集擋板體積云圖。從圖4可以看出：速度為5、10及15 m/s時(shí)，液滴只能附著在下方第一層聚集擋板上；而速度為20及25 m/s時(shí)，液滴附著的位置上升了一個(gè)聚集擋板。表明了進(jìn)口處氣液混合物速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣體攜液上升距離的增大，導(dǎo)致分離效果下降。因此，速度為5、10及15 m/s時(shí)的分離效果要好于速度為20及25 m/s的分離效果。

3.1.3" 進(jìn)口速度對(duì)分離效率的影響

圖5為5組仿真的進(jìn)口速度與分離效率關(guān)系圖。從圖5可以看出：隨著進(jìn)口速度的增加，分離效率先增加后減??；進(jìn)口速度在15 m/s時(shí)高速聚結(jié)單元的分離效率最高，達(dá)到了95.3％；在5～25 m/s的范圍內(nèi)，高速聚結(jié)單元的分離效率都在90％以上，適用效果較好。

3.2" 氣液比對(duì)分離器分離效率的適用性

3.2.1" 氣液比對(duì)流場(chǎng)分布的影響

氣液比為進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)和液體體積分?jǐn)?shù)之比。所設(shè)計(jì)的氣液分離器針對(duì)的是超高氣液比（氣體為連續(xù)相）工況下的氣液分離。在保證其他條件不變的情況下，設(shè)置進(jìn)口速度為15 m/s，液滴粒徑為0.04 mm，氣液比分別為9、19、29、39及49 m3/m3來(lái)探究氣液比中液相在高速聚結(jié)單元內(nèi)的分布情況（數(shù)值模擬計(jì)算的氣液比與實(shí)際井下氣液比為1∶10的關(guān)系）。圖6為不同氣液比5 s內(nèi)的液相采樣體積云圖。從圖6可知：在氣液比為9 m3/m3時(shí)，積液效果較為明顯，且液相出口無(wú)氣體逃逸；隨著氣液比的增大，氣相含量逐漸增多，積液含量降低；氣液比在49 m3/m3時(shí)，由于氣相含量過(guò)大導(dǎo)致反向聚集擋板上最下面兩層聚集擋板上液體積液效果較差。因此，進(jìn)口的氣液比影響了液相的積液效果。同時(shí)可以看出，分離器對(duì)高氣液比的氣液分離具有顯著的效果。

3.2.2" 氣液比對(duì)分離效率的影響

液相出口的排液速率隨著氣液比的升高逐漸減小，液相出口排液質(zhì)量流量和進(jìn)口進(jìn)液質(zhì)量流量的差值隨著氣液比的升高也逐漸減小。當(dāng)氣液比為49 m3/m3時(shí)差值僅為10 g/s。5組仿真得到的分離器分離效率均在95％上下波動(dòng)。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)得出氣液比與分離效率的關(guān)系曲線，如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，對(duì)于氣液比9～49 m3/m3，分離器的分離效率都在90％以上，分離效果較好。

3.3" 分流比對(duì)分離器分離效率的適用性

分流比的定義為液相出口與氣相出口的比值。在超高氣液比分離工作中，分流比的正確設(shè)置是維持液相出口穩(wěn)定排液的重要參數(shù)之一。在保證其他邊界條件相同的條件下，對(duì)分離器的分流比進(jìn)行梯度分組設(shè)置，得出不同分流比對(duì)分離器流場(chǎng)的影響。數(shù)值模擬的基本邊界參數(shù)見(jiàn)表4。

3.3.1" 分流比對(duì)流場(chǎng)分布的影響

圖8為氣液分離器在不同分流比情況下的液相體積分布云圖。從圖8可知，5組數(shù)值模擬中，聚集擋板上的液相分布基本相同，且邊壁的液相沉積在5組仿真中均較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)液膜斷層的現(xiàn)象。從圖8中底端積液附近的截面液相出口放大圖上看出：分流比為1∶1、3∶1時(shí)，底端積液處形成了較大的液相真空區(qū)域，此時(shí)的排液不穩(wěn)定，氣相多以大氣泡的形式從截面出口脫離；當(dāng)分流比為5∶1時(shí)，底端積液雖仍有氣相逃逸現(xiàn)象，但相較于分流比3∶1情況下，氣相逃逸量明顯減少；分流比設(shè)置為7∶1時(shí)，底端截面液相出口的氣相逃逸量持續(xù)降低且排液處僅有一小部分氣相隨液相一同排出；當(dāng)分流比為9∶1時(shí)，底端積液穩(wěn)定，液相充盈在環(huán)形流道截面出口，排液過(guò)程中基本無(wú)氣相逃逸。

3.3.2" 分流比對(duì)分離效率的影響

為了進(jìn)一步探究高速聚結(jié)單元分流比對(duì)分離效率的影響，通過(guò)計(jì)算得出不同分流比與分離效率的關(guān)系圖，如圖9所示。從圖9可見(jiàn)：分流比為3∶1時(shí)，分離效率僅為58.6%；隨著氣液比繼續(xù)增加，分離效率也逐漸上升；分流比為7∶1時(shí)，分離效率為93.6%；分流比為9∶1時(shí)，排液的穩(wěn)定性達(dá)到了極佳的狀態(tài)，分離效率達(dá)到了95.3%；結(jié)合液相出口排液速率與分流比的關(guān)系可以看出，增大分流比雖然可以增強(qiáng)分離器的分離效率，但過(guò)大的分流比嚴(yán)重降低了液相出口的排液速率。

4" 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1" 試驗(yàn)工藝

為了驗(yàn)證高速聚結(jié)型井下氣液分離器的整體效果，通過(guò)3D打印加工了第一級(jí)高速聚結(jié)單元和第二級(jí)旋流分離單元并進(jìn)行了裝配，如圖10所示。在室內(nèi)完成了試驗(yàn)工藝的搭建，如圖11所示。通過(guò)選取合適的通管尺寸及控制進(jìn)口速度，實(shí)現(xiàn)氣液比范圍可變，通過(guò)采用不同尺寸的氣液混合噴嘴實(shí)現(xiàn)液滴粒徑變化。該工藝流程通過(guò)調(diào)節(jié)水泵和空氣壓縮機(jī)來(lái)配比不同的流量和氣液比組合。

4.2" 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)合理調(diào)節(jié)分流比，觀察分離過(guò)程發(fā)現(xiàn)，通過(guò)第一級(jí)高速聚結(jié)單元將小液滴實(shí)現(xiàn)高速聚結(jié)后，液滴沿固定管壁面向下流入第二級(jí)，在第二級(jí)旋流器實(shí)現(xiàn)了液體連續(xù)相分離狀態(tài)，第一級(jí)分離不完全的氣體經(jīng)旋流分離作用形成中心氣核，經(jīng)固定管底部向上排出。試驗(yàn)表明，分離器可以實(shí)現(xiàn)排水過(guò)程的連續(xù)性。

通過(guò)對(duì)裝置第一級(jí)以及整體進(jìn)口速度、氣液比、分流比進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了高速聚結(jié)型井下氣液分離器的整體分離效果，如圖12、圖13、圖14所示。通過(guò)圖12、圖13及圖14可以看出，在5、10、15、20及25 m/s這5組不同進(jìn)口速度情況下，在氣液比9∶1、19∶1、29∶1、39∶1、49∶1等5組不同氣液比條件下，及在5組不同分流比條件下，整體試驗(yàn)裝置的分離效率均高于第一級(jí)試驗(yàn)裝置。驗(yàn)證結(jié)果表明，將裝置第一級(jí)設(shè)置為聚結(jié)螺旋軸入式旋流分離可使氣液分離效率得以提升，且分離效果更好。

5" 結(jié)" 論

通過(guò)數(shù)值模擬研究以及正交試驗(yàn)法確定了分離器較優(yōu)結(jié)構(gòu)模型，分析了不同進(jìn)口速度、氣液比以及分流比對(duì)分流器分離效率的影響，得出結(jié)論如下。

（1）正交試驗(yàn)的結(jié)果表明了影響分離器分離效率因素的主次程度依次為：聚集擋板角度＞聚集擋板間距＞聚集擋板數(shù)。在27 m3/d的流量工況下，內(nèi)徑75.9 mm的井下氣液分離裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為：聚集擋板數(shù)為18個(gè)，聚集擋板間距為40 mm，聚集擋板角度為45°。

（2）用優(yōu)化后的模型裝置研究不同進(jìn)口速度對(duì)分離器分離效率的影響，在保證其他條件不變的情況下，進(jìn)口速度為15 m/s時(shí)，積液腔內(nèi)液體聚集效果最為明顯，且液相出口無(wú)氣體逃逸現(xiàn)象。分離器的分離效率可達(dá)95.3％，在5～20 m/s的范圍內(nèi)，分離器的分離效率都在90％以上，分離效果較好。

（3）對(duì)進(jìn)口氣液比進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，在保證其他條件不變的情況下，隨著氣液比的增大，液相出口的排液速率變小，所得到的氣液分離效率均在95％上下波動(dòng)。該裝置的氣液比按與實(shí)際井下氣液比的比值為1∶10設(shè)置。因此，根據(jù)氣田特點(diǎn)，該裝置適用于氣液比lt;490∶1工況。

（4）對(duì)出口分流比進(jìn)行仿真分析，在保證其他條件不變的情況下，隨分流比增加氣液分離效率升高，當(dāng)分流比為7∶1時(shí)，分離效率達(dá)到93.6％，液相出口排液速率較大。當(dāng)分流比為9∶1時(shí)，分離效率可以達(dá)到95.3％。實(shí)際應(yīng)用中，分流比的選擇應(yīng)根據(jù)進(jìn)口氣液比情況進(jìn)行設(shè)定，不應(yīng)大于進(jìn)口氣液比，否則液體難以沉降。

（5）對(duì)第一級(jí)裝置以及整體裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，將裝置第一級(jí)設(shè)置為聚結(jié)螺旋軸入式旋流分離可使氣液分離效率得以提升，且分離效果更好。

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第一王賀，生于1999年，現(xiàn)為在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及工程。地址：（163318）黑龍江省大慶市。email：wh19990301@126.com。

通信作者：張勇，副教授。email：yongdxx@botmail.com。

2024-03-07楊曉峰