海上油井用井下高处理流量旋流分离器的仿真分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 海上油井用井下高处理流量旋流分 离器的仿真分析 【摘 要】根据对海上油井用井 下高处理流量（500m3/d）旋流器进行 仿真分析，介绍了油水分离用旋流器的 CFD 数值模拟及结果分析方法。针对海 上油井高产液量的特点，从能耗和效率 两方面评价了高处理流量旋流器的分离 性能。利用仿真结果，分析旋流器流场 速度、压力、油滴切应力、湍动能等随 流量的变化规律，通过分析可知，当流 量增加时，切向速度及径向压力梯度增 大，在一定程度上使得分离效率增加； 涡流场中油滴时均切应力随流量变化较 小，但由湍流引起的瞬时切应力受流量 影响较大，这是加剧油滴破碎的主要原 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 因；流量相同时，多级小名义直径旋流 器并联的分离性能要优于单级旋流器， 但单级旋流器结构紧凑，便于布置流道， 更适合井下应用。 中国论文网 /8/view-12933411.htm 【关键词】海上油井；井下油水 分离器；高处理流量；旋流器切应力； 分离性能 中图分类号： TE952 文献标识 码： A 文章编号： 2095- 2457（2017）32-0094-003 【Abstract】The numerical simulation and analysis of hydrocyclone for high flow rate oil/water separation are conducted. The simulation results of the high flow rate （500m3/d） hydrocyclone are analyzed. The separation performance of the high flow rate cyclone was evaluated from the aspects of energy consumption and efficiency in view of the characteristics of high oil production in -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 offshore oil wells. The results show that the tangential velocity and the radial pressure gradient of the hydrocyclone increase with the increase of the flow rate， and the velocity and pressure of the hydrocyclone， the shear stress of the oil droplet and the turbulent kinetic energy vary with the flow rate. The shear stress of the oil droplet in the eddy current field is smaller than that of the flow， but the instantaneous shear stress caused by the turbulence is greatly affected by the flow rate， which is the main factor that aggravates the breakage of small oil droplet. The separation performance of the multi-stage small nominal diameter cyclone is better than that of the single- stage cyclone， but the single-stage cyclone is compact and easy to arrange the runner， which is more suitable for downhole application. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 【Key words】Offshore oil well； High flow rate； Hydrocyclone； Shear stress； Separation performance 0 引言 液-液水力旋流器基于离心分离 原理，可用于油水两相分x，是井下 油水分离技术的核心部件6。为适应海 上油井高产液量的特点，需要配置相应 的高处理流量井下旋流器，但是相关设 计理论并不完善，且缺乏经验模型，因 此本文使用 CFD 数值模拟方法进行研 究。近些年来，学者们利用计算机模拟 对油水分离旋流器进行研究，在内流场 机理以及分离性能预测方面取得了一些 成果，其仿真结果被证明具备一定的可 信度。 目前关于旋流式油水分离器的数 值仿真研究大多针对地面用的小流量油 水分离器，该类分离器的特点就是入口 流量相对较低（一般低于 200m3/d） ，管径较小（小于 50mm）3-5。而对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 于海上油井用的高处理流量（高达 500m3/d） 水力旋流器未见有文献报道。 我国海上平台油水分离技术采用较多的 是利用重力物理原理分离方式，即通过 油水两相介质存在密度差，将混合液静 放至一段时间，对不同的液相进行分离， 重力分离器最常见的是形式是卧式分离 器。相对于水力旋流技术而言，重力式 分离装备体积大、分离周期长，并适合 于海上油井井下应用。 为解决传统方法无法指导海上油 井高流量井下水力旋流器设计的问题， 本文运用数值模拟手段，分析旋流器对 高处理流量的适应性，包括高处理流量 下分离性能预测及评价，以及流场特征 量随流量的变化规律等。数值模拟作为 一种手段，虽然在定量计算上存在一定 误差，但在定性分析及横向比较方面具 备显著的优势。 1 井下水力旋流器结构 本文仿真模型是基于 G.A.B.Young 的单锥旋流器模型7，如 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 图 1 所示，主结构由圆柱段、锥段、尾 管段组成，图中给出了基本结构尺寸的 比例关系。单锥旋流器是基于离心分离 原理，利用油水两相的密度差而实现分 离，无运动部件，径向尺寸小，特别适 合于井下应用8。 2 数值模拟 方法与结果分析 2.1 数值模拟方法 随着计算流体动力学 CFD 及计 算机技术的不断发展，CFD 软件被广 泛用于水力旋流器的结构优化及流场研 究中，并取得了良好的效果2-3。对于 湍流模型的选择，应用较多的则是基于 雷诺平均（RANS ）湍流模型。 NARASIMHA 等采用 LES 模型、RSM 模型、k-e 模型预测了旋流器空气核大 小，结果 LES 模型和 RSM 模型（雷诺 应力模型）取得了预实验更吻合的结果。 依据图 1 中所示的结构尺寸比例 关系，建立不同名义直径 （Dc=60，70 ，80，90mm ）的单锥旋流 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 器几何模型。采用扫掠法生成六面体网 格，以旋流器顶面为源面，沿轴向扫掠， 控制扫掠尺度，得到既满足质量要求又 考虑计算时间的网格，图 2 为划分的网 格图。 使用 FLUENT 定常非耦合求解 器求解旋流器内流场，控制方程基于时 均化的 N-S 方程，结合雷诺应力模型 （RSM）及欧拉多相流模型，离散格式 采用适合于六面体的高精度格式 QUICK 格式，压力速度耦合采用 SIMPLEC 算法。 边界条件采用速度入口 （Velocity Inlet） ，入口速度值根据不同 的流量来设定，流量分别为 150、200、250、300、350、400、450 、500（单位 m3/d，立方米/天） 。 2.2 数值模拟结果分析 2.2.1 速度分布 旋流器速度分布包括切向速度分 布和轴向速度分布。 图 3（a ）为切向速度分布图，切 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 向速度分布呈兰金组合涡结构，沿半径 由边壁向中心先升高后降低，存在最大 值 Vtmax，该值标定了所在截面的切向 速度等级。单锥旋流器由于锥段的缩颈， 沿轴向保持了切向速度的量级。 图 3（b）为轴向速度分布图，轴 向速度分布特征在于存在零轴速包络面 （简称 LZVV，如红色线所示） ，即轴 向速度为零的点包络成的空间曲面。 LZVV 为内、外旋流的分界面，由图中 还可以看出 LZVV 的形状及位置随流量 变化较小。 2.2.2 压力分布 压力分布包括径向压力分布和轴 向压力分布。图 4 中包括压力分布云图 和边壁压力沿轴向的变化曲线。对于径 向压力分布，基于涡流运动特点，径向 压力分布呈中间低两边高的特征；对于 轴向压力分布，学者们往往并不多加注 意，而是更关心代表离心力的径向压力 分布。图中给出了流量为 350m3/d 和 300m3/d 时边壁压力沿轴向的变化曲线， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 压力沿边壁向下产生压力降，本文用此 压力降代表轴向压降，如图所示随着流 量的升高轴向压降也相应增大。 2.2.3 油相浓度分布 通过两相流模拟，得到旋流器内 油相浓度分布。如图 5 所示，为油相浓 度分布云图及分布曲线，图中比较了 250m3/d 和 350m3/d 油相分布情况，流 量越高油相聚结程度越好。 3 高处理流量旋流器分离性能预 测与评价 由图 6 可知，分离效率随流量的 增加而增加，达到一定值后开始变平缓， 且在同一流量下，小名义直径的旋流器 分离效率更优。 4 结论 （1）特征截面切向速度最大值 随流量的增加而增大且呈线性关系，比 例因子 k 与截面位置有关，而轴向速度 分布受流量影响较小；切向速度和径向 压力梯度随流量的增加而增大，是分离 效率随流量提升的主要原因； -精选财经经济类资料