（化工过程机械专业论文）海上用井下油水分离系统旋流分离器研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t e 5 3 学科分类号 5 7 0 5 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 6 5 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名张丽稳学号 2 0 0 9 0 0 0 6 6 5 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源企业项目研究方向海上油田井下油水分离 论文题目 海上用井下油水分离系统旋流分离器研究 关键词海上油田，双锥水力旋流器，油水分离，数值模拟，分离效率 论文答辩日期 2 0 1 2 年5 月2 6 日论文类型 应用研究 学位论文评阕及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师颜廷俊教授北京化工大学 石油装备与检测技术 评阅人1王奎升 教授北京化工大学石油机械 评阅人2 周俊波教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员会主席1周俊波教授北京化工大学化工过程机械 中国石油长城钻井 答辩委员1陈香凯高工 石油机械 公司 答辩委员2王奎升教授北京化工大学石油机械 答辩委员3赵惠清副教授北京化工大学石油机械 答辩委员4张杨副教授北京化工大学石油机械 答辩委员5马润梅讲师北京化工大学石油机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四，论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 海上用井下油水分离系统旋流分离器研究 摘要 井下油水分离装置是通过在井下使用旋流器使处于不同密度的油和 水分离，达到富油液举升和达标液回注的目的，世界海上各大油田正在使 用井下油水分离装置的有曹妃甸油田、a l l i a n c e 油田等。井下油水分离 装置的核心设备是液液分离水力旋流器，国内对旋流器研究起步较晚，目 前多处于仿制阶段，缺乏系统的研究，对实际生产过程中出现的问题，凭 经验修改旋流器某一结构参数，往往并不可靠，因此对水力旋流器进行结 构优化及分离性能分析十分必要。本课题围绕液液分离用双锥水力旋流器 这个核心问题，通过数值模拟仿真优化旋流器各结构参数，同时研究不同 操作参数对旋流器分离效率的影响。在此基础上搭建试验台，提取实验数 据并与模拟结果进行对比分析，验证模拟仿真的正确性。 针对中海油某油田实际工况计算水力旋流器主直径，根据前人研究 成果初步确定旋流器其他结构参数，并用f l u e n t 软件模拟仿真，优化旋 流器各结构参数；在旋流器结构优化的基础上，分析入口流量、黏度、比 重等不同参数对旋流器分离效率的影响；并与实验结果进行对比。 通过模拟仿真得出旋流器溢流口直径为5 m m 、大锥角为2 0 。、小锥 角为3 。时旋流器内部流场最合理。对于优化的旋流器结构，一定范围内 分离效率随入口流速增大而增大，当入口速度大于1l m s 时，分离效率会 有所下降；黏度由0 0 0 1 3 p a s 增大为0 0 1 3 p a s 时，旋流器分离效率由 6 1 1 降低到2 1 7 ；比重为0 9 5 时，旋流器基本失去了分离能力。 关键词：海上油田，双锥水力旋流器，油水分离，数值模拟，分离效率 摘要 r e s e a r c h0 n h y d r o c y c l o n eu s e di nd o w n h o l e o i l 一= a t e rs e p a r a t i o no fo f f s h o r eo i lf i e l d a b s t r a c t i no r d e rt oi n je c ts e p a r a t e dw a t e ri nt h ew e l la n d p r o d u c e o i lt ot h e s u r f a c e ，d o w n h o l eo i l - w a t e rs e p a r a t o r ( d o w s ) d e v i c eu s e sh y d r o c y c l o n e si n t h ew e l lb o s o mt os e p a r a t eo i la n dw a t e rw h i c ha r ed i f f e r e n ti nd e n s i t i e s d o w sa r eu s e di nc a o f e i d i a no i lf i e l d ，a l l i a n c eo i lf i e l da n ds oo n t h e s t u d yo fh y d r o c y c l o n ew h i c hi st h ec o r ee q u i p m e n to fd o w s i sa ta n i m i t a t i o ns t a g ea tp r e s e n ti nc h i n a t h i si sn o tr e l i a b l et oc h a n g eas t r u c t u r e p a r a m e t e rw i t he x p e r i e n c ew h e n t h ep r o b l e m sa p p e a r e di nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n d s e p a r a t i n gp r o p e r t yo ft h eh y d r o c y c l o n e t h i ss u b je c tf o c u so nt h ec o r ei s s u e o fh y d r o c y c l o n et h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oo p t i m i z et h es t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，a n ds t u d y t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya td i f f e r e n to p e r a t i n g p a r a m e t e r s a tt h es a m et i m e ，w eb u i l dt h el a b o r a t o r y ，p i c ku pt h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dc o m p a r e dw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t e dr e s u l t si no r d e r t ot e s tt h ev a l i d i t yo fs i m u l a t i o n t h ed i a m e t e ra n do t h e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r so fh y d r o c y c l o n ew e r e c a l c u l a t e db a s e do nt h e d a t as u p p l i e db yam a r i n eo i lf i e l d s t r u c t u r e p a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dw i t hf l u e n t a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e 北京化工大学硕j ：学位论文 p a r a m e t e r s ，t h ei n l e tf l o w ，v i s c o s i t ya n ds p e c i f i cg r a v i t y ，w h i c hw e r ee f f e c tt h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y o f h y d r o c y c l o n e ，w e r ea n a l y s e d t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o n t r a s t e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t s t h ei n t e m a lf l o wf i e l dw a st h em o s tr e a s o n a b l ew h e nt h ed i a m e t e ro f o v e r f l o ww a s5 m m ，t h eb i gc o n ea n g l ew a s2 0o a n dt h es m a l lc o n ea n g l ew a s 3 。t h r o u g h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t ot h eh y d r o c y c l o n e ，t h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yw a sa c c e l e r a t e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n l e tv e l o c i t yi nac e r t a i n l r a n g e b u tt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw a sd e c r e a s ew h e n t h ei n l e tv e l o c i t yw a s g r e a t e rt h a n1lm s t h ec y c l o n es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e df r o m6 1 1 t o 21 7 w h e nt h ev i s c o s i t yo ft h ec o n t i n u i t yi n c r e a s e sf r o m0 0 013 p ast o 0 013 p a s t h eh y d r o c y c l o n el o s tt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c ew h e nt h e s p e c i f i cg r a v i t ys u r p a s s e do 9 5 k e yw o r d s ：o f f s h o r eo i l f i e l d ，h y d r o c y c l o n e ，o i l w a t e rs e p a r a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y i v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 项目研究的目的意义1 1 2 国内外研究现状及趋势2 1 3 主要研究内容6 1 4 研究方法6 第2 章水力旋流器的工作原理9 2 1 几何结构9 2 2 分离原理1 2 2 3 流动特性分析13 2 3 1 切向速度1 4 2 3 2 轴向速度1 6 2 3 3 径向速度一18 2 4 小结1 9 第3 章结构参数优化2 1 3 1 软件介绍2 1 3 1 1f l u e n t 简介一2 1 3 1 2 湍流模型2 2 3 1 3 多相流模型2 3 3 1 4 网格划分2 5 3 1 5 边界条件2 7 3 2 结构参数优化2 7 3 2 1 基本模型2 9 3 2 2 溢流口优化3 0 3 2 3 大锥角优化3 3 3 2 4 小锥角结构优化3 5 北京化工大学硕： j 学位论文 3 3 小结3 8 第4 章不同参数对分离效率的影响3 9 4 1 粒子运动轨迹3 9 4 2 分离效率4 1 4 3 不同参数对分离效率的影响4 2 4 3 1 处理量对分离效率的影响4 2 4 3 2 黏度对分离效率的影响4 5 4 3 3 比重对分离效率的影响4 8 4 3 4 对比分析5 0 4 4 小结5 2 第5 章实验室试验5 3 5 。1 试验流程5 3 5 2 试验步骤5 5 5 3 j 、结5 7 第6 章结论及展望。5 9 6 1 主要结论与成果5 9 6 2 课题展望5 9 参考文献。6 1 致谢。6 5 科研成果和发表的学术论文6 7 作者和导师简介6 9 目录 co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1p u r p o s ea n d s i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c t 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 2 1 3m a i nc o n t e n to ft h ep r o j e c t 6 1 4r e s e a r c hm e t h o d 6 c h a p t e r 2o p e r a t i n g p r i n c i p l eo fh y d r o c y c l o n e 。9 2 1b a s i cs t r u c t u r eo fh y d r o c y c l o n e 9 2 2s e p a r a t i n gp r i n c i p l e 1 2 2 3a n a l y s i so ff l o wb e h a v i o u r 1 3 2 3 1t a n g e n t i a lv e l o c i t y 1 4 ：! 3 2a x i a lv e l o c i t y 1 6 2 3 3r a d i a lv e l o c i t y 1 8 2 4s u m m a r y 1 9 c h a p t e r 3o p t i m i z eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s 2 1 3 1s o f t w a r ei n t r o d u c t i o n 2 1 3 1 1b r i e fi n t r o d u c t i o no ff l u e n t 2 1 3 1 。2t u r b u l e n c ef l o wi n t r o d u c t i o n 2 2 3 1 3m u l t i p h a s ef l o wi n t r o d u c t i o n 2 3 3 1 4m e s h 2 5 3 1 5b o u n d a r yc o n d i t i o n 2 7 3 2s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，2 7 3 2 1b a s i cm o d e l 2 9 3 2 2o v e r f l o wo p t i m i z a t i o n 3 0 3 2 3b i gt a p e ra n g l eo p t i m i z a t i o n 3 3 3 。2 4s e c o n dt a p e r a n g l eo p t i m i z a t i o n 3 5 ! ! 室些王查堂堡主兰些笙奎 一 3 3s u m m a r y ”3 8 c h a p t e r 4e f f e c t so ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s 3 9 4 1g r a i nm d t i o nc u n r ea n a l y s i s 3 9 4 2s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y 4 1 4 3e f f e c t so ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s 4 2 4 3 1f i o wr a t e 4 2 4 3 2v i s c o s i 时4 5 4 3 3s p e c i f i cg r a v i t y 4 8 4 3 4c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s 5 0 4 4s u i 衄a r y ”5 2 c h a p t e r 5l a b o r a t o r yt e s t 。一”“”一”5 3 5 1e x p e r i m e n t a lp r o c e s s 5 3 5 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e 5 5 5 3s u m m a r y ”5 7 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n d r e c o m m e n d a t i o n s 5 9 6 1m a i nc o n c l u s i o n s 5 9 6 2r e s e a r c hp r o p o s a l si nf u t u r e 5 9 r e f e r e n c e s 。”6 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 。6 5 r e s e a r c ha n dp u b l i s h e dp a p e r 。”“”6 7 a u t h o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 。一6 9 第1 章绪论， 1 1 项目研究的目的意义 第1 章绪论 随着海上油田开采进入高含水期，加上前期开采采取的“稀井高产”的策略，导 致海上油田生产过程中生产成本和原油产量之间的矛盾日益加剧。为了保持海上油田 每天的产油量不变，只有增大采液量，如果把这些采出液全部举升到海上平台并进行 处理，之后再回注，大大增加了水处理设施和举升工艺的负担，能耗也大大增加，同 时由于海洋平台空间有限，不能安装更多的水处理设施，因此在目前情况下，水处理 新技术方法的研发迫在眉睫。国内外相关研究表明，通过在井下使用油水分离装置 ( d o w n h o l eo i l w a t e rs e p a r a t i o n ，d o w s ) ，在增大原油产量的同时，还可以大大降低地 面产水量【l 训。d o w s 技术使处于不同密度的油和水分离，进而达到富油液举升和达 标液回注的目的。井下油水分离系统主要由泵和油水分离系统组成，其中油水分离装 置又分为重力式和旋流式两种，1 9 9 9 年的一项研究调查表明，在北美使用的3 7 套( 2 1 套旋流分离，1 6 套重力分离) d o w s 系统中，通过使用旋流式井下油水分离系统后， 原油产量最高增大为原来的1 1 6 2 ，而重力式d o w s 系统中，原油产量最高为原来 的2 3 3 5 1 ，旋流式油水分离系统分离效率更高。为了最大限度的提高海上油田产油 量，选用旋流式井下油水分离系统，其核心装置是液液( 油和水) 分离水力旋流器。 一百多年前就有旋流分离技术，主要用于矿山开采。随着科学技术的发展，旋流 器的用途也发生了很大变化，近几十年，在污水处理、井下油水分离等行业越来越多 的采用水力旋流器。 在油田含水率逐渐升高和原油价格一路飙升的情况下，井下油水分离作为一种降 耗增产新技术，受到越来越多的重视。目前我国大部分油田经过数十年的开采已进入 中后期【6 。7 1 ，含水量越来越高，截止到2 0 1 0 年5 月某海上油田综合含水率已高达7 8 ， 并呈现逐渐上升的趋势，个别油田的综合含水率甚至高达9 3 4 【8 】，已经接近油田经 济开采极限。为了稳定产量，必须要增大开采量，这样造成两个后果：增大水处理设 备的负荷，同时，在环保法规不断完善的现代社会，给环保带来了巨大压力。因此为 了维持产量，在生产线改造、设施扩建或建设新的油田生产系统中，急需增大产量同 时又能降低消耗、减少污染的d o w s 技术。数十年的实践证明，因井下油水分离技 术具有提高原油产量、减少地面产水量、节能降耗、减少污染等优点 9 - 1 0 】，具有广阔 的应用前景。 基于对产量、消耗和环保等因素的综合考虑，针对某海上油田开采现状，研究适 用于该海上油田井下油水分离的水力旋流器。本论文的研究旨在通过使用c f d 专业 北京化工大学硕士学位论文 软件f l u e n t 对水力旋流器模拟仿真，得出旋流器内部流场分布规律及不同参数对分离 效率的影响，同时搭建试验台，并将模拟结果与试验数据进行对比，从而为后续试验 及现场应用提供理论指导。 1 2 国内外研究现状及趋势 最早研究油水分离技术的是英国南汉普顿大学的t h e w 教授 1 1 - 1 2 j ，上个世纪六十 年代末开始研究，经过十余年的试验，得出t h e w 教授认为最佳的水力旋流器结构， 并将研究结果于上个世纪八十年代在b h r a 组织的国际旋流器学术会议上进行公布， 之后又将自己的研究成果转让给b w nv o r t o i l 公司，该公司进行小试并成功，五年后 油水分离技术开始进入商业化应用的时代。t h e w 教授当年提出的水力旋流器结构， 至今在液液分离领域仍有不可忽视的影响力。 富油液 电机 密封装置 旁通管路 注入泵 油水分离装置 图1 1 井下油水分离装置 f i g 1 1 d o w s 图1 - 2 水力旋流器 f i g 1 2h y d r o c y c l o n e 井下油水分离技术则是上个世纪九十年代初由加拿大的c f e r 工程研究中心率 先提出【”】。d o w s 系统的核心技术是把油和水在井底进行分离，分离后达标的水直接 2 第1 章绪论 回注到采油区之外的注水层，而含少量水的油直接泵送至地面。d o w s 系统及水力旋 流器示意图如图1 1 1 2 所示。之后，世界各地4 0 多家院所、高校陆续投入到d o w s 技术研究中，1 9 9 4 年首次在加拿大a l l i a n c e 油田进行实验，分离效果良好【14 i 。上个世 纪九十年代，c e n t r i l i f l 、r e d a 和哈里伯顿能源服务公司在美国积极推销d o w s 技术。 目前，壳牌公司和巴西石油公司正针对海上油田研究井下油水分离技术展开研究，尤 其是壳牌公司，取得显著成果，下一阶段将致力于研究开发智能型井下油水分离系统 【1 5 】。相关资料显示，截止到2 0 1 0 年，全世界有曹妃甸油田、南海流花1 1 1 油田、a l l i a n c e 油田等近百套的d o w s 系统投入使用【l6 。1 ，并取得了良好的效果。表1 。1 是北美3 7 个油田中的d o w s 系统使用的数据统计。 表1 一l 北美地区各油田使用d o w s 前后产量对比 t a b l el 一1p r o d u c t i o nv o l u m e sf o rd o w st r i a l si n n o r t ha m e r i c a 产量( n n ) 称 罢s 鬻。某使p s 素后 北京化工大学颂：f ：学位论文 由表1 一l 可知，实际生产过程中，并不是所有的井下油水分离系统的使用都是成 功的，在上述调查中的3 7 套d o w s 系统中，只有1 9 个产量增加，d o w s 系统使用 效果没有预期的理想。d o w s 系统对油井也有一定的要求，当油井在满足以下几个条 件时才能使用d o w s 技术：高的油水比，独立的注水区，稳定的产量，油井在结构 上具有机械完整性，其中注水区与采油区能否完全分离对d o w s 技术的分离效率影 响至关重要。 国内对液液分离水力旋流器的研究起步较晚，上世纪八九十年代国内相关科研单 位正式开始了水力旋流器的研究，如大庆油田设计院、江汉石油机械研究所、中国石 油大学( 华东) 、胜利油田勘探设计院和中国石油大学( 北京) 等【1 8 。3 2 1 。为了更好更 快的研制出适用于我国油田实际工况的水力旋流器，最快捷的方法就是从国外引进完 整的油水分离系统，在掌握相关理论技术的基础上，改造、设计出自己的产品，使井 下分离技术在我国油田尽早投入使用。 1 9 9 2 年，大庆石油设计院采用一个单锥水力旋流器和两个双锥水力旋流器进行污 水除油试验，试验结果表明，旋流器分离指标基本达到国际同类产品的相关指标，其 中双锥水力旋流器的除油效率高达8 8 ；中国石油大学( 华东) 取得突破性进展，设 计出主直径分别为2 0 m m 、2 8 m m 和3 5 m m 的三种双锥水力旋流器，处理量达到 2 m 3 h 一6 m 3 h ，目前已广泛应用于大港油罔、冀东油田、中原油田和河南油田等国内各 大油田p3 j ；胜利油田勘探设计院设计研发的双锥水力旋流器和污水处理旋流器的分离 4 第1 章绪论 效率分别达到8 0 和6 0 9 9 ，分离效果良好；中国石油大学( 北京) 于1 9 9 4 年与 河南油田合作，研发出主直径为3 5 m m 、2 8 m m 的液液分离水力旋流器，分离效果也 达到国际相关标准。 二十世纪九十年代我国在陆上油田开始使用井下油水分离装置，d o w s 在陆上油 田的使用中，效果没有预期的乐观。陆上油田多采用五时半套管【3 4 】，井下空间狭小， 而d o w s 系统管路复杂，狭小的环形空间加上原油的不稳定性和地层中的杂质，造 成井下分离装置管路堵塞，导致停产，最终难以在陆上油田普及。2 0 0 0 年，我国首次 在海洋平台上尝试井下油水分离，与陆上油田相比，海上油田多采用七时半或九时半 套管，井下空间相对宽松，而海上油田每口井的处理量相对较大，因此可以选择多个 小直径水力旋流器进行串并联工作，以解决海上油田油井中的大流量问题，如图1 3 所示。水力旋流器的并联可以解决大流量问题，水力旋流器的串联可以解决分离纯度 的问题 3 5 - 3 7 】。同时，小直径水力旋流器技术在国内外的研究都相对成熟，为海上油田 井下分离技术提供理论基础。 一进料 进料 ( a ) 水力旋流器并联 ( a ) h y d r o c y c l o n ei np a r a l l e l ( b ) 水力旋流器串联 ( b ) h y d r o c y c l o n ei ns e r i e s 图1 3 水力旋流器串并联 f i g 1 3h y d r o c y c l o n ei np a r a l l e l s e r i e s 北京化工大学硕士学位论文 除了油井自身条件影响d o w s 系统分离效果之外，水力旋流器的结构、加工精 度、操作参数等因素都会大大影响d o w s 系统的分离效率【3 3 1 。因此有必要对水力 旋流器结构进行优化，在结构优化的基础上进行操作参数的选择也是必不可少的。 1 3 主要研究内容 根据d o w s 技术的目的和意义，结合国内外发展新动向和本课题的研究现状， 确立了以下几个主要研究内容： ( 1 ) 通过查阅相关文献、网上搜索与国内专家交流学习等形式，加深对井下油 水分离技术特别是海上井底油水分离装置的认识，找出影响分离效率的因素。 ( 2 ) 在对水力旋流器工作原理深入了解的基础上，针对某海上油田开采现状， 同时参考相关设计资料及国内外应用的实际情况，确定水力旋流器主直径。 ( 3 ) 根据业内相关经验初略定义其他结构参数( 如入口直径、溢流管直径、底 流管直径、大锥角和小锥角等) ，在此基础上对各个参数用f l u e n t 软件优化仿真。 ( 4 ) 在水力旋流器结构参数优化完毕的基础上，模拟分析不同操作参数对旋流 器分离效率的影响。保持其他结构参数不变，改变其中某一操作参数( 如分散相比重、 连续相黏度、入口流量等) 后，对比水力旋流器分离效率的变化，得出适合本旋流器 的最佳操作参数。 ( 5 ) 根据( 3 ) 、( 4 ) 的分析结果，得出最佳旋流器结构参数和操作参数，利用 这一结果，制造加工水力旋流器，并搭建试验台，根据模拟结果，指导试验室试验， 同时利用试验结果验证模拟分析的可靠性，并为将来的井下油水分离提供理论指导。 1 4 研究方法 想要获得一台性能优良的水力旋流器往往需要进行大量的试验，试验台的搭建耗 资巨大，旋流器加工精度要求较高、费用大，且不同工况( 比重、黏度、流量等) 对 旋流器的分离效率影响很大，造成性能不稳定，因此仅用几台旋流器试验的结果，不 具有普遍性。因此，需要在模拟仿真的基础上做试验，同时将试验结果与模拟结果进 行对比，进而验证模拟仿真的f 确性，进一步指导实验室试验及现场应用是必要的。 采用c f d ( c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ) 专业软件f l u e n t 对水力旋流器进行模拟 仿真。具体研究方法如下： ( 1 ) 水力旋流器几何结构：查阅国内外相关书籍、文献，确定水力旋流器主直 径，同时初步确定其他结构参数； ( 2 ) 建立仿真模型：建模选择g a m b i t 软件，旋流器内流体雷诺数高达1 0 4 1 0 6 6 第1 章绪论 之间【删，属于强湍流运动，为了更接近实际工况，建立三维模型进行仿真。 ( 3 ) 模拟仿真：利用f l u e n t 进行模拟时，最关键的是选择合适的湍流模型和多 相流模型。不同的湍流模型和多相流模型具有不同的应用场合，因此选择合适的湍流 模型，对计算结果的精度甚至正确性有很大影响。 ( 4 ) 试验部分：根据模拟结果选择最佳旋流器结构并制作加工，搭建试验台， 用试验结果验证模拟的正确性，最终用模拟取代实验。 7 原书为白页不缺内容 第2 章水力旋流器的工作原理 第2 章水力旋流器的工作原理 井下油水分离装置的核心技术是液液分离水力旋流器，把油和水在井底初步分离， 并将分离出的水进行回注，从而减小地面产水量，降低回注时对地下水的污染，同时提 高油井生产效率，降低消耗。水力旋流器内流体雷诺数高达1 0 4 1 0 6 ，因此流体在水力旋 流器内做复杂的三维运动。旋转运动产生旋涡，而分离的过程就是旋涡的产生、发展和 消失的过程【4 5 1 。油水分离用水力旋流器的基本原理是利用两相密度差进行分离，在旋流 器内，由于油水两相存在密度差，在高速旋转过程中产生的离心力也不同，轻相介质向 中心迁移，重相介质向边壁迁移，进而达到油水分离【4 6 | 。由于油水两相密度差小，且在 剪切力作用下，油滴容易被剪切导致破碎，变成更细小的液滴，这些因素不利于油水分 离。为了更好的使油水两相分离，有必要对旋流器内的液滴运动规律进行分析。 2 1 几何结构 本文中所讨论的d o w s 系统在海上油田井下使用，为了保证回注水达到相关要求， 对旋流器分离效果要求很高。为了保证旋流器底流口中含油达标回注，需要在一级旋流 器底流口串联二级旋流器，其结构示意图如图2 1 所示。 地面管汇 开采液 幽2 1 旋流器串联示意图 f i g 2 1s c h e m a t i co fh y d r o c y c l o n es e r i e s 注水层 双锥水力旋流器和单锥水力旋流器都可以用于脱油处理，查阅相关资料表明，双锥 水利旋流器多用于油水预分离，单锥水力旋流器多用于脱油处理，同时考虑旋流器的加 工难易程度及加工成本，二级分离选用单锥水力旋流器。本文只针对预分水力旋流器( 双 锥水力旋流器) 进行模拟分析。双锥水力旋流器结构如图2 2 所示，一般由以下几部分 9 北京化工人学硕：i ：学位论文 组成：入口d j ，溢流口d o ，底流口d 。，圆柱段( 即旋流腔或造旋段) ，大锥段，小锥段 和尾管段。水力旋流器结构尺寸与英国南汉普顿大学的m t t h e w 教授等人提出的比例 关系相对应：d d 。= 2 ，d i d 。= o 3 5 ，d u d 。= 0 5 ，d o d 。0 1 4 ，l c d 。- - 2 ，l jd 。= 2 0 ， 大锥角q = 1 5 。4 0 。，小锥角1 3 = 1 5 。6 。 滋溅熊濂秘 d 翟 f i g 2 2t w i nc o n e sh y d r o c y c l o n es t r u c t u r ep a r a m e t e r ss c h e m e s 双锥水力旋流器主直径计算公式如2 1 式： 扩止( 丝7 ) “9 篆a p 抑， 、 z千p，1、 式中 d c 一水力旋流器主直径 n 。一比例放大系数，n 。= 0 3 7 4 8 q 一水力旋流器处理量 p 一液体密度 一液体粘度 k p 一常数，k p = 2 4 3 8 1 卸一旋流器压力降 根据流量、压力降、液体密度、黏度等初步计算水力旋流器主直径。某海上油田的 相关数据如表2 1 所示。 由此计算得出水力旋流器主直径最小为d 。= 1 2 1 m m ，由水力旋流器的工作原理可知， 旋流器直径过大会造成造旋能力差，影响分离效率。水力旋流器的处理量和分离效率相 互影响，处理量增大，效率下降，处理量减少，分离效率会有所提高，而对于大颗粒分 离或底流1 5 1 要求不是很高的情况下可选择大直径水力旋流器，处理量相对较大。而液液 分离中，油水两相密度差小，油滴粒径小，因此要用小直径的水力旋流器 第2 章水力旋流器的工作原理 表2 1 原始数据表 t a b l e 2 一lr a wd a t at a b l e 进行分离。液液分离用水力旋流器的结构按常规水力旋流器尺寸进行比例放大之后，分 离性能有待进一步研究 4 7 】，鉴于国内专家对水力旋流器的研究经验，液液分离用水力旋 流器直径在2 0 m m 7 0 m m 之间。优先选用目前比较成熟的双锥水力旋流器结构，其主直 径为d 。= 3 5 m m ，并进行模拟仿真。 入口：按数量可分为单入口、双入口和多入口，按流到截面形状可分为圆形入口和 矩形入口，本文所研究的双锥水力旋流器入口数量为单入口或双入口，截面形状为圆形， 入口直径影响初始的旋转动量，由于油水密度差较小，需要在旋流器内生成强旋流才足 以把油水进行分离，因此入口尺寸及入口形式对分离效果会产生很大的影响。在入口流 量一定的情况下，入口直径与入口速度成反比，在一定范围内减小入口直径有利于分离 效率的提高，入口速度过大会产生较高的剪切应力，导致油滴破碎，反而不利于分离。 尾管直径：尾管段一般只强化分离效果，增加流体在旋流器内的停留时间，降低旋 转速度，减少能量损失【4 引。在入口流量一定的情况下，尾管直径在一定范围内变化对旋 流器的分离效率不会有显著的影响，但对压力损失影响显著，且尾管直径大小与停留时 间成反比。本课题关注的重点是分离效率，故暂不对旋流器尾管进行讨论。 溢流口直径的大小与入口含油