徐曉峰，史仕熒

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測繪工程學(xué)院，北京 100042；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190)

軸流式井下旋流油水分離器壓降比性能研究

徐曉峰1，2，史仕熒3

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測繪工程學(xué)院，北京 100042；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190)

在室內(nèi)試驗裝置上對軸流式井下旋流油水分離器的壓降比性能開展了相關(guān)試驗研究。試驗結(jié)果表明，壓降比僅與分流比相關(guān)，與入口流量、入口含油率(<20%)、導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)無關(guān)；壓降比與分流比的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系而非線性的。研究結(jié)果對新型油水分離器的工程設(shè)計和實際井下應(yīng)用的自動控制具有重要意義。

井下油水分離；軸流式旋流分離器；壓降比

隨著我國大部分油田進入高含水開采期，采出油含水率急劇升高，增加了水處理的成本，使得油田瀕臨經(jīng)濟開采極限。如果采用井下油水分離器在井底將水分離并就地回注，則能大大節(jié)約生產(chǎn)成本，目前這一技術(shù)受到了油田的廣泛關(guān)注[1]。這一技術(shù)雖能高效降低成本，但還處于研發(fā)階段，目前面臨的主要難題一方面是井下空間有限，通?？捎行Ю玫目臻g不足200mm，實施困難且費用較高，另一方面是分離器在井底實際運行時難以實時監(jiān)測，這樣就要求井下油水分離器必須結(jié)構(gòu)緊湊、處理量大、分離性能穩(wěn)定且能實現(xiàn)自動控制[2]，。中科院力學(xué)所新研發(fā)的一種軸流式旋流油水分離器，采用軸向起旋進行油水分離，相對于切向式入口起旋而言能夠有效的利用有限的徑向空間，結(jié)構(gòu)緊湊處理量大；同時這種新概念的油水分離方法性能穩(wěn)定，有良好的應(yīng)用前景[3]。在這樣的背景下，本文對軸流式旋流油水分離器的壓降比性能進行了研究，為其在井下應(yīng)用時的自動控制提供指導(dǎo)。

旋流分離器通常有一個入口和兩個出口，壓降比是指入口到一個出口的壓降與入口到另一個出口的壓降之比，是間接與壓力降和壓力相關(guān)聯(lián)的一個重要參數(shù)[4]。在旋流分離器的工業(yè)應(yīng)用中，通常需要保證入口到兩個口的壓降各自在一個范圍內(nèi)，以便流體順利的從兩個出口流出進入后續(xù)配套裝置，因此研究壓降比性能對于旋流器的應(yīng)用也尤為重要的[5]。在對傳統(tǒng)錐形旋流器壓降比性能的相關(guān)研究中，Meldrum等[6]，舒朝暉等[7]，王麗等[8]認為壓降比只與分流比有關(guān)，且呈線性相關(guān)；Li G S等[9]研究發(fā)現(xiàn)壓降比與分流比和入口流量均呈線性關(guān)系，兩者的線性相關(guān)并相加即為壓降比的計算方法；王振波等[10]認為壓降比是分流比、入口流量的函數(shù)(非線性)。由此可見，對于傳統(tǒng)的錐形旋流分離器而言，壓降比性能并無定論。新型軸流式井下油水旋流分離器與傳統(tǒng)錐形旋流分離器相比，沒有內(nèi)外反向旋流流動，其壓降比特性更無從參考。為此，本文開展了相關(guān)的研究。

1 試驗裝置及試驗情況

1.1 試驗裝置及系統(tǒng)

為了得到軸流式井下油水旋流分離器的壓降比性能，加工好的分離器及結(jié)構(gòu)圖見圖1。

在實驗室內(nèi)建立的試驗系統(tǒng)見圖2所示，并在分離器的入口、出油口、除水口等處安裝壓力傳感器，在試驗時測量各點壓力，在除水口處安裝DCT1188超聲波流量計實時計量除水口的流量。

圖1 軸流式井下旋流油水分離器

圖2 試驗系統(tǒng)流程圖

1.2 試驗介質(zhì)

試驗在20℃下進行，試驗介質(zhì)為水、白油，分散相為白油。在20℃時，白油的密度為ρ0=836kg/m3，動力粘度為μ0=0.00215Pa·s，水的密度為ρw=998.2kg/m3，粘度為μw=0.001Pa·s。

1.3 參數(shù)定義

1.3.1 壓降比

壓降比Pr是指軸流式井下旋流油水分離器的入口到上部出油口的壓降ΔpIU和入口到取水口的壓降Δpic之比，見式(1)。

(1)

式中：ΔpIU=pI-pC；ΔpIC=pI-pC。

1.3.2 分流比

分流比F是指取水口的流量與入口流量之比，見式(2)。

(2)

式中：QC為除水口流量；QI為入口流量。

1.3.3 入口含油率

入口含油率是α指入口油的流量與總流量之比，見式(3)。

(3)

1.4 試驗內(nèi)容

因旋流油水分離性能和操作參數(shù)(入口流量、分流比、含油率)、物性參數(shù)(相密度、粘度等)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(分離器結(jié)構(gòu))有關(guān)，對于結(jié)構(gòu)一定的旋流分離器在井下應(yīng)用時，油水相物性參數(shù)一般一定，故在本文中的壓降比研究主要集中于操作參數(shù)之間的關(guān)系。

1)給定入口流量、入口含油率，調(diào)節(jié)分流比，考察壓降比與分流比的關(guān)系。

2)給定入口含油率，變化入口流量，得到入口流量與壓降比的關(guān)系。

3)給定入口流量，變化入口含油率，研究入口含油率與壓降比的關(guān)系。

4)變化導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)，得到一定入口流量、含油率、分流比下的壓降比與導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 分流比對壓降比的影響

當導(dǎo)流片的角度為30°，導(dǎo)流片的數(shù)目為3時，入口流量為4.1m3/h，入口含油率為2%時，變化分流比，得到壓降比隨分流比的變化規(guī)律。如圖3可知，壓降比隨分流比的增大逐漸減小，但變化規(guī)律并非呈線性關(guān)系。

2.2 入口流量對壓降比的影響

導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)與“2.1”所述一致，保持入口含油率為2%的同時，增大入口流量，圖4表示出壓降比隨入口流量的變化規(guī)律。如圖4所示，當增大入口流量時，分流比大致相等時，壓降比隨入口流量的增加變化較小。這一規(guī)律間接說明了分離器從入口到出口的壓降與通過該出口流量呈相同的規(guī)律。因此，當通過兩個出口的分流比一定時，計算壓降比時，流量這個因素不再顯現(xiàn)。

圖3 壓降比隨分流比的變化規(guī)律

圖4 壓降比隨入口流量的變化規(guī)律

2.3 入口含油率對壓降比的影響

導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)與上文所述一致，在保持入口流量為4.1m3/h，增大入口含油率時，壓降比隨入口含油率的變化規(guī)律如圖5所示。當增大入口含油率時(在20%以內(nèi))，分流比大致相等的時，壓降比隨入口含油率的增大變化不明顯。說明當含油率在20%以內(nèi)時，壓降比隨入口含油率的增大變化較小。由于井下使用分離器進行井下油水分離工作時，通常應(yīng)用在產(chǎn)液含水率在85%以上的情況下[11]，因此研究軸流式井下旋流油水分離器的壓降比規(guī)律研究時，可以忽略含油率這一因素。

圖5 壓降比隨入口含油率的變化規(guī)律

2.4 結(jié)構(gòu)一定的軸流式井下旋流油水分離器壓降比

如前文所述，計算結(jié)構(gòu)一定的軸流式井下旋流油水分離器的壓降比所涉及到的操作參數(shù)，與入口流量、入口含油率關(guān)系不大，主要與分流比有關(guān)。物性參數(shù)如油相密度、粘度等在含油率低于20%時，其所引起的壓降變化較小，對壓降比的影響更是可以忽略。壓降比與入口流量、入口含油率等的關(guān)系如圖6所示，可以看出，所有的數(shù)據(jù)點都分布成某一規(guī)律。擬合后發(fā)現(xiàn)壓降比與分流比滿足式(4)。

(4)

在導(dǎo)流片安裝角度為30°，數(shù)目為3時，上述公式中，a≈1.78，b≈0.15，c≈0.09，擬合的相關(guān)度為0.99。

2.5 導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)對軸流式井下旋流油水分離器壓降比的影響

不同導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)對壓降比與分流比之間關(guān)系的影響如圖7所示，壓降比與分流比之間的關(guān)系對于所有導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)而言，在試驗范圍內(nèi)影響并不大。這一關(guān)系的發(fā)現(xiàn)對這種軸流式井下旋流油水分離器而言意義重大。經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，分離性能與分流比直接相關(guān)，而在井下，難以完成對兩相流各出口流量的直接測量，但是對壓力的測量方法則較為成熟。因此，可以通過壓降比與分流比的這種關(guān)系，控制壓降比來間接控制分流比，進而調(diào)節(jié)分離器的分離性能，最終為井下油水旋流分離器的自動控制提供參考[12]。

圖6 壓降比隨入口含油率、流量的分布規(guī)律

圖7 壓降比隨導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律

3 結(jié) 論

1)軸流式井下旋流油水分離器的壓降比與入口流量、含油率關(guān)系不大，隨分流比的變化而變化。

2)壓降比與分流比的關(guān)系不呈線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

3)當導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)變化時，壓降比與分流比的分布規(guī)律相同。

上述研究結(jié)論表明，軸流式井下油水旋流分離器的分離性能調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)壓降比來間接控制分流比，從而控制分離器的分離性能，從而為分離器在井下應(yīng)用自動監(jiān)控提供了指導(dǎo)。

[1] John A.Veil，Stan Belieu.DOWS reduce produced water disposal costs[M].TECHNOLOGY，1999，75-83.

[2] O.O.Ogunsina，M.L.Wiggins.A review of downhole separation technology[C].SPE 94276，presentation at he 2005 SPE Production and Operaions Symposium held in Oklahoma City，OK，U.S.A.，2005：17-19.

[3] Shi-ying Shi，Jing-yu Xu，Huan-qiang Sun，et al.Experimental study of a vane-type pipe separator for oil-water separation[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90：1652-1659.

[4] 張炯．水力旋流器中液體切線速度分布的研究[J]．有色金屬，1995，16(12)：32-38．

[5] 劉彩玉，蔣明虎，李楓.液-液水力旋流器壓降比特性[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報，2005，9(1)：104-106.

[6] Meldrum，N.Hydrocyclones：A solution to produced water treatment[C].Paper OTC 5594.

[7] 舒朝暉，陳文梅，肖新才，等.除油旋流器分流比與基本性能的關(guān)系探討[J].流體機械，2001，29(5)：12-15.

[8] 王麗.基于CFD的油水分離水力旋流器非尺寸因素的影響研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2013.

[9] Li G S，J W C，Xu C Y，et al.The Effect of the Pressure Drop Ratio on the Performance of a Novel Dynamic Hydrocyclone[J].Frontiers of Manufacturing & Design Science，2014.

[10] 馮進，陳剛，陳海，等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙錐旋流器壓降比和分流比的影響[J].石油機械，1997，，2(1)：15-17.

[11] 王振波，賈少磊，金有海.除油型旋流器壓降比特性試驗研究[J].化工機械，2004，31(1)：1-4.

[12] Li D.，Zhou X.J.，Zhou H.A..Experimental study on inlet structure of the rod pump with down-hole oil-water hydrocyclone[J].Procedia Engineering，2011，18：369-374.

[13] 曲占慶，張琪，李恒，等.井下油水分離系統(tǒng)設(shè)計及地面檢測模型研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報，2006，，2(3)：34-37.

Study on the performance of pressure drop ratio about a new type of down-hole axial oil-water separation cyclone

XU Xiao-feng1，2，SHI Shi-ying3

(1.School of Architectural and Survey Mapping Engineering，Beijing Polytechnic College，Beijing 100042，China；2.School of Mechanics & Civil Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；3.Institute of Mechanics，Beijing 100190，China)

An experimental investigation about the pressure drop ratio of down-hole axial oil-water separation cyclone was made.The result shows that the pressure drop ratio relied only on the split ratio instead of the inlet flow，oil content or the guide vane’ structure.Besides，the relation between the pressure drop ratio and split ratio is exponential relationship rather than linear.The research results have an important significance to the design and automatic control when using in down-hole.

down-hole oil-water separator；axial cyclone separator；pressure drop ratio

2015-05-05

徐曉峰(1979-)，女，漢，安徽宿州人，博士生，北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，目前攻讀中國礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程專業(yè)，主要從事巖土工程等方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：xuxiaofeng99@163.com。

TD985

A

1004-4051(2015)08-0144-04