單雙級重力式氣液分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分離性能仿真

葉衛(wèi)東 仇亭亭 陳靜一 韓道權(quán) 高 宇

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院)

單雙級重力式氣液分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分離性能仿真

葉衛(wèi)東1仇亭亭1陳靜一1韓道權(quán)1高 宇2

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2. 大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院)

為解決含氣率達(dá)到80%的井況下，單級氣液分離器無法將氣體全部有效分離的問題，創(chuàng)新使用了雙級氣液分離器，減少了油井含氣量，提高了采油效率。通過Fluent軟件對單雙級氣液分離器的分離效率進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化雙級氣液分離器結(jié)構(gòu)，得到分離效果更好、更適應(yīng)實(shí)際井況的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

重力式氣液分離器 單雙級 Fluent 數(shù)值模擬

重力式氣液分離器利用重力沉降的分離原理解決油井開采中的油氣混合問題。它結(jié)構(gòu)簡單、無能耗、處理鉆井液能力高、安全可靠，適用于含氣量高的油井[1]。油氣比較高時(shí)，油氣兩相同時(shí)進(jìn)泵，影響抽油泵的泵效，氣體含量達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)使抽油泵產(chǎn)生“氣鎖”，嚴(yán)重影響生產(chǎn)[2]。

實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，因在防氣方面效果顯著，工作人員會(huì)首選重力式氣液分離器。安裝位置多為泵的入口處，這樣布置使得自由氣體在油液中分離出來，不會(huì)進(jìn)入到泵體內(nèi)，之后自由氣體進(jìn)入布置在油套外的環(huán)形空間，直接排到地面[3]。

對一些含氣80%的油井，由于單級氣液分離器的結(jié)構(gòu)限制，無法將氣體全部有效分離，筆者創(chuàng)新的串聯(lián)兩個(gè)單級氣液分離器，使它成為雙級氣液分離器而使油氣完全分離。

1 單雙級氣液分離器結(jié)構(gòu)對比

單雙級氣液分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1a為單級氣液分離器結(jié)構(gòu)平面圖，圖1b為單級氣液分離器三維結(jié)構(gòu)圖，圖1c為單級氣液分離器流體區(qū)域模型圖，圖1d為雙級氣液分離器三維結(jié)構(gòu)圖，從圖1d中可以知道雙級氣液分離器即為兩個(gè)單級氣液分離器串聯(lián)而成。

圖1 單雙級氣液分離器結(jié)構(gòu)

根據(jù)油田實(shí)際井況[4]，選定單雙級氣液分離器基本結(jié)構(gòu)尺寸為：外管內(nèi)徑98mm，中心管外徑32mm，φ16mm的進(jìn)液口6個(gè)，φ16mm的外管和中心管連接孔4個(gè)。單級分離室長度1 460mm，雙級為兩個(gè)單級串聯(lián)而成。

2 單雙級氣液分離器分離效率對比

對單級氣液分離器和雙級氣液分離器的分離效率進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。從圖2對比結(jié)果可以看出，雙級氣液分離器分離效果與單級氣液分離器相當(dāng)，分離效率不但沒有提高，反而有些下降。

圖2 單級和雙級氣液分離器液相含量分離效果對比

從雙級氣液分離器模擬云圖(圖3)分析原因發(fā)現(xiàn)，在串聯(lián)的兩級氣液分離器中，由于上一級氣液分離器距離抽油泵吸入口更近、阻力更小，因此大部分的介質(zhì)通過上面一級氣液分離器進(jìn)入抽油泵里，只有少量的介質(zhì)通過下面一級氣液分離器進(jìn)入抽油泵，因此兩級氣液分離器的分離效果沒有完全發(fā)揮出來。

圖3 不同時(shí)刻雙級氣液分離器液相含量云圖

從雙級氣液分離器70s(下沖程)時(shí)一二級連接處的液相流場圖(圖4a)可以看到，中心管流體向下流動(dòng)，即一級氣液分離器分離的水流到了二級氣液分離器中；二級氣液分離器進(jìn)液口處的流體是從氣液分離器向套管流動(dòng)，即二級氣液分離器分離的水流回到套管中。由此可見，在抽油機(jī)下沖程時(shí)，一級氣液分離器分離出的水進(jìn)入了二級氣液分離器，然后通過二級氣液分離器又進(jìn)入了套管中，因此影響了雙級氣液分離器的分離效率。從雙級氣液分離器75s(上沖程)時(shí)二級進(jìn)液口液相流場圖(圖4b)可以看到，中心管流體向上流動(dòng)，即二級氣液分離器分離的水流到了抽油泵中；二級氣液分離器進(jìn)液口處的流體是從套管向氣液分離器流動(dòng)，即將套管介質(zhì)吸入到二級氣液分離器中。從雙級氣液分離器75s(上沖程)時(shí)一級外管和中心管連接孔流場圖(圖4c)可以看到，抽油泵吸入的介質(zhì)來源于3個(gè)部分，即一級氣液分離器的上部連接孔、一級氣液分離器的下部連接孔、二級氣液分離器中心管。從各部分流量來看，主要來源于一級氣液分離器的上部連接孔。

圖4 雙級氣液分離器中不同部分的液相流場圖

從圖5也可以看到，一級氣液分離器的上部連接口以下幾乎全是水，但卻沒有被抽入抽油泵中。

圖6是一級和二級氣液分離器各自出口流量和氣液分離器總流量。從圖中可以看到，氣液分離器總流量為7.00×10-4m3/s，一級氣液離裝置平均流量是5.32×10-4m3/s，二級氣液分離裝置平均流量是1.68×10-4m3/s。實(shí)際上二級氣液分離器內(nèi)液相含量更大，應(yīng)該使二級氣液分離器流量更大。

圖5 雙級氣液分離器75s(上沖程)時(shí)液相含量

圖6 雙級氣液分離器中各級氣液分離器流量隨時(shí)間變化曲線

從以上分析來看，由于一級氣液分離器距離抽油泵吸入口距離更近，吸入阻力更小，因此在上沖程時(shí)吸入抽油泵的介質(zhì)大部分來自于一級氣液分離器，少量來自二級氣液分離器。但二級氣液分離器分離出的水更多而沒有能夠被吸入。

3 雙級氣液分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分離效率

為了提高雙級氣液分離器的分離效率，需要增加進(jìn)入二級氣液分離器的流量。這就要求上沖程時(shí)一二級氣液分離器流入到抽油泵的介質(zhì)量基本相同，從流體力學(xué)方面考慮需要增大上面一級氣液分離器的阻力[6～9]，解決辦法就是減小上一級氣液分離器外管和內(nèi)管之間的連接孔直徑和數(shù)量。

從如圖7所示的模擬結(jié)果來看，將雙級氣液分離器上一級氣液分離器外管和中心管之間的連接管孔從原來的4個(gè)φ16mm減少到1個(gè)φ10mm，就可以使出口含氣量從原來的10%下降到0%。

圖7 雙級氣液分離器不同內(nèi)外管連接孔分離效果對比

圖8是結(jié)構(gòu)優(yōu)化后雙級氣液分離器30s(下沖程)時(shí)一二級氣液分離器不同部分流場圖。從圖8a、b可以看到，中心管流體向下流動(dòng)，即一級氣液分離器分離的水流到了二級氣液分離器中；二級氣液分離器進(jìn)液口處的流體是從氣液分離器向套管流動(dòng)，即二級氣液分離器分離出的氣從二級氣液分離器流回到套管中。

由此可見，在抽油機(jī)下沖程時(shí)，一級氣液分離器分離出的水進(jìn)入了二級氣液分離器，二級氣液分離器分離的氣進(jìn)入了套管中[10]。

圖9是結(jié)構(gòu)優(yōu)化后雙級氣液分離器35s(上沖程)時(shí)一二級氣液分離器不同部分流場圖。從一級氣液分離器外管與中心管連接孔流場(圖9a)可以看到，抽油泵吸入的介質(zhì)來源于兩個(gè)部分，即一級氣液分離器的連接孔、二級氣液分離器中心管。從二級氣液分離器進(jìn)液口流場(圖9b)可以看到，中心管流體向上流動(dòng)，即二級氣液分離器分離的水流到了抽油泵中；二級氣液分離器進(jìn)液口處的流體從套管向氣液分離器流動(dòng)，即將套管介質(zhì)吸入到二級氣液分離器中。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后一二級氣液分離器30s(下沖程)時(shí)流場圖

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后一二級氣液分離器35s(上沖程)時(shí)流場圖

圖10是結(jié)構(gòu)優(yōu)化后一、二級氣液分離器各自出口流量和氣液分離器總流量，從各部分流量來看，一二級氣液分離器流入抽油泵的量相差不大，氣液分離器總流量為7.00×10-4m3/s，一級氣液分離器平均流量是2.57×10-4m3/s，二級氣液分離器平均流量是4.43×10-4m3/s。由于一級氣液分離器在抽油機(jī)下沖程時(shí)分離出的液相會(huì)流到二級氣液分離器中，因此使得二級氣液分離器流量大，更能有效發(fā)揮雙級氣液分離器的作用。

圖10 改進(jìn)后雙級氣液分離器各級氣液分離器流量隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

4.1 對一級和二級外管與中心管連接孔都是4個(gè)φ16mm的氣液分離器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，單級氣液分離器工作時(shí)下沖程分離出的水完全進(jìn)入抽油泵，而雙級氣液分離器工作時(shí)下沖程一級氣液分離器分離的水進(jìn)入了二級氣液分離器中最終流入了套管中，而在上沖程時(shí)二級氣液分離器又沒有將水流入抽油泵，因此雙級氣液分離器分離效果不如單級氣液分離器。

4.2 通過將一級氣液分離器的外管與中心管連接孔由 4個(gè)φ16mm減少到1個(gè)φ10mm，二級氣液分離器的外管與中心管連接孔4個(gè)φ16mm不變，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后下沖程一級氣液分離器分離的水部分進(jìn)入了二級氣液分離器，二級氣液分離器分離的氣流入套管中，而在上沖程時(shí)二級氣液分離器分離出的水流入抽油泵，因此雙級氣液分離器分離效果高于單級氣液分離器。

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TheStructureOptimizationandSeparationPerformanceSimulationofSingle-DoubleStageGas-LiquidGravitySeparator

YE Wei-dong1, QIU Ting-ting1, CHEN Jing-yi1, HAN Dao-quan1,GAO Yu2
(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity; 2.ResearchInstituteofPetroleumProduction,DaqingOilfieldCo.,Ltd.)

Considering the single-stage gas-liquid gravity separator’s incapability to separate the entire gas effectively when a 80% air void is seen in the well, a double-stage gas-liquid separator was employed to reduce gas content and improve the production efficiency. Having Fluent software adopted to simulate separation efficiency of the single-double stage gas-liquid separator and to optimize the structure of the double-stage gas-liquid separator was implemented so that the structure parameter with better separating effect and better-adapted to the actual well conditions can be obtained.

gas-liquid gravity separator, single-double stage, Fluent, numerical simulation

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541098)。

葉衛(wèi)東(1975-)，副教授，從事機(jī)械采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。

聯(lián)系人韓道權(quán)(1966-)，副教授，從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的研究，13845958603@163.com。

TQ051.8

A

0254-6094(2017)03-0322-06

2016-08-01，

2016-12-22)

(Continued from Page 275)

(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity)

AbstractThrough making use of CO2gas shielding, both microstructure observation and mechanics property analysis of 35CrMo gear’s overlaying and joints were implemented to show that, taking NER70S-6 as filling wire can bring about good welding joint; and on the weld interface, the columnar crystal grows up between the welding seam area and fusion zone, and at the position far from the welding seam, a side-plate ferrite, acicular ferrite and Widmannstatten structure can appear; and in normalized zone of the heat affected area, the two times of recrystallization generate tiny pearlite and ferritic structure.The microhardness in the seam area of welding joint can reach HV220 at most and the micro hardness in the heat affected zone stays at about HV200.

Keywords35CrMo, gear, overlaying, welding technology