蔡萌 王羕 孫春龍 宋陽(yáng) 周廣玲 杜偉山

1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；3.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

地面采出液含水率的不斷升高已成為制約各油田經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，大慶、遼河等開(kāi)發(fā)中后期老油田對(duì)高效含油污水處理技術(shù)的需求愈發(fā)迫切，僅大慶油田薩中某采油廠地面采出液含水率降低1個(gè)百分點(diǎn)，每天便可減少0.5×104m3含油污水的產(chǎn)液，環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益可觀［1-3］。井下油水分離同井注采技術(shù)是解決地面采出液高含水及采出液量過(guò)多的有效手段［4］。通過(guò)井下油水分離裝置在井筒內(nèi)部完成油水分離，利用同井注采工藝在油井井筒內(nèi)將采出液直接舉升至地面，回注水則直接注入回注水層，在降低采出液含水率的過(guò)程中，減少了地面采出液總量，縮短了回注水的循環(huán)流程，極大降低了采出液舉升及回注水的能耗，減輕油田環(huán)保壓力，延長(zhǎng)特高含水井及高含水井的經(jīng)濟(jì)開(kāi)采周期，是各油田降本增效、提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措［5-6］。

大慶油田、遼河油田等國(guó)內(nèi)油田先后進(jìn)行了井下油水分離同井注采技術(shù)的科研攻關(guān)，并將其作為延長(zhǎng)油田全生命周期的重要技術(shù)，目前進(jìn)入礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)階段［7-8］。旋流器作為井下油水分離同井注采技術(shù)的核心分離裝置，其性能優(yōu)劣直接決定該技術(shù)的成功與否，因此研發(fā)新型井下軸流式入口旋流器，在縮小旋流器徑向尺寸的基礎(chǔ)上，提高其分離性能，確保裝置的可靠性，擴(kuò)展旋流器的應(yīng)用界限，進(jìn)一步提升井下油水分離技術(shù)的可行性、可靠性，為特高含水油田開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持［9-11］。

1 新型軸流式旋流器

如圖1所示，常規(guī)旋流器(Ⅰ型旋流器)因生產(chǎn)制造工藝簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低廉、分離性能優(yōu)越受到各生產(chǎn)廠商的喜愛(ài)，但其雙切向入口的經(jīng)典結(jié)構(gòu)限制了其在國(guó)內(nèi)陸地油田的進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)常規(guī)旋流器(主直徑56 mm)不便于在油井主流套管(套管內(nèi)徑118 mm)內(nèi)布置多重過(guò)液通道的缺點(diǎn)，研發(fā)新型軸流式入口旋流器，以軸流式入口替代雙切向入口，縮小旋流器的徑向尺寸，并通過(guò)入口內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)形式對(duì)流體進(jìn)行造旋運(yùn)動(dòng)，使流體在進(jìn)入旋流腔時(shí)可獲得足夠的離心力以完成油水兩相的高效分離［12-14］，從而實(shí)現(xiàn)井下油水分離多重過(guò)液通道優(yōu)化布置的目的。如圖2所示，螺旋葉片軸流式旋流器(Ⅱ型旋流器)螺旋葉片位于入口段后方，固定于旋流器內(nèi)部，對(duì)流經(jīng)的流體進(jìn)行強(qiáng)制造旋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)流體進(jìn)入旋流器入口并流經(jīng)螺旋葉片時(shí)，因螺旋葉片的特殊結(jié)構(gòu)使流體在螺旋葉片內(nèi)部流動(dòng)時(shí)由軸流運(yùn)動(dòng)變?yōu)閺?qiáng)制的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體運(yùn)移出螺旋葉片并進(jìn)入旋流腔時(shí)即擁有了可觀的旋轉(zhuǎn)速度，該旋轉(zhuǎn)速度同時(shí)具備3個(gè)速度分量：切向速度、徑向速度、軸向速度。流體進(jìn)入旋流腔后，因油水兩相密度差及流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心作用，使油滴在向下運(yùn)移的過(guò)程中逐漸向旋流器軸心處聚集，最終在穩(wěn)流錐頂部(穩(wěn)流錐長(zhǎng)159 mm)形成穩(wěn)定的油核（準(zhǔn)強(qiáng)制渦），向溢流口方向運(yùn)動(dòng)并由溢流口排出旋流器內(nèi)部；而水則沿錐段內(nèi)部做向下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成準(zhǔn)自由渦，最終由底流管流出旋流器，完成油水兩相的旋流分離。此結(jié)構(gòu)中，溢流口、底流口內(nèi)流體的流動(dòng)方向相反。

圖1 常規(guī)旋流器Fig.1 Conventional hydrocyclone

圖2 螺旋葉片軸流式旋流器Fig.2 Helical blade axial hydrocyclone

如圖3所示，導(dǎo)流葉片軸流式旋流器(Ⅲ型旋流器)導(dǎo)流葉片亦固定于旋流器內(nèi)部，同圖2所示結(jié)構(gòu)中螺旋葉片具有相似的作用。流體在導(dǎo)流葉片底部獲得足夠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，在旋流器內(nèi)部因密度差、離心力的共同作用，油滴向軸心處運(yùn)動(dòng)形成準(zhǔn)強(qiáng)制渦并沿軸心向溢流口運(yùn)動(dòng)，最終從溢流口排出旋流器；水則在油核外部形成準(zhǔn)自由渦，沿旋流器內(nèi)壁向底流口方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并由底流口排出旋流器。此結(jié)構(gòu)中，溢流口、底流口內(nèi)流體的流動(dòng)方向相同。

圖3 導(dǎo)流葉片軸流式旋流器Fig.3 Guide vane axial hydrocyclone

2 數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)定

對(duì)3種旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究其流場(chǎng)分布、油水兩相分離趨勢(shì)及壓力分布特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件確定模擬參數(shù)，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。旋流器的入口流量為5.7 m3/h；連續(xù)相水密度為0.998×103kg/m3，黏度為1.003 mPa · s；分散相油密度為0.889×103kg/m3，黏度為1.06×103mPa · s，油滴直徑設(shè)定為0.5 mm并均勻分布于連續(xù)相水中。流體含油量為體積的2%，溢流分流比為20%，底流分流比為80%(均依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井實(shí)際數(shù)據(jù)所定)。

入口流量可換算成流速，故設(shè)定為velocity inlet邊界條件，水力直徑為各旋流器的入口當(dāng)量直徑；溢流口和底流口因無(wú)回流，設(shè)置為outflow邊界條件［15-16］。應(yīng)用強(qiáng)旋湍流運(yùn)動(dòng)的RSM模型(雷諾應(yīng)力模型)求解旋流器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使用SIMPLE算法與Mixture模型求解油水兩相的不可壓縮流體域，將相同介質(zhì)顆粒假設(shè)為直徑相等的球體，只考慮流體對(duì)顆粒的曳力作用，忽略其他較小作用力和顆粒間的相互碰撞［17-18］。運(yùn)用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)流體域物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)流體流動(dòng)方向產(chǎn)生突變的雙切向入口、螺旋葉片及導(dǎo)流葉片處流體進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，對(duì)各模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，以排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果的影響。

3 模擬優(yōu)選

3.1 油相分布

如圖4所示，常規(guī)旋流器內(nèi)油水分離過(guò)程主要發(fā)生在小錐段，表現(xiàn)為小錐段內(nèi)軸心處顏色鮮艷、油核突出明顯，在壁面上油相體積分?jǐn)?shù)不明顯，說(shuō)明此處無(wú)油相分布或油相極少。小錐段頂端及末端油相體積分?jǐn)?shù)有所減少，這是因?yàn)樵谛髑粌?nèi)產(chǎn)生了循環(huán)流，干擾向溢流口方向運(yùn)動(dòng)的油核，使油滴有所發(fā)散；小錐段末端與底流管主要起穩(wěn)定流場(chǎng)的作用，且此處流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?nèi)?、含油減少使離心分離作用降低，故在此處的油相體積分?jǐn)?shù)有所減少。Ⅲ型旋流器因其同向出流的特殊結(jié)構(gòu)形式，最大程度避免了循環(huán)流的產(chǎn)生，降低了軸心處油滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)散的可能性，有效保證了旋流器的分離性能。Ⅱ型水力旋流器由于異向出流的原因，同Ⅰ型旋流器相似，在旋流腔、大錐段內(nèi)出現(xiàn)循環(huán)流，使油滴在旋流器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中有所發(fā)散，影響Ⅱ型旋流器的分離性能，對(duì)其分離效率產(chǎn)生了一定的影響。

圖4 3種旋流器整體油相分布云圖對(duì)比Fig.4 Oil phase distribution in three types of hydrocyclones

3.2 速度場(chǎng)分析

由圖2、圖3可知，新型軸流式旋流器的入口結(jié)構(gòu)不同，則旋流器內(nèi)部的流體速度分布存在差異，因此選取距離旋流腔頂部30 mm的位置，對(duì)旋流器速度場(chǎng)進(jìn)行分析，研究其切向速度、徑向速度、軸向速度的分布規(guī)律。

如圖5所示，Ⅱ型旋流器具有較大的速度矢量，表明在2種入口結(jié)構(gòu)對(duì)流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)作用時(shí)，Ⅱ型旋流器的螺旋葉片使流體獲得更大的旋轉(zhuǎn)速度。旋流器的入口結(jié)構(gòu)不同，但速度矢量具有相同的分布趨勢(shì)。在截面S處，2種旋流器的速度矢量呈中心對(duì)稱分布，流場(chǎng)穩(wěn)定，速度矢量從旋流器壁面向軸心處的變化為先增高后降低，速度矢量梯度的存在有利于油滴向軸心處運(yùn)移，便于油水兩相充分分離。

圖5 旋流器S截面處速度矢量對(duì)比Fig.5 Velocity vector on S section of hydrocyclones

3.2.1 切向速度

如圖6所示為2種新型軸流式旋流器在S截面處的切向速度分布對(duì)比曲線。從圖中可知，2種新型旋流器的切向速度是對(duì)稱分布的［19］。以徑向位置0點(diǎn)左側(cè)為例，從旋流器壁面開(kāi)始，隨著半徑的減小，切向速度存在先增大后減小的趨勢(shì)，在最大切向速度分界點(diǎn)至0點(diǎn)位置這一區(qū)域內(nèi)，切向速度逐漸減小，在中心點(diǎn)處(0點(diǎn)位置)切向速度變?yōu)?，其分布規(guī)律同已知的水力旋流器切向速度的結(jié)論相同。Ⅱ型旋流器具有較高切向速度，其切向速度差值達(dá)到3.5 m/s，理論上有助于提高旋流器內(nèi)部的離心加速度和離心力，但過(guò)高的切向速度將造成油滴的乳化現(xiàn)象，降低旋流器的分離效率。Ⅲ型旋流器雖具有較低的切向速度，其切向速度差值為1.2 m/s，但能夠有效減少油滴的乳化作用，提高分離效率。

圖6 旋流器S截面處切向速度對(duì)比曲線Fig.6 Tangential velocity on S section of hydrocyclones

3.2.2 徑向速度

如圖7所示為2種新型軸流式旋流器在S截面處的徑向速度分布對(duì)比曲線。由圖可知，旋流器的徑向速度雖有所波動(dòng)，但仍呈現(xiàn)出較好的對(duì)稱性，且2種新型軸流式旋流器的徑向速度在該截面處變化規(guī)律基本相似，徑向速度從壁面處至軸心位置均表現(xiàn)為增大、降低、增大、降低、增大的趨勢(shì)，該分布趨勢(shì)有利于流體中的油滴向軸心處運(yùn)動(dòng)，且短距離內(nèi)較大的徑向速度差值利于油水兩相的離心分離，提高分離效率。Ⅱ型旋流器在徑向速度變化時(shí)產(chǎn)生方向的改變，且徑向速度的差值大于Ⅲ型旋流器，Ⅱ型旋流器徑向速度差值為0.21 m/s，Ⅱ型旋流器徑向速度差值為0.05 m/s。這是由于螺旋葉片對(duì)流體的強(qiáng)制造旋作用大于導(dǎo)流葉片，且Ⅱ型旋流器為異向出流的原因。

圖7 旋流器S截面徑向速度對(duì)比曲線Fig.7 Radial velocity on S section of hydrocyclones

3.2.3 軸向速度

如圖8所示為2種新型軸流式旋流器在S截面處的軸向速度分布對(duì)比曲線，可以明顯看出Ⅱ、Ⅲ型旋流器的軸向速度分布趨勢(shì)，二者軸向速度均在旋流器壁面附近指向底流口方向達(dá)到最大值(軸向速度指向底流口方向?yàn)樨?fù))，在達(dá)到最大值后軸向速度隨著半徑的減小而減少，直至減少至軸向速度為0的位置［20］；當(dāng)半徑繼續(xù)減小時(shí)，軸向速度反向指向溢流口，在軸心附近(油核處)即0點(diǎn)位置達(dá)到該方向的最大值，與部分學(xué)者關(guān)于旋流器軸向速度的流場(chǎng)理論相一致［21］。

圖8 旋流器S截面軸向速度對(duì)比曲線Fig.8 Axial velocity on S section of hydrocyclones

從平衡軌道理論、存留時(shí)間理論可知，油水兩相介質(zhì)在有限的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)到其相應(yīng)的平衡軌道，且顆粒停留足夠的時(shí)間，是進(jìn)行高效離心分離的前提條件。各尺寸顆粒占據(jù)其相對(duì)應(yīng)的平衡軌道，大尺寸顆粒比小尺寸顆粒的平衡軌道半徑要大。進(jìn)入平衡軌道后，大尺寸顆粒旋轉(zhuǎn)向底流口運(yùn)動(dòng)，形成運(yùn)移連續(xù)相水的準(zhǔn)自由渦；小尺寸顆粒向溢流口運(yùn)動(dòng)，形成運(yùn)移離散型油的準(zhǔn)強(qiáng)制渦。準(zhǔn)自由渦和準(zhǔn)強(qiáng)制渦的分界面即為0軸向速度包絡(luò)面LZVV(Locus of Zero Vertical Velocity)［22］，軸心速度過(guò)大將會(huì)使LVZZ的分界點(diǎn)向軸心處移動(dòng)，使油滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法在相應(yīng)平衡軌道停留足夠的時(shí)間，降低離心分離作用，影響旋流器的分離性能，故軸向速度相對(duì)較低的Ⅲ型旋流器(軸向速度差值為1.5 m/s)更有利于油水兩相的高效分離。

3.3 壓力分布

旋流器依靠流體的壓力損失而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓力降是離心力產(chǎn)生的直接來(lái)源，在入口流量相同時(shí)，壓力降較低意味著旋流器具有較低的能耗。圖9為3種不同入口結(jié)構(gòu)旋流器在溢流口、S截面處壓力降對(duì)比曲線，由圖可知Ⅱ、Ⅲ型具有同Ⅰ型常規(guī)旋流器相似的溢流壓力降對(duì)稱分布趨勢(shì)，軸心處壓力降達(dá)到最大值，Ⅲ型旋流器的溢流壓力降最低，僅為0.02 MPa。截面S處壓力降的曲線，驗(yàn)證了壓力降以軸心處為基準(zhǔn)，呈中心對(duì)稱的分布趨勢(shì)。Ⅲ型旋流器的壓降同樣最低，為0.015 MPa，即在處理量相同的工況下，Ⅲ型旋流器在能耗方面更占優(yōu)勢(shì)。

圖9 不同旋流器壓力降對(duì)比曲線Fig.9 Pressure drop in different hydrocyclones

3.4 優(yōu)選分析

入口結(jié)構(gòu)為螺旋葉片、導(dǎo)流葉片的軸流式旋流器均具有相似的壓力降分布規(guī)律，呈對(duì)稱分布，壓力降隨半徑的減小而增大，在軸心處達(dá)到最大值。導(dǎo)流葉片軸流式旋流器壓力降小于常規(guī)旋流器和螺旋葉片軸流式旋流器，應(yīng)用時(shí)能耗較低。入口結(jié)構(gòu)為螺旋葉片、導(dǎo)流葉片的軸流式旋流器，其切向速度、徑向速度、軸向速度均為對(duì)稱分布，在壁面與軸心處的數(shù)值較高，中間過(guò)渡地帶速度值較低。這種兩邊高、過(guò)渡地帶低的速度分布，有利于速度梯度的形成，可增加離心分離效果，提高旋流器性能。

Ⅱ、Ⅲ型軸流式旋流器，利用螺旋葉片、導(dǎo)流葉片代替雙切向入口，在保證分離性能的同時(shí)，減少了旋流器徑向尺寸，降低了旋流器所占用的徑向空間，拓展其應(yīng)用范圍。通過(guò)旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)特點(diǎn)、分離性能、節(jié)約能源的對(duì)比分析，導(dǎo)流葉片軸流式旋流器具有更多優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)油控水”。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)常規(guī)水力旋流器應(yīng)用于井下油水分離同井注采工藝中結(jié)構(gòu)尺寸受限的問(wèn)題，研發(fā)了新型井下軸流式入口旋流器，并通過(guò)流場(chǎng)分布、壓力分布、油相分布3個(gè)方面的綜合研究，優(yōu)選導(dǎo)流葉片軸流式旋流器應(yīng)用于井下油水分離同井注采工藝。

(2)導(dǎo)流葉片軸流式旋流器雖具有較高的分離效率、較低的能耗，但研究中僅對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，未進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)優(yōu)化，下一步計(jì)劃對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

(3)井下油水分離同井注采技術(shù)多用于高產(chǎn)液的特高含水油井，需進(jìn)一步研發(fā)微型旋流器，以滿足井下油水分離同井注采技術(shù)在低產(chǎn)液井的需求。