螺杆泵转速对油水旋流分离管流场特性的影响

旋流分离器在井下采油螺杆泵作用下会发生复杂的振动现象,对旋流分离器内部流场造成一定影响。为研究螺杆泵不同转速下旋流分离器内部流场的变化规律,以同井注采工艺中螺杆泵作用下的旋流分离管柱为研究对象,针对振动壁面旋流分离管柱结构及工作特点,基于计算流体动力学方法、计算固体力学方法以及流固耦合理论,建立流固耦合力学模型;利用流固耦合分析方法,对双螺杆泵转动条件下井下旋流分离管柱内速度场、油相分布、涡量及湍动能等流场特性进行分析。分析结果表明:随着螺杆泵转速升高,分离器内切向速度和轴向速度强度逐渐减弱,径向速度的不对称性逐渐加剧,转速的周期性变化还会造成径向速度场分布的偏移;螺杆泵不同转速下旋流分离器内部涡量分布不同,随着转速升高,溢流管以及锥段部分附近相关流场的涡旋明显增强;旋流器溢流口附近油相体积分数会随着螺杆泵转速的升高而减小;不同螺杆泵转动状态下,大颗粒油滴的分布不同。所得结果可为螺杆泵井下旋流分离同井注采系统的设计及螺杆泵的转速设定提供参考。

井下旋流分离管柱的振动特性研究

为研究旋流分离管柱在注入泵和采出泵两螺杆泵抽吸条件下的振动特性,对其进行模态分析和瞬态动力响应分析。结果表明,不同工况下,旋流分离管柱的固有频率有所不同;固定注入泵一端和固定采出泵一端相比,固定采出泵一端各阶固有频率较小;螺杆泵转动引起的激振力和内部流量变化都会导致管柱变形,其中螺杆泵转动对旋流分离管柱变形影响较大;相对于固定采出泵,固定注入泵条件下旋流分离管柱产生的振动位移更大,是旋流分离管柱自身结构和注入泵转速产生更大激振力综合作用导致的结果;控制两个螺杆泵工作状态的时间差,理想情况下可以控制旋流分离管柱的总变形。

稠油采出液油水分离旋流工作参数优化研究

针对稠油相对于常规采出液分离难度大的特点,以螺旋流道形旋流器为基础设计了一套稠油产出液高效处理工艺流程,并通过数值模拟方法对旋流分离装置的运行操作参数进行优化模拟对比分析,研究了不同入口流量、分流比以及入口含水体积分数对流场和整体分离效率的影响规律。研究结果表明:旋流器螺旋流道结构可实现稠油介质油相的聚结,实现稠油采出液油水两相的分离;当Ⅰ-1旋流器入口流量为5 m^(3)/h,分流比为0.4,含水体积分数为95%,Ⅰ-2旋流器分流比为0.3时,Ⅰ-1旋流器、Ⅰ-2旋流器分离效率分别为96.44%、99.76%;当入口含油质量浓度为15200 mg/L时,第一级底流出口含油质量浓度1275 mg/L,第二级底流出口含油质量浓度1359 mg/L。研究结论可为稠油处理的工艺流程设计和操作参数优化提供借鉴。

采出液黏度对三相分离旋流器性能的影响

三相分离旋流器是一种用于油田三元采出液气液固三相分离的新型旋流器。基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件Fluent,采用雷诺应力模型(Reynolds stress model,RSM),开展不同采出液混合液相黏度变化对气液固三相分离旋流器速度场、压力特性和脱气除砂效果影响的数值模拟对比分析。研究结果表明:在黏度不大于6.42 m Pa·s时,旋流器受黏度增大的影响,切向速度幅值成降低趋势,切向速度均值降低12.4%,整体上,在研究范围内,该结构旋流器速度场受黏度变化影响相对较小;在黏度不大于6.42 m Pa·s时,旋流器脱气效率和除砂效率均高于80%,旋流器脱气效率最高可达95.97%、对应除砂效率95.19%;研究范围内,混合液黏度变化对旋流器压力降影响较大。随着黏度增加,旋流器溢流压力降逐渐减小、底流压力降逐渐增加。根据相似参数准则,制作了旋流器试验样机,并开展了现场采出液室内试验。模拟与试验结果吻合良好,从而验证了模拟计算结果的可靠性。研究可对适合高黏度介质分离三相分离旋流器的设计提供参考。

采出液中固相颗粒对三相分离器性能的影响

为研究采出液中固相颗粒对气液固三相分离器性能的影响,基于计算流体力学软件Fluent,模拟分析三元驱采出液内所含的固相颗粒粒度及含量变化对三相分离旋流器处理固相体积分数分布、速度场和除砂分离效果的影响。结果表明:入口固相颗粒粒度变化对其径向速度影响较大,呈线性影响关系,颗粒粒径越大,流向旋流器器壁的径向速度越大,粒径不同对切向速度和轴向速度影响较小;固相含量增加,旋流器固相质量分离效率呈先增大后减小的趋势。

分流比对旋流器油水分离性能影响的模拟研究

应用计算流体动力学(CFD)方法,针对不同分流比对旋流器油水分离性能和压力特性的影响进行模拟研究,利用指数坐标系对比分析了分流比对旋流器的速度、压力降、压降比和分离效率的影响及其变化规律。通过分析发现,分流比变化主要影响旋流器内部轴向速度分布,压降比随分流比的增大线性增加,而综合效率随分流比的增大先增大后降低,当分流比为20%时,所设计旋流器的综合效率最高,且质量效率和简化效率均高于95%。

基于油滴粒度测量的螺旋分离器数值模拟与实验

受多因素影响,基于激光衍射法粒度测量实验获得的分散相粒度分布难以直接用于数值模拟计算。采用离散化方法,将粒度仪测得的分散相油滴粒度分布处理为多组颗粒典型粒径及其体积占比替代分布形式。通过开展螺旋分离器油水分离CFD模拟研究与实验数据对比可见,将实测粒径分布曲线分布离散化方法,可用于分离器结构参数、操作参数的模拟研究与分析。

不同入口形式油水分离旋流器数值模拟的对比分析

基于计算流体力学(CFD)软件Fluent中的雷诺应力模型(RSM),对4种不同单向入口油水分离旋流器进行数值模拟分析,对比了4种结构的压力损失、湍流强度、切向速度和除油效果。结果表明,入口结构对油水分离旋流器的分离性能影响较大。在本研究范围内,收缩形入口旋流器(结构B)分离效率最低,为83.2%;螺旋线形入口旋流器(结构C)的分离效果最理想,可达到92%以上,且压力损失和能量消耗比渐开线形入口旋流器(结构D)的小。本文可对油水分离旋流器入口结构的设计和改进提供参考。

聚结—旋流分离装置流场特性的数值模拟分析研究

为了提高水力旋流器的分离效果,提出了一种新型旋流分离装置。根据计算流体动力学方法,应用Fluent软件,以同向出流倒锥式旋流器为原型,模拟了一种新型旋流分离装置——聚结—旋流分离装置,并与同向出流倒锥式旋流器进行对比分析。优选出聚结—旋流分离装置的最佳入口流量、入口含油体积分数、切向水相出口分流比。

湍流模型在圆管螺旋流场模拟中的应用与对比

基于计算流体动力学分析软件Fluent,分别采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型及雷诺应力方程模型(RSM)4种湍流模型,对环空圆管内螺旋流单相流体流动进行模拟。重点分析了不同湍流模型计算的速度、速度矢量及涡量场分布,得出在模拟螺旋流道内强旋流方面,RSM具有更为明显的优势。利用量纲一分析方法将数值模拟结果与其他研究者的PIV实测结果对比,验证了RSM数值模拟结果的准确性。从量纲一压力随轴向位置变化曲线来看,环空圆管螺旋分离器虽然结构简单,但依然存在较为复杂的湍流流场分布,如何形成高效、稳定的分离流场是接下来研究的重点。

基于Fluent网格变形的旋流器的形状优化

目前,旋流器的流体结构优化主要局限于单参数的尺寸优化;大多采用多组网格分别模拟的方法;不仅费时,而且对于微小的尺寸变形常常难以操控。当旋流器的分离效率优化到一定峰值后,进一步提高则比较困难。为解决这一问题,提出了基于网格变形的形状优化方法。以旋流器的分离效率为目标,采用ANSYS Fluent的网格变形方法,优化了旋流器的外形结构,将旋流器的分离效率由原来的95.69%提高到了99.18%,并对比分析了优化前后的压降、速度和油相体积分布。研究结果表明:Fluent网格变形器驱动网格节点的平滑变形,可以同时实现变形区域的结构参数的优化组合,以及优化迭代的自动化和智能化,具有良好的全局搜索能力和较强的鲁棒性;Fluent网格变形优化算法能够缩短CAD建模的时间,避免网格重构;可在单一尺寸优化的基础上,在一定范围内提高旋流器的分离效率。

基于正交的二次分离旋流器结构优选数值分析

一体化二次分离旋流器是在单体旋流器内部进行二次分离的一种新型旋流器。利用正交法,基于计算流体动力学软件,分别对一级溢流管长度、圆柱段长度、二级溢流管伸入长度、二级锥段角度、底流管长度等结构进行优选。设置油相体积分数为2%、油滴粒径为30μm的混合液作为研究介质。首先采用单一指标的方法找出分离效果最优的结构,然后将优选后的结构与初始结构进行了对比验证。此方法可为水力旋流器的结构参数优选提供参考。

基于正交法的一体化二次分离旋流器结构参数优选

主要研究了一体化二次分离旋流器结构的初步设计,利用正交试验法,检验一级溢流口直径、二级溢流口直径、底流口直径对旋流器分离效果的影响。确定分离效率为正交试验中的指标,针对试验结果分别利用直观分析法和方差分析法进行分析,验证2种方法的一致性,并对因素进行了显著性检验,发现在研究范围内3种因素均对旋流器整体的分离效果无明显影响。

黏度对三相分离旋流器性能影响的数值模拟

三元复合驱是一种重要的驱油技术,但三元成分复杂,给采出液的处理增加了难度。针对原设计的用于水驱采出液处理的三相分离旋流器,采用Fluent软件,进行了不同黏度变化对三相分离旋流器压力特性和脱气除砂效果影响的数值模拟分析。结果表明,随着黏度的增大,旋流器除砂出口压力损失逐渐增大,分离效率呈降低趋势,脱气除砂效果均受到影响。若用于高黏度介质的处理,必须对现有三相分离旋流器结构进行改进设计。

气泡直径对旋流器气液分离的影响

为了研究气液旋流器内气泡直径对分离和流场的影响,以内锥式气液旋流器为原型,分别设计了3种不同内锥结构的旋流器,建立了网格模型并做了网格无关性验证,网格质量检查结果良好。针对气液混合介质中的气泡单一直径和3种不同直径的组合,应用FLUENT软件,模拟分析4种结构旋流器的切向速度和分离效果。研究表明:分离单一直径气泡时,随着直径的增大,溢流口气相体积分数先增加后减少;分离多种直径气泡混合介质时,随着直径的增大,溢流口气相体积逐渐减少;改变内锥形状可以改善分离效果,分离某一直径气泡的相对最优结构用于分离另1种直径气泡未必是相对最优结构;分离不同直径气泡的相对最优结构可能并不相同。

旋流器磨损研究进展

介绍了旋流器磨损方面的研究进展,包括利用数值模拟、现场及实验室试验对水力旋流器壁面磨损位置、影响磨损的关键部位的结构参数和操作参数,以及为提高旋流器使用寿命对内衬材料和自身结构进行的改进,并对减缓旋流器壁面磨损的发展趋势作了简要分析。研究表明:旋流器不同位置的磨损率不同,可根据该情况设置耐磨层,在旋流器易磨损部位采用耐冲击磨损较佳的内衬材料,通过材料的差异化提高旋流器耐磨性能或者在旋流器靠近壁面位置引入其它结构而改变该区域流体流动情况,减缓旋流器壁面磨损。随着人们对旋流器壁面磨损的不断开发,其在石油、化工等行业得到了越来越广泛的应用,减缓旋流器壁面磨损,提高其耐磨性能,对工程应用具有实用意义。

轴流式脱气除砂三相旋流分离器操作参数优选

针对一种新型轴流式脱气除砂三相旋流分离器,利用数值模拟分析软件Fluent,对旋流器进行全流场数值模拟,研究得出了旋流器内部速度分布规律、压力降特性和气相、固相体积分数分布情况,对分离器进行变处理量和分流比(溢流、侧向)操作参数的对比分析,优选得出分离器最佳分离性能下的处理量、溢流分流比和侧向分流比分别为6.4m3/h、40%和4%。

锥角变化对旋流除砂性能影响的数值模拟

针对在油田开展采出液除砂的必要性进行了介绍,对所研究的除砂型旋流器结构和基本原理进行了说明。利用数值模拟软件Fluent,将某油田现场采出液作为分离对象,对主直径为56mm的除砂旋流器进行变锥角结构数值模拟研究。得出不同锥角结构旋流器的速度场、压力降和砂相体积分数分布的变化规律,并对不同锥角结构旋流器的除砂分离效率进行了对比。研究表明:当锥角为5°时,旋流器内部产生的切向速度最大,底流出口砂相体积分数分布最高,但也伴随着较大的压力降,所完成的砂相分离效率最高为96.30%。

轴流式两级一体化水力旋流器结构参数优选

为实现采油井筒井下等有限空间内开展油水高效分离处理,设计了一种新型轴流式两级一体化水力旋流器,对旋流器9种不同结构参数对分离性能的影响规律进行了系统研究,并对结果进行了试验验证。依据各结构参数对旋流器分离效率的影响,确定了最佳结构参数,获得最高分离效率为96.38%、溢流压降为89.42 kPa;重点对二级稳流锥角参数变化对质量效率影响并不稳定的原因进行探究,研究发现特定的二级稳流锥角为12°时,在二级稳流锥角外壁面处不产生循环流,且在总溢流口上方位置会产生回流现象,从而可最大程度提高分离效率;旋流器内的循环流和回流也会影响压降的变化,增大溢流压降更有利于油相分离。本文研究可为轴流式水力旋流器的结构设计及实际应用提供参考。

内锥直径对脱气除砂一体化旋流器影响研究

随着油田开发的深入,采出液的含砂量及伴生气量逐渐增加,另外随着聚合物驱油和三元复合驱油技术的推广应用,使油井采出液的分离难度加大。实现油田高效脱气、除砂已成为急需解决的技术问题。内锥式脱气除砂一体化三相介质分离水力旋流器的应用,简化了油气集输处理工艺,分离效率高,并使能耗降低。通过室内试验,研究了旋流器的内锥直径对脱气、除砂效果和压力损失的影响,优选内锥直径为30mm,入口流量为1.1m3/h,溢流分流比为60%。