井下微型气液旋流分离器优化设计与性能分析

针对采油井筒内产出液含气对油田同井注采开发模式的不利影响,基于旋流分离原理提出一种井下微型气液旋流分离器结构。借助Plackett-Burman设计、最陡爬坡设计与响应曲面设计结合计算流体动力学方法,对井下微型气液旋流分离器结构参数进行显著分析及优化设计,构建了显著性结构参数与分离效率间的二次多项式数学关系。系统分析了入口进液量、分流比及气相体积分数对气液分离性能的影响规律。构建室内微型气液旋流分离性能测试系统,对数值模拟结果的准确性及优化结果的高效性进行了验证性试验。试验结果表明优化后的微型气液旋流分离器结构可使液相效率由优化前的84.10%提高到87.22%。获得了微型气液旋流分离器最佳溢流分流比为6%,最佳入口流量为13.77 L/h,最适用的气相体积分数为5.5%,最佳工况下气液平均分离效率为99.66%。为了指导分离器在不同含气量条件下的最佳运行参数调控,构建了气相体积分数及溢流分流比与分离效率间的数学关系模型,获得了不同气相体积分数条件下的最佳分流比。     

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%。     

超重力水力聚结分离器流场分析与性能评估

采用离散相模型以脱油型水力旋流器为研究对象,分析了不同粒径油滴粒子在旋流场内的运移轨迹,得出随着粒径的增大旋流器的粒级效率逐渐升高。基于油滴运移轨迹设计了一种水力聚结旋流分离装置,可在旋流分离前端通过水力聚结使小颗粒油滴聚并成大颗粒油滴,进而增强旋流分离性能。开展室内试验对水力聚结分离器的分离性能和适用性进行验证。结果表明:粒径在100～900μm范围内随着油滴粒径的逐渐增大,旋流分离效率逐渐升高;水力聚结器可在油滴进入旋流分离器前使油滴碰撞聚结致使离散相油滴粒径分布增大,从而提高旋流器分离效率,其最佳入口进液量在4. 12m~3/h左右,最佳分流比为20%。     

脱气除砂一体化旋流器采出液处理技术

设计了单锥型同轴式脱气除砂一体化三相分离旋流器,针对油田水驱采出液开展了室内模拟试验研究,检验了其处理效果。对水驱和三元复合驱采出液的处理效果开展了数值模拟分析对比,结果表明:该旋流器在用于水驱和三元驱采出液脱气除砂处理时,均表现出较为优良的分离性能。     

脱水型与脱油型旋流器两级串联的现场实验研究

研究采用了两级旋流器串联的旋流工艺,通过第一级脱水旋流器和第二级脱油旋流器的联合作用,对含油体积分数为40%左右的采出液进行预处理。基于对两级旋流器分离效率、压力场和油相分布的数值模拟,建立了现场试验工艺流程,对模拟结论进行验证和分析。数值模拟结果在现场实验中可信度高。当采用最佳操作参数时该工艺可获得较高的综合分离效率。溢流汇合后的低含水油完全可以达到电脱水处理工艺的进入指标,而第二级旋流器底流排出液的含油率也达到了进入污水处理站的指标要求。     

注气对油水分离水力旋流器流场影响模拟分析

采用雷诺应力湍流模型、混合模型和离散相模型对注气型油水分离水力旋流器进行数值模拟,得到其内部流场的速度分布和油滴粒子运动轨迹,分析对比了注气前后进口流量、分流比和充气量对分离效率的影响,数值计算结果与文献实验值进行了比较。结果表明,充气后流场速度增加,油滴粒子逃逸时间缩短,旋流器分离效率提高5%~10%,在一定条件下气浮对旋流分离起到强化作用。     

含气条件对井下油水分离旋流器性能影响的数值模拟

为探究气体对井下油水旋流器性能的影响规律,针对新型螺旋流道倒锥式旋流器,采用Fluent软件对气液比分别为0.01、0.03、0.05、0.08、0.10时旋流器的油相分布进行模拟分析。通过对比分析发现:不含气时旋流器的分离效率为89.31%;在结构参数和分流比不变的条件下,旋流器分离效率随气液比的增加呈降低趋势,气液比为0.10时,分离效率为36.90%;气液比越大,溢流口的油相体积分数越小,底流口的油相体积分数越大;溢流口和底流口的压力损失随气液比的增大而递减。     

聚结破碎模型在水力旋流器模拟中的应用与对比

为研究不同聚结破碎模型对油水分离水力旋流器内油滴粒径分布特性的影响,以双锥式水力旋流器为研究对象,采用计算流体动力学方法加载群体平衡模型,开展12种不同聚结破碎模型组合方案的数值模拟研究。通过开展室内分离性能及粒度分析实验对不同方案模拟结果进行筛选及验证。结果表明:luo聚结与luo破碎组合模拟得出的旋流器底流口油滴粒径体积分数最高在320μm处,占比为45%,与实验结果最接近,说明采用luo-luo组合模型模拟旋流器内油滴的聚结破碎特性较准确。旋流器内油滴粒径值由轴心到边壁呈环形对称的减小趋势,而湍动能变化呈环形对称的增大趋势;不同操作参数条件下luo-luo组合方案的质量效率模拟结果与实验值呈现出较好的一致性,均随入口处理量与溢流分流比的增大先升高后降低,且在处理量为5.23 m~3/h,分流比为30%时,质量效率达到最大值94.6%。     

油井采出液预分水用轴向水力旋流器的实验研究

高含水油井采出液的高效预分水是目前油气集输处理领域面临的关键难题之一，轴向水力旋流器因具有结构紧凑、分离效率高等优点而得到了国内外的广泛关注。本文针对自主研发的油井采出液预分水用轴向水力旋流器开展了室内实验研究。与切向水力旋流器对比，轴向水力旋流器不仅分离效率更高，而且油出口处的油滴聚结长大近1.8倍，在分水率高于50%的情况下，水出口处的含油浓度低于1000mg/L；轴向水力旋流器压降较低，且压降比与分流比呈线性相关。分流比、含水率和流量对分离性能均有显著影响，其中分流比的变化直接影响油核的大小和稳定性，室内样机的最佳分流比为0.45，当含水率为90%、处理量为1.00m³/h时分水率与含油浓度分别为62.9%和432.8mg/L；含水率高于75%时分离性能良好；室内样机的最佳流量为1.50m³/h。自主研发的轴向水力旋流器不仅满足性能要求，而且在操作弹性、可控性方面较切向水力旋流器均有一定的提升。     

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%。     

基于雷诺应力模型的脱油旋流器流场特性研究

采用雷诺应力模型(RSM)对油水分离用水力旋流器进行了数值模拟,模拟出了循环流和短路流现象,得到了内部流场的轴向速度、径向速度和切向速度的分布规律;模拟结果与实验结果吻合较好,说明该湍流模型和计算方法的选取是正确的;另外,针对油相体积分数为2%,油滴粒径为40μm的混合介质进行分析,得出了油水二相的体积分数分布。在旋流器的轴心处油相体积分数最大,最大处混合介质中含油体积分数高达98.9%;在壁面附近体积分数很小,说明该水力旋流器的分离效果较好。通过数值模拟为进一步研究水力旋流器内部流场的分布和结构优化设计奠定了基础。     

Development of a new type high-efficient inner-cone hydrocyclone

Performance of a hydrocyclone can be influenced by many factors, such as structural type, geometric parameters and operation parameters, among which the structural type plays a very important role. The separation principle of a typical hydrocyclone was introduced. Focused on a gas–liquid separation, numerical simulation of the typical hydrocyclone was carried out. The gas phase fraction distribution was analysed. It is shown that the separation effect was not satisfactory. A revising idea was thus proposed and developed step by step, so a new inner-cone hydrocyclone (ICH) was designed. The inner-cone structure was thought to provide a more stable flow field for phase separation. It functions like a gas carrier that is beneficial for radially separated gas congregating on and growing into larger gas bubbles. It also produces an upward pushing force to gas bubbles, so as to enhance the gas–liquid separation performance, although the ICH has lower inner tangential velocities than the typical hydrocyclone. Numerical simulation and experimental study verified the analysis. Pressure drop of the ICH is much lower than that of the typical hydrocyclone; and the ICH has a wider scope for the change of liquid split ratio or inlet gas–liquid ratio. Development of the ICH would provide a new thought for the design of other separators.     

Mathematical modelling of a hydrocyclone for the down-hole oil–water separation (DOWS)

In this study, a mathematical model is developed to predict the efficiency of a down-hole oil–water separation hydrocyclone. In the proposed model, the separation efficiency is determined based on droplet trajectory of a single oil droplet through the continuous-phase. The droplet trajectory model is developed using a Lagrangian approach in which single droplets are traced in the continuous-phase. The droplet trajectory model uses the swirling flow of the continuous-phase to trace the oil droplets. By applying the droplet trajectory, a trial and error approach is used to determine the size of the oil droplet that reaches the reverse flow region, where they can be separated. The required input for the proposed model is hydrocyclone geometry, fluid properties, inlet droplet size distribution and operational conditions at the down hole. The model is capable of predicting the hydrocyclone hydrodynamic flow field, namely, the axial, tangential and radial velocity distributions of the continuous-phase. The model was then applied for some case studies from the field tested DOWS systems which exist in the literature. The results show that the proposed model can predict well the split ratio and separation efficiency of the hydrocyclone. Moreover, the results of the proposed model can be used as a preliminary evaluation for installing a down-hole oil–water separation hydrocyclone system in a producing well.     

基于旋转分相单元的电容式气液两相流含液率测量

为提高电容器对含水率测量的能力,设计与其相匹配的旋转分相单元,以实现气液两相流含水率的起旋分相式电容测量。在电容传感器的测量单元基础上,增加旋转分相单元,利用气液两相流体力学理论对其结构进行设计优化,并根据实际应用条件确定分离圈数,保证气液分相效率。旋转分相单元克服了气液两相流流动形态的多样性,将体积含水率信息转换成液膜厚度信息及截面含水率信息进行测量。经实验验证,Lockhart-Martinelli截面含气率模型与实验中电容器测量截面含气率具有良好的一致性,其能够实现对体积含水率20%以内的气液两相流有效测量,体积含水率的绝对误差在±2%以内。     

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。     

工业废油异构旋流三相分离装置去固结构及优化

工业废油脱水去固处理是其资源化工艺的重要环节,为高效地去除废油乳化液中的水和固体颗粒杂质,提出一种能够实现油-水-固相高效分离的异构旋流三相分离装置。装置结构及其参数是影响油-水-固三相分离效率的关键因素。于是,通过耦合多相流控制方程、群体平衡和稀疏颗粒条件下的颗粒追踪方程,忽略颗粒对整体质量守恒和动量守恒的影响,建立了异构旋流三相分离数值模型,通过模型考察了分离装置去固段结构对去固脱水效率的影响,并进一步优化了分离装置去固段的结构参数。计算与实验结果表明：装置去固段结构的变化会显著影响异构旋流三相分离装置的去固性能,对脱水率的影响不明显;最佳底流管、去固管和侧流管直径分别为6、15和6 mm时,装置侧流口的固体颗粒回收率和脱油率同时达到最高,可达87%以上,为设计研制高性能工业废油资源化装置提供理论和技术支撑。     

Modeling fluid behavior and droplet interactions during liquid-liquid separation in hydrocyclones

A mechanical separation process in a hydrocyclone is described in which disperse water droplets are separated from a continuous diesel fuel phase. This separation process is influenced by droplet-droplet interaction effects like droplet breakup and coalescence resulting in a change of droplet size distribution. A simulation model is developed coupling the numerical solution of the flow field in the hydrocyclone based on computational fluid dynamics with population balances. The droplet size distribution is discretized and each discrete droplet size fraction is assumed to be an individual phase within a multiphase-mixture model. The droplet breakup and coalescence rates are defined as mass transfer rates between the discrete phases by the aid of user-defined functions. All model equations are solved with the CFD software package FLUENT™. The investigations show the impact of the cyclone geometry on the coupled population and separation dynamics. Cyclone separators with an optimized geometry show less steep velocity gradients increasing the coalescence rates and improving the separation efficiency. The calculated droplet size distributions at the cyclone overflow and at the underflow show good accordance with experimental data. The basic modeling approach can be extended and adapted to other disperse multiphase flow systems.     

除油旋流器内油滴粒径的分布

引　言随着油田水处理技术的发展 ,除油旋流器的使用越来越普遍 .油滴粒径是影响油水分离旋流器性能的一个重要因素 ,它直接影响到旋流器的分离效率及含油污水处理能力 ,防止油滴破碎是油水分离旋流器研究者们共同感兴趣的问题 ,本文研究了旋流器进口粒径变化与旋流器各段分离效率之间的关系以及进口流量、分流比等对旋流器各段边壁油滴粒径的影响 .1　实验装置实验流程如图 1所示 .清水由螺杆泵输送 ,通过螺杆泵可以调节旋流器的进口流量 .油由计量泵注入螺杆泵入口管线中 ,与水充分混合 ,通过调节计量泵的流量可以调节油水混合物的油含量 …