气井井筒跨音速气水分离与旋流排液技术

气井井筒跨音速气水分离技术主要基于超音速喷管与跨音速翼流动机理,通过喷管将流体加速,温度快速下降,致使饱和水凝结成液滴并从旋流天然气中分离出来.由于液滴在喷管冷凝时滞留时间仅有1ms左右,不易形成水合物,不需要加入水合物抑制剂等化学药品,可避免有害化学物的再生.将该技术用于气井井筒的结构设计,对天然气流经跨音速翼进行了数值模拟,获得了流体在流场中的流动规律.     

轴流式气-液旋流分离器分离特性

针对内部设有中心体的轴流式气-液旋流分离器,根据液滴在分离器内部旋流场的受力情况,建立分离器分离效率模型。实验发现,当液滴直径大于10 μm时,通过理论模型求得的液滴粒级分离效率与实验值吻合较好;在一定气速范围内,减小导流叶片出口角、增加中心体直径以及减小排气管直径均能够提高分离效率,即对于一定结构的分离器,存在相应的临界气速能够使分离器的分离效率达到最大值,随气速继续增大,分离效率呈下降趋势。根据实验结果提出分离器在不同工况下的设计准则,当气速高于临界气速时,为保证分离器分离效率,维持较低压降,设计导叶出口角为45°,中心体直径与筒体直径比为0.5,排气管直径与筒体直径比为0.85,分离器长度与筒体直径比为3。当入口气速低于临界气速时,可根据理论模型对分离器结构参数进行调整。     

直流式旋流分离器的结构分析与优化

为研究中心体对直流式旋流分离器分离性能的影响,通过在分离器内部设置中心体,利用数值模拟的方法,对分离器内部旋流场、压力场、速度场及分离效率进行了分析。分析结果表明:增设中心体能够占据分离器内部分离死区,增强内部流场的稳定性,减少二次涡流的影响,尤其能够提高对微小液滴的分离效率;中心体直径的增大能够提高分离器的分离效率,当中心体直径与筒体直径比值大于0. 5时,液滴的分离效率显著提高,但也会造成较大的压降损失;通过研究不同气速下分离器分离效率与压降变化的规律,提出不同工况下中心体直径的取值范围,当入口气速高于10 m/s时,中心体直径与筒体直径比值取0. 5,当气速较低时,应结合现场工况对分离效率和压降的要求,增大中心体直径。所得结论可为直流式旋流分离器的优化设计及现场应用提供指导。     

天然气跨音速流动过程的数值模拟

在节流装置喷管段,借助收敛一扩张喷管,将流体速度提高到音速,随之增大管径,继续使流体加速,达到跨音速流动状态,来进一步降低下游温度,使天然气中的饱和水凝结析出;在旋流段,使流体流经跨音速翼,诱导产生高速旋转运动,将游离水滴甩出,附着在管内壁上;在回压段,使流体的压力,温度回升,减小压力损失;此时流体流速达到超音速状态,再绕三角翼产生旋流,液体在管壁流动,气体在管道中央旋流,实现了气水分离。     

地面旋流油水分离器分离效率试验研究

为了研究旋流油水分离器的影响因素,优化其关键结构尺寸,获得最佳使用工况,开展了旋流分离器的油水分离试验。研究结果表明:随着进液口直径的增大,分离效率先增大后减小,圆锥段角度表现出同样的规律。随着排油口直径的增大,分离效率逐渐减小,圆柱段长度则表现出相反的规律。随着工作压力的增大,分离效率先迅速增大后相对稳定,最后迅速降低。随着排量的增加,分离效率先基本稳定在最优值而后骤降。随着油水比和原油黏度的增大,分离效率呈现出先缓慢下降而后迅速下降的规律。在本试验条件下,旋流油水分离器最优的结构参数组合为进液口直径12 mm,排油口直径3 mm,圆锥段角度11°,圆柱段长度70 mm。优化后的旋流油水分离器的最佳工作压力为1.5～4.0 MPa,日处理量控制在45 m³以内,适用于油水比低于20%、原油黏度低于40 mPa·s的工况。研究结果可指导地面旋流油水分离器的设计及现场应用。     

双场耦合破乳脱水装置中乳化油液滴聚结与破碎的数值分析

针对依靠单一的破乳方法或手段,难以对乳化油进行有效地脱水净化处理的问题,运用一种集成电场破乳和旋流离心脱水于一体的双场耦合破乳脱水装置,使油中液滴在电场中聚结增大,在旋流离心场的作用下快速实现油-水分离。由于乳化油中液滴在双场耦合装置中的动态聚结和破碎,对装置的油-水分离性能影响较大,且过程复杂,通过电聚结核函数和破碎核函数,建立群体平衡模型,模拟了双场耦合脱水装置中乳化液滴的聚结和破碎。计算结果表明：外加电压对液滴聚结产生重要影响,随着电压升高,液滴平均粒径和分离效率先增大,随后保持稳定;当U=11 kV时,相对于无电场条件,液滴平均粒径增大了60%,分离效率提高了27.5%;较低的入口流速虽对液滴聚结有利,但降低了油-水在装置中的分离效果,因此存在最佳入口流速。计算结果对装置参数设计与选择具有较好的指导意义。     

轴流式气液旋流分离器分离效率计算及验证

分离效率是轴流式气液旋流分离器的主要性能指标之一。在分析轴流式气液旋流分离器内液滴运动受力情况的基础上,对其分离效率计算公式进行了推导,并借助于试验结果对理论公式进行了修正,修正后的半经验公式计算值与试验值吻合较好。     

油水分离旋流器的模拟分析与结构优化

根据计算流体动力学(CFD)的原理和方法,以流场数值模拟为基础,利用大型流体计算软件对油水分离旋流器内流体的运动规律进行了模拟分析。在模拟分析基础上,以提高分离效率为目的对油水分离旋流器的入口流道形式、溢流出口直径和旋流腔长度进行了优化设计。在实际应用中,应用计算得到的优化结构,可以提高旋流器分离效率8%左右。     

旋流板式除雾器与折流板除雾器性能对比的数值模拟

利用计算流体力学(CFD)方法,采用RNG k-e模型、欧拉模型和欧拉液膜模型,对旋流板式除雾器与折流板除雾器的内部流场进行数值模拟,探寻不同液滴粒径、不同进口气速对两种除雾器的两相压力降和分离效率的影响。结果表明:随着液滴粒径的增大,旋流板式除雾器与折流板除雾器的两相压力降均基本无变化,两除雾器的分离效率均不断提高;相同液滴粒径下,旋流板式除雾器的两相压力降和分离效率均比折流板除雾器大;液滴粒径为10μm时,随着气速的增大,旋流板式除雾器的分离效率不断提高,而折流板式除雾器的分离效率基本无变化;随着气速的增大,两除雾器的两相压力降均不断增大,但旋流板式除雾器的两相压力降增大的速度更快;折流板迎风侧发挥分离作用的主要区域是弯道下部区域和靠近折流板流道出口的区域。     

稠油旋流除砂影响因素

稠油携砂给地面生产设施及外输管道带来严重安全隐患,而稠油的高黏特性造成油砂分离困难。优化旋流器结构,探索旋流器高效除砂的进料条件范围对实现高黏稠油旋流除砂具有重要意义。为此,利用数值模拟方法,研究了不同稠油黏度、含水率和旋流器几何结构下的除砂率和压降。结果表明：油水混合液黏度对砂粒分离效率影响显著,远大于旋流器结构对除砂效果的影响;旋流器结构参数中的入口直径、溢流口直径、锥段长度对旋流场和除砂率影响最显著;控制分流比可减少油相从底流口流出,减少资源浪费,但在高黏低含水率条件下调控分流比才具有效果和意义。该研究结果可为稠油旋流除砂器结构优化和旋流除砂工艺设计提供借鉴。     

旋流对二氧化碳超声速凝结特性的影响

为了研究旋流对超声速喷管中CO₂凝结特性的影响,基于气-液两相流动控制方程、凝结模型和CO₂表面张力模型,建立了CO₂-CH₄二元混合气体旋流凝结流动的数学模型,模拟了CO₂在超声速喷管中的旋流凝结过程。数值结果表明：在旋流流动过程中,CO₂凝结成核过程中释放大量潜热传递给周围介质,使过冷度迅速下降,气体重新达到平衡状态,此时气体过冷度依然大于0,为液滴的生长创造了良好的环境。强旋流和壁面边界层的存在导致凝结参数沿喷管径向分布不均匀,并且增加旋流强度会增大液滴碰撞几率和喷管液化效率,但旋流强度增大同样会限制气体膨胀特性和喷管过流能力。     

气液分离器的模拟实验

对气液分离器模拟实验技术进行了研究 ,其核心是分离效率的准确测量和实验过程中雾滴粒度及浓度的控制。采用稀盐水 -空气作为实验介质 ,通过测定进出口盐水中Cl- 浓度的变化计算蒸发率 ,进而得到分离效率。该分离效率的测量结果不受空气湿度和温度的影响 ,误差小于 0 5 %。考察了双流道喷嘴雾化粒径的影响因素 ,并提出了雾滴粒度及浓度的控制方法 ,并探讨了雾滴浓度及粒径对分离效率的影响     

一种旋流+膜联合油水分离器流场数值模拟

相对于单原理油水分离方法而言,利用旋流+膜联合原理进行油水分离是一种新的油水分离方式。为提高井下油水分离性能,探讨一种联合原理的油水分离器。建立旋流+膜联合油水分离器的物理数学模型,并用数值模拟的方法计算其中的流场分布规律,针对不同分流比、入口流速和入口含油体积分数对其性能进行系统研究。结果表明：分流比的变化影响第一级和第二级出油口相汇流动规律,应用时应进行性能核算从而保证两级分离的效果;随着入口流速的增大,旋流+膜分离性能逐渐更优,若流速过低,则旋流+膜分离性能较差;随着入口含油体积分数增大,旋流所分离的油相占比减小,留给膜分离的油相占比增大,即含油体积分数较大时,旋流+膜联合油水分离的应用更有必要。     

降压脱气对溶CO2原油乳液中水滴稳定性的影响

通过对CO₂在油/水/乳液中的溶解度、溶CO₂原油的流动性、溶CO₂后油-水间的界面特性、溶CO₂原油乳液的稳定性、油-水界面压力变化的测试与计算,分析溶CO₂原油乳液在降压脱气过程中水滴稳定性的变化规律。结果表明：溶CO2原油乳液中,沥青质等界面活性物质能够迅速地迁移并吸附于油-水界面,并微弱提高油相对CO₂的溶解能力,并使得油-水界面张力快速降低,界面弹性模量增大,降低界面扩张损耗角;溶入CO₂能够降低油相黏度,提高水滴沉降速率,使得原油乳液的分油率增大;降压脱气时,水相中CO₂气泡的析出、长大,迫使水滴膨胀,降低界面上活性物质的浓度,减小了油-水界面压力,使得水滴的聚结稳定性变差,增大了原油乳液的分水率。     

旋流喷嘴内超临界流体闪蒸过程的数值模拟

旋流喷嘴内超临界流体中沥青溶质的体积分数分布对颗粒成形有重要影响。根据减压相变传质传热理论开发了闪蒸相变模型,采用自定义函数(UDF)的方式植入到CFD软件Fluent中。将闪蒸相变模型耦合多相流混合模型用于研究旋流喷嘴内超临界流体的闪蒸相变过程,分析旋流喷嘴内压力、速度、温度和各相浓度分布,以预测旋流喷嘴对颗粒成形的影响。结果表明,旋流喷嘴内三相介质分层流动,从而实现戊烷溶剂与沥青溶质的预分离,有利于形成粒径较小且密实的沥青颗粒。     

风城油田超稠油污水旋流分离技术

风城超稠油具有密度高、黏度高、胶质和沥青质含量高,采出液泥砂含量高,以及存在多重乳液形态等特点,这些特点使得采出液油水分离难度大,分离出的污水含油量高,污水处理药剂用量大,系统运行效率低,处理成本高。旋流分离是一种实现高温密闭处理,提高分离效率、污油回掺处理效果的经济、高效处理技术。通过风城超稠油污水旋流分离技术的研究与应用,形成了超稠油污水旋流除油-化学反应处理技术,补充完善了新疆油田污水离子调整旋流反应法处理技术,为超稠油污水处理探索了新途径。     

电场对乳化废油双场耦合分离影响的数值分析

由于单一工艺手段难以有效地完成高含水废油的破乳脱水处理，以脱水型水力旋流器为单元本体，嵌入高压电极，可高效实现废油乳化液的高压电场和旋流离心场耦合破乳脱水处理。通过建立双场耦合分离数值分析模型，结合流体控制方程，借助用户自定义函数法，计算分析了电场条件对旋流离心场中油-水混合液速度场分布及分离效率的影响。数值结果表明，高压电场嵌入脱水型水力旋流器对双场耦合单元内部流场分布影响较小,其中切向速度有较小增加，有利于乳化液的油 水分离，而轴向速度无明显变化；然而，高压电场对油-水分离效率有明显地促进作用，溢流口脱水率及底流口脱油率分别提高了12.45%和22.20%。废油乳化液双场耦合破乳脱水处理要优于单一场处理方法。     

Investigation of Kinetic and Rheological Properties for the Demulsification Process

Chemical demulsification process is the most widely applied method of treating water in crude oil emulsions and involves the use of chemical additives to accelerate the emulsion breaking process. Hence, five demulsifiers were prepared in two steps. In the first step, the nonyl phenol was polymerized with formaldehyde to obtain five different molecular weights polymers. In the second step, the resulting polymers were ethoxylated with 50 ethylene oxide units and propoxylated with 10 propylene oxide units, yielding (D₁–D₅). The demulsification efficiency of these demulsifiers was investigated. The influence of viscosity on the droplet diameter for water-in-crude oil emulsion with three different ratios; 30:70, 50:50 and 70:30 (v/v) w/o emulsions were examined. The results showed that, the viscosity of w/o emulsion was strongly augmented by increasing volume of water before reaching the inversion point. The yield point which is required to start the flow decreases with decreasing water percent. The coalescence rate increases with increasing drop size for D₅ as a representative sample. Results show that, the droplet size increases with increasing water content. The efficiency of water separation increases as the molecular weight increase.