旋流除砂器流场特性分析

于 驰，王 刚，王景昌，詹世平

（1．大连大学 环境与化工学院，辽宁 大连 116622；2. 大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

常规旋流器以其结构简单、维护方便的优点在分离机械中占有重要的地位[1,2]。但是，随着现代工业的发展，各行各业对旋流分离器提出了更高的要求。为了提高常规旋流分离器的性能，多年来专家学者们设计制造了各种结构形式的旋流器[3-10]。

早在1891年，Bretney就在美国专利上申请了第一个旋流器专利。1914年水力旋流器正式应用于磷肥的工业生产。20世纪60年代以后，人们开始将旋流器用于试验设备以及其他更广泛的工业领域，主要有矿产冶金行业中的颗粒分级、矿物质回收与水处理，化学工业中液液萃取、固-液滤取、结晶，空间技术中的零重力场分离，机械加工行业中回收润滑油及贵重金属，电子工业中回收稀有金属，生物化学工程中的酶、微生物的回收，食品与发酵工业中的淀粉、果汁、酵母等与水的分离，石油工业中的油水分离、油水气分离与油水泥分离等。目前，旋流器已经在广泛的领域被认同，而且其应用领域也越来越多[11-14]。

为解决油田采出液携砂的问题，目前我国油砂分离仍普遍采用传统方法，如大罐沉降分离、筛管过滤等。国外已经研制推出了可用于分离和消除井液中固体颗粒的固相/液相旋流除砂装置。大罐沉降分离，它的占地面积大、重量重、投资及运行成本高。筛管过滤容易发生堵塞，定期除砂的周期短。与传统的过滤除砂装置比，旋流除砂具有结构紧凑，作业简便等优点，旋流式除砂器利用油砂密度不同，将流体成切线方向引入到旋流除砂器的壳体内，重力与旋片的作用将固体颗粒推向旋流器的外侧，并且向下运行至分离器分出物出口。在分离器壳体中产生的次生液体旋流作用，使得液体向上运移，并且通过旋流探测器从溢流出口排出，砂粒沉入油井底部的油管外侧环形空间，而不会发生堵塞现象，除砂周期长。旋流除砂器是一种油田钻井中广泛使用的钻井液固相控制设备。在井队现场使用中，它除砂除泥综合效果好，分离效率高，不易堵塞，可有效地去除钻井液中有害固相，大大减轻现场工人劳动强度。

将旋流分离作为高效除砂设备的研究方向，建立旋流除砂器三维模型，利用FLUENT对旋流除砂器的内流场进行数值模拟，得到旋流除砂器的流场特性，通过所得结果来分析旋流除砂器的运动规律，以此对旋流除砂器的工作情况进行深入的分析，证明用结构简单、能耗低、除砂效率高的旋流除砂器进行油井井底除砂行之有效。

1 旋流除砂器主要结构及安装

旋流式除砂器安装在油田油井的井下抽油泵入口前。当进行采油作业时，由于压力的作用，原油获得一个向上的速度。夹带一些砂粒的油水混合液进入经旋流器壳体外壁上的多个小孔进入旋流除砂器壳体内。由于旋流除砂器旋片的作用，液流在旋流除砂器腔内旋转向下运动。由于砂粒重度较大，在离心力和重力的作用下，砂粒沿旋流除砂器的内壁旋转向下运动，经外出砂口沉入油井底部的油管外侧环形空间。

液流进入旋流除砂器腔内旋转向下运动的同时，油水混合液通过被挤进入旋流除砂器的溢流管上开设的多个溢流孔，进入旋流除砂器的溢流管内，并在管内向上运动，通过位于旋流除砂器壳体中心上方的壳体接头进入抽油泵以达到除砂的目的。

旋流除砂器主要有外壳、射孔、旋流片、溢流孔、溢流管、除砂口和溢流口组成，如图1所示。射孔分布在外壳四周，旋片在外壳与溢流管之间，在溢流管底部周围分布着溢流孔，除砂口在旋流除砂器的底部，溢流口在旋流除砂器的上端。

图1 旋流除砂器结构示意图

2 旋流除砂器建模与数值模拟

2.1 模型建立

在不影响计算结果的前期下，对旋流除砂器进行适当的简化。建立旋流除砂器三维数值模型如图 2与图3所示，其中图2为旋流除砂器的旋片结构，图3为旋流除砂器的剖面结构。

图3 剖面结构

图2 旋片结构

将建立的三维数值模型导入FLUENT前处理软件GAMBIT中，进行边界面的设置。如图4所示，其中面1为原油入口，面2为除砂后石油出口，面3为泥沙沉降面。

将设置好边界面的有限元模型导入FLUENT中，进行网格检查后，模型如图5所示。

图5 FLUENT模型

图4 GAMBIT模型

2.2 参数与边界条件的设置

入口施加速度边界条件：0.4 m/s，当量直径：0.058 m，出口施加速度边界条件：0.38 m/s，当量直径：0.04 m，湍流强度均为5%，其他均设置成固定壁面边界条件。选择多相流计算模型，采用两相流计算，分别为原油相与砂砾相。设原油相为第一相，砂砾为第二相，同时确定他们的物理参数。

壁面效应是旋涡和湍流的主要来源，因此近壁区的处理对数值求解结果的准确性有显著影响。由于在靠近固体壁面的区域内，湍流底层的粘性作用增强而湍流扩散相对减弱，致使作用于高雷诺数下的湍流输运方程已不能严格有效。本文采用标准壁面函数法处理边界湍流，以给出正确的壁面切应力。

3 结果分析

经过数值计算，得到旋流除砂器的流场特性分布图。图6所示为旋流除砂器内流体迹线，可见流体在旋片区域的螺旋运动形式，外部液体向下流向底流口形成外旋流，在旋流过程中由重力作用砂砾往旋流除砂器的底部沉降，内部液体平稳的向上流向溢流口，从而实现旋流分离。

图7为旋流除砂器纵向剖面的速度矢量分布图。从图中可以看出，流体在旋片区域沿旋片向下旋转流动，其速度分布紊乱。在旋流除砂器底部为砂砾的沉降区，其速度分布规则。中间为旋流除砂器溢流的速度分布，流体进入溢流管后速度分布有紊乱到规则变化。

图8至图10为旋流除砂器在模拟计算过程中的沉降分布云图，由计算结果可以得到，随着模拟计算步骤的增加，在旋流除砂器底部的砂砾沉积量越来越多，可以看出旋流除砂器的除砂功能。

图6 旋流除砂器流体迹线图

选取其中三个结果进行分析，分别为沉降初期，沉降中期，和沉降后期。图8所示为沉降初期砂砾沉降图，从图中可以看出，砂砾已经开始在出砂口慢慢沉积，砂砾的浓度自上向下逐步增加，在出砂口处浓度达到最大，此时，流体则自下而上浓度逐渐增加，在出砂口浓度最小。

沉降中期，如图9所示，砂砾进一步沉降，出砂口底部的砂砾浓度增加，表明砂砾在出砂口沉积量增加，此时流体在出砂口处的浓度有所减小。

沉降后期，如图10所示，砂砾完全沉降，出砂口砂砾浓度增加到最大，此时，砂砾开始在出砂口处大量堆积，需要采取一定措施，对已经大量堆积的砂砾进行清理。以免砂砾堆积过多，对流体与机械设备产生影响。一般来说，旋流分离器每隔一段时间就要清理一次，保证设备整体的正常运转，当砂砾浓度达到一定程度时，就需要进行及时清理。

从数值模拟结果来看，流体在旋片区域以螺旋运动形式为主，外部液体向下流向底流口形成外旋流，在旋流过程中由重力作用砂砾往旋流除砂器的底部沉降，内部液体平稳的向上流向溢流口。在旋片区域沿旋片向下旋转流动，其速度分布紊乱。在旋流除砂器底部为砂砾的沉降区，其速度分布规则。中间为旋流除砂器溢流的速度分布，流体进入溢流管后速度分布有紊乱到规则变化。

图8 沉降初期沉降分布云图

图9 沉降中期沉降分布云图

随着沉降时间的增加，旋流除砂器底部的砂砾沉积量越来越多，一般砂砾的浓度自上向下逐步增加，在出砂口处浓度最大，而流体则自下而上浓度逐渐增加，在出砂口浓度最小。同时，可以观测沉降浓度，以判断旋流除砂器的除砂功能。

4 结论

本文涉及一种新型旋流除砂器，应用此旋流除砂器进行原油除砂，对除砂过程进行数值计算。根据工程实际情况，进行旋流除砂器结构设计，分析旋流除砂器结构，对旋流除砂器流场进行数值模拟计算，分析其流场特性，对沉降情况进行观察。可以看出，此旋流除砂器能够达到施工要求，沉降效果理想，并与实际情况相适应。

对于旋流除砂器的流场的分析，能够对未来新型旋流除砂器的设计与制作提供理论分析依据，可以指导油田除砂施工，为解决油田的除砂问题提供数值分析基础。

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