井下两级旋流分离技术流场模拟研究

大庆油田有限责任公司采油工程研究院

因开采技术、开采地层条件的共同限制，在原油开采过程中往往伴随大量含油污水的产生[1-2]，部分油田含水率已超过90%，为地面分离、储运系统带来巨大负担，需配套大量的地面设施以解决含油污水对生产系统的影响。大量含油污水的存在不仅增加油田的生产成本，降低了经济效益，同时增加了油田的环保压力。全国每年因原油生产而产生的废水超过4×108t，已成为油田污水的最主要来源[3]。通过改进开采技术，降低油田生产过程中产生的大量含油污水，缓解含油污水对油田企业所造成的发展阻碍，已成为全球油田企业、环保部门、生态保护组织等各方的关注焦点。

1 井下油水分离技术

20 世纪90 年代在工业生产中出现了井下油水分离DOWS（Downhole oil-water separation）技术[4-5]。DOWS 技术同传统油田分离技术相比，既不需要庞大的地面处理装置，也不需要化学试剂的参与，在井下原油套管内即可完成油水两种介质的分离[6]，图1 为井下油水分离工艺示意图[4]。该项技术在保障原油采收率的过程中，极大地减少了含油污水的产生，降低地面水处理费用，保护了油田所在地的生产环境，是一项一举多得的新型采油工艺。水力旋流器因结构简单、分离效率高、分离用时短、便于安装及维护[7]，是DOWS系统的首选分离装置[8-11]。

图1 井下油水分离工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of downhole oil-water separation process

然而，井下工作的单级旋流器操作参数往往不易调节，最佳工作区间较为固定，对井况变化的适应能力较弱[11]。主要原因是：井筒内部环境复杂，采出液中含有较多杂质，易磨损、堵塞旋流器的入口，使其工作性能随时间的累积而降低[12-13]；另一方面，井下采出液的流动较地面环境复杂，往往呈现脉冲流动方式，对旋流器的最佳处理量范围有较高要求，分离效率受井况变化影响较大。而井下两级旋流分离技术在克服单级旋流器工作区间狭小的基础上，可进一步降低地面采出液量及采出液含水率，极大提升地下回注水水质，减小地面无效水循环，降低地面水处理设备的投入。该工艺由两个不同结构的旋流器单体组成，分别为新型螺旋流道式旋流器和Thew 常规双切向入口旋流器，通过两级旋流器串联应用，可在降低采出液规模的基础上，达到提高采出液含油浓度，降低回注水含油量[14]，提升回注水质量的目的。

2 流场分析

为了解两级串联系统内部流场规律并对两级串联系统进行结构优化，对两级串联旋流器的内部流场进行了研究，分析其速度场、压力场的变化特征，为结构优化提供可行性的研究方向。为便于研究各部分的流场规律，对串联系统不同位置的流场截面均进行了研究，图2 为井下两级旋流装置三维结构简图，一级旋流器（Hy1）为螺旋流道旋流器，对油水两相的混合液进行初分离；二级旋流器（Hy2）为Thew 常规双切向入口旋流器（经典结构，仅简要分析），对一级底流液体进行二次精细分离。在Hy1 及Hy2 内部选取不同轴向位置的径向截面，以便于观察不同位置的流场分布，径向截面选取位置如图3。

图2 井下两级旋流装置三维结构简图Fig.2 Three-dimensional structure diagram of downhole twostage cyclone device

DOWS 系统的结构简图只包含旋流分离的核心部位，依次为：一级旋流器、两级旋流器过渡结构、二级旋流器。图4 为简化后的井下两级旋流装置网格划分示意图，通过网格独立性检查[15]，确定模型的网格划分数量（约为48 万网格），以避免精度引起误差[16]，在一级旋流器的螺旋流道及二级旋流器的切向入口处进行网格加密以减小网格的扭曲变形。

2.1 速度矢量

图3 井下两级旋流装置径向截面划分示意图Fig.3 Schematic diagram of radial section division of downhole two-stage cyclone device

无论是螺旋流道的新型螺旋流道式旋流器还是Thew 常规双切向入口旋流器，均是靠入口结构改变流体的原有运动方式，使其经过入口的特殊结构后具有切向速度vt、轴向速度vz、径向速度vr这三个方向的速度分量。对于旋流分离来说，切向速度vt的大小直接影响油水两相介质的分离程度，对旋流器来说至关重要[17]。

图4 网格划分示意图Fig.4 Schematic diagram of mesh generation

从Hy1 内各径向截面速度矢量图（图5）可知，流体在螺旋流道两侧的速度矢量是不同的，螺旋流道两侧的速度矢量差异明显，经过螺旋流道的加速作用后，流体速度得到明显提升，说明螺旋流道可提高介质流动速度，增加介质所受离心力的作用。随着介质在Hy1 轴向方向的进一步运动，在截面Ⅲ处表现出以轴心为中心点，中心、壁面处速度矢量明显高于过渡位置的现象，说明介质所受离心力在此处发生较大变化，有利于油滴向轴心位置移动，水向壁面位置移动，利于混合介质的分离。当流体运动至截面Ⅳ时，轴心处流体速度明显降低，这是因为该位置的流场受循环流的影响较为严重，使流场发生了紊乱。在截面Ⅴ位置上，靠近轴心处位置明显小于其他位置，这是因为该段结构主要起到稳定流体流场的作用，不在此结构内发生旋流分离。

图5 Hy1 径向截面速度矢量分布Fig.5 Vector distribution of radial cross section velocity in Hy1

在Hy1 轴向截面速度矢量图（图6）中可明显地看到，当流体从入口处进入螺旋流道后，因螺旋流道的特殊结构使流体的速度矢量快速增加，令流体在进入旋流腔后能够保持高速的旋转运动，为油水两相的分离创造了必要条件。在Hy1 的溢流管附近可以看到较为明显的循环流，具体表现在轴心处向上运动的流体在溢流口附近发生运动方向的改变，部分流体由朝向溢流管运动变为逃逸至溢流管外部，再次参与流体的旋流分离，并不断重复此过程。进行循环流的这部分流体除占据其他流体正常的运动区域外，还将造成旋流器内部的流场紊乱，降低分离性能。在二级旋流器的溢流管下方同样发生了循环流，令轴心处流体的运动轨迹发生改变，如图7 所示，循环流是影响旋流器分离性能的共性问题。

图6 Hy1 轴向截面速度矢量分布Fig.6 Vector distribution of axial cross section velocity in Hy1

2.1.1 切向速度

从Hy1 径向截面切向速度分布曲线（图8）可知，当混合介质进入Hy1 时，因无螺旋流道，受入口结构的限制，流体只能够沿轴向运动，只有到达螺旋流道后，受螺旋流道的强制作用，流体开始从单一的轴向运动变为具有切向、轴向、径向速度分量的旋流运动。截面Ⅲ处于溢流管、旋流腔所在的共同位置，此处流体的切向速度以轴心为中心点呈现出对称分布。从壁面开始至溢流管外壁处，切向速度快速上升，达到最大值4.25 m/s 后稳步下降，且在径向位置10 mm 左右，切向速度有小幅回升后继续快速降低，这是因为旋流器壁面对流体的运动具有一定的滞后功能，且离心力随径向距离的减少而降低；在溢流管内，流体的切向速度从溢流管内壁至轴心处亦呈现出先增后降低的趋势。流体在截面Ⅳ、截面Ⅴ的切向运动规律同截面Ⅲ相似，但因其所处位置远离螺旋流道，流体的旋转运动趋势在此处已有所减少，故各切向速度在降低后无上升趋势，靠近中心处切向速度最低。

图7 Hy2 溢流口处轴向截面速度矢量放大分布图Fig.7 Vector amplification distribution of axial cross section velocity in Hy2 overflow tube

图8 Hy1 径向截面切向速度分布曲线Fig.8 Tangential velocity distribution curve of radial cross section in Hy1

2.1.2 轴向速度

图9 为Hy1 径向截面轴向速度分布曲线图，流体的轴向速度以轴心为分界点呈现对称分布，有利于流场稳定和油水两相的均匀分布。在入口位置（截面Ⅰ）处，轴向速度随径向位置的缩减，表现出先增加、后平稳过渡、再降低的趋势。这是因为该区域内流体在壁面处产生紊流，使流体的轴向运动有所降低。流经螺旋流道进入截面Ⅲ时，混合介质的轴向速度表现为先增大后平稳降低，直至轴向速度降低为0 时，在反方向重复先升高后降低的过程，在溢流管外壁处达到轴向速度的0 点。此处靠近溢流管下部易发生循环流，使流体正常的轴向运动受到干扰，降低流场的稳定性。在溢流管内部，从溢流管内壁开始，轴向速度表现为先增大后平稳的趋势（以轴心为对称点）。这是因为在旋流器内部准强制涡的作用下，该部分流体的轴向速度增加后可得到有效保持，维持在较高水平下，轴向速度在0 点附近的平均值为7.0 m/s。

2.1.3 径向速度

从Hy1 径向截面径向速度分布曲线（图10）可以看出，在入口段及底流段内代表径向速度的曲线变化幅度较小，仅略微产生波动，说明这两处结构内径向速度较小且变化幅度小。结合径向截面轴向速度分布曲线可知，在Hy1 入口处和底流管部分，流体的运动以轴向运动为主。代表截面Ⅲ的曲线径向速度的波动较为剧烈，这是因为该处截面位于旋流腔和溢流管处，流场变化幅度较大。以0 点为对称中心点，径向速度在截面Ⅲ的曲线上随径向位置的减少呈现出先增加、后降低至0，随后在10 mm位置时反向增加再降低的趋势，直至达到溢流管外壁处径向速度再次变为0。结合以上分析，在10 mm 位置处，流体受循环流影响较大，导致流场发生局部改变。在溢流管内部，流体受准强制涡的影响，从溢流管内壁开始至轴向处，径向速度表现为先增加后降低的对称分布，在径向位置0 点处达到溢流管内部径向速度的最低点。

2.2 压力分布

在混合介质因密度差被离心力分离的过程中，必然伴随着流体的能量耗损，压力降是流体能量耗损的最直观体现。降低压力降，减少能力损失，是优化旋流器内部结构的主攻方向。因旋流器内部存在以轴向速度包络面（LVZZ）为分界点的准自由涡和准强制涡，导致旋流器内部不同位置的流体具有不同的压力。其中，轴心处流体受准强制涡的影响较大，流体的运动方向从轴心处向溢流管方向运动，直至排出旋流器，所用压力较小；远离轴心处的外部流体受准自由涡的作用较大，此部分流体在离心力的作用下发生旋流分离，密度较小的油滴向轴心运动，密度较大的水滴向旋流器壁面运动，流体具有较大的压力。

从Hy1 径向截面压力降分布曲线（图11）可以看出，截面Ⅲ、截面Ⅳ、截面Ⅴ所代表的曲线从旋流器壁面开始至轴向处，压力降均呈现出不断增加的趋势，在轴向处达到压力降的最大值，与上述外部流体压力高、轴心处流体压力低的分析相吻合。而入口处，因为发生混合介质的旋流分离和流动方向的改变，其压力降保持平稳，无变化。

图11 Hy1 径向截面压力降分布曲线Fig.11 Pressure drop distribution curve of radial cross section in Hy1

图12 为螺旋流道两侧速度矢量对比图。流体经过螺旋流道的强制加速及改变运动方向后，速度矢量增加明显，最低值增加至1.8 m/s，最高值增加至6.0 m/s，增速效果明显。结合压力降曲线及各速度分布曲线可知，流体在经过螺旋流道时运动空间迅速变小，压力损失增大并转化为动能（最高压力损失超过0.24 MPa），尤其在切向、轴向速度分量上的增加更为明显，有利于提高分离效率。

图12 螺旋流道前后速度矢量对比Fig.12 Contrast of velocity vector in front and at the back of spiral channel

2.3 油相体积分数

Hy1 为具有螺旋流道结构的新型水力旋流器，研究其内部的油相分布规律有助于了解分离过程中油滴的运动规律，对结构改进具有重要意义。由图13 可知，Hy1 在轴心处具有较深的颜色代表此处具有较高的油相体积分数，大量油滴在此处聚集形成油核并从溢流管排至旋流器外部。然而，聚集的油滴在溢流管下部发生了一定程度的耗散，油滴运动至溢流管下部时颜色变浅，轴心附近流体颜色变深但低于轴心处，油相体积分数在溢流管下部由0.382 降至溢流管内部的0.17，降幅明显；而溢流管周围流体的油相体积分数增至0.084 9，增幅显著。这是因为循环流的存在，干扰了油滴的上移运动，使聚集在一起的油滴发生了一定程度的离散，降低了Hy1 的分离效率。

图13 Hy1 轴向截面油相分布云图Fig.13 Oil phase distribution cloud chart of axial cross section in Hy1

3 结论

新型螺旋流道式水力旋流器所具有的特殊结构可有效增加流体的速度矢量和运动方向，使流体由轴向运动变为旋转运动，流体速度矢量大幅增加，各速度分量增加明显。其中，切向速度的增加最为主要，利于离心分离的进行，可提高旋流器性能。一级旋流器各径向截面上切向速度从壁面至轴心处，均表现出先增加后降低的趋势，这种两边低中心高的对称分布，有助于提高密度不同的油水两相介质的分离效果。

流体在经过螺旋流道后，其能量形式会有所改变，部分压力将转变为流体的动能，为旋流器分离提供动力。各径向截面的轴心处（油核）具有较高的压力降，压力降最高值超0.24 MPa，说明轴心处压力较低，有助于细小的油滴向轴心移动。

新型的螺旋流道旋流器，因循环流使溢流管油相体积分数由0.382 降至溢流管内部的0.17，降幅明显。结合流场分析可知，循环流是降低旋流器分离效率的内在因素，不论是新型的螺旋流道旋流器还是Thew 常规双切向入口旋流器，都因循环流的存在而使轴心处的油核发散，影响油滴的排出，降低了分离效率。因此，消除或减少循环流的影响可促进油核的聚集和排出，提高旋流器的分离性能。