游梁抽油机井井下油水分离器设计及仿真分析

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580； 2.中国石油大港油田 石油工程研究院，天津 300270)①

目前，我国大多数陆上油田已进入开采的中后期，油井压力降低，产量减少。随着注水强驱技术的大规模应用，油井含水量逐年上升，使得原油开采的成本提高[1]。产生的大量含油污水如果采出到地面，会带来环保问题，增加了地面处理设施的投资。井下油水分离同井采注技术是解决目前油井高含水问题的关键技术，通过将油水分离器置于井筒内，实现在井下完成油水分离及回注，减少了举升至地面的水量，降低了开采能耗和地面水处理费用[2]。

国内在井下油水分离技术方面取得了丰富的研究成果，大多是针对离心泵[[3-5]或螺杆泵型[6-9]井下油水分离系统进行研究，包括系统方案研究[10]、匹配计算和运行监测方法研究[11]、井下水力旋流器优化研究[12]和现场试验[15]等；然而，针对游梁式抽油机采油系统的井下油水分离技术还停留在方案设计阶段。

由于游梁式抽油机是我国主力油田的常用开采设备，因此包括胜利油田、辽河油田在内的部分油田，已经开展过与游梁式抽油机采油系统配套使用的井下油水分离装置研究，但由于系统结构方案复杂，没有形成有效的结构方案。游梁式抽油机带动的井下泵属于往复式泵，其流量是不连续的，现阶段对不连续流下的旋流分离器的分离机理理解不深刻，没有相关理论指导，使得井下旋流器的分离效率低，底流含油浓度过高(体积分数高于500×10-6)，大量未被分离的原油回注到地层，对地层造成了堵塞等危害。

本文针对游梁式抽油机采油系统，设计了一种井下油水分离装置，并对井下水力旋流器进行结构设计。考虑抽油机抽油泵的上、下冲程运行特点，分析并推导井下水力旋流器的入口流量随时间的变化规律，得到了流速-时间关系曲线，对间歇进液下的旋流器底流含油浓度波动规律进行了研究，从而得出了波动进液工况下的井下旋流器的分离性能。

1 系统组成及原理

本文设计的井下油水分离装置是与游梁式抽油机系统配套使用的，总体方案包括3部分，分别为地面部分、中间部分和井下部分。其中，中间部分主要为抽油杆。地面部分与常规游梁式抽油机系统一致，包括游梁式抽油机、井口、电控系统等，通过抽油杆带动井下泵往复运动，为抽汲原油提供动力。

井下部分是系统的关键部分，主要由井下泵、井下水力旋流器、封隔器等组成。图1是井下部分的总体设计方案，其中，为了实现井下油水分离工艺，本文对常规的抽油泵进行改造设计，提出了一种井下双液流泵的结构设计方案。采用单封隔器封隔采出层和回注层；双液流泵有2个泵腔，分别为采泵和注泵，在抽油杆的带动下，采泵和注泵同时动作，带动采出层的油水混合液首先进入旋流器进行分离，分离后的浓缩油液(溢流液)进入到采泵，底流的水进入到注泵。

井下水力旋流器的功能是进行油水分离，它是基于离心沉降原理，利用油和水之间的密度差，重质相水在旋流场中离心力要大于轻质相油，因此会逐渐向旋流器器壁运移，而轻质相油会向旋流场中心运移；中心油液在底部压力作用下，由溢流口流出，器壁处的水相则向下，经过底流口排出，从而完成油水分离过程[13]。

图1 游梁式抽油机井井下油水分离系统

2 系统工作过程

1) 上冲程。

井下双液流泵的游动阀关闭，双液流泵中储存的浓缩油排出到杆管空间内，向地面运移；同时，双液流泵注泵和采泵的泵腔容积变大，压力降低，固定阀打开，来自油层的油水混合液(未分离前)进入到井下旋流器中进行油水分离；分离出的浓缩油液经过固定阀进入到双液流泵的采泵泵腔内等待举升；此时，注水阀处于关闭状态，旋流器分离出的净化水经过另一出水阀进入到注水通道，等待注入。

2) 下冲程。

抽油杆带动井下双液流泵下行，双液流泵两泵的泵腔均减小，腔内压力增大，使得固定阀关闭，游动阀打开，采泵泵腔内的浓缩油经过游动阀进入到采泵的上泵腔；同时，下行过程中注水通道的压力增加，使得出水阀闭合，注水阀打开，净化水通过注水通道进入到的地层中，完成回注过程。

由分析可知，井下水力旋流器只在上冲程时工作，下冲程时水力旋流器是不进液的。因此，井下水力旋流器呈间歇进液工况。此外，在上冲程的进液过程中，由于游梁式抽油机的机构运行特点，井下双液流泵的柱塞运动速度并非恒定，呈现近正弦规律，导致上冲程中井下旋流器的进液也是波动的。这也是游梁式抽油机系统与螺杆泵和电潜泵采油不同之处。入口流量的变化会影响水力旋流器的流场稳定，因此，有必要研究间歇进液工况下水力旋流器的分离性能及流场特点。

3 井下油水分离器结构设计

井下水力旋流器是井下部分的核心部件。如前所述，本文根据有杆泵管柱结构特点，设计了“抽吸型”进液方案，即采出层油液首先经由旋流器进行分离，然后再进入泵进行增压。设计参数如下：套管直径为139.7 mm(5英寸)以上；处理流量40～80 m3/d。

如图2所示，整个模块的主要部件包括旋流器主体、旋流器底流阀和回注阀。其中，旋流器主体是常用的双锥段水力旋流器，旋流器为向上开口结构，上部为旋流器内插管，内插管上部连接有溢流插管，溢流插管插入到双液流泵的溢流通道接头中，并通过O型密封圈密封。旋流器底流阀在抽油杆上行程时开启(与双液流泵中的固定阀启/闭一致)，此时旋流器进液。回注阀在抽油杆下行程时开启，此时为注水过程。

水力旋流器采用4段式的双锥水力旋流器，该型水力旋流器具有明确的几何构型和较完善设计方法；采用比例缩放来满足不同流量的要求，根据设计指标中要求的流量范围，对应设计了名义直径为14～20 mm的旋流器，其他大部分结构参数按照比例关系生成，借助于数值优化来确定最优的结构参数。

1—旋流器上接头；2—旋流器溢流插管；3—旋流器内插管；4—节流油嘴；5—交叉流道体；6—旋流器主体；7—旋流器背帽；8—底座转接头；9—旋流器外管；10—扶正器；11—旋流器底流阀；12—外管转接头；13—回注阀；14—尾管。

4 分离器入口流量波动规律研究

图3给出了游梁式抽油机机构运行示意图，地面游梁的曲柄连杆机构带动抽油杆做上下往复运动，抽油杆带动井下泵的柱塞往复运动，完成泵的吸、排液过程。井下泵的入口与井下旋流器的出口相连，泵的吸排液规律与旋流器的进液规律一致。本节对非稳定流进液规律进行分析。由游梁式抽油机曲柄连杆机构的运行特点可以得到悬点任意时刻的速度为：

(1)

式中：θ为曲柄转角(θ=ωt)；ω为曲柄匀速转动的角速度；t为时间；L2和L3分别为游梁的后臂长度和前臂长度，r为曲柄半径。

由图3的节点传递关系，推导得到水力旋流器入口瞬时速度函数vin和入口瞬时流量函数Qin表达式分别如下：

(2)

(3)

如图4所示为间歇进液规律下井下旋流器入口的流量随时间的变化曲线。由图4中可以看出旋流器的间歇进液规律。

图3 抽油机采油系统

图4 入口流量的波动

5 波动流量下的数值模拟研究

本章将结合计算流体力学分析软件，对图4中所示的间歇进液规律下的井下旋流器进行数值模拟，分析旋流器在间歇进液规律下的流场规律。影响水力旋流器分离性能的因素有很多，主要包括物性参数和操作参数(入口流量和采注比)、抽油机冲次等。借助于数值模拟，研究这些因素对旋流器流场的影响规律，得到间歇进液波动工况下旋流器的底流含油浓度随时间的变化关系。

5.1 数值模拟模型

首先建立水力旋流器的网格计算模型，选用双锥段水力旋流器，名义直径为15 mm，其他结构参数(例如圆柱段尺寸等)按照文献[14]中的设计公式得到。

所建立的旋流器网格模型如图5所示，为方便结构化网格生成，首先对计算域进行分块，然后逐渐自上而下生成结构化网格。运用商业软件Fluent进行分析，湍流模型选用基于非定常分析的大涡模型(LES)，选用QUICK格式，时间步长设置为1×10-6s，按照总时间96 s设置时间步数。将推导得到的入口速度公式(式2)通过用户自定义函数(UDF)设置为入口边界(速度入口)。

图5 水力旋流器的网格模型

本仿真模拟采用Mixture法，即将油相视为分散相均匀的分散在水相中。主要考虑原油中含水率较高(高达95%，98%)，为简化分析，降低计算量，在保证计算准确性的前提下，选用混合物模型mixture，水为主相，油为次相。在60℃、标准大气压下水的密度为983.2 kg/m3，动力黏度为4.66×10-4Pa·s；油的密度为866.7 kg/m3，动力黏度为2.46×10-3Pa·s，油滴粒径为30 μm。

本文的仿真为非定常计算，入口速度随时间不断波动，在1个周期内，旋流器内油相的分布也是随时间变化的，如图6所示。

图6 1/2冲次周期内的旋流器油相浓度分布云图

由图6可以看出，在不同时刻，中心油核的长度是变化的，展示了1个波动周期内旋流器内油水两相浓度分布规律的波动关系。为了更直观地展示间歇进液工况对分离性能的影响规律，检测底流含油浓度的平均值随时间的变化，并绘制成曲线，如图7所示，可以看出，底流含油质量浓度是随着入口波动而呈现周期性的变化规律，而且波动频率与进液流量的波动频率相一致。通过提取底流含油质量浓度的截面平均值，可以得到在波峰时，质量浓度最高时可以超过2 000 mg/L，在波谷质量浓度最低时低于100 mg/L。

5.2 波动工况下的流场分析

入口截面一定，当给定入口速度的波动特性后，入口质量流量也相应的呈周期性波动。入口速度以

图7 底流含油质量浓度随时间的变化关系

v=18+Asin(2πt/T)曲线周期性波动，在保证入口流量是30 m3/d左右的工况下，分别改变波动幅值A和波动周期T，入口速度v幅值在10～26 m/s之间周期性波动，周期在1/3～2 s之间变化，仿真分析旋流器内流场的变化规律。

1) 切向速度。

旋流器内是组合螺线涡和螺旋流组成的复合螺旋涡运动。其内部螺旋涡流体质点速度可分解为切向速度、轴向速度和径向速度。切向速度是旋流产生离心力的前提，在油水两相流场中，离心力能促使油滴向中心迁移，离心力的强弱与切向速度直接相关。如图8a和8b分别是入口流量幅值波动和周期变化下小锥段切向速度曲线，与流量恒定下切向速度曲线A=0、F=0所示比较分析。随着入口流量波动幅值逐渐变大，切向速度在壁面边缘和内旋流部分变化较小，而“缓变区”先是变化不明显后逐渐变大，当波动超过一定值，切向速度反而变小。随着入口流量波动周期逐渐变大，切向速度在壁面边缘和内旋流部分变化较小，切向速度“缓变区”变化无规则，但与流量无波动相比，切向速度变化较小或升高，当波动周期增大到一定值时，切向速度急剧降低。

2) 轴向速度。

图9为入口流量幅值波动和周期波动下小锥段的轴向速度变化曲线。旋流器内的轴向速度存在零轴向速度包络面，在图9中，速度正值是包络面外的外旋流流体速度沿轴向向下，速度负值是包络面内的内旋流流体速度沿轴向向上，即油相由此经溢流口流出。从图9中可以看出，入口流量幅值波动对近壁面的轴向速度影响小；入口流量幅值波动变化不大时近轴线处的内旋流速度变化较小，幅值波动超过一定值，则轴向速度迅速变小，即油相沿轴向向上的速度减小不利于油相从溢流口流出。入口流量周期由小逐渐变大，近壁面处轴向速度变化较小，近轴线处轴向速度稍有变大，当周期变化增加到一定值，近轴线处轴向速度会有变小的趋势，不利于油相的流出。

图8 切向速度曲线

图9 轴向速度曲线

3) 底流含油质量浓度。

依据数值仿真的底流口的油相体积分数，计算底流口的含油质量浓度，作为评价旋流器分离性能的指标。对于用于井下的水力旋流器，最终注入底层的含油质量浓度越少越好，同时底流含油质量浓度越小，说明旋流器的分离效果越好。改变入口流量的波动幅值和周期，分别进行仿真分析，并根据数据绘制底流含油浓度变化曲线如图10。由图10a 可以看出：① 随入口流量的周期性变化，底流含油质量浓度也呈现波动的周期性；②入口流量无波动时，底流含油质量浓度最小，说明旋流器分离效果最好；③入口流量幅值波动越大，底流含油质量浓度波动峰值越大，分离效果越不好。由图10b可以看出：①入口流量无波动时，底流含油质量浓度最小，旋流器分离效果最好；②入口流量波动周期越小，底流含油质量浓度波动峰值越小。

图10 底流含油质量浓度变化曲线

6 结论

1) 有杆往复式泵型井下油水分离装置的结构和工艺流程要比电动潜油泵型井下油水分离系统更复杂。在本文设计的结构方案及工艺流程下，旋流器为间歇进液工况，入口流量和速度随时间的变化规律与泵柱塞的运动规律近似一致。

2) 入口流量波动的实际工况复杂，初步简化为入口流量按正弦曲线形式波动，利用UDF函数编程在Fluent中实现入口边界条件设定。研究了入口流量的波动周期和幅值对旋流器流场的影响规律，得到了间歇进液工况下的底流含油质量浓度随时间的变化关系。

3) 在入口流量波动条件下，研究旋流器的分离效果，主要是研究旋流器底流含油质量浓度随入口流量波动的规律。底流含油质量浓度是评价旋流器工作效果的重要指标，为以后理论与实践研究提供指导。

4) 根据地面抽油机悬点的运动规律，推导了井下柱塞的运动规律，然后得到了旋流器的入口速度随时间变化的曲线。建立了CFD计算模型，并通过UDF函数将入口速度曲线设置为旋流器的速度入口边界条件，实现了间歇进液工况下旋流器的数值模拟分析，得到了间歇进液工况下旋流器的底流含油质量浓度波动情况。