一种新型井下三级高效气液分离器分离特性实验

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

随着海上油气田的陆续开发，井下气液分离对人工举升设备运行的可靠性至关重要。泵下离心式气液分离器具有体积小，可靠性高的特点，已广泛应用于油田生产实践中。但随着深层系储层的开发，井下工况含气率(50%～95%)大幅度提高，高含气井况电泵平稳运行难点在于如何保证过泵混合流体含气率控制在20%～30%以内，现有的气液分离方式与方法遇到了新的技术挑战［1-4］。

现有井下高效气液分离机理有重力沉降式、旋流式2 种方式：(1)重力式气液分离器一般受井下较小空间的限制很难提供充分的气液分离时间，导致气液分离效果不佳，一般适用于低产量、低含气率的气井中。(2)旋流式分离器一般小巧灵便、运行高效、投资及运行费用低等优点，但因其空间利用率不高、结构设计复杂难以保证效果，且多级叶片导流在液量较大时会破坏流场的连续性，无法处理体积流量大的含液气流，强旋流场易形成气芯贯穿旋流器，对弹状流适应性差，能分离出的液体量有限［5-10］。

为解决井下小尺寸空间、高含气率、多流型下的气液混合物高效分离，笔者提出一种新型井下三级高效分离结构，旨在为海上气液高效分离提供一种有效的解决思路。

1 高效气液分离器结构设计及工作原理

1.1 结构设计

高效气液分离器主要由外筒体和内筒体组成，内筒体上安装有叶轮、扶正块及开孔段，挡水板直径60～80 mm，芯管内径40～50 mm，外筒内径130 mm，外筒外径150 mm，开孔尺寸6～10 mm。气液混合流体由分离器底部进入内筒体，出液口和出气口分别布置在外筒体的顶部和底部，出气口下端连接分离挡板，在开孔段和分离挡板中间设置了重力分离腔室。外筒体和内筒体之间布置了扶正块，以防止在不稳定的流动模式下由气液流体的振荡引起的分离器损坏，如图1 所示。

图1 高效气液分离器结构Fig.1 Structure of efficient gas-liquid separator

气液混合流体从入口进入分离器由内筒体流至叶轮后，流体从线性运动变为旋流运动，产生旋流离心力。在离心力的作用下，密度较小的气体集中在内筒体中心并形成气芯，密度较大的液体向内筒的内壁移动，并在气芯周围形成液膜。当液膜流经开口段时，液膜中的绝大部分液体直接排入内筒体和外筒体之间的环形腔，并通过出液口排出分离器，从而实现预分离。离开内筒体后气液混合物进入重力分离腔室，在重力作用下进一步分离。分离挡板用于防止液体在不稳定流动模式下由于气液两相流体的振荡而直接进入出气口。

高效气液分离器结构设计优点：(1)内设开孔段的设置打破高速旋流流体的连续性，流体由旋流运动转变为直线运动，一方面有效避免流体的振荡传递，另一方面通过预分离一部分液体而减少了进入重力分离腔室的液体量，这有助于提高分离效率。(2)利用外筒体和内筒体横截面积差异，产生的扩容降速可进一步减小流体振荡对分离效果的影响，尤其是在不稳定的流型下效果更为显著。(3)利用外筒体和内筒体长度上差异设置的重力分离腔室，是在不稳定流态下实现气液混合物高效分离的关键。

叶轮是高效气液分离器的关键组成部分，当高速流体通过叶轮后产生离心力，通过叶轮后的高速流体充分发展后气体聚集形成气芯，液体形成环形液膜。叶轮上的叶片入口角为0°，出口角为45°～55°，叶轮毂直径为Ø18～22 mm，如图2 所示。

1.2 工作原理

图2 气液分离器叶轮结构Fig.2 Vane structure of gas-liquid separator

高效气液分离器为三级分离：通过叶轮和排液区实现一次分离，依靠重力分离腔实现二次分离，利用碰撞分离挡板实现三次分离，主要分离过程如下。

(1)一级旋流分离：流体流经叶轮，流体由直线运动转变为旋转运动，并产生离心力，充分发展后气相聚集形成气芯，液相在气芯周围形成环形液膜。向上运动后绝大部分液体沿内筒开孔段排出，大幅度降低对环形空间内液体振荡的干扰。

(2)二级重力分离：气液混合物进入重力分离腔室，环形液膜中的剩余液体在离心力的作用下沿内筒体的内壁被抛向四周，在重力的作用下液相进入内筒体与外筒体之间的环腔内向下运动，气相继续向上运动。

(3)三级碰撞分离：受振荡和气体携带的影响，部分液体会到达外筒体顶部，分离挡板可通过碰撞分离，阻挡大部分到达分离器顶部的液体，防止其直接进入气相引出口。

1.3 分离性能评价方法

为了客观有效评价高效气液分离器的分离性能，引入3 个评价指标：分离效率、上临界液位和下临界液位，具体定义如下。

(1)分离效率：为评价气液分离器工作效果，经过气液分离器分离后出气口气相体积与气液分离器入口处的气相体积之比，即为η。

(2)上临界液位：为保证在高效气液分离器运行过程中，出气口含液率维持在较低水平，分离器内液位允许运行最大的临界高度，即为Lu。

(3)下临界液位：为保证在高效气液分离器运行过程中，出液口含气率维持在较低水平，分离器内液位允许运行最低的临界高度，即为Ld。

2 实验系统流程

实验平台系统：供气系统、水循环系统、气液分离实验段。供气系统主要由空气压缩机、干燥器、储气罐、质量流量计以及相关的管道和阀门组成。水循环系统主要由2 个离心泵、储水箱、循环水箱、涡轮流量计以及相关的管道和阀门组成。气液分离实验段主要包括：气液分离器本体、压差变送器、高速摄影仪以及相机。实验中气液分离器采用透明有机玻璃制成，以满足可视化观察要求。分离器前端布置有一段透明的有机玻璃管，用于观察进入分离器前的两相流流型。分离器可进行角度调节，可完成竖直和倾斜条件下的实验研究，如图3 所示。

图3 实验平台系统流程Fig.3 Flow chart of experiment platform system

实验以空气和水为工作介质，直接测量的物理量有：水体积流量、空气体积流量、分离器内压强、压差。其中，水流量通过涡轮流量计直接测量，气体流量使用高精度的质量流量计，分离器内的压强、压差利用压力变送器及压差变送器测量，见表1 所示。

表1 测量物理量以及仪表信息Table 1 Measured physical quantity &instrument information

3 实验结果分析

3.1 不同流态下的分离性能

评价实验入口含气率设置为15%、50%、65%和90%，入口流量设置为80 m3/d，评价垂直和倾斜2 种工况不同流态下分离器分离性能（图4、5）。

图4 分离器垂直时不同流型的分离特点Fig.4 Separation characteristics of different flow patterns when the separator is vertical

图5 分离器60°倾斜时不同流型的分离特点Fig.5 Separation characteristics of different flow patterns when the separator is inclined by 60°

由图4、5 可看出，分离器垂直或倾角60°时，当含气率15%时，流态为泡状流，气体以小气泡的形式分散在连续的液体中，小气泡直径大小不同，但流动比较稳定，进入重力分离室后气液混合物在重力的影响下被直接分离。随着入口含气率增加至50%时，分散的泡状流变为弹状流，流动不稳定性逐渐增加，气液混合物经过一级分离后进入重力分离腔室，由于内筒体和外筒体内径设置的不同，内筒体中气液混合物的振动在进入重力分离室之后不再继续传递，且高速液体被抛到外筒体内壁上，并在重力的作用下回落至外筒体和内筒体的环腔内，气体通过分离器的出气口排出。当入口含气率进一步增加至50%～90%时，流型由弹状流逐步转变为搅混流，内筒体内部流体振动增强，流体流经带孔段后液体的喷射高度更高，抵达分离挡板的液体逐步增多，但因分离挡板的设置，大部分液体碰撞分离后，不能进入出气口，此时的出气口携带少量可见的雾状液，出液口中不含气，可实现气液的高效分离。实验结果表明，新型高效气液分离器通过离心分离、重力分离和碰撞分离相结合的方式，可实现在多流型，特别是不稳定流型下保持高效的气液分离效果。

3.2 不同入口含气率下分离性能

评价实验入口含气率设置为15%、50%、65%和90%，入口流量设置为80 m3/d，评价垂直和倾斜2 种工况不同入口含气率下分离器分离性能。

如图6 所示，分离器垂直条件下随着含气率的提升，分离器内流型逐渐由稳定流型过渡到不稳定流型，分离器内筒体及重力分离腔室内的振荡逐渐加剧，此时的出气口携带少量可见的雾状液，出液口中不含气，仍可实现气液的高效分离。

图6 分离器垂直时不同入口含气率分离效果Fig.6 Separation effect at different inlet void fractions when the separator is vertical

3.3 临界液位实验

3.3.1 垂直条件下临界液位实验

评价实验入口含气率设置为15%、30%、40%、50%、65%、80%和90%，入口流量设置为68、80、100 m3/d，评价垂直条件下高效气液分离器高效分离区间液位线变化规律。

如图7 所示，在垂直条件下设置低入口流量为68、80 m3/h，随着入口含气率的提高下临界液位有小幅提升，上临界液位有小幅下降；高入口流量(100 m3/d)条件下，随着入口含气率的提高下临界液位有较大幅度的提升，上临界液位略有下降。如图8 所示，垂直条件下随着含气率增加，低入口流量条件下分离器内有效液位高度变化不大，高入口流量条件下分离器内有效液位高度下降明显。在相同含气率下随着入口流量增加，有效液位高度逐渐变小且降幅明显。实验表明，分离器中内筒体和外筒体间的液位存在上临界液位和下临界液位，当分离器内筒体和外筒体之间的液位处在上临界液位和下临界液位范围内，经过分离后出液口中不含气，出气口中不含液，即分离器分离效率为100%。

图7 垂直条件临界液位曲线Fig.7 Critical liquid level when the separator is vertical

图8 垂直条件有效液位高度曲线Fig.8 Effective liquid height when the separator is vertical

3.3.2 60°倾斜条件下临界液位实验

评价实验入口含气率设置为15%、30%、40%、50%、65%、80%和90%，入口流量设置为68、80、100 m3/d，评价60°倾斜条件下高效气液分离器高效分离区间液位线变化规律。

如图9 所示，在60°倾斜条件下，随着含气率与入口流量的提升，上临界液位线基本维持不变，下临界液位有大幅度的提升。如图10 所示，60°倾斜条件下，当入口流量发生变化，随着含气率的增加分离器内有效液位高度下降趋势明显。在相同含气率下随着入口流量的增加，有效液位高度相差不大，也就是说有效液位高度受倾斜角度影响较大。实验结果同样表明，分离器中内筒体和外筒体之间的液位存在上临界液位和下临界液位，当分离器内筒体和外筒体之间的液位处在上临界液位和下临界液位范围内，经过分离后出液口中不含气，出气口中不含液，即分离器分离效率为100%。

图9 60°倾斜条件临界液位曲线Fig.9 Critical liquid level when the separator is inclined by 60°

图10 60°倾斜条件下有效液位高度曲线Fig.10 Effective liquid height when the separator is inclined by 60°

3.4 分离器自适应能力评价

保持高效气液分离器的入口和出口开度不变，调节入口水流量以改变入口含气率值，模拟井下条件地层来液发生改变时分离器的自适应能力。

第一步评价实验入口气量设置为80 m3/d，入口液量设置为80、68、48、25、5 m3/d，评价垂直条件下高效气液分离器入口含气率在50%～94.1%条件下的自适应能力，即分离器液位线变化规律。如图11 所示，随着入口液量的下降上液位缓慢下降，当入口含气率达到94.1%时上液位接近出液口，但整个气液分离过程中液位基本维持在上/下临界液位合理范围内，出液口基本不含，出气口基本不含液。

图11 含气率上调分离器自适应能力评价Fig.11 Evaluation on the self adaptability of the separator with the increase of the void fraction

第二步评价实验入口气量设置为80 m3/d，入口液量设置为100、130、190、220 和300 m3/d，评价垂直条件下高效气液分离器入口含气率在21.1%～50%条件下的自适应能力，即分离器液位线变化规律。如图12 所示，随着入口液量的提升上液位缓慢上升，在含气率大于26.7%时气液分离过程中液位基本维持在上/下临界液位合理范围内，出液口基本不含，出气口基本不含液。当入口液量高于到220 m3/d时(含气率为26.7%)上液位淹没开孔段，气液分离效率急剧下降，当流量增加到300 m3/d 时(含气率为21.1%)出气口基本灌满水，气液分离失败。分离器自适应能力评价实验结果表明，该高效气液分离器具有较宽的自适应能力，在进口和出口开度不变的情况下入口含气率在26.7%～94.1%范围内变化，都可实现高效的分离效率。

图12 含气率下调分离器自适应能力评价Fig.12 Evaluation on the self adaptability of the separator with the decrease of the void fraction

4 技术应用可行性分析

基于上述实验结果，高效气液分离器内筒体和外筒体之间的液位保持在上临界液位和下临界液位之间，可实现在多流型，特别是不稳定流型下的气液高效分离。

针对海上高含气(50%～95%)井况的油气井而言，将高效气液分离器安装在Y 型管柱电泵下端，地层高含气产出液最先进入高效气液分离器，地层产出液经过分离后的富液流通过电泵增压举升至井口，分离后的富气流通过排气速度管柱依靠自身能量溢流至井口。应用开发的高效气液分离器可保证过电泵混合流体含气率控制在20%～30%以内，确保电泵高效运行，为海上油气田高含气井况电泵排液/举升的平稳运行提供有效解决方案。

5 结论

(1)开发的气液分离器利用旋流分离、重力分离和碰撞分离原理实现了气液高效分离，内筒体上开孔段的设计可向环空排出绝大部分液体，大幅度降低流体对形空间内液体振荡的干扰。

(2)实验表明内筒体和外筒体之间的液位高度是保证分离器高效分离的关键因素，高效分离时内筒体和外筒体之间的液位应保持在上临界液位和下临界液位之间。

(3)三级高效气液分离器实现了在井下小尺寸空间、高含气率、宽流程及多流型，特别是振荡流型的工况环境下气液混合流体的高效分离，为海上油气田高含气井况电泵排液/举升的平稳运行提供有效解决方案。