海上井下轴入式旋流油水分离器入口结构优化及应用

郭沛文， 王瑶， 王胜， 张成福， 史仕荧， 史仕军

（1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津300452；2. 中国科学院 力学研究所，北京100190;3.武汉世纪金辉农业科技有限公司，武汉430000）

0 引言

井下油水分离是指对于开采中后期的油井，在井下对产出液进行分离，分出的水直接回注地层，剩余的富油相产出地面，这种措施会大大节省油田开采成本[1-2]。虽然井下油水分离具有很多优点，但是井下也有诸多挑战，如空间狭窄、井下无法手工操作等，这就要求分离器不仅结构紧凑，而且性能稳定高效[3]。基于旋流原理的油水旋流分离是一种高效的分离方法，具有广泛的应用前景。但是应用于井下的油水旋流分离器还不成熟[4]。

对于油水旋流分离而言，入口结构是其形成旋流场的关键，是旋流器分离性能高低的关键[5-6]。王军[7]研究了单切向入口和双切向入口对旋流流场的影响，得到切向双入口更能提高油水分离效率的结论。马艺[8]研究了两种不同入口结构即切向式入口和轴流式入口，发现轴入式入口结构更有利于提高油水分离效率。赵立新[9]用数值计算的方法研究了轴入式入口的螺旋叶片圈数、角度等结构对油水旋流分离效果的影响。从上述研究可以发现，采用轴入式入口进行油水分离是油水旋流分离的发展方向[10]。故本文研究轴入式旋流油水分离器入口结构对油水分离的影响，为其井下应用奠定基础。

1 轴入式旋流器油水分离原理及设计

本文中设计的轴入式旋流油水分离器分离原理示意图如图1所示，其由中心带有棒的流线型导流片起旋形成旋流场，在旋流场中，油水两相因密度的差异，油相向管道中心运动，水相向管道壁面附近运动，然后分布在管道中心区的油核从出油口流出，分布在管道壁面附近水相从切向管的出水口流出，从而实现了油水两相分离。这种分离器结构紧凑，适合用于井下进行大产液量油水的分离。

图1 轴入式旋流油水分离器结构原理图

基于上述原理所设计的油水旋流分离器，其入口结构由缠绕在中心棒上的具有流线型形状的叶片固定安装在管道中，其中叶片的安装角度α和中心棒出口的椭球体长细比b/a是关键结构参数。为了研究其对油水分离性能的影响，在保持其余尺寸完全一致的前提下，加工了α为35°、60°两种导流片，并加工了长细比b/a为2、4的两种导流片。针对上述不同结构的导流片对轴流式旋流油水分离器分离性能的影响，本文开展了室内实物对比实验。

2 实验系统和测试方法

为了研究入口结构对轴入式旋流油水分离器的分离性能的影响规律，在中国科学院力学研究所多相流实验室内搭建了实验系统，实验流程如图2所示，油、水两相经计量后到达目标实验工况混合进入流线型油水旋流分离器，分离后的富水相、富油相经过计量后流回重力沉降分离罐。

图2 实验系统

表1 实验介质物性参数表

常 压下、实验温度在20 ℃左右，此时，实验介质LP-14白油和水的物性参数如表1所示。

3 实验结果

3.1 安装角度影响

轴入式旋流油水分离器入口结构的关键是导流片，其结构参数对于旋流油水分离效果具有重要的影响。其结构参数包括导流片的角度、导流片安装的中心椭圆棒体直径、中心棒末端椭球体的长细比等参数，如图3所示。

图3 （续）

本实验在入口含油率为0.045、入口流速为1.00 m/s 时，对比了两种导流片角度所对应的油水分离效果随分流比（出水口流量/入口流量）变化所带来分离性能变化。可以看出，在入口条件一致的前提下，导流片的角度越小，所形成的油核越细，即油滴凝聚成核的效果越好。因此在分出较多比例水的前提下，水中含油率也会越低。

3.2 变化的入口流速下安装角度影响

上述规律是在入口流速一定的情况下得到安装角度小有利于油水分离，本文还开展了当入口流速变化时叶片安装角度的影响实验。从图4可以看出，当入口流速从0.56 m/s增大到2.04 m/s时，随着入口流速增大，两者的分离性能都有所提高。但是在所有的入口流速下，35°比60°形成的旋流场油水分离性能更优，即水出口含油率更低。这主要是由于角度小，来流的管流直线运动更多地转换成切向速度，而切向速度是形成旋流场的关键，切向速度大则离心加速度大，因此油水分离性能得到提高。

3.3 中心棒体末端椭球体长细比影响

当入口含油率为0.902，入口混合流速为1.00 m/s，变化中心棒末端的长细比从2增 到4，实验对比结果如图4所示。可以看出，随着中心棒长细比的增大，所形成的油核更细，分出的水中含油率更低。这是由于中心棒末端长细比越长，中心区域的轴向速度越大，则有利于所形成的油核快速流出分离器，则油核越细，越有利于油滴向中心区域集中。故中心棒末端的长细比应大于2倍。

图4 中心棒长细比变化对分离性能影响结果

图4 （续）

4 现场工业应用

通过前期的研究，轴入流线型旋流油水分离器在中海油 LH11 -1 -D05P1井中实施了现场应用，图5（a）为分离器下井前在平台上安装的图片。通过井下取样装置取出分离后的水样分析发现，分离器分出的水非常清澈，清华大学质检中心检测发现，水中含油率低于0.01%。

图5 轴入流线型旋流油水分离器现场中试

4 结论

1）本文提出的轴入流线型旋流油水分离器通过室内实验，研究证实了这种分离器能够有效地进行油水分离。在此基础上研究了入口结构对其油水分离性能的影响，其中入口结构主要研究了叶片安装角度和安装叶片中心棒末端长细比对油水分离性能的影响，并进行了对比分析。

2）通过对比分析发现，35°比60°的叶片安装角度更有利于油水分离，叶片角度小更有利于油滴向中心附近迁移运动。当入口流速增大时，叶片安装角度的影响呈现相同的规律。

3）通过对比分析发现，安装叶片的中心棒体末端长细比对油水分离效果也是有影响的，随着中心棒长细比的增大，所形成的油核更细，分出的水中含油率更低。通过实验优选出长细比应大于2。

4）通过现场中试实验表明，优化后的轴入式旋流油水分离器分离性能优良，该研究为我国高含水油井的经济开采提供了一种新工艺。