一种新型井下分离器仿真分析及优化

梅红山 张志强

摘  要：螺杆钻具和涡轮钻具是常用的两种井下动力钻具。针对含有泥沙钻井液会导致金属螺杆钻具剧烈磨损甚至卡死等问题。该文提出了一种直螺旋叶片的分离器，对钻井液中的泥沙进行固液分离处理。利用CFD对分离器的内流场进行仿真分析，验证了该分离器结构的可行性，同时改变螺旋叶片起始角度和叶片数，优化分离器结构，进一步提高其分离效果。结果表明：当分离器螺旋叶片起始角度为5°、最佳叶片数为8片时，分离效果最佳。

关键词：分离器   固液分离  CFD   优化

中图分类号：TE921                         文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（c）-0046-04

Simulation Analysis and Optimization of a New Downhole Separator

MEI Hongshan  ZHANG Zhiqiang

（School of Mechanical Engineering， Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434000  China）

Abstract： Screw drill and turbine drill are two kinds of common downhole power drilling tools. The drilling fluid containing sediment will cause severe wear and even jamming of metal screw drilling tools. In this paper， a kind of separator with straight spiral blade is presented to separate and treat the sediment in drilling fluid. CFD was used to simulate the flow field of the separator， and the feasibility of the structure of the separator was verified. At the same time， the initial angle and number of helical blades were changed to optimize the structure of the separator and further improve the separation effect. The results show that when the initial angle of the spiral blade is 5°and the optimum blade number is 8， the separation effect is the best.

Key Words： Separator; Solid-liquid separation; CFD; Optimization

分离器是一种广泛用于液-液、固-液、固-液-液等多相混合物的分离设备，其最显著的优点就是结构简单、分离效果良好、质量小、费用低、处理量大等等[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[2]。当前应用的分离器按照工作原理可以分为常规分离器和轴入式分离器两种。常规分离器是指混合液从分离器外壁面以一定的切向速度进入分离器内部，混合液在分離器内壁快速旋转，利用离心力进行分离，最终轻质部分从分离器上端导出，而固体颗粒从分离器底部排出。轴入式分离器则是分离器内部有导流叶片，混合液从轴向进入，经过叶片使混合液进行圆周旋转进行分离，轻质部分集中在轴心处，而固体颗粒等集中在内壁附近[3]。

该文设计了一种轴入式分离器对钻井液中的泥沙进行固液分离处理。而螺旋叶片起始角度和叶片数又影响着分离器的性能[4]，所以对于这两大因素的优化分析十分重要。

1  分离器结构

该文设计的直螺旋叶片的分离器其结构如图1所示。叶片装配在减速器内壁上，其叶片数为8，螺旋叶片起始角度为10°，螺旋螺距为100 mm，螺旋圈数为1圈。同时为了更好地分离泥沙，在分离器下端设有导流板，导流板距离叶片下端距离为50 mm。

钻井液从分离器轴向方向进入分离器内部，经过螺旋叶片之后，钻井液在分离器内部进行圆周运动，泥沙等固体颗粒由于离心力作用被甩到分离器内壁表面，经过导流板隔离之后，从分离器底部的导流孔排出分离器;而较为纯净的钻井液则沿着分离器中心轴往下运动[5]。

2  分离器仿真分析及优化

为了验证该分离器结构的可行性，利用CFD对分离器模型的内部流场进行数值模拟分析，查看不同粒径的颗粒分离效果[6]。之后再对螺旋叶片起始角度和叶片数进行优化选择，从而进一步提高分离器的分离效果。

2.1 划分网格及边界条件

图2为螺旋叶片起始角度为5°、叶片数为8的分流器的流道模型和分流器流道模型网格划分。

其模拟介质主要为水-泥沙混合物，水相的密度为998.2 kg/m3，黏度为 0.001 003 kg/m·s，沙相（二氧化硅）的密度为2 650 kg/m3。根据相关资料知，当粒径小于0.05的颗粒称之为泥，大于0.05颗粒称之为沙，因此沙相设置为3组，粒径分别为0.01 mm、0.05 mm、0.1 mm，取体积分数均为6%，则水相体积分数为82%。

湍流模型采用雷诺应力模型，多相流模型采用混合相模型，入口流量最小为16 L/s，最大为36 L/s，即最小轴向入口速度为2.30 m/s，最大轴向入口速度为 5.17 m/s。设置速度入口为入口边界条件，自由出流为出口边界条件。

2.2 求解计算

设置轴向入口速度为5.17 m/s，以螺旋叶片起始角度为5°、叶片数为8进行仿真，分离器的分离效果云图见图3～图6。

由图3至图6可知，当轴向入口速度为5.17 m/s时，其出口处液相的体积分数为94.1%;粒径为0.1 mm出口体积分数近似为0.11%;粒径为0.05 mm出口体积分数为1.37%;粒径为0.01 mm出口体积分数为4.42%。由仿真结果可知，该文设计的分离器基本满足预期的固液分离效果。但是为了进一步提高分离效果，需要对螺旋叶片起始角度和叶片数进行优化选择。

2.3 旋叶片起始角度优化

在分析过程中，多数研究者只考虑单因素影响，没有考虑多因素间的交互作用[7]。所以为了考虑多因素间的影响，利用正交实验法进行分析。首先分别对0°、5°、10°、15°、20°这5种不同的螺旋叶片起始角度进行仿真分析。考虑到其他结构参数会对分离器分离效果产生影响，因此在仿真过程中固定分离器叶片数为6。表1即为分离器叶片数为6时，不同螺旋叶片起始角度时的出口体积分数。

根据表1可知，当分离器叶片数为6片时，螺旋叶片起始角度为5°分离效果最佳。

2.4 叶片数优化

同理可知，为了研究分离器叶片数对其分离效果的影响，得到最佳的分离效果。保持其他设置不变，固定螺旋叶片起始角度为5°，改变分离器叶片数分别为4片、6片、8片、10片。表2即为螺旋叶片起始角度为5°时，不同叶片数时的出口体积分数。

根据表2可知当螺旋叶片起始角度为5°时，叶片数为8片时的分离效果最佳。综合表1和2的数据可知，当分离器的螺旋叶片起始角度为5°、叶片数为8片时，其分离效果最佳。

3  结论

通过对设计的井下固液分离器的仿真分析，得出如下主要结论。

（1）该文设计的分离器基本满足预期的井下钻井液的固液分离效果。但为了进一步提高其分离效果，需要对其结构经行优化分析。

（2）通过分析数据可知，当分离器的螺旋叶片起始角度为5°、叶片数为8片时，其分离效果最佳。

参考文献

[1] Shastri R，Wasilewski M，Brar L S. Analysis of the novel hybrid cyclone separators using large-eddy simulation[J]. Powder Technology，2021，394：951-969.

[2] 董祥伟，张立军，李增亮，等.游梁抽油机井井下油水分离器设计及仿真分析[J].石油矿场机械，2020，49（1）：20-26.

[3] 王胜，史仕荧.导流片型油水旋流分离器的入口结构优化[J].石油机械，2019，47（4）：80-83，89.

[4] 蒋明虎，邢雷，张勇.采出液黏度对井下旋流器分离性能影响[J].东北石油大学学报，2018，42（4）：116-122，12.

[5] 陈璨.井下油水分离器改型设计及流场数值模拟研究[D].大庆：东北石油大学，2017.

[6] ZHAO C W，SUN H Y，LI Z L.Structural Optimization of Downhole Oil-water Separator[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2017，148：115-126.

[7] 彭麗，石战胜，董方.基于CFD-DPM的旋风分离器结构优化[J].发电技术，2021，42（3）：343-349.

作者简介：梅红山（1996—），男，硕士在读，研究方向为井下工具设计。