采油厂污水罐排泥现场探测实验及数值模拟仿真研究

杨风斌,杨雯雅,蒿秋军,张金利,胡志刚,于洪鉴

(1.中国石化胜利油田分公司 孤东采油厂,山东 东营 257237;2.齐鲁理工学院 智能制造与控制工程学院,山东 济南 250200;3.胜利油田注汽技术服务中心 孤岛注汽项目部,山东 东营 257100;4.中国石油大学(华东) 新能源学院,山东 青岛 266580)

采油厂采出液首先进入初分离罐将水和原油进行分离,所得原油和水分别进入油罐和污水罐。由于采出液含有砂子等固体颗粒物,因此会在油罐和污水罐中沉积形成油砂。罐内的油砂因为沉积而不易排出,会影响采油厂的效率,造成浪费[1]。因为排泥过程没有引入对罐底沉积物的探测,所以排泥过程仍然存在着排泥效率低下的问题,很大程度上限制了排泥的效果。亟需一种更加智能、更加高效的排泥分析方法。

关于罐底沉积物探测技术,有多种常用方法可供选择,包括激光沉积物扫描技术、侧扫声呐法、多波束测深法、单波束测深法以及无人船海底沉积物测量法。这些方法在各自的领域都具有一定的应用价值,为罐底沉积物探测技术的研究与发展提供了多元化的方向[2]。作为现代光学遥感仪器,激光沉积物扫描技术将现代激光技术与传统雷达技术相融合。通过激光扫描,它能对目标进行高精度测量,进而获取三维数据,如线、面、体和空间信息。得益于探测束波长的减小和定向性的提升,该技术具有高精度探测方面较为显著的优势[3]。自20世纪80年代起,我国就开始投入激光水下沉积物探测系统的研究与开发。在“八五”计划期间,华中科技大学成功研制了国内首套机载激光水下沉积物探测试验系统。此外,机载激光扫描系统在水下地貌测绘和制图领域也逐步取得了进展。要实现机载激光测深系统这一多技术集成的复杂系统,需要在多个方面突破解决技术难题。这包括研发高性能的硬件系统,研究以全波形数据处理为核心的算法,以及探索多光谱等创新技术和方法。

该技术属于国际上较为前沿的地形地貌探测技术,测量精度高,但距离其应用落地还有一定距离,很难将该技术迁移至罐底沉积物探测中来[4]。

侧扫声呐法是利用声呐发射装置向待探测水域发射声波信号,当声波遇到障碍物发生散射时,通过接收散射返回声波信号进而确定水域地貌信息的一种测量方式。侧扫声呐对水域进行探测的过程中易受到水中杂质以及环境噪声等不可控因素的影响,使得采集到的数据存在漂移点,不能准确反映水下地貌信息,同时,声波散射信号除了与油罐内介质以及水域中障碍物相关,还与待探测表面的反射角、声波吸纳能力等因素相关,使得侧扫声呐技术在罐底油泥探测领域的应用存在困难,所以本项目不采用侧扫声呐进行罐底沉积物探测[5]。

采用多波束测深系统进行罐底沉积物探测,其优点是能对探测位置进行精确定位,给出坐标位置及顶端标高,并对周边的罐底状况进行展示,对罐内一些管路目标分辨清晰;缺点是多波束覆盖宽度与深度有关,对于深度浅的液体效果一般,且对已经淤平罐内管线目标没有探测能力。对于本项目而言,储罐油泥深度较浅,采用该探测方案不能发挥探测系统的优势,同时发射功率较大,对于油田环境适应性差,所以不采用该探测技术进行沉积物探测[6]。

扇扫声呐包括多种声呐类型,其中使用最广泛的是单波束前视声呐,在一次收发过程中,声呐只能观测到该波束所覆盖的空间范围。因此,单波束前视声呐在探测目标时具有一定的局限性。若要对特定区域进行探测,需要采用外力驱动的方式旋转声呐发射装置以及基阵,以搜索并覆盖整个目标区域[7]。

单波束声呐数字化程度高、成像清晰,与多波束声呐相比,具有体积小、成本低、便于安装、可应用到小型化的平台上去的优势;同时在同等时间内,其扫描范围较多波束声呐更为集中,功耗更低,能满足油田安全使用的原则[8]。声呐探测对比如图1所示。

图1 声呐探测对比图

单波束测量设备拥有高度便携性,能够很容易部署于多种测量平台上,内置存储卡,数据可自动储存或者实时导出,兼容主流数据处理软件。

目前沉积探测器多在海洋、湖泊等开放空间应用,但是在采出水罐这种密闭空间还没有应用,这很大程度上限制水罐沉积规律的探索工作。并且罐底部高度不平、杂质较多,探测器发射的声波会在罐底和罐壁多次反射,影响罐底探测的精度。因此,基于以上种种因素,采取对罐底分区进行多次测量的方法,研究声波在罐底和罐壁反射和干涉的规律,通过研究相应的算法去除杂余的信号,获取罐底三维深度信息,利用所制定的三维深度信息探测方案得到罐底沉积物分布情况,从而确保探测精准的准确性[9]。并且在探测设备选型时,还应考虑选择具有防爆功能的探测装置,保证设备防爆。综上所述本项目主要采用单波束声呐设备作为罐底沉积物探测的主要设备。

1 理论分析

针对胜利油田孤东采油厂的实地情况,选择污水缓冲罐作为数值仿真对象进行Fluent数值模拟仿真,通过现场图纸对污水缓冲罐进行三维建模,首先对于罐体及其内构件进行完全建模, 为了便于分析、降低工作负担并确保计算准确性,需要在实际沉降结构的基础上进行简化。具体措施如下:

1)省略罐体中某些不影响分析结果的结构和设备,例如支撑架、油水集合槽、加热管线、油罐、冲洗管、泥沙汇集坑以及一些辅助设施(如换气阀和清洗孔)等;

2)将罐内压视为常压,忽略外部环境温度的波动;

3)假定罐内仅存在油泥砂和水两种相,且充满整个罐体内部;

4)假定分散相油滴的尺寸均匀一致。

假设进水管的流速保持稳定,不受波动影响。本研究关注的是油、水和泥沙三相混合物,属于典型的液-液-固三相流问题。在解决多相流问题时,欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法是两种常见的计算求解手段。针对不同流体介质的数值模拟仿真,两种计算求解方案均有其优缺点:欧拉-拉格朗日方法主要针对离散介质进行分析,而欧拉-欧拉方法则将流域中介质视为连续项进行分析。基于研究对象中各成分的比例以及研究目标,最终选择欧拉-欧拉模型中的混合物模型作为数值计算方法[10]。

混合物模型的基本控制方程包括以下三个方程。

连续性方程:

αk——第k相的体积分数;

n——为相数。

动量方程:

式中:p——压力面值;

能量方程:

=▽•(keff▽T)+SE

keff=∑αk(kk+kt)

式中:kt——湍流导热系数,由湍流模型确定;

kk——层流导热系数;

▽•(keff▽T)——由热传导引起的能量传递;

hk——第k相的显焓;

SE——所有体积热源。

选取RNGk-ε混合物两相流模型为物理场接口条件,进行仿真研究,其表达式如下:

=▽•[-pl+K]-▽•Km+Fm+ρg+F

式中:K=(μ+μT)(▽j+(▽j)T)——黏性应力;

ρ=ρdφd+ρc(1-φd)——浓度;

φd=phid——分散相的体积分数;

j——混合物的速度场;

ρd——分散相浓度;

ρc——连续相浓度;

jslip——滑移通量;

F——体积力;

Fm——体积力传递系数;

g——重力加速度;

mdc——从分散相到连续相的质量传递;

μ——动力黏度;

Pk——湍流动能源相;

uslip——平方滑移速度;

Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1,σε=1.3,σT=0.35,Cμ=

0.09——湍流模型参数。

2 淹没水射流数值模拟分析

2.1 模型建立

本内构件的三维模型是基于真实三维模型的结构对排水管在内构件锥形罩开孔接管的基础上进行简化得到的内构件结构,在保证了数值模拟计算结果在锥形罩区域的扰流现象出现的前提下,避免了焊缝区域出现的尖点和零体积区域的问题,简化了计算步骤、节省了计算资源、显著降低了计算时间以及保证了数值模拟仿真的收敛性。

2.2 网格划分

网格划分是模型计算的基础,进行CFD仿真的过程中网格划分的精细程度对于计算结果有着明显的影响,一般来说数值模拟仿真的精度与网格密度成正比关系。ANSYS ICEM CFD 有着强大的网格划分功能,可进行几何建模、网格编辑等功能。本文采用ICEM进行数值模型的建立与网格划分。通过建立罐内内构件的三维模型与水体模型进行布尔相减运算,得到污水沉降罐的水体模型,通过上述的简化可以做到在水体中不存在零体积区域与不连续区域可以实现高精度网格的划分[11]。结合各个水体部分的结构特点进行分割五部分part进行网格划分,对于管内流动的圆柱体采用扫掠方式进行网格划分,实现较快的划分速度得到较为精准的四面体网格,对于污水沉降罐中锥体部分是罐中最复杂的部分,利用高密度三角形网格对其进行划分,使得计算在此区域中具有较高的准确性,对污水沉降罐其余部分由于其空间尺度相对于进出水管部分较大,流体分布变化较为平缓故采用较为大尺度的四面体与三角形网格相结合的方式进行网格划分,在保证计算精度的前提下尽可能节省计算资源,提高计算效率。这是一种对于工程大尺度数值模拟仿真常用的一种计算方式。

几何模型结构示意如图2所示,网格划分如图3所示。

图3 几何模型网格划分图

2.3 相关参数的设置

在对罐内的油砂进行射流冲击作业的过程中,初始条件通常表现为:水与油泥砂两种组分在沉降罐中有明确的分界面,油泥砂由于其密度较大沉积于罐底,水相填充在油泥砂上部。设置主项为水,次项为油。喷嘴出口作为流场入口,入口边界条件定义为速度入口;出口定义为自由出口;喷嘴及壁面边界条件设置为墙体边界条件。本文所研究的水和油砂均为不可压缩流体[12]。选用收敛性好精度高的压力基求解器(Pressure-based);罐内流动为各向同性湍流,湍流域采用标准k-ε双方程模型进行计算;由于该模型是为了模拟流场内部水对油砂的冲击情况,存在水相和油砂相的相互作用及分流,在多相流模型中,Eulerian可用于模型中的每一项,故本模型采用Eulerian模型;控制方程的离散方法采用有限容积法,扩散相和流相分别采用一阶迎风差分格式和延迟修正的差分式离散,速度压力耦合采用压力修正法求解[13]。

2.4 仿真结果

通过对污水沉降罐的排水管直径、位置、数量进行Fluent流场仿真,现对于Fluent模拟结果进行分析。

流场发展初期罐内流体静止分布,由进水口进入油水混相物质,与静止流体接触产生剪切力,带动静止流体一起运动,在高速流体附近的流体速度较高,产生局部低压,流域中的其他液体向其中补充。在速度梯度与压力梯度的双重影响下,在高速流体两侧产生涡旋。但是由于,污水沉降罐的进水位置于中心圆柱底部,通过圆柱体的缓冲作用,在圆柱体的上端进入罐内时,只在污水沉降罐顶部存在较大的涡流搅动现象,并且由于污水沉降罐的大空间尺度的特点,对于罐底的油泥砂影响较小。故罐底油泥砂只在排水管出口的部分影响较大,并且由于罐内锥形罩的阻碍作用,在锥形罩的部分存在小范围的扰流搅动作用故油泥砂在锥形罩部分存在搅动现象。现通过对上述情况的Fluent数值模拟进行分析。

2.4.1 原污水沉降罐的Fluent数值模拟

试验水罐为2 000 m3沉降罐,进出口流量为1 600 m3/h,排泥时间30 min,进口压力0.6～0.65 MPa,油泥厚度2.7 m。进行Fluent数值模拟仿真,实际排砂时间5～30 min仿真结果如图4所示。

图4 不同排沙时间的相分布图

在仿真结果中上部及内部深色表示进液采出水,灰色表示罐内上层采出水,下部深色表示罐底油泥。 不同时间段的油泥分布情况,已用于目前指导沉积及排泥规律的研究 。

从仿真结果可以看出,沉降罐采用中央进液的方式,对罐内沉积物及整体的液态扰动较小。排泥区域集中在倒锥体下方,未安装排泥口一侧相比于另一侧排泥量更少,与实际结果吻合。通过对比上述图片,观察到在排泥结束后,中心圆锥罩内部仍然残余较多油泥,并且由于油泥黏度较高,存在对圆锥罩内壁黏附的现象,综上所述,原污水沉降罐结构对于罐底的油泥砂的影响较小,并且由于其较为复杂的内构件,导致罐底油泥砂排出效果较差。

2.4.2 双开口排水管污水沉降罐Fluent数值模拟

试验水罐为2 000 m3沉降罐,进出口流量为1 600 m3/h,排泥时间30 min,进口压力0.6～0.65 MPa,油泥厚度2.7 m。进行Fluent数值模拟仿真,实际排砂时间5～30 min仿真结果如图5所示。通过增加排水管数量之后,可以观察到相较于单排水管的情况,排水管对侧的油泥砂沉积现象得到明显改善,并且双侧排水管的设计,对污水沉降罐罐底沉积油泥砂上层可流动部分的排出效果得到了明显的改善。并且,相较于单侧排水的情况,罐内锥形罩内部由于高黏度油泥砂的黏附作用也得到了明显解决,故双侧排水的设计对于污水沉降罐的排泥存在明显的优化作用。但是,由于双侧排水的结构需要改变污水沉降罐现有结构,会产生较大的人力物力消耗;同时,双开口对于罐底水域的搅动较大,在罐底产生较为紊乱的流场,使得罐底油泥分布产生扰动,对上层清液的分布产生影响[14]。

图5 双向开口不同排沙时间的相分布图

3 现场实验与数值模拟对照

检测设备为智汇ZH200单波束测深仪(大小功率各一个),换能器频率200 kHz测深量程0.4～200 m,测深精度1 cm±0.1%×水深。应用此声呐检测设备采集污水缓冲罐排砂前后测深数据,可得排砂作业后罐内油泥砂分布及罐内油泥砂高度变化趋势,其分析如图6、图7所示。

图6 声呐探测罐内油泥砂分布情况

图7 数值模拟罐内油泥砂分布情况

由图像的声呐探测和数值模拟方针结果进行对照可知,在双向开口的排砂的情况下声呐探测结果与Fluent数值模拟结果的油泥砂分布情况基本一致,在排砂后罐内仍然存在3.5 m左右的油泥砂残余,并且由于罐内排砂的流场搅动效果,罐底油泥砂的分布为高低不均匀状态。此结果证明本数值模拟仿真结果与实际排砂状况基本一致,对于罐内排砂结构优化具有良好的参考价值。

4 结论

本文主要进行了不同工况下污水沉降罐的Fluent数值模拟仿真,根据实验装置在Soliworks建立三维模型,并进行网格划分、网格无关性验证的步骤,保证了数值仿真的真实性和准确性,进行了边界条件的设置:入口处为速度入口、出口为自由压力出流、边界设置为静止壁面,进行数值模拟计算。

1)经过声呐探测仪探测和Fluent数值模拟仿真对比,在排泥结束后,经过沉降,油泥的厚度在罐内基本保持均匀分布,该结果与实际吻合。该结果从侧面验证数值模拟的准确性,可以为优化水罐结构提供良好的条件。

2)并且对于数值仿真过程进行了分析,讨论了原本结构、加大排水管直径情况下的流场发展情况,提出了污水沉降罐排砂结构的优化方案,并且论证了优化结构的优缺点以及合理性。对实际装置的优化方案具有指导意义。

3)通过本研究针对现场进行Fluent数值模拟仿真得到罐内油泥沉积变化规律,得到在沉降罐工作的不同时刻罐底沉积物的变化情况,能够指导现场工人根据现场油泥分布情况定时定量进行排泥作业,通过很大程度上提高现场排泥效率。