柱式气液旋流分离器设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 柱式气液旋流分离器设计 【 摘要 】 平衡钻井技术有利于防止钻井液漏失、能及时发现和保护油气层，并能提高机械钻速等。但是由于欠平衡装备价格昂贵，制约着这一技术的发展。鉴于这种现状，自行设计了台应用于欠平衡钻井的管柱式气液旋流分离器。管柱式气液旋流分离器是一种带有倾斜切向入口及气体、液体出口的垂直管。它依靠旋流离心力实现气、液两相分离，与传统的重力式分离器相比，具有结构紧凑、重量轻、投资节省成本等优点，是代替传统容积式分离器的新型分离装置。在气液两相旋流分析的基础上，建立了预测分离性能的机理模型，该模型包括 了入口分离模型、旋涡模型、气泡及液滴轨迹模型；依据机理模型，提出了管柱式旋流分离器工艺设计技术指标和工艺步骤 成了管柱式旋流分离器的结构设计、强度分析、理论校核、焊接工艺设计以及分离器内气液两相流的数值模拟，为工程设计和理论设计提供一定的理论依据。 【 关键词 】 欠平衡钻井技术 旋流分离器 气 液 两相流动 分离 机理 模型 设计 2 【 is in of s s In of a is to It so s a On , on as as in as as 【 :， ， 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目录 柱式气液旋流分离器设计 . 1 绪论 . 2 欠平衡钻井技术的发展现状和前景 . 5 1、 设计背景 . 6 择气液旋流分离器的意义 . 6 液旋流分离器的国内外研究现状 . 7 2、 方案论证 . 8 流式气液分离方案的可行性 . 8 流式分离器的结构及工作原理 . 9 流式分离器的优缺点 . 9 3、 结构分析及设计 . 10 口设计分析 . 10 . 10 . 11 . 11 体结构设计分析 . 11 . 11 . 12 . 12 口管设计分析 . 12 4、柱式气液旋流分离器参数设计 . 12 算分离器直径 . 12 离器的高度计算 . 13 定上半部分的高度 . 13 算入口分流区的高度 . 13 算旋涡区的高度 . 13 泡轴向距离计算 . 14 离能力计算 . 15 径向方向上 . 15 竖直方向上 . 16 面高度的确定 . 17 室压力 确定 . 17 面高度 确定 . 18 口管的设计计算 . 20 体强度设计 . 21 计参数 . 21 体厚度设计 . 22 兰的校核计算 . 22 . 22 . 25 5、气液两相流场的数值模拟 . 30 值计算方法简介 . 30 4 制方程 . 31 流模型 . 32 相流模型 . 33 值计算方法 . 35 界条件的处理 . 35 计算前处理 . 36 参考文献 . 37 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 1、绪论 平衡钻井技术的发展现状和前景 欠平衡钻井技术就是在钻井过程中 ,利用自然条件和人工手段在可以控制的条件下使钻井流体的循环液柱压力低于所钻地层的孔隙压力 ,以实现 所谓的“边喷边钻” ,这种钻井工艺技术叫欠平衡钻井。 欠平衡钻井技术最初是从美国得克萨斯州发展起来的 代以来 ,由于研制成功了旋转防喷器及其它欠平衡钻井配套设备 ,欠平衡钻井技术得到了大规模推广应用 ,在实施过程中 ,工艺和设备又不断的完善和提高 ,目前已经成为一项比较成熟的技术 由于与普通钻井相比 ,欠平衡钻井有多方面的优越性 ,加上政府的鼓励政策 ,因此欠平衡钻井技术发展很快 ,1992 年采用欠平衡钻井技术完成 30 口井 ,1993 年达到120 口 ,1994 年和 1995 年分别完成 230 口和 330 口 . 我国开展欠平 衡钻井的研究起步较晚 ,但近年来随着塔里木油田解放 128 井、轮古2 井、轮古 2、轮古 2、轮古 4 井、轮古 2 ,大港油田板深 7、板深 8 等井采用欠平衡钻井技术取得良好的开发效果和勘探突破 ,引起了人们对这项技术的极大兴趣 原、胜利等油田也取得了一定的经验 发技术的一个方向 争取用欠平衡钻井技术取得好的勘探和开发效果 国际钻井招标也越来越多地要求采用欠平衡钻井技术 ,也将促进我国欠平衡钻井技术的发展 . 在未来钻 井技术发展中 ,欠平衡钻井技术将同水平井、分枝井、连续油管钻井等技术一样 ,成为一种趋势 程公司共同发展的一项调查表明，到2005 年，美国国内采用欠平衡钻井技术完成的钻井数量将占到总钻井数量的 30%，而且比较乐观的预测则是 37%。随着信息、装备的不断完善和市场的不断推动，我国欠平衡钻井的数量也将稳步攀升。 在钻井过程中，实现对油气层的充分暴露和保护，有利于发现油七层和增加油井产量，欠平衡钻井所具有的一些优势较好地适应了这种需要。同时欠平衡钻井与常规过平衡钻井相比，其具有的优点优点有：（ 1）可以减轻或消除钻井液对地层的危害；（ 2）良好的地层显示，有利于达到勘探目的；（ 3）增加了防喷能力，降低了井喷失控的风险；（ 4）可以大幅度地提高钻速；（ 5）可以降低井漏风险，节约钻井成本；（ 6）可以减少压差卡井风险；（ 7）可以钻井过程中生产油气；（ 8）可以对地层进行较为准 6 确的评价。 在欠平衡钻井过程出于安全的考虑和钻井工艺的特殊要求，除了所用的地面常规地面装备像氮或压缩气供应装置、容积小且压力大的注液泵、液 流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统等，还需要一 些专业设备，主要有高压旋转分流器 流导向系统、地面分离系统、隔水管帽旋转防喷系统、实用隔水管装置、模拟软件、地面数据采集系统。但是国内欠平衡钻井装备开发能力还很低 ,只有少数厂家可以生产专业装备 ,常规和关键设备几乎全部是依靠进口 . 近几年来 ,欠平衡钻井技术在国内得到了充分的推广 ,并且取得了良好的效果和显著的经济效益 昂贵的欠平衡装备是制约着这项技术的障碍 ,欠平衡装备配套国产化是国内众多厂家关注的焦点 其作用是将井筒内循环出来的气体与液体分离 ,从而 保持正常的钻井工作。目前国内仅有的几台欠平衡装备中的液气分离器大都是从美国进口的 ,价格极其昂贵。同时考虑到目前的石油工业主要依靠常规容器式分离器来处理井口油 /气 /水采出液。但经济性和操作压力条件不断要求其寻找新型高效、低成本的小型分离器 ,特别是在海上油田。与容器式分离器相比 ,诸如柱状气 液旋流器 (小型分离器具有结构简单、价格低廉、重量轻等特点 ,基本不需任何维护 ,而且易于安装及操作。针对这一现状 ,本设计自行设计一台适应欠平衡钻井施工的管柱式液气旋流分离器。 计背景 择气液 旋流分离器的意义 石油石化工业中，为了满足计量，加工储存和长距离运输的需要，必须将石油按液体和气体分开，这个过程一般在分离器和塔中进行，因此气液分离器是油田和炼油厂中使用最多，最重要的压力容器设备之一。 随着陆地及近海油气资源逐渐减少甚至枯竭 ,为满足日益增长的能源需求 ,世界发达国家将油气资源开发重点投向了深海 。 平台是海上采油的主要生产设施。海洋平台上的主要工艺设备有油、气、水处理和注水供水设备等 ,分离器即是海上油田的油、气、水通常采用的处理设备之一 。 从进口采油树出来的原油和天然气都是碳氢化合物的混合物。天 然气是由分买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 子量较小的组分所组成，在常温常压下呈气态；原油分子由分子量较大的组分所组成，在常温常压下呈现液态。在油田的高温高压条件下，天然气溶解在原油中。当油气混合物从地下沿井筒向上运动到达井口续而沿出油管，集油管流动时，随着压力的降低，溶解在液相中的气体不断洗出，并随其组成，压力和温度条件形成了一定比例的油气共存混合物。并且原有和天然气混合物中还含有其他杂质。为了满足产品计量，平台处理，储存，外输和使用的要求，有必要进行处理，而通过油气分离则是必要的一个步骤 综上所述，油气分离在石油工业中占据了很重要的地位 ，然后油气分离技术仍然处于发展中，需不断完善。 液旋流分离器的国内外研究现状 气液分离器的发展大体分为三个阶段，早期出现并大量使用的是传统的容器式分离器（立式或者卧式）与凝析液捕集器。 经过几十年发展，该技术已经基本成型。当前研究重点放在研制高效的内部填料以提高其分离效率。容器式分离器主要靠重力和气液相密度差实现分离。效率较低且设备体积大，笨重，投资高。 新型分离器柱状气液旋流分离器。 写传统的容积式分离器相比，他具有结 构紧凑，能耗低，质量轻，应用方便等优点。同时可明显降低轻烃的残留量。拄状气液旋流器 (带有倾斜切向入口和气体及液体出口的垂直管，切向液流由入口进入 形成的旋涡产生了作用于液体的离心力和浮力，其数值比重力要高出许多倍。重力、离心力和浮力联台作用将气体和液体分离开。液体沿径向被推向外侧，并向下由液体出口排出；而气体则运动到中心，并向上由气体出口排出。这一低成本、重量轻的小型 离器在替代常规容器式分离器方面具有很大的吸引力。 对 常规容器形立式和卧式分离器在尺寸方面的差别进行对比 ，油和气的流量分别为 100000 d 和 70000d，表压力为 100这种情况下，需要的 内径及高度尺寸分别是 5 20当于同等规模的常规立式分离器 (935一半左右，相当于常规卧式分离器 (1975四分之一左 8 右。 目前的石油工业主要依靠常规容器式分离器来处理井口油气水采出液。但经济性和操作压力条件不断要求其寻找新型高鼓、 低成本的小型分离器， 特别是在海上油田。 然而， 在 能预测方面存在的不足限翩了其推广应用范围。目前 R D 公 司正在建立必要的性能预测工具，以便对 离器进行合理地设计和操作。 目前已制造出许多 品， 用于相对简单的应用当中。对 应用及要求迅速增多。几家公司正在将 入到他们的小型分离器生产线上。另外，现在已有采用 一个二级卧式分离器的商用多相计量系统 。日益增长的工业需求将促进其进一步商业化。 术对石油工业最大的冲击可能在海洋分离方面的应用。具有切向入口的立式分离器在油田中已经相当普遍。 目前 技术主要在下面几方面能够有所改进： 1、入口设计（倾斜入口 ，入口喷嘴设计，双入口设计等） 2、主题结构（入口位置，最佳外形比，旋流体锥度。） 3、液面控制 4、整体分离系统 5、辅助系统改进 2、 方案论证 流式气液分离方案的可行性 目前分离器的种类繁多，分类方法也很多，主要按分离介质不同可分为固液分离器、气液分离器和液液分离器，按分离原理可分为重力式分离器、管式分离器和旋流式分离器。目前对分离器的理论和实践研究已比较深入，对内部流动规律也了解很多。经过不断的研究，在常规式分离器的基础上，又出现了很多适用于各种场合的新型分离器。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 旋流分离器 (简称旋流 器 ) 的发明、应用已有约一个半世纪了。开始 ,只用于选矿过程中的固液分离和固固分离 2分级 ,后来发展到固气分离 ,液气分离等。到 20世纪 80年代末 ,这种旋流分离器被用于石油工业中的产出水除油 ,取得了满意的效果。虽然旋流分离技术在气液分离方面的应用要晚得多 ,但已显示出了其体积小、快速、高效、连续操作等方面的优越性。 流式分离器的结构及工作原理 旋流分离器，是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机械分离设备。旋流分离器的基本构造为一个分离腔、一到两个入口和两个出口。分离腔主要有圆柱形 、圆锥形、柱 口有单入口和多入口几种，但在实践中，一般只有单入口和双入口两种。就入口与分离腔的连接形式来分，入口又有切向入口和渐开线入口两种。出口一般为两个，而且多为轴向出口，分布在旋流分离器的两端。靠近进料端的 图 2溢流口，远离进料端的为底流口。 在具有密度差的混合物以一定的方式及速度从入口进入旋流分离器后 ,在离心力场的作用下 ,密度大的相被甩向四周 ,并顺着壁面向下运动 ,作为底流排出 ；密度小的相向中间迁移 ， 并向上运动 ， 最后作为溢流排出，分离示意图如图 1。这样就达到了分离 的目的。 旋流分离技术可用于液液分离、气液分离、固液分离、气固分离等。本文设计的旋流分离器用于石油钻井中钻井液的气液分离。 流式分离器的优缺点 在石油化工中装置中，有各种各样的分离器，其中以立式重力气液分离器最为常见，这种气液分离器具有结构简单、操作可靠等持点。 立式重力式分离器的主体为一立式圆筒体，多相流一般从该筒体中段进入，顶部为气流出口，底部为液体出口，其结构简图见图 2 虽然旋流式气液分离技术在石油化工方面的应用要晚得多 ， 但与常规的重力式分离相比较，它具有很多优点： 分离效率高，由于分离原理的不同使得旋流式分离器具有很高的分离效率； 成本低 ， 占用空间较小、维护费用少、能耗低、不需要任何帮助分离的介质 ； 液体气体气液混合体 10 安装灵活方便 ， 旋流器可以任何角度安装 ； 工作连续、可靠 ,操作维护方便 ,一旦设计、调试好 ,就可自动、稳定地工作。 旋流式气液分离器有以上优点，但也有如下缺点 : 由于旋流器内流体的流 动产生一定的剪切作用 ， 如果参数设计不当 ， 容易将液滴(油滴或水滴 ) 打碎乳化而恶化分离过程； 通用性较差。不同的分离要求、不同的处理物料的性质往往需要不同结构尺寸或操作条件的旋流器，因此旋流器往往不能互换使用。 在欠平衡钻井中，使用旋流式气液分离器分离钻井液中的气体，能充分发挥该离器优点，同时又能有效的避免它的缺点。因此，旋流式气液分离用于分离钻中的气体具有广阔前景。 3、结构分析及设计 口设计分析 由于管柱式旋流分离器主要依靠旋流产生的离心力实现气液的高效分 离 ,而入口结构决定了分离器的气液分布及其初始切向入口速度的大小 ,因此入口结构和尺寸是影响管柱式旋流分离器实现气液分离的关键因素。管柱式旋流分离器入口主要由入口管、喷嘴和入口槽 3 部分组成。 气液相流速的不同 ,油气两相或油气水多相流在入口管内可能呈现分层流、段塞流、分散气泡流或环状流等多种流型。实验研究表明 ,采用向下倾斜的入口管 ,保证入口管流型呈现分层流将在很大程度上改善气液分离效果 ,扩展管柱式旋流分离器的适用范围。而传统分离器采用的入口结构通常为垂直于筒体的结构 (目前很多分离器采用的分气 包亦为类似结构 ),采用垂直结构的管柱式旋流分离器实验证明 ,与倾斜向下的入口结构相比 ,气液分离效果明显变差 ,工作范围大约减小一半。入口管向下倾斜 ,在重力作用下有利于形成分层流 ,实现气液两相的初步分离 ,同时 ,向下的倾斜结构使经过初步分离的液相在入口下方旋转一圈后形成旋流场 ,避免了对气相向分离器上方运动的阻塞。故入口管采用倾斜入口 . 入口管倾角以 宜 ,管长取 入口管直径的选取应保证流型为分层流 ,由 测模型确定 ,分层流转变为间歇流或环状流的判别准则为 : 1)( 222 （ 式中： 2/1)(c o s l12买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 2)12(1 U /4 )12(1)12()12( c o 212 式中 D 为入口管直径 ,是它的横截面积 ,代求解准则方程 ,D和 直至准则方程左端小于 1,为满足分层流条件最小入口管直径。 喷嘴是入口段最后一个影响进入分离器气液相流速分布和入口切向流速大小的因素。通过对 3 种不同入口开槽结构 (矩形、同心圆形及新月形 )的初步实验发现 ,同心圆形 喷嘴 (缩口管 )结构的分离特性最差 ,而矩形结构喷嘴的分离效果最佳 ,新月形结构喷嘴的分离效果与矩形喷嘴接近 ,由于矩形槽结构加工困难 ,推荐采用新月形结构。 入口喷嘴面积的选取应保证入口液相流速在 之间。液相流速过小将难以发挥旋流离心分离的作用 ,但液相流速过大将形成过高的漩涡区 ,在筒体中过早出现气相夹带液滴和液相夹带气泡现象 ,影响分离效果。 双倾斜入口将入口流预分为两股流动：低入口的富液流和高入口的富气流。双入口的试验表明中等大小的气体流量（在入口处段塞流转为分层流）下，气体带 液率有明显降低，当气体流量较高时（在入口处为环空流），无多大变化。 体结构设计分析 对于没有液位控制的 入口段定位于靠近液面的上方是至关重要的。最新的许多试验都表明 ,单入口 最佳液面大约在距离入口下方 1 3L/d 处。过 12 低的液面 ,如距离入口处远大于 3L/d,会导致切向入口速度的过度衰减 ,影响 性能。如果液面高于入口 ,气体会通过液体而溢出 ,造成更多液体的携带。 佳外形比 外形比是指 长径比。 尺寸影响其性能及造价。对于一个给定 的直径 ,入口上方的长度提供了液流扰动的容量 ,而入口下方的长度则决定了用于从液体中分离气泡的存留时间。另外 ,离心力和浮力的大小与直径成反比 ,切向速度衰减与长度成正比。由于这一现象的复杂性 ,最近才刚刚提出了一套决定最佳外形比的基本标准。 针对反锥型、正锥型和圆柱型旋流体进行的研究表明 ,对于气 /液分离 ,圆柱型旋流体要稍优于反锥型和正锥型结构。 口管设计分析 气液相出口管线的配置可根据气液相流量、配置仪表的要求确定。建议气相出口流速取 330 / ,液相出口流速取 12 /。容器内平衡液位应低于入口 0 分离气液相的汇合点一般低于入口点 以保持正的静水压头。若分离器配置控制系统 ,汇合点位置可以高于入口。 4、柱式气液旋流分离器参数设计 算分离器直径 考虑分离器上部的气相分离部分 ,分离器直径的选取应避免气相中夹带液滴 ,以气相折算速度表示 ,即气相折算速度不能大于气流中出现液滴时的临界速度。气相临界速度是 : 2)(c （ 式中 无因次 ,它 决定于液滴的尺寸 ,这里取值 7。 对于分离器入口以下的液相分离部分 ,应充分发挥离心分离特性 ,避免液相中夹带买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 气泡。研究表明 ,保持液相入口切向流速液相流速l的比为 40 时 ,旋流分离效果最佳。通常切向流速一般取 6 / ,显然临界液相流速。对于高气油比的分离工况 ,分离器直径： （ 对于 低气油比的分离工况 ,分离器直径： （ 式中 根据入口喷嘴分析 ,取液相入口切向速度为 :6m/s 由上分析知当l=40 时 , 旋流分离效果最佳 ,故液相流速 :l=s 已知 :日处理液量 :900 m3/d=s, 日处理气量 :90m3/d=m3/s,又知本设计工况是低气油比工况 ,故由公式（ 30）得 分离器的直径： = 2(m) 经圆整后取 00离器的高度计算 定上半部分的高度 以入口为界分离器分为上下两个部分。经过旋流离心分离 ,部分液体可能以旋流液膜的形式向上爬升或以液滴的形式随气流向上运动产生气相夹带液滴的现象。上半部分的高度应足够高 ,甚至在极端流型 段塞流工况下能够吸收液相流量的波动 ,避免气相夹带液滴的现象。参考传统立式分离器的沉降分离段的处理方法 ,结合现场应用经验 ,管柱式旋流分离器的上半部分高度一般取 1 根据要求分离器的日处理量 ,设计半部分的高度为： h=因经初步分离的液体在入口下方旋转一周后才形成旋流 ，在这个过程中形成入口分流区。在入口分流区内流体作螺旋运动，所需的时间 t 为： t= 入口分流区高度为： h= 0(2 已知 3/1500 3/185.1 6 14 得出旋涡区高度： L= 430 = 0 0( 2 下部液相空间的高度选取 ,应保证液相在分离器内有足够的停留时间使气泡得以分出进入上部气相空间。根据实践经验 ,当筒体直径小于 1 英寸时 ,液相空间高度取 1 于大直径的旋流分离器 ,根据建立的气泡轨迹模型 ,求解气泡 (气泡直径取 500 )自器壁进入中心气核实现分离在轴向上穿过的距离显然液相空间的高度应不小于因为分离器的设计直径是 300 应根据建立的气泡轨迹模型 ,求解下部液相空间的高度 . 气泡在 穿过的整个轴向距离计算公式 : rz br 已知 33 /105.1 3/185.1 , 800 由公式（ 20）得气泡轴向滑脱速度 : 0500()8)( 4262 气泡径向速度分布 : )()()(34)( 2 （ 式中混合物的密度分布： .()( （ 液相切向速度分布： )( （ 式中切向入口速度 ,m 和 n 是指数 ,取 0.9， 根据 议阻力系数为 : ) e (1 6 3 e ()R e (4)( （ 雷诺数 : )()()R e( （ 因为 )( r 之间存在嵌套关系，通过 )( r 的关系式不能直接得出两者之间的关系，所买文档就送您 纸全套， Q 号交流