井下液砂旋流分离数值模拟研究.doc

井下液砂旋流分离数值模拟研究李宾飞1 李兆敏1 张志华2 付路长2 （1，石油大学（华东）石油工程学院，257061；2，中国石化胜利油田胜利采油厂，257000）摘要：井下液砂旋流分离技术主要应用于出砂油井，其主要作用就是将采出液和产出的地层砂在井底分离，以减少对抽油设备的磨损。本文深入研究了井下液砂旋流分离设备的流动机理，用流体力学原理和方法建立了该设备的物理模型，采用雷诺应力模型（RSM）和分散相的代数滑移混合模型对分离设备内的湍流流场进行了数值模拟。通过计算得到了分离设备内流体流动的速度矢量图、速度分布图、压力分布和分离的粒级效率曲线。计算结果与理论分析一致，证明了模拟计算的可靠性，为进一步研究井下液砂旋流分离设备的结构优化、设备特性参数对分离效率的影响及分离设备的性能预测等打下了基础。关键词：水力旋流器 两相流 湍流模拟 井下分离器 出砂在石油开采过程中，油井出砂已成为日益影响生产的普遍现象，经常造成有杆泵泵筒、活塞磨损，砂卡活塞，凡尔刺坏等问题1。井下液砂分离技术，对于降低进泵液体含砂量，减轻砂粒对地面和井下抽油泵的磨蚀，延长抽油泵的使用寿命具有非常重要的意义。水力旋流器是一种用途广泛的通用设备2，他广泛应用于采矿工业、化学工业、石油工业、轻工、环保、食品、医药、纺织等工业部门中，而且其应用领域正在越来越广。2001年，胜利油田将根据经验设计了一种井下液砂分离设备，其主要结构和原理就是将一个自行设计的水力旋流器安装在抽油泵的下部，水力旋流器的底流口配置100150m的沉砂尾管，尾管下端接丝堵，通过旋流分离器的分离作用将地层砂分离到尾管中，采出的液体则由抽油泵抽到地面。现场试验表明，该装置取得了一定的液砂分离效果。研究表明3：旋流器的几何结构尺寸对分离效率影响很大，正确地选择几何结构参数可以有效地提高水力旋流器的分离效率；而影响旋流器的分离因素很多，由于实验条件的限制，完全由实验研究来进行尺寸优化是不现实的，必须结合理论分析计算，以流场湍流数值模拟为主研究旋流器内流体流动的规律。因此有必要对井下液砂分离设备进行数值模拟研究。1 湍流模型4：连续方程： (1)动量方程： ，1，2，3 （2）Reynolds 应力输运方程模型： （3）式中左端两项分别为应力的时间变化律和对流项，右端4项的具体表达式依次如下：应力扩散相为：，剪力产生相为：，应力应变项为：，耗散项为：对其中的、进行模拟，可以得到RSM模型的基本封闭方程组。2 分散相动力学模型5：代数滑移混合模型是一种简化的两相流动模型，可以考虑两相间的速度不同而引起的滑移。通过求解混合相的连续型方程、动量方程、第二相的体积分数方程和相对速度代数方程来实现，在许多情况下是对两相流动模型的简化，特别适用于在重力、离心力或其他体积力作用下粒子或液滴的分离计算。由于井下液砂分离器器主要依靠离心力促使油水分离，因此采用该模型。代数滑移混合模型方程：(1) 混合的连续性方程：(2) 混合的动量方程： (3) 固相体积分数方程：(4) 滑移速度和漂移速度:滑移速度指分散固相()与液相()的速度差：，可由下式求解：式中 固相的离心加速度； 粒子直径。漂移速度与滑移速度的关系为： 以上各式中：相数；混合密度，；混合粘度，；质量平均速度，；漂移速度，。3 边界条件4，6：（1）进口边界条件：井下液砂分离器实际进液口的径向坐标是随变化，它要求用三维系统来描述，计算量较大；而旋流器内部的流动则因为轴对称性可被认为呈二维椭圆型湍流运动。于是，将进液口的三维几何边界简化为二维的基圆圆周进口，即认为流体从基圆圆周各处切向均匀进料。这样，进口条件为：； ； ； ； ；其中：，处理液量；、分别为进液口和旋流器直径。（2）出口边界条件：在井下液砂分离器溢流口处，可以近似认为流体呈充分发展湍流状态，于是可以取流体流动特征量的梯度为零作为出口边界条件，即：, ,。（3）对称轴条件：旋流器中心轴线按轴对称处理为： ；，,。（4）壁面条件：壁面按无滑移处理，即： ，,。4 数值计算方法4，7：图1所示为井下液砂分离器的结构示意图，在进行数值模拟计算时，尾管部分取了4米（是旋流分离部分的10多倍），整个计算区域划分了110686个网格。因近轴区和近壁区的速度梯度较大，相应采用了较密的网格，其它区域则采用较疏的网格；最后采用SIMPLE算法进行求解。图 1 井下液砂分离器结构示意图5 数值计算结果：经过计算得到的流场的基本情况如图2、图3、图4、图5所示图 2 液砂分离器内部的轴向速度矢量图图 3 液砂分离器内切向速度等值线图图 4 三个剖面处的压力由图可以得出：液体的轴向速度由器壁向中心方向愈近而愈高；速度由负变正，大约在旋流器半径的中部通过零点。所有的速度为零的各点形成了所谓零轴速包络面LZVV。该面内部流体向上流动形成内旋流，而在外部液体则向下往底部流动形成外旋流。这与一般旋流分离的流场特征相符合8。零轴速包络面LZVV一直延伸到尾管内，说明在尾管内也存在旋流分离作用。同时尾管内近壁处向下的液流可以将分离出来的固相颗粒推向尾管的底部，而中心向上的液流中固相颗粒则很少，这有利于进一步提高分离效率，分离出来的固相颗粒主要堆积在尾管的底部。图 5 粒级效率曲线由分离的粒级效率曲线可以看出，粒级在60m 时分离效率为93以上，而在石油开采过程中，主要是70m 以上的砂粒磨损抽油设备，而70m以下的砂粒可以随产出液产出。由此可以看出，井下液砂分离器完全可以满足使用要求，从现场应用效果来看，与预测结果吻合得很好。6 结论：采用雷诺应力模型（RSM）和分散相的代数滑移混合模型对分离设备内的湍流流场进行了数值模拟。通过计算得到了分离设备内流体流动的速度矢量图、速度分布图、压力分布和分离的粒级效率曲线。计算结果与一般旋流分离的流场特征相符合。零轴速包络面LZVV一直延伸到尾管内，说明在尾管内也存在旋流分离作用。同时尾管内近壁处向下的液流可以将分离出来的固相颗粒推向尾管的底部，而中心向上的液流中固相颗粒则很少，这有利于进一步提高分离效率，分离出来的固相颗粒主要堆积在尾管的底部。由分离的粒级效率曲线可以看出，粒级在60m 时分离效率为93以上，由此可以看出，井下液砂分离器完全可以满足使用要求，而现场的应用也证实了这一点。井下液砂分离器的数值模拟计算为进一步研究井下液砂旋流分离设备的结构优化、设备特性参数对分离效率的影响及分离设备的性能预测等打下了基础。参 考 文 献1 高淑清.抽油泵旋转柱塞.石油机械,2001,29(6):552 褚良银,陈文梅等.水力旋流器.化学工业出版社,19983 李玉星等. 液液水力旋流器流场数值模拟技术研究. 化工装备技术,2000,21(1):9134 陆耀军等.不同湍流模型在液-液旋流分离管流场计算中的应用及比较.清华大学学报(自然科学版),2001,41(2):1051095 李玉星等. 油水分离用水力旋流器理论模型及数值模拟. 石油机械, 2000,28(11):26296 褚良银等. 水力旋流器能耗机制与节能原理研究 .湍动能分布与湍动能耗散率.化工机械,1998,25(5):2542587 P. HE, M. SALCUDEAN and I. S. GARSHORE. A Numerical Simulation of Hydrocyclones. Trans IchemE, July 1999, Vol 77,part A: 4294418 Joe M. Kang. On the Analysis of the Flow and Particle Motion in a Hydrocyclone. SPE 13407, 1984A Numerical Simulation of Liquid-Sand Separation With Downhole HydrocycloneLi Binfei1 Li Zhaomin1 Zhang Zhihua2 Fu Luchang2 (1. College of Petroleum Engineering, University of Petroleum (East China), Dongying, 257061, China; 2. Shengli Oil Field, Dongying, 257000,China) Abstract: The liquid-sand separation technology with downhole hydrocyclone is used in sand produced well. The main effect of liquid-sand separation technology is separating produced sand and liquid (mixture of oil and water), and reduces the attrition of pump and other equipment. In the paper, a physical model is built, and a numerical simulation was made for the two-phase turbulence field in the downhole hydrocyclone by using the Reynolds stress model (RSM) and algebraic slip model. The velocity vector in the downhole hydrocyclone, the velocity contour line and the separation efficiency curve are obtained through the simulation. The results of simulation are in good agreement with theoretical analysis. The s