敬加強，黃婉妮，宋學(xué)華等：基于Fluent的井下油水分離和潤滑過(guò)程中新型潤滑元件設計分析
原創(chuàng )
敬加強等
化工進(jìn)展
化工進(jìn)展
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huagongjinzhan
月刊，中國化工學(xué)會(huì )會(huì )刊。EI全文收錄，中文核心期刊，入選中國科技期刊卓越行動(dòng)計劃。
基于Fluent的井下油水分離和潤滑過(guò)程中新型潤滑元件設計分析
敬加強
1,2
，黃婉妮
1
，宋學(xué)華
3
，羅佳琪
1
，宋揚
1
，戢慧
4
，羅遒漢
1
，王思汗
5
1
西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；
2
油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都 610500；
3
新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；
4
新疆油田分公司吉慶油田作業(yè)區，新疆 吉木薩爾 831700；
5
中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000
引用本文：
敬加強, 黃婉妮, 宋學(xué)華, 等. 基于Fluent的井下油水分離和潤滑過(guò)程中新型潤滑元件設計分析[J]. 化工進(jìn)展, 2021, 40(11): 5929-5938.
DOI：
10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2256
為解決含水稠油采輸時(shí)油水分離和降黏減阻的問(wèn)題，采用Fluent軟件對井下油水分離和潤滑過(guò)程進(jìn)行數值模擬，并設計出一種新型的潤滑元件，使其能就地安裝，形成高質(zhì)量油水環(huán)狀流，有效控制采出液的含水率，提高含水稠油井采收率，并降低后續原油處理成本。固定入口流速為0.6m/s，分流比為0.5，進(jìn)行潤滑元件結構的單因素分析。結果表明：流體在溢流口處徑向速度極小，說(shuō)明形成的油核幾乎不存在偏心現象，軸向速度的存在有利于形成清晰的油水界面，從而利于形成高質(zhì)量的油水環(huán)狀流，經(jīng)過(guò)元件的流體分離出部分水后軸向速度也得到了提升，有利于提高原油采收率。進(jìn)行與仿真模擬相同工況下的室內實(shí)驗，通過(guò)改變流速觀(guān)察潤滑元件的壓降值與流型的變化情況。結果表明：合理的入口流速范圍內，采用雷諾應力模型（RSM）與混合多相流模型（Mixture）計算模擬潤滑元件內部流場(chǎng)情況具有較高的可信度。
稠油是全球石油烴類(lèi)能源中的重要組成部分，也是我國重要的石油資源，國內的稠油資源開(kāi)發(fā)前景廣闊。在油藏環(huán)境下，含水稠油的流動(dòng)性較為良好，但稠油流至井筒中以后，因稠油流動(dòng)阻力增大而難以舉升，造成采輸上的困難。稠油油田在開(kāi)采中后期，含水率會(huì )逐年增加，降低原油采收率，導致油田因快速進(jìn)入非盈利生產(chǎn)階段而被迫停產(chǎn)，這會(huì )使井下的原油儲量得不到充分開(kāi)采，采出水過(guò)多也會(huì )給環(huán)境帶來(lái)很多不利影響，增加地面水處理設施和費用。
目前，國內對于稠油開(kāi)采的常規井筒減阻工藝主要有化學(xué)降黏、摻稀油、摻污水、電加熱和熱流體循環(huán)。這五種常規工藝雖然在現場(chǎng)中應用廣泛，但這些方法使稠油在井筒中的舉升過(guò)程中存在處理量過(guò)多、摻入量大或能量損耗高等問(wèn)題。關(guān)于井筒內潤滑減阻的研究卻很少，并且國內尚未應用于現場(chǎng)，目前尚處于探索階段，而潤滑元件可以使稠油在舉升過(guò)程中形成環(huán)狀流來(lái)實(shí)現稠油潤滑減阻輸送。
王帥等以自來(lái)水和0
#
柴油作為實(shí)驗介質(zhì)，使油水兩相流通過(guò)旋流裝置后在管內形成關(guān)于軸線(xiàn)對稱(chēng)的環(huán)狀流；郭省學(xué)通過(guò)高效旋流裝置，將油水兩相在管內分隔成關(guān)于軸線(xiàn)對稱(chēng)的環(huán)狀流，并研究繪制出理想相分隔狀態(tài)下各相表觀(guān)速度圖。然而，王帥等僅從相含率方面分析了旋流流體，蔣明虎等也僅分析了含油率低的低黏原油旋流分離情況，幾乎沒(méi)有文獻考慮到旋流分離和低黏液環(huán)潤滑兩種技術(shù)的結合，僅查找到一些相關(guān)專(zhuān)利。
基于設計的潤滑元件通過(guò)軸向旋流分離出油水，將部分水相回注地層，保持地層中的壓力，剩余的低含油率水相作為低黏液環(huán)，將油相與壁面分隔開(kāi)，降低原油輸送阻力。元件工作時(shí)，其內部油水混合液流動(dòng)情況見(jiàn)圖1。
導流葉片準線(xiàn)的設計方式采用等高圓弧段連接等高直線(xiàn)段，形成過(guò)渡型流道。導流葉片之間設有中間棒，中間棒兩端分別設有穩流錐和中心錐，使流體在流道內先經(jīng)過(guò)穩流后再改變流動(dòng)方向，降低流體經(jīng)過(guò)導流葉片時(shí)湍流導致的液滴剪切破碎現象，增強油水兩相的分離效果。導流葉片準線(xiàn)展開(kāi)后的平面示意圖見(jiàn)圖2。
為了便于觀(guān)察潤滑元件結構，在實(shí)驗中根據本實(shí)驗的參數要求，考察所形成的低黏液環(huán)結構是否理想及穩定，模型的結構見(jiàn)圖3。其中，截面Ⅰ為溢流出口截面，截面Ⅱ為排水腔頂部截面。
提高計算精度，如圖4所示，潤滑元件采用分區域劃分網(wǎng)格，旋流腔內部結構相對復雜，采用操作簡(jiǎn)單的非結構網(wǎng)格劃分，而溢流管段和底流管段是較為規則的圓柱體，可用結構網(wǎng)格劃分。流體流經(jīng)導流葉片和排水孔時(shí)速度變化劇烈，對這兩處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。
如表1所示，對潤滑元件進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗證，當劃分的網(wǎng)格數為761544時(shí)，既可以保證數值模擬的準確性，又可以縮短模擬時(shí)間，提高運算效率。傾斜度在0.8以?xún)?，可以被大多數求解器接受，說(shuō)明網(wǎng)格劃分質(zhì)量相對較好。
表1
網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗證
雷諾應力模型（RSM）可針對各向異性流動(dòng)，則油水混合液在潤滑元件內的流動(dòng)過(guò)程采用RSM模型，便于模擬元件可能出現的強旋流場(chǎng)情況，其雷諾應力輸運方程見(jiàn)式(1)。
式中，
D
ij
r
為湍流擴散項；
D
ij
r
為分子擴散項；
P
ij
為應力產(chǎn)生項；
G
ij
為浮力產(chǎn)生項；
為壓力應變項；
為湍流耗散項；
F
ij
為系統旋轉產(chǎn)生項。
潤滑元件內部流動(dòng)情況與旋流分離器較為相近，因此混合多相流模型（Mixture）比其他模型更適合模擬潤滑元件內部流場(chǎng)，故采用Mixture模型作為多相流模型。
Mixture模型連續性方程見(jiàn)式(2)。
其中，油水混合液的平均流速見(jiàn)式(3)，混合液的密度見(jiàn)式(4)。
對油水兩相流的動(dòng)量方程求和，所得Mixture模型的動(dòng)量方程見(jiàn)式(5)。
其中，油水混合液的黏度見(jiàn)式(6)，油水兩相流的漂移速度見(jiàn)式(7)和式(8)。
采用Mixture混合多相流模型和RSM雷諾應力模型，便于更好地預測復雜流動(dòng)過(guò)程。以潤滑元件充滿(mǎn)油相體積分數為15%的油水混合液作為元件流場(chǎng)計算的初始條件，保持入口流量為4.24m
3
/h，即設置潤滑元件入口速度為0.6m/s，連續相為水，密度為998.2kg/m
3
，黏度為0.001003Pa·s，分散相為白油介質(zhì)，自定義創(chuàng )建Materials，并設定其密度為902kg/m
3
，黏度為1.05532Pa·s。邊界條件有：①入口設置為速度入口（Velocity_Inlet）；②溢流口和底流口設置為自由出流（Outflow），兩出口分流比均為0.5；③其余設為無(wú)滑移壁面。
如圖5所示，經(jīng)過(guò)元件分離出大量水后形成的水環(huán)軸向速度增至1.25m/s，且形成穩定的水環(huán)潤滑管壁，有利于采輸過(guò)程中的減阻輸送；徑向速度幾乎為0，說(shuō)明其水環(huán)成形效果穩定，重力對其影響甚微；切向速度最大為1m/s，能夠保證油水環(huán)狀流流出元件后，油水在之后的一段管道中仍然存在離心力作用，保證油水界面清晰。
導流葉片外出口角度是影響流體在潤滑元件的旋流腔中流場(chǎng)分布的重要結構參數，適當減小外出口角度有利于增大切向速度。但是角度過(guò)小會(huì )使潤滑元件內部形成較嚴重的湍流，導致壓降損失劇增?？梢酝ㄟ^(guò)改變外出口角度模擬元件內部流場(chǎng)，見(jiàn)圖6。
由圖6(a)分析得出，外出口角度的增大會(huì )使溢流出口中心油核的油相體積分數顯著(zhù)降低，環(huán)狀流流型逐漸消失。當外出口角度增至20°時(shí)，油核油相體積分數突然驟降至51.49%，而管壁處低黏液環(huán)含油率升高至9.368%，成環(huán)效果變差；排水腔頂部聚集的油量隨之劇增；溢流口壓降[圖6(b)]隨著(zhù)外出口角度增大而逐漸下降，但增至15°之后壓降突然驟降。這是因為外出口角大于15°時(shí)，流體進(jìn)旋流腔獲得的離心力不足以將油水兩相徹底分離，而在其小于15°時(shí)，流體出導流葉片時(shí)的流動(dòng)面過(guò)窄，流速過(guò)大，造成壓降急劇增大的現象。綜上可見(jiàn)，外出口角度值控制在10°~15°時(shí)成環(huán)效果良好。
導流葉片厚度會(huì )影響液體出導流葉片后的流動(dòng)面積，葉片過(guò)薄會(huì )使流通面積過(guò)大，導致速度過(guò)小，離心力不足，致使成環(huán)效果變差。改變導流葉片厚度對元件內部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，見(jiàn)圖7。
圖7 不同導流葉片厚度的內部流場(chǎng)分布
由圖7(a)分析得出，隨著(zhù)導流葉片厚度的增大，溢流出口中心油核的油相體積分數整體上呈現遞增趨勢，但增幅不大；通過(guò)排水孔排出的水含有的殘余油相在排水腔頂部有所聚集，但隨著(zhù)葉片厚度的增大，排水腔頂部聚集的油量逐漸降低；溢流口壓降[圖7(b)]隨著(zhù)導流葉片厚度的增大而增大，且增幅逐漸變大。綜上可見(jiàn)，雖然葉片厚度為6mm時(shí)水環(huán)形成效果會(huì )比5mm時(shí)稍好，但是壓降卻增加了20kPa，綜合成環(huán)效果和壓降損失兩方面考慮，5mm會(huì )更好一些。說(shuō)明導流葉片厚度控制在4~6mm以?xún)瘸森h(huán)效果良好，并且壓降損失較小。
中間棒直徑會(huì )影響液體進(jìn)入旋流腔的流動(dòng)面積，流量一定時(shí)，中間棒直徑過(guò)小會(huì )使液體流入旋流腔的流動(dòng)面積增大，從而速度降低，使切向速度、軸向速度和徑向速度等速度分量值也隨之降低。不同中間棒直徑的內部流場(chǎng)見(jiàn)圖8。
由圖8(a)分析得出，隨著(zhù)中間棒直徑的增大，溢流出口中心油核的油相體積分數整體上呈現先遞增而后有所下降的趨勢；排水腔頂部聚集的油量很少，且幾乎不隨中間棒直徑變化；溢流口的壓降[圖8(b)]隨著(zhù)中間棒直徑的增大而逐漸增大。綜上可見(jiàn)，當中間棒直徑增至25mm時(shí)，之后的溢流口油核油相體積分數基本保持不變，說(shuō)明將中間棒直徑控制在20~30mm時(shí)有利于油核聚集，成環(huán)效果良好，而中間棒直徑過(guò)大會(huì )導致出導流葉片后的流體分離效果變差，而壓降損失反而劇增。
實(shí)現油水兩相分離主要是通過(guò)油水混合液流在旋流腔內部做旋轉流動(dòng)，不同旋流腔長(cháng)度的內部流場(chǎng)分布見(jiàn)圖9。
圖9 不同旋流腔長(cháng)度的內部流場(chǎng)分布
由圖9(a)分析得出，隨著(zhù)旋流腔長(cháng)度逐漸增加，溢流出口中心油核的油相體積分數整體上呈現遞減趨勢；但是，旋流腔長(cháng)度的遞增反而導致排水腔頂部聚集的油量逐漸增加；隨旋流腔長(cháng)度的增加，溢流口壓降[圖9(b)]也逐漸減小，但當其長(cháng)度增至250mm之后，壓降損失則無(wú)明顯變化。綜上可見(jiàn)，將旋流腔的長(cháng)度控制在200~250mm時(shí)，潤滑元件能夠在壓降損耗低的前提下形成相對穩定的油水環(huán)狀流，且邊壁低黏液環(huán)油相含率極低，有利于低黏液環(huán)潤滑。
中心錐用于消除空氣柱，使分離出來(lái)的油滴聚集并匯入溢流管中，中心錐過(guò)短會(huì )使內部旋轉流中分離出的油滴聚集時(shí)間過(guò)長(cháng)而后發(fā)散，致使大量油滴從排水孔排出，導致成環(huán)效果不好。但中心錐過(guò)長(cháng)會(huì )使旋轉流在排水孔附近的流場(chǎng)不穩定，不同中心錐長(cháng)度的內部流場(chǎng)分布見(jiàn)圖10。
圖10 不同中心錐長(cháng)度的內部流場(chǎng)分布
由圖10(a)分析得出，隨著(zhù)中心錐長(cháng)度的增加，溢流出口中心油核的油相體積分數整體上呈現遞減趨勢，排水腔頂部聚集的油量反而遞增；隨中心錐長(cháng)度的增加，溢流口壓降[圖10(b)]先減小而后遞增。綜上可見(jiàn)，中心錐長(cháng)度為300mm時(shí)，油核油相體積分數僅為52.91%，而邊壁低黏液環(huán)增至8.353%，當中心錐長(cháng)度為150~250mm時(shí)，成環(huán)效果相當，都有利于低黏液環(huán)潤滑，但中心錐為200mm時(shí)的壓降損失較小，說(shuō)明中心錐過(guò)長(cháng)或者過(guò)短均會(huì )提高元件的能量損耗。
通過(guò)實(shí)驗研究可以進(jìn)一步了解潤滑元件操作參數等對成環(huán)效果的影響。實(shí)驗流程如圖11所示，自來(lái)水由水泵泵送至靜態(tài)混合器，根據水流量計示數來(lái)計量和調節；白油由油泵泵送至靜態(tài)混合器，根據油流量計示數來(lái)計量和調節；靜態(tài)混合器將油水充分混合后輸送至潤滑元件；油水混合液自下而上經(jīng)過(guò)潤滑元件，通過(guò)透明管段觀(guān)測流型變化；底流出口排出分離水，并通過(guò)底流出口處流量計控制和調節分流比。由油流量計、水流量計、壓差表以及數據采集柜臺等組成數據采集系統，系統通過(guò)電腦軟件實(shí)時(shí)監測各類(lèi)儀表示數，并具有同步記錄存儲功能。潤滑元件上方的透明管段長(cháng)0.7m，內徑25mm，采用壓差表測定潤滑元件入口和溢流口兩點(diǎn)間壓差，壓差表的引壓管與管道壁面高度貼合，連接點(diǎn)內部光滑，采用高速攝像機捕捉元件上方的立管內流型。在溫度約為20℃時(shí)開(kāi)展室內實(shí)驗，實(shí)驗過(guò)程中需要控制油水比一定，通過(guò)調節總流量，用數據采集系統收集油水流量和壓差等數據，然后與模擬所得結果作對比分析。
圖11 實(shí)驗流程
1—儲油罐；2—儲水罐；3—球閥；4—過(guò)濾器；5—油泵；6—水泵；7—油流量計；8—水流量計；9—止回閥；10—三通；11—靜態(tài)混合器；12—壓差表；13—潤滑元件；14—透明管段；15—分離罐；16—空氣壓縮機
根據之前潤滑元件模擬所設定的參數，將入口流速保持在0.42~0.68m/s（即入口流量為3.0~4.8m
3
/h），溢流分流比保持在0.5，元件入口的油相含率保持在15%左右，實(shí)驗所用水與白油的密度與黏度見(jiàn)1.6節。實(shí)驗安排見(jiàn)表2。
圖12(a)是在分流比和油水比固定的情況下，潤滑元件入口流速增加時(shí)，元件兩端壓降的模擬值與實(shí)測值的對比圖，數值模擬分析得到的壓降曲線(xiàn)與實(shí)驗數據所得的曲線(xiàn)均呈現上升的趨勢，不同的是壓降的模擬值整體要比實(shí)測值高一些，但如圖12(b)所示，兩者相對誤差在25%的可接受范圍以?xún)?，因此模擬的潤滑元件壓降結果可用作室內實(shí)驗參考，以改進(jìn)室內實(shí)驗的裝置和操作過(guò)程。
圖12 壓降-入口流速模擬值與實(shí)驗值對比
圖13(a)~(j)為不同流速的油水兩相流自下而上經(jīng)過(guò)潤滑元件溢流口處時(shí)，其上方的豎直管段內流型的實(shí)驗結果與模擬云圖的對比。通過(guò)觀(guān)測潤滑元件溢流口上方透明管段內的油水流型，當潤滑元件入口的油水混合液流速在0.42~0.45m/s之間，觀(guān)察到溢流口上方的管段內油水界面不太清晰，沒(méi)有形成明顯的油芯，在此期間伴隨著(zhù)油量與水量的同時(shí)增大，透明管段內逐漸形成油核。但是油核形態(tài)不穩定，并且大部分仍然與管壁緊貼，沒(méi)有達到流固界面潤滑的目的。
圖13 流型-入口流速模擬云圖與實(shí)驗圖像對比
當入口流速為0.48~0.62m/s時(shí)，溢流口能夠形成明顯的油水環(huán)狀流流型，觀(guān)察到溢流口上方的管段內油水界面逐漸清晰，形成明顯的油芯。入口流速為0.48m/s時(shí)，肉眼能夠觀(guān)察到一段完整的油芯，油芯呈螺旋狀蜿蜒上升，與管壁僅有少許接觸，流動(dòng)時(shí)有部分白油以絲狀形式從油芯中分離進(jìn)入水中，并且僅有少量油滴分散在水中；入口流速為0.51m/s時(shí)，水中的絲狀油相減少，肉眼只觀(guān)察到少量分散的油滴；入口流速增至0.54m/s時(shí)，油水界面清晰，油芯仍然呈螺旋狀上升，并且肉眼觀(guān)察到水中不存在明顯的分散油滴；入口流速上升至0.57m/s時(shí)，油芯聚集程度進(jìn)一步上升，油芯呈上方彎曲的柱狀，形成明顯的油水環(huán)狀流；入口流速為0.59m/s時(shí)，油芯呈筆直上升的柱狀，形成標準的油水環(huán)狀流流型，并且油核與管壁徹底分離開(kāi)來(lái)；入口流速為0.62m/s時(shí)，油芯變粗，整體上仍然呈筆直的柱狀，外部水環(huán)變窄，油芯在向四周管壁靠近而不接觸。
入口流速為0.65m/s時(shí)，油芯開(kāi)始向四周水相以螺旋環(huán)繞的形式發(fā)散絲狀油相，油水界面開(kāi)始變模糊；入口流速為0.68m/s時(shí)，油芯周?chē)慕z狀油相部分貼近管壁，肉眼觀(guān)察到水環(huán)中存在大量圍繞油芯做螺旋上升運動(dòng)的絲狀油相，此時(shí)環(huán)狀流遭受污染破壞。
當入口流速達到0.65m/s以上時(shí)，由于旋流場(chǎng)內湍流作用增強，導致油滴顆粒破碎嚴重，粒徑更小，加之離心力過(guò)大，油相以絲狀和顆粒狀形式發(fā)散至水中，環(huán)狀流外觀(guān)因此被破壞，而數值模擬時(shí)的油滴顆粒直徑固定，導致其油相分布云圖與透明管段內觀(guān)察到的現象不符。由于實(shí)際運動(dòng)過(guò)程中油滴大小和形狀并不均一，液滴粒徑選用規定工況下的平均大小，所得模擬結果與大部分實(shí)驗結果相符，因此高流速下的結果與實(shí)驗不符可視為異常情況。
（1）潤滑元件外出口角度為10°~15°，導流葉片厚度為4~6mm，中間棒直徑為20~30mm，旋流腔長(cháng)度為200~250mm，中心錐長(cháng)度為150~250mm時(shí)，能夠形成良好的環(huán)狀流流型，實(shí)現稠油的潤滑輸送。
（2）潤滑元件適用于油水混合液流速范圍在0.54~0.65m/s以?xún)鹊那闆r，該流速范圍內的潤滑輸送效果良好。
（3）流速超過(guò)0.65m/s時(shí)，液滴破碎嚴重，會(huì )使分散相粒徑迅速減小，導致模擬結果與實(shí)驗結果有較大誤差，之后研究高流速情況時(shí)應將液滴粒徑變化這一因素考慮進(jìn)去。
（4）此次室內實(shí)驗初步驗證了潤滑元件的潤滑效果，建議之后采用現場(chǎng)油樣進(jìn)行實(shí)驗對比，以更貼近實(shí)際情況。
第一作者：
敬加強
，教授，博士生導師，研究方向為非常規原油降黏減阻、復雜油氣流動(dòng)保障、油氣儲運工程安全。
通信作者：
黃婉妮
，博士研究生，研究方向為油氣集輸系統多相流。
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