采出液粘度对井下旋流除砂器内流特性及分离性能的影响.pdf

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1、第4l卷第4期化工机械505采出液粘度对井下旋流除砂器内流特性及分离性能的影响‘闰月娟料王尊策徐艳李森张井龙(东北石油大学机械科学与工程学院)摘要针对井下工况设计了集螺旋片导流、旋流除砂和沉降除砂为一体的新型单出口井下旋流除砂器结构。基于混合模型和雷诺应力湍流模型，针对采出液粘度对内流特性及分离性能的影响进行了数值模拟。结果表明，采出液粘度在1．5—20．OmPa·s范围内变化，对旋流除砂器流场切向速度影响最大，而对轴向速度和径向速度的影响并不大，切向速度和沉降段轴向滑移速度随采出液粘度的增加而急剧下降。随着采出液粘度增加，分离效率急剧下降

2、，甚至失效，压力降也会随之减小。关键词旋流除砂器旋流除砂采出液粘度流场分布数值模拟中图分类号TQ051．8文献标识码A文章编号025445094(2014)04-0505-05当油田进入高含水期后，长期的注水开发造成地层胶结变差，同时随着填砂压裂、聚合物驱油以及三元复合驱油等新技术的应用，使得采出液携砂能力增强，部分油井出砂日益严重，经常出现油层砂埋或抽油泵砂卡的现象¨1。笔者针对此现象设计了双螺旋片导流的、集旋流分离与沉降分离为一体的井下旋流除砂器。目前国内外已有旋流器用于井下液砂分离的研究心．31，但多数均以清水作为数值模拟和实验研究的

3、对象，这与油田实际生产情况有很大不同。以大庆油田为例，水驱井采出液的粘度约为3．0—5．0mPa·s，聚驱和三元复合驱井采出液的粘度可超过20．OmPa·s。井下旋流除砂器为静态水力旋流器，其分离性能受分离介质粘度的影响很大，甚至会引起旋流器失效。因此原有的研究具有很大的局限性，笔者借助Fluent计算流体软件，开展采出液粘度对井下旋流除砂器内流特性和分离性能影响的数值模拟研究，分析该井下旋流除砂器结构的合理性和适用性。1除砂器工作原理井下旋流除砂装置由旋流锥和沉砂尾管两部分组成，其结构如图I所示。除砂装置通过封隔图1除砂装置工艺管柱图$国

4、家自然科学基金资助项目(11172061)，国家科技支撑计划资助项目(2012BAH28F03)和黑龙江省教育厅基金资助项目(KYl20444)。}·同月娟，女，1971年3月生，副教授。黑龙江省大庆市，163318。506化工机械2014焦器固定于套管内，混合液由旋流器侧壁的圆孔进入旋流腔，在螺旋叶片的导流作用下产生螺旋流，并在锥段保持强旋流动，经离心分离，较重的砂相随外旋流运动到器壁处。由于旋流锥体的底流口沉浸在沉砂尾管内，经旋流分离出的砂，进入沉砂尾管，继续在重力沉降作用下逐渐沉入尾管底部，待检泵作业时取出。较轻的油水混合液则经内旋流

5、通过溢流管进入泵的吸入口，从而实现液砂分离。井下旋流除砂器的应用可减少砂对泵的冲蚀与磨损，提高泵效，延长泵的使用寿命。2数值模拟2．1几何模型和网格划分针对井下分离工况设计了双螺旋导流、单出口的旋流除砂器。除砂器主要结构参数为：旋流腔主直径60mm，溢流管直径20ram，溢流管插入深度30mm，螺旋导流截面9．3mm×9．3ram，柱段长度60mm，锥段锥角100，底流口直径15mm。为了简化计算，入口从螺旋导流段开始，取沉砂尾管长2m。采用六面体或楔形体单元分块划分了结构化网格，网格单元数为666800。网格划分如图2所示。图2旋流器网格

6、2．2数学模型采用Fluent软件进行流场的数值模拟，计算模型选择混合模型(Mixture)，湍流模型选择雷诺应力RSM模型，人口设为速度人口，出口设为自由出流，壁面采用标准函数，壁面速度采用无滑移边界条件。采用稳态数值计算，基于控制体积法，将控制方程转换为可以用数值方法求解的代数方程进行了数值模拟计算Ho。3采出液粘度对井下旋流除砂器内流特性的影响数值模拟以砂相粒径0．06mm¨1，砂相体积0．3％，入口速度8m／s为基础，针对不同采出液粘度，进行数值模拟，分析采出液粘度对除砂器内流特性的影响规律。根据大庆油田水驱、聚驱和三元复合驱油井的

7、实际情况，选取采出液粘度为1．5、5．0、10．0、20．OmPa·s4种情况进行研究。选取旋流段z=一200mm和沉降段z=一1500mm的横截面分析数值模拟结果，截面分布如图3所示。图3除砂器轴截面简图3．1采出液粘度对流体流动迹线的影响井下旋流除砂器由旋流锥段和沉砂尾管两部分组成。在旋流锥段实现离心分离，在沉砂尾管内完成沉降分离。通过数值模拟得到了不同粘度时，流体在除砂器内流动的迹线图(图4)。可以看出，流体从两侧螺旋入口进入旋流器，形成内外两个旋涡，中心处的内旋涡流体向上运动，从溢流流出；近壁处的外旋涡流体向下运动，通过底流口进入沉

8、砂尾管内，并在一定距离内保持螺旋流动，其中部分流体通过底流口返回旋流腔。随着采出液粘度的增加，流体的内摩擦阻力增大，旋流强度减弱，螺旋流在沉砂尾管内保持螺旋流动的距离逐渐缩短。螺