锥角变化对旋流除砂性能影响的数值模拟.pdf

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1、798化工机械2016正锥角变化对旋流除砂性能影响的数值模拟4张晓光料1赵立新1徐保蕊1蒋明虎1邓鑫2(1．东北石油大学机械科学与工程学院12．中国石油天然气管道工程有限公司)摘要针对在油田开展采出液除砂的必要性进行了介绍，对所研究的除砂型旋流器结构和基本原理进行了说明。利用数值模拟软件Fluent，将某油田现场采出液作为分离对象，对主直径为56ram的除砂旋流器进行变锥角结构数值模拟研究。得出不同锥角结构旋流器的速度场、压力降和砂相体积分数分布的变化规律，并对不同锥角结构旋流器的除砂分离效率进行了对比。研究表明：当锥角为5。时

2、，旋流器内部产生的切向速度最大，底流出口砂相体积分数分布最高，但也伴随着较大的压力降，所完成的砂相分离效率最高为96．30％。关键词旋流器锥角除砂分离性能数值模拟中图分类号TQ051．8文献标识码A文章编号0254-6094(2016)06-0798-05随着油井开采时间的延长，油井采出液中含砂量越来越高，甚至一些油井从投产时就存在严重的采出液含砂问题¨1。现有的沉降清砂方法周期长、占地面积大、所耗费成本较高，已不能适应油井采出液产液量逐年上升、含砂量逐年增加的现状。近年来不进罐清砂技术(如旋流分离)在石油工业中应用广泛。除砂用

3、水力旋流器是利用固液两相介质问的密度差将分散相——砂相从连续相——液相中分离出来的一种技术方法，具有装置紧凑、占地面积小、分离周期短、处理量调节范围大及设备投资成本小等优点。除砂用水力旋流器是一种应用广泛的分离设备，不仅可用于油田除砂、脱泥，还可以用于矿场分级分离、洗涤等。研究表明旋流器锥角结构参数对旋流器的分离性能影响较大，但由于旋流器处理介质不同、主要结构形式不同，锥角变化对旋流器分离性能的影响规律也不尽相同心≯。。越来越多的研究表明，利用数值模拟方法研究旋流器内分离流场的方法具有成本低、速度快的优点，模拟结果确实可反映旋流

4、器内流体的流动规律‘4，5

5、。油井采出液除砂对于旋流器的要求主要是提高旋流器底流口排砂浓度，笔者结合油田采出液含砂的实际情况，借助于计算流体动力学CFD数值模拟方法，研究分析了一种单锥形水力旋流器的锥角变化对旋流器速度场、压力降、底流含砂浓度和除砂分离效率的影响规律，给出了适用于油井采出液除砂旋流器的最佳锥角。1旋流分离器结构分析旋流器的工作原理是运用离心作用进行液固两相分离，水力旋流器本身无任何运动部件，由待分离的固液两相混合液以一定的压力从水力旋流器入口切向进入，产生强烈旋转运动，由于固液两相的密度差，两相所受的离心力、向心

6、浮力和流体曳力的大小不同，大部分的重质相(固相)经由旋流器底流出口排出，而轻质相(液相)则由溢流出口排出，从而达到固液两相分离的目的妯1。旋流器通常由入口、旋流腔、锥段、溢流出口和底流出口组成(图1)¨’，主要结构参数包括主直径D。、锥角d、人口当量直径d；、旋流腔长度L，、溢流管直径D。、溢流管伸入长度￡。及底流管直径D。等，其中，主直径与锥角两个参数最为重要，这是因为旋流体长度由D，与Ot决定，其他结构参数也均与D，成一定比例关系。人口形式选}国家“863”计划课题(2012AA061303)，国家教育部高等学校博士学科点专

7、项科研基金课题(20132322110002)。++张晓光，女，1984年1月生，讲师。黑龙江省大庆市，163318。第43卷第6期化工机械799择切向双入口矩形结构，其当量水力直径计算值为主直径的0．22倍，矩形入口断面与旋流腔壁面相切，能较好地消除来液短路的死区，减弱可能出现的循环流，使人口来液液流更稳定。其他主要参数设置分别为：L。=0．714D，、D。=0．357D，、Ll=D1。图1旋流器结构示意图图2为不同锥角结构旋流器的结构形式对比图，变换锥角主要对旋流器锥段的长度产生影响，而旋流器旋流腔、溢流管段、底流管段的结构

8、参数不变。模拟结构确定旋流器主直径为D。=56mm，用Hy—or5、Hy—ct8和Hy—otl0分别代表旋流器锥角为5、8、10。的结构，其锥段计算长度分别为5．71D。、3．58D．和2．86D．，图2不同锥角水力旋流器结构形式对比2参数设置与网格划分2．1介质物性参数与初始条件设置进行模拟计算时，对应介质的物性参数为：油相密度870kg／m3，动力粘度0．0461kg／(m·s)，油相粒径0．09mm；水的密度998．2kg／m3，动力粘度1．0039／(m·s)；砂的密度2500kg／m3，动力粘度1．72×104kg／(

9、m·s)，砂平均粒径0．09mm。根据油田某站实际情况，初始模拟计算边界条件设置为：入口流量4m3／h，入口油相体积分数为7．9％，入口含砂1．5％，溢流分流比为80％；入口法向速度分量为9．26m／s，其他两个方向的速度分量为零；溢流出口和底流出口均设定为自由