重力式氣液分離器結構優化及分離性能數值模擬

葉衛東，仇亭亭

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

在油田開發中，抽油泵抽油是目前國內外油田最主要的生產方式。隨著油田開采的深入，我國部分油田已進入中、高含氣開采階段，氣相對油井的影響也日益明顯，同時有些油田采用注入二氧化碳等氣驅的方法提高采收率[1]，使油氣比較高，油氣兩相同時進泵，影響了抽油泵的泵效，甚至氣相含量較大時會產生“氣鎖”現象[2]，嚴重影響生產。

為了提高抽油泵的泵效，多種防氣技術已應用于抽油泵中，重力式氣液分離器便為其中之一[3]。因其在防氣方面效果顯著，在泵的入口處安裝重力式氣液分離器，將油流中的自由氣相在進泵之前分離出來，通過油套環形空間排到地面，提高抽油泵泵效[4]。

本文在氣液兩相流理論的基礎上，針對重力式氣液分離器的分氣機理及分氣效率進行探索性研究[5]，優選出分氣效率最佳的氣液分離器結構參數。其研究成果可為實際生產中估算氣液分離器氣液分離效率、優化氣液分離器結構尺寸提供理論依據，進而為提高泵效奠定理論基礎。

1 重力式氣液分離器的設計計算

氣液分離器結構對氣液分離效率的影響主要有以下2方面：1) 氣液分離器的結構對流體的流動有控制作用，可以令流體的流動狀態發生改變，進而達到油氣分離的目的。在氣液分離器的外筒上開一些小孔，將流體的向上流動轉變成橫向流動。在流體進入分離器內部后，流體的流動方向會繼續發生改變，直到轉變成向下流動，這些都是影響氣液分離效果的因素。2) 氣液分離器外筒上的小孔會阻擋氣泡的運動，這種阻擋作用也有利于使油氣分離[6]。

因為氣液分離器的結構會影響分氣效率，所以氣液分離器結構參數越合理,分離器的分氣效率就會提高得越大。

1.1 氣液分離器內外徑計算

根據斯托克公式[7]：

(1)

要想達到提高氣液分離器分氣效率的目的，通常令分離器環形空間中液相速度vf與需要分離的最小氣泡在靜止液體中的上浮速度vd相等。

氣液分離器環形空間的液相速度為：

(2)

根據設計原則：vd=vf得：

(3)

D2需要考慮結蠟與摩阻壓降不能過大，通常選取直徑為32mm，或考慮摩阻壓降<0.001MPa。

1.2 氣液分離器分離室長度計算

要想使在上沖程的吸入過程中，分離室內氣泡不會被帶入到吸入管中，分離室的體積至少要與泵的一個沖程的吸入體積相等[8]，所以：

(4)

氣液分離器分離室的最大長度要達到能夠保證泵在任何一個沖程的排油時間內，待分離的最小氣泡能夠上浮到氣帽內，即：

(5)

所選分離室的長度應在分離室最小長度lmin與分離室最大長度lmax之間。

2 重力式氣液分離器數值模擬

2.1 氣液分離器結構

重力式氣液分離器結構如圖1，由外管、中心管、上接頭和下接頭組成。上接頭上開有吸入口，上接頭上方與抽油泵相連，氣液分離器外部是套管。井下氣液兩相介質在氣液分離裝置與套管的環形空間向上流動。

圖1 氣液分離器結構及邊界條件

2.2 氣液分離器數值模擬邊界條件

抽油泵上沖程時的邊界條件設置如圖1(a)，氣液分離器下方與套管之間的環形空間設置為速度入口，速度的大小與抽油井的供液有關，與抽油機的沖程、沖次匹配，可由抽油泵的沖程、沖次得到。氣液分離器與抽油泵連接口設置為自由出口，氣液分離器上方與套管之間的環形空間也設置為自由出口。在抽油泵上沖程時，流體主要從抽油泵連接口流出，占總流量的80%；氣液分離器上方與套管之間的環形空間占20%。

抽油泵下沖程時的邊界條件設置如圖1(b)，由于抽油泵下沖程時固定閥關閉，抽油泵連接口此時的流量為0，因此邊界條件設置為壁面。下沖程時，流體全部由氣液分離器上方與套管之間的環形空間流出。

2.3 氣液分離器數值模擬方法

本文采用Fluent軟件進行數值仿真。使用基于壓力的分離求解器求解，選取Eulerian多相流模型通過分別求解各相的流動方程來分析相互滲透的各種流體或各相流體。設置入口流速、介質含氣率、建立氣液分離裝置有效長度、內管外徑、進液孔面積、外管內徑，求解氣液分離裝置出口介質的含液相率。模擬沖次為6次/min時，0～5 s(時間步長是0.02 s，迭代250步)是上沖程，中心管出口設置為自由出口；5～10 s為下沖程，中心管出口關閉；以周期為10 s循環計算，直到中心管出口介質含液相率穩定。

圖2是氣液分離器中心管出口介質含液相率穩定后26～35 s時的云圖，即一個周期的云圖。

圖2 不同時刻氣液分離裝置含液相量云圖

26～30s屬于下沖程，如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示，中心管上端出口停止排出介質，中心管內的氣液混合介質開始分離，氣相上浮到中心管上端，液相下沉到中心管下端；同時氣液分離裝置外管內氣液混合介質也分離，氣相上浮液相下沉。深色(液相含量95%以上)界面上移顯示分離的液相下沉到氣液分離裝置外管下部，且分離的數量越來越多，到30s時分離出的液相最多。

31～35s屬于上沖程，如圖2(d)、圖2(e)、圖2(f)所示，31～33s中心管出口排出的介質中液相含量達到95%以上，到33s以后液相含量降低。主要原因是在下沖程時間內分離出液相的體積小于抽油泵一個沖程的排量，即氣液分離裝置分離出的液相不夠抽油泵抽吸，因此在33s以后氣液分離裝置出口的介質含液相率大幅下降。

圖3是上沖程時氣液分離裝置出口含液相率曲線。

圖3 上沖程時氣液分離裝置出口含液相率隨時間變化曲線

2.4 氣液分離裝置不同參數下的模擬結果分析

利用以上方法，對氣液分離裝置不同參數下的出口含水率進行模擬計算，得出影響氣液分離裝置分離效果的主要因素。

考慮到實際工況，選定沖程為3m的抽油泵為模擬對象，沖次6時的入口流速為0.3m/s，氣液混合介質含氣率80%。

1) 外管內徑對分離效率的影響

建立氣液分離裝置長度1 000mm，內管外徑32mm，進液孔6個直徑16mm，外管內徑分別為100mm、90mm、80mm模型。求解氣液分離裝置出口介質的含液相率如圖4所示。

圖4 不同外管內徑下含液相率隨時間變化曲線

從圖4中可以看出，不同氣液分離裝置外管內徑尺寸越大，分離效果越好。從模擬結果來看，外管內徑為100mm的氣液分離裝置出口含液相率可以達到50%，即含氣率為80%的氣液混合介質通過氣液分離裝置后含氣率降低到50%左右，含氣率下降30%，分離效果非常理想；而外管內徑為80mm的氣液分離裝置出口含液相率在35%左右，含氣率為80%的氣液混合介質通過氣液分離裝置后含氣率降低到65%左右，含氣率下降15%，分離效果相對較差。所以選取的氣液分離裝置外管內徑為100mm。

2) 中心管外徑對分離效率的影響

建立氣液分離裝置長度1 000mm，外管內徑100mm，6個進液孔直徑16mm，內管外徑分別為42mm、37mm、32mm模型。求解氣液分離裝置出口介質的含液相率如圖5所示。

圖5 不同中心管外徑下含液相率隨時間變化曲線

從圖5中可以看出，氣液分離裝置中心管外徑尺寸越小，分離效果越好。從模擬結果來看，中心管外徑為32mm的氣液分離裝置出口含液相率達到50%，分離效果較好。考慮到結蠟及阻尼等問題的影響[9-10]，通常選取的中心管外徑為32mm。

3) 吸入口尺寸對分離效率的影響

建立氣液分離裝置外管內徑100mm，分離室長度1 000mm，內管外徑32mm，6個吸入口直徑分別為20mm、16mm、10mm模型。求解氣液分離裝置出口介質的含液相率如圖6所示。

圖6 不同吸入口直徑下含液相率隨時間變化曲線

從圖6中來看，氣液分離裝置吸入口直徑對其分離效率影響較復雜。其中吸入口直徑及個數主要是為了保證足夠的過流面積。在吸入口個數一定的情況下，若吸入口直徑較小會增加進液阻力或井液中的雜質阻塞吸入口；若吸入口直徑較大，隨著油流進入氣液分離裝置的氣泡增加，而且直徑更大的氣泡也能進入氣液分離裝置內部，使得分氣效率降低。從模擬結果來看，吸入口直徑為16mm的氣液分離裝置出口含液相率為50%，分離效果較好。所以選取的吸入口直徑為16mm。

4) 分離室長度對分離效率的影響

建立氣液分離裝置外管內徑100mm，內管外徑32mm，6個進液孔直徑16mm，分離室長度分別為1 500mm、1 000mm、500mm模型。求解氣液分離裝置出口介質的含液相率如圖7所示。

圖7 不同分離室長度下含液相率隨時間變化曲線

從圖7中可以看出，氣液分離裝置分離室有效長度對分離效果的影響較復雜。分離室長度較小，在抽油泵吸入過程，分離室內氣泡會被帶入到吸入管；分離室長度較大，在抽油泵一個沖程的排油時間內，待分離的最小氣泡不能上浮到氣帽內。從模擬結果來看，分離室長度為1 000mm的氣液分離裝置出口含液相率達到50%，分離效果較好。所以選取分離室長度為1 000mm的氣液分離裝置。

5) 沖次對分離效率的影響

建立氣液分離裝置外管內徑100mm，分離室長度1 000mm，內管外徑32mm，6個進液孔直徑16mm，沖次12時入口流速為0.6m/s、沖次6時入口流速為0.3m/s、沖次3時入口流速為0.15m/s模型。求解氣液分離裝置出口介質的含液相率如圖8所示。

圖8 不同沖次下含液相率隨時間變化曲線

從圖8中可以看出，氣液分離裝置沖次越小，分離效果越好，沖次小，可以有充足的時間進行氣液分離。從模擬結果來看，沖次為3的抽油泵，氣液分離裝置的出口含液相率為60%左右，即含氣率由80%降低到40%，含氣率下降了40%，分離效果最好。沖次為6的抽油泵，氣液分離裝置的出口含液相率為50%左右，含氣率下降了30%，分離效果一般。沖次為12的抽油泵，氣液分離裝置的出口含液相率為40%左右，含氣率下降了20%，分離效果最差。又考慮到實際抽油效率，選取的沖次為6。

3 結語

1) 建立了氣液分離裝置的數值模擬模型并進行了模擬分析，得出了氣液分離裝置出口含液相率變化規律。

2) 模擬分析了氣液分離裝置結構參數對分離效率的影響，結果表明：外管內徑越大、中心管外徑越小、沖次越小氣液分離裝置的分離效率越好。分離室長度和進液孔直徑及個數對分離效率影響較復雜。

3) 對于高含氣抽油井來說，采用氣液分離器分氣是提高泵效的有效途徑之一。

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