一種新型井下三級高效氣液分離器分離特性實驗

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

隨著海上油氣田的陸續開發，井下氣液分離對人工舉升設備運行的可靠性至關重要。泵下離心式氣液分離器具有體積小，可靠性高的特點，已廣泛應用于油田生產實踐中。但隨著深層系儲層的開發，井下工況含氣率(50%～95%)大幅度提高，高含氣井況電泵平穩運行難點在于如何保證過泵混合流體含氣率控制在20%～30%以內，現有的氣液分離方式與方法遇到了新的技術挑戰［1-4］。

現有井下高效氣液分離機理有重力沉降式、旋流式2 種方式：(1)重力式氣液分離器一般受井下較小空間的限制很難提供充分的氣液分離時間，導致氣液分離效果不佳，一般適用于低產量、低含氣率的氣井中。(2)旋流式分離器一般小巧靈便、運行高效、投資及運行費用低等優點，但因其空間利用率不高、結構設計復雜難以保證效果，且多級葉片導流在液量較大時會破壞流場的連續性，無法處理體積流量大的含液氣流，強旋流場易形成氣芯貫穿旋流器，對彈狀流適應性差，能分離出的液體量有限［5-10］。

為解決井下小尺寸空間、高含氣率、多流型下的氣液混合物高效分離，筆者提出一種新型井下三級高效分離結構，旨在為海上氣液高效分離提供一種有效的解決思路。

1 高效氣液分離器結構設計及工作原理

1.1 結構設計

高效氣液分離器主要由外筒體和內筒體組成，內筒體上安裝有葉輪、扶正塊及開孔段，擋水板直徑60～80 mm，芯管內徑40～50 mm，外筒內徑130 mm，外筒外徑150 mm，開孔尺寸6～10 mm。氣液混合流體由分離器底部進入內筒體，出液口和出氣口分別布置在外筒體的頂部和底部，出氣口下端連接分離擋板，在開孔段和分離擋板中間設置了重力分離腔室。外筒體和內筒體之間布置了扶正塊，以防止在不穩定的流動模式下由氣液流體的振蕩引起的分離器損壞，如圖1 所示。

圖1 高效氣液分離器結構Fig.1 Structure of efficient gas-liquid separator

氣液混合流體從入口進入分離器由內筒體流至葉輪后，流體從線性運動變為旋流運動，產生旋流離心力。在離心力的作用下，密度較小的氣體集中在內筒體中心并形成氣芯，密度較大的液體向內筒的內壁移動，并在氣芯周圍形成液膜。當液膜流經開口段時，液膜中的絕大部分液體直接排入內筒體和外筒體之間的環形腔，并通過出液口排出分離器，從而實現預分離。離開內筒體后氣液混合物進入重力分離腔室，在重力作用下進一步分離。分離擋板用于防止液體在不穩定流動模式下由于氣液兩相流體的振蕩而直接進入出氣口。

高效氣液分離器結構設計優點：(1)內設開孔段的設置打破高速旋流流體的連續性，流體由旋流運動轉變為直線運動，一方面有效避免流體的振蕩傳遞，另一方面通過預分離一部分液體而減少了進入重力分離腔室的液體量，這有助于提高分離效率。(2)利用外筒體和內筒體橫截面積差異，產生的擴容降速可進一步減小流體振蕩對分離效果的影響，尤其是在不穩定的流型下效果更為顯著。(3)利用外筒體和內筒體長度上差異設置的重力分離腔室，是在不穩定流態下實現氣液混合物高效分離的關鍵。

葉輪是高效氣液分離器的關鍵組成部分，當高速流體通過葉輪后產生離心力，通過葉輪后的高速流體充分發展后氣體聚集形成氣芯，液體形成環形液膜。葉輪上的葉片入口角為0°，出口角為45°～55°，葉輪轂直徑為?18～22 mm，如圖2 所示。

1.2 工作原理

圖2 氣液分離器葉輪結構Fig.2 Vane structure of gas-liquid separator

高效氣液分離器為三級分離：通過葉輪和排液區實現一次分離，依靠重力分離腔實現二次分離，利用碰撞分離擋板實現三次分離，主要分離過程如下。

(1)一級旋流分離：流體流經葉輪，流體由直線運動轉變為旋轉運動，并產生離心力，充分發展后氣相聚集形成氣芯，液相在氣芯周圍形成環形液膜。向上運動后絕大部分液體沿內筒開孔段排出，大幅度降低對環形空間內液體振蕩的干擾。

(2)二級重力分離：氣液混合物進入重力分離腔室，環形液膜中的剩余液體在離心力的作用下沿內筒體的內壁被拋向四周，在重力的作用下液相進入內筒體與外筒體之間的環腔內向下運動，氣相繼續向上運動。

(3)三級碰撞分離：受振蕩和氣體攜帶的影響，部分液體會到達外筒體頂部，分離擋板可通過碰撞分離，阻擋大部分到達分離器頂部的液體，防止其直接進入氣相引出口。

1.3 分離性能評價方法

為了客觀有效評價高效氣液分離器的分離性能，引入3 個評價指標：分離效率、上臨界液位和下臨界液位，具體定義如下。

(1)分離效率：為評價氣液分離器工作效果，經過氣液分離器分離后出氣口氣相體積與氣液分離器入口處的氣相體積之比，即為η。

(2)上臨界液位：為保證在高效氣液分離器運行過程中，出氣口含液率維持在較低水平，分離器內液位允許運行最大的臨界高度，即為Lu。

(3)下臨界液位：為保證在高效氣液分離器運行過程中，出液口含氣率維持在較低水平，分離器內液位允許運行最低的臨界高度，即為Ld。

2 實驗系統流程

實驗平臺系統：供氣系統、水循環系統、氣液分離實驗段。供氣系統主要由空氣壓縮機、干燥器、儲氣罐、質量流量計以及相關的管道和閥門組成。水循環系統主要由2 個離心泵、儲水箱、循環水箱、渦輪流量計以及相關的管道和閥門組成。氣液分離實驗段主要包括：氣液分離器本體、壓差變送器、高速攝影儀以及相機。實驗中氣液分離器采用透明有機玻璃制成，以滿足可視化觀察要求。分離器前端布置有一段透明的有機玻璃管，用于觀察進入分離器前的兩相流流型。分離器可進行角度調節，可完成豎直和傾斜條件下的實驗研究，如圖3 所示。

圖3 實驗平臺系統流程Fig.3 Flow chart of experiment platform system

實驗以空氣和水為工作介質，直接測量的物理量有：水體積流量、空氣體積流量、分離器內壓強、壓差。其中，水流量通過渦輪流量計直接測量，氣體流量使用高精度的質量流量計，分離器內的壓強、壓差利用壓力變送器及壓差變送器測量，見表1 所示。

表1 測量物理量以及儀表信息Table 1 Measured physical quantity &instrument information

3 實驗結果分析

3.1 不同流態下的分離性能

評價實驗入口含氣率設置為15%、50%、65%和90%，入口流量設置為80 m3/d，評價垂直和傾斜2 種工況不同流態下分離器分離性能（圖4、5）。

圖4 分離器垂直時不同流型的分離特點Fig.4 Separation characteristics of different flow patterns when the separator is vertical

圖5 分離器60°傾斜時不同流型的分離特點Fig.5 Separation characteristics of different flow patterns when the separator is inclined by 60°

由圖4、5 可看出，分離器垂直或傾角60°時，當含氣率15%時，流態為泡狀流，氣體以小氣泡的形式分散在連續的液體中，小氣泡直徑大小不同，但流動比較穩定，進入重力分離室后氣液混合物在重力的影響下被直接分離。隨著入口含氣率增加至50%時，分散的泡狀流變為彈狀流，流動不穩定性逐漸增加，氣液混合物經過一級分離后進入重力分離腔室，由于內筒體和外筒體內徑設置的不同，內筒體中氣液混合物的振動在進入重力分離室之后不再繼續傳遞，且高速液體被拋到外筒體內壁上，并在重力的作用下回落至外筒體和內筒體的環腔內，氣體通過分離器的出氣口排出。當入口含氣率進一步增加至50%～90%時，流型由彈狀流逐步轉變為攪混流，內筒體內部流體振動增強，流體流經帶孔段后液體的噴射高度更高，抵達分離擋板的液體逐步增多，但因分離擋板的設置，大部分液體碰撞分離后，不能進入出氣口，此時的出氣口攜帶少量可見的霧狀液，出液口中不含氣，可實現氣液的高效分離。實驗結果表明，新型高效氣液分離器通過離心分離、重力分離和碰撞分離相結合的方式，可實現在多流型，特別是不穩定流型下保持高效的氣液分離效果。

3.2 不同入口含氣率下分離性能

評價實驗入口含氣率設置為15%、50%、65%和90%，入口流量設置為80 m3/d，評價垂直和傾斜2 種工況不同入口含氣率下分離器分離性能。

如圖6 所示，分離器垂直條件下隨著含氣率的提升，分離器內流型逐漸由穩定流型過渡到不穩定流型，分離器內筒體及重力分離腔室內的振蕩逐漸加劇，此時的出氣口攜帶少量可見的霧狀液，出液口中不含氣，仍可實現氣液的高效分離。

圖6 分離器垂直時不同入口含氣率分離效果Fig.6 Separation effect at different inlet void fractions when the separator is vertical

3.3 臨界液位實驗

3.3.1 垂直條件下臨界液位實驗

評價實驗入口含氣率設置為15%、30%、40%、50%、65%、80%和90%，入口流量設置為68、80、100 m3/d，評價垂直條件下高效氣液分離器高效分離區間液位線變化規律。

如圖7 所示，在垂直條件下設置低入口流量為68、80 m3/h，隨著入口含氣率的提高下臨界液位有小幅提升，上臨界液位有小幅下降；高入口流量(100 m3/d)條件下，隨著入口含氣率的提高下臨界液位有較大幅度的提升，上臨界液位略有下降。如圖8 所示，垂直條件下隨著含氣率增加，低入口流量條件下分離器內有效液位高度變化不大，高入口流量條件下分離器內有效液位高度下降明顯。在相同含氣率下隨著入口流量增加，有效液位高度逐漸變小且降幅明顯。實驗表明，分離器中內筒體和外筒體間的液位存在上臨界液位和下臨界液位，當分離器內筒體和外筒體之間的液位處在上臨界液位和下臨界液位范圍內，經過分離后出液口中不含氣，出氣口中不含液，即分離器分離效率為100%。

圖7 垂直條件臨界液位曲線Fig.7 Critical liquid level when the separator is vertical

圖8 垂直條件有效液位高度曲線Fig.8 Effective liquid height when the separator is vertical

3.3.2 60°傾斜條件下臨界液位實驗

評價實驗入口含氣率設置為15%、30%、40%、50%、65%、80%和90%，入口流量設置為68、80、100 m3/d，評價60°傾斜條件下高效氣液分離器高效分離區間液位線變化規律。

如圖9 所示，在60°傾斜條件下，隨著含氣率與入口流量的提升，上臨界液位線基本維持不變，下臨界液位有大幅度的提升。如圖10 所示，60°傾斜條件下，當入口流量發生變化，隨著含氣率的增加分離器內有效液位高度下降趨勢明顯。在相同含氣率下隨著入口流量的增加，有效液位高度相差不大，也就是說有效液位高度受傾斜角度影響較大。實驗結果同樣表明，分離器中內筒體和外筒體之間的液位存在上臨界液位和下臨界液位，當分離器內筒體和外筒體之間的液位處在上臨界液位和下臨界液位范圍內，經過分離后出液口中不含氣，出氣口中不含液，即分離器分離效率為100%。

圖9 60°傾斜條件臨界液位曲線Fig.9 Critical liquid level when the separator is inclined by 60°

圖10 60°傾斜條件下有效液位高度曲線Fig.10 Effective liquid height when the separator is inclined by 60°

3.4 分離器自適應能力評價

保持高效氣液分離器的入口和出口開度不變，調節入口水流量以改變入口含氣率值，模擬井下條件地層來液發生改變時分離器的自適應能力。

第一步評價實驗入口氣量設置為80 m3/d，入口液量設置為80、68、48、25、5 m3/d，評價垂直條件下高效氣液分離器入口含氣率在50%～94.1%條件下的自適應能力，即分離器液位線變化規律。如圖11 所示，隨著入口液量的下降上液位緩慢下降，當入口含氣率達到94.1%時上液位接近出液口，但整個氣液分離過程中液位基本維持在上/下臨界液位合理范圍內，出液口基本不含，出氣口基本不含液。

圖11 含氣率上調分離器自適應能力評價Fig.11 Evaluation on the self adaptability of the separator with the increase of the void fraction

第二步評價實驗入口氣量設置為80 m3/d，入口液量設置為100、130、190、220 和300 m3/d，評價垂直條件下高效氣液分離器入口含氣率在21.1%～50%條件下的自適應能力，即分離器液位線變化規律。如圖12 所示，隨著入口液量的提升上液位緩慢上升，在含氣率大于26.7%時氣液分離過程中液位基本維持在上/下臨界液位合理范圍內，出液口基本不含，出氣口基本不含液。當入口液量高于到220 m3/d時(含氣率為26.7%)上液位淹沒開孔段，氣液分離效率急劇下降，當流量增加到300 m3/d 時(含氣率為21.1%)出氣口基本灌滿水，氣液分離失敗。分離器自適應能力評價實驗結果表明，該高效氣液分離器具有較寬的自適應能力，在進口和出口開度不變的情況下入口含氣率在26.7%～94.1%范圍內變化，都可實現高效的分離效率。

圖12 含氣率下調分離器自適應能力評價Fig.12 Evaluation on the self adaptability of the separator with the decrease of the void fraction

4 技術應用可行性分析

基于上述實驗結果，高效氣液分離器內筒體和外筒體之間的液位保持在上臨界液位和下臨界液位之間，可實現在多流型，特別是不穩定流型下的氣液高效分離。

針對海上高含氣(50%～95%)井況的油氣井而言，將高效氣液分離器安裝在Y 型管柱電泵下端，地層高含氣產出液最先進入高效氣液分離器，地層產出液經過分離后的富液流通過電泵增壓舉升至井口，分離后的富氣流通過排氣速度管柱依靠自身能量溢流至井口。應用開發的高效氣液分離器可保證過電泵混合流體含氣率控制在20%～30%以內，確保電泵高效運行，為海上油氣田高含氣井況電泵排液/舉升的平穩運行提供有效解決方案。

5 結論

(1)開發的氣液分離器利用旋流分離、重力分離和碰撞分離原理實現了氣液高效分離，內筒體上開孔段的設計可向環空排出絕大部分液體，大幅度降低流體對形空間內液體振蕩的干擾。

(2)實驗表明內筒體和外筒體之間的液位高度是保證分離器高效分離的關鍵因素，高效分離時內筒體和外筒體之間的液位應保持在上臨界液位和下臨界液位之間。

(3)三級高效氣液分離器實現了在井下小尺寸空間、高含氣率、寬流程及多流型，特別是振蕩流型的工況環境下氣液混合流體的高效分離，為海上油氣田高含氣井況電泵排液/舉升的平穩運行提供有效解決方案。