含砂稠油臥式分離器數(shù)值模擬*

敬加強(qiáng) 程原招 張世堅(jiān) 單雨婷 黎登輝 楊 航 石運(yùn)亮

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國西南油氣田燃?xì)夥止?

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展階段，國際形勢出現(xiàn)百年未有之大變局，能源安全對我國實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興極其重要[1]。石油資源是能源構(gòu)成中不可或缺的一部分，但是我國大多數(shù)陸上常規(guī)油田已經(jīng)進(jìn)入了石油開采中后期，海上稠油熱采迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

稠油開采過程中，井底附近地層被破壞，使得砂粒隨著稠油一起流入井筒[2]。原油攜砂可能導(dǎo)致集輸工藝管道及設(shè)備存在砂沉積[3]、砂沖蝕[4-6]及腐蝕[7]風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)不僅造成管道及設(shè)備堵塞，還會引起清管器卡堵甚至控制閥門失效[8-9]，從長遠(yuǎn)來看，可能導(dǎo)致企業(yè)停產(chǎn)、增加運(yùn)營維護(hù)成本、危害環(huán)境等后果。此外，熱采注入蒸汽，使稠油含水體積分?jǐn)?shù)逐年增加，有時(shí)含水體積分?jǐn)?shù)甚至高達(dá)90%以上[10-11]。若不脫出稠油中的水分，會給稠油生產(chǎn)輸運(yùn)及煉化過程帶來極大危害。因此在海洋平臺上有必要使油水初步分離，且在油水分離的時(shí)間內(nèi)盡量讓砂粒沉積在分離器內(nèi)并定期排出，從而減少對分離器后面的管道和設(shè)備的危害，提高海洋平臺稠油開采效率。

重力式分離器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定且維護(hù)費(fèi)用低，是目前油田上應(yīng)用最廣泛的油水分離工藝設(shè)備之一。多相流理論和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展極大地推動了分離器的理論研究,人們已經(jīng)利用計(jì)算機(jī)對分離器的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。目前對分離器的數(shù)值研究較廣泛,但多是對不同構(gòu)件下的流場模擬研究[12-14]，缺少分析含砂稠油臥式分離器中顆粒的沉積率對分離器分離效率的影響，因此，筆者借助流體計(jì)算動力學(xué)(CFD)軟件Fluent對含砂稠油臥式分離器內(nèi)部流場進(jìn)行分析，數(shù)值模擬得到了分離器內(nèi)的砂粒運(yùn)動軌跡、油水分布情況及不同粒徑的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，并進(jìn)一步探索了入口速度、稠油黏度和含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)等操作參數(shù)對分離性能的影響。研究結(jié)果可為稠油除砂分析中砂粒尺寸控制和分離器現(xiàn)場作業(yè)提供理論支撐。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 臥式分離器物理模型的建立

臥式重力分離器主要利用重力對油水混合物進(jìn)行分離。進(jìn)行分離器三維流場模擬時(shí)，對分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化，內(nèi)部只保留了入口擋板和溢流板。根據(jù)某油田提供的資料，使用Solid Works 軟件繪制臥式分離器的三維物理模型，如圖1所示。其中實(shí)際流動區(qū)域是直徑3.8 m，長12.6 m的圓柱體以及長短半徑分別為1.9和1.0 m 的兩個半橢球封頭組成的空間，進(jìn)出口直徑均為0.3 m,溢流板高度2.6 m,入口擋板為邊長1.5 m的正方形。

圖1 臥式分離器三維物理模型

1.2 控制方程和湍流模型

不考慮溫度對兩相分離器內(nèi)油水兩相流動過程的影響，采用VOF兩相流模型模擬兩相分離器內(nèi)的油水兩相流動和分離過程。VOF模型是建立在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法，兩種或者多種流體(相)在互不相融的流體交界面時(shí)可以采用這種模型。在單元中，若第q相流體體積分?jǐn)?shù)為a，存在以下三種情況：①a=0,單元格內(nèi)不存在第q相流體；②a=1,單元格內(nèi)充滿了第q相流體；③0

油水兩相混合物在三相分離器內(nèi)做中等強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)流動，具有各向異性，因此研究中常選用RNG湍流模型。該模型在標(biāo)準(zhǔn)湍流模型基礎(chǔ)上修正了湍動黏度，在一定程度上考慮了湍流各向異性效應(yīng)，因此可以考慮湍流彎曲、旋轉(zhuǎn)流動以及流動分離等過程。湍動能k和湍動能耗散率ε的輸運(yùn)方程如下：

(1)

(2)

式中：ρm為油水混合物密度，u為油水混合物的速度，μ為油水混合物的動力黏度，σk、σε、C1和C2均為模型常數(shù)。

1.3 邊界條件及求解設(shè)置

邊界條件包括入口條件、壁面條件和出口條件。入口采用 Velocity-inlet，以控制流量的方式對入口處流體進(jìn)行控制；壁面采用絕熱、無滑移壁面；出口采用自由出口。經(jīng)式(1)和式(2)計(jì)算，進(jìn)出口湍流強(qiáng)度設(shè)置為3%，水力直徑0.3 m。求解設(shè)置中湍流模型的近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力和速度耦合采用 SIMPLE算法，壓力的離散方式為Standard 形式; 動量、湍動能和湍動能耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。

油分離效率可以通過統(tǒng)計(jì)進(jìn)出分離器油出口的混合液和稠油的質(zhì)量關(guān)系得到，即有：

(3)

式中：w為分離器分離效率，m1為油出口中油的質(zhì)量，m2為油出口總質(zhì)量。

砂沉積率可以通過統(tǒng)計(jì)進(jìn)入分離器和離開分離器的顆粒數(shù)目之間的關(guān)系得到，即有：

(4)

式中：γ為砂沉積率，n1為分離器入口砂粒數(shù)目，n2為分離器水出口砂粒數(shù)目，n3為分離器油出口砂粒數(shù)目。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了確定計(jì)算所用的網(wǎng)格數(shù)量，要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，在不影響計(jì)算精度的前提下，盡可能減少網(wǎng)格數(shù)量。通過改變?nèi)志W(wǎng)格尺寸，得到不同網(wǎng)格數(shù)量的流場計(jì)算模型。將不同網(wǎng)格數(shù)目作為自變量，分離器分離效率作為因變量，其他設(shè)置不變，得到如圖2所示的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線

由圖2可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在3.6×104左右時(shí)，臥式分離器的分離效率不再隨網(wǎng)格數(shù)目的變化而變化。因此取模型網(wǎng)格數(shù)量為3.6×104作為計(jì)算網(wǎng)格。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)部流場分析

根據(jù)某油田提供的數(shù)據(jù)，該分離器的最大液體處理能力如下：水流量498 m3/h、油流量92 m3/h；油密度940 kg/m3，黏度300 mPa·s；水密度998 kg/m3，黏度1 mPa·s。顆粒直徑符合Rosin-Rammler粒徑分布規(guī)律，且主要集中在50～150 μm,顆粒質(zhì)量流量為液體處理量的0.05%，經(jīng)計(jì)算，分離器入口最大速度為2.2 m/s，含油體積分?jǐn)?shù)為15.5%，顆粒速度和油液一致，按以上數(shù)據(jù)設(shè)置模擬條件進(jìn)行流場分析。

不同粒徑顆粒軌跡云圖如圖3所示。從顆粒的軌跡可以看出，在分離器入口擋板附近流動比較紊亂且有中等旋轉(zhuǎn)流場產(chǎn)生，在入口擋板以后顆粒的運(yùn)動軌跡比較平穩(wěn)。油水混合液觸碰到入口擋板后在此面上有部分回流，使油水、砂粒在分離器內(nèi)停留時(shí)間延長，提高油水分離效率，形成的局部旋轉(zhuǎn)流場產(chǎn)生離心力加速油水分離，并且旋轉(zhuǎn)流場形成的中心低壓是油相順利排出的主要因素。

圖3 不同粒徑顆粒軌跡云圖

分離器內(nèi)沉積砂的粒徑分布情況如圖4所示。比較進(jìn)口和分離器底面的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化可以看出，在砂粒粒徑小于110 μm時(shí)，分離器底面各種粒徑砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于進(jìn)口各種粒徑砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明砂粒在小于110 μm時(shí)，砂粒沒有沉積在分離器內(nèi)；當(dāng)砂粒粒徑大于110 μm時(shí)，分離器底面各種粒徑砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于進(jìn)口各種粒徑砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明砂粒粒徑在大于110 μm時(shí)，砂粒沉積在分離器內(nèi)，且隨著砂粒粒徑的增大，該粒徑砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的幅度逐漸增大；砂粒在分離器內(nèi)的遷移速度主要受油水混合液速度影響，同時(shí)砂粒粒徑越大，砂粒的質(zhì)量越大，在同一個重力場下，受到的重力越大，因此粒徑越大的顆粒遷移速度衰減的越快，越容易在分離器內(nèi)沉積下來。

圖4 分離器內(nèi)沉積砂的粒徑分布

油水兩相因密度差異在分離器內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的分層，油分布于上層[15-16]且油層和水層在各自區(qū)域都達(dá)到了體積分?jǐn)?shù)的最大值1，表明該區(qū)域內(nèi)全部是水或油。分離器縱截面油水兩相分布如圖5所示。圖5中，紅色代表油，藍(lán)色代表水，在溢流板左側(cè)的油水混合區(qū)域，油受到浮力作用緩慢上升，水的密度比油大同時(shí)被溢流板分割在油室之外，使油水分離分層。

圖5 分離器縱截面油水兩相分布云圖

圖6為分離器內(nèi)不同橫截面的油水兩相分布云圖，其中圖6a是距離分離器入口0.2 m處的橫截面，圖6b是入口擋板處的橫截面，圖6c為距離入口2 m處的橫截面，圖6d為距離入口7 m處的橫截面，圖6e、圖6f分別代表分離器水出口和油出口的橫截面。通過圖6可以很直觀地看到油水混合液從進(jìn)入分離器到離開分離器(即從圖6a位置到圖6f位置)，油水兩相的混合程度逐漸降低，油水兩相分離的程度越來越大。距離入口較遠(yuǎn)的地方，如圖6e、圖6f位置，油水混合液的速度已經(jīng)衰減超過50%，在相同距離內(nèi)油水分離的時(shí)間較圖6a、圖6b位置的更長，所以分離器內(nèi)越遠(yuǎn)離入口的地方，油水分離的程度更高，如圖6f位置油水分離程度遠(yuǎn)高于圖6a位置，說明在相同情況下，分離器越大，分離效果越好。

圖6 不同位置橫截面油水兩相分布對比圖

2.2 入口速度的影響

設(shè)置油水混合液含油體積分?jǐn)?shù)為15.5%，油密度為940 kg/m3，油黏度為300 mPa·s，水的密度為998 kg/m3，水的黏度為1 mPa·s，顆粒質(zhì)量流量為油水混合液的0.05%，顆粒直徑為50～150 μm,顆粒速度和油液保持一致。數(shù)值模擬不同入口速度(v=0.6、1.0、1.4、1.8和2.2 m/s)與臥式分離器油出口含油體積分?jǐn)?shù)和砂沉積率的變化關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7 入口速度與油出口含油體積分?jǐn)?shù)和砂沉積率的變化關(guān)系

由圖7可得，砂沉積率隨著入口速度的增大緩慢減小，速度越大砂粒在分離器內(nèi)停留的時(shí)間越短，發(fā)生沉積的可能性就越小，砂粒越容易從分離器逃至輸油管線或其他設(shè)備，導(dǎo)致管線堵塞、設(shè)備堵塞或沖蝕等不良反應(yīng)，降低生產(chǎn)效益；同時(shí)分離器內(nèi)的油出口含油體積分?jǐn)?shù)隨著速度的增大逐漸減小，這表明在入口速度大于1 m/s時(shí)油出口含油體積分?jǐn)?shù)迅速減小至37.7%，而在速度小于等于1 m/s時(shí)油出口含油體積分?jǐn)?shù)高達(dá)90%以上。不同入口速度縱截面油水兩相分布云圖如圖8所示。由圖8可得，隨著入口速度的減小，分離器油出口云圖中紅色逐漸占滿整個出油管，這表明出口含油體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。

圖8 不同入口速度下縱截面油水兩相分布云圖

油水在分離器內(nèi)分層需要一定的時(shí)間[17-19]，如果入口速度過快，油水還沒來得及分離就被帶出分離器，導(dǎo)致分離效率降低。入口速度越低，油水分離的時(shí)間越長，油水分離更充分。因此在滿足生產(chǎn)需要的條件下，為了降低原油中的含水體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)入分離器的速度應(yīng)控制在1 m/s以下。綜上所述，入口速度與砂沉積率和油出口含油體積分?jǐn)?shù)成反比，且油出口含油體積分?jǐn)?shù)受到的影響更明顯。

2.3 油黏度的影響

設(shè)置油水混合液含油體積分?jǐn)?shù)為15.5%，油密度為940 kg/m3，水密度為998 kg/m3，水黏度為1 mPa·s，顆粒質(zhì)量流量為油水混合液的0.05%，顆粒直徑為50～150 μm,顆粒速度和油水混合液速度均為2.2 m/s。數(shù)值模擬得到不同稠油黏度(μ=100、150、200、250和300 mPa·s)下臥式分離器油出口含油體積分?jǐn)?shù)及砂沉積率的變化關(guān)系，如圖9所示。

圖9 稠油黏度與油出口含油體積分?jǐn)?shù)和砂沉積率的變化關(guān)系

從圖9可以看出，在稠油黏度為100 mPa·s時(shí)，油出口含油體積分?jǐn)?shù)達(dá)最高(37.5%)，砂沉積率至最小(53.4%)，在稠油黏度為300 mPa·s時(shí)，油出口含油體積分?jǐn)?shù)降至最低(32.3%)，此時(shí)砂沉積率高達(dá)70.36%。隨著稠油黏度的增加，油出口含油體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，但總體減小幅度不大。稠油的黏度越大，稠油從油水混合液中上浮，受到的摩擦阻力和剪切應(yīng)力越大[20]，顆粒在分離器內(nèi)存在匯集成團(tuán)的現(xiàn)象，并且稠油黏度越大，稠油越容易吸附在砂粒周圍形成團(tuán)狀聚合物，團(tuán)狀物的重力較大，不容易在油水混合液中上浮，所以分離效率和稠油黏度成反比。不同稠油黏度下縱截面油水兩相分布云圖如圖10所示。由圖10可以看出，隨著稠油黏度的增加，分離器油出口云圖中藍(lán)色占比以微小的變化增加，這表明油出口含油體積分?jǐn)?shù)在減少，分離器分離效率降低。

圖10 不同稠油黏度下縱截面油水兩相分布云圖

稠油黏度越大，稠油越容易被吸附在砂粒周圍形成團(tuán)狀聚合物，該團(tuán)狀物所受的重力更大，這相當(dāng)于砂粒的直徑和質(zhì)量均增大，顯然這樣的砂粒更容易沉積。

2.4 含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

設(shè)置油水混合液含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.5%，油密度為940 kg/m3，黏度為300 mPa·s；水密度為998 kg/m3，黏度1 mPa·s；顆粒直徑為50～150 μm,顆粒速度和油水混合液速度均為2.2 m/s。數(shù)值模擬得到了不同含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w=0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%)下臥式分離器油出口含油體積分?jǐn)?shù)和砂沉積率的變化關(guān)系，如圖11所示。

不同含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下縱截面油水兩相分布云圖如圖12所示。由圖11和圖12可得：隨著含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，砂粒的沉積率逐漸增大，分離器的分離效率逐漸減小，說明含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與砂沉積率成正比，與分離效率成反比；含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，表示進(jìn)入分離器的砂粒增多，入口速度不變，分離器的處理量不變，則單位體積內(nèi)的砂粒增多，相當(dāng)于單位體積內(nèi)的油水混合液“密度”增加，砂粒與砂粒之間更容易靠稠油聚在一起抱團(tuán)，使砂粒更易沉積在分離器內(nèi)部，同時(shí)降低分離效率；含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，油水混合液中的砂粒數(shù)目增加，這提高了稠油被砂粒吸附在其周圍的概率，使得吸附在砂粒周圍的稠油難以上浮，從而降低了分離器的分離效率。

圖11 含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與油出口含油體積分?jǐn)?shù)及砂沉積率的變化關(guān)系

圖12 不同含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)下縱截面油水兩相分布云圖

3 砂粒沉積試驗(yàn)驗(yàn)證

由于試驗(yàn)條件限制，采用分液漏斗代替重力分離器，砂粒在分液漏斗內(nèi)沉降。用粒徑為150 μm的砂粒配置含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的含砂稠油5 mL共3組，試驗(yàn)采用100#工業(yè)白油作為模擬油，模擬油溫度為15.3 ℃，密度為883.23 kg/m3，黏度為300 mPa·s。

利用D.J.ZIGRANG等[21]的沉降速度公式計(jì)算出砂粒在白油中的沉降速度，由含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%的數(shù)值模擬時(shí)間為30 min，計(jì)算出需要的白油液柱高度。在分液漏斗上部放入配置好的5 mL含砂白油，達(dá)到沉降時(shí)間后在裝置底部放出5 mL白油,在離心機(jī)內(nèi)分離油砂，用蠕動泵吸出砂粒，最后用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干砂粒表面白油，用高精度天平(可精確到0.000 1 g)稱量砂粒的質(zhì)量。試驗(yàn)裝置如圖13所示。經(jīng)天平稱量后計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖13 試驗(yàn)裝置

表1 砂沉積率計(jì)算結(jié)果

由表1可得三次試驗(yàn)條件下的砂粒沉積率分別為85.1%、81.6%和86.9%，與含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果(83.2%)很接近，由此驗(yàn)證了上述數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，分離器可以在入口擋板周圍形成中等強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)流場，有利于油水分離；分離器內(nèi)砂粒粒徑小于110 μm，砂粒不容易沉積在分離器內(nèi)，粒徑大于110 μm后砂粒發(fā)生沉積的可能性逐漸增大。

(2)當(dāng)分離器入口速度大于1 m/s時(shí)，分離器的油水分離效率顯著下降，砂沉積率逐漸降低；稠油的動力黏度越大，油滴上浮受到的摩擦力和剪切應(yīng)力越大，上浮速度越慢，分離效率降低，可以通過加熱來降低稠油的動力黏度，提高分離效率；分離效率隨著含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸降低，而砂粒的沉積率與含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比。

(3)稠油被吸附在砂粒的周圍而形成聚合團(tuán)狀物，降低了油滴的上浮速度，從而降低了分離器的分離效率。