采油廠污水罐排泥現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬仿真研究

楊風(fēng)斌,楊雯雅,蒿秋軍,張金利,胡志剛,于洪鑒

(1.中國石化勝利油田分公司 孤東采油廠,山東 東營(yíng) 257237;2.齊魯理工學(xué)院 智能制造與控制工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250200;3.勝利油田注汽技術(shù)服務(wù)中心 孤島注汽項(xiàng)目部,山東 東營(yíng) 257100;4.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院,山東 青島 266580)

采油廠采出液首先進(jìn)入初分離罐將水和原油進(jìn)行分離,所得原油和水分別進(jìn)入油罐和污水罐。由于采出液含有砂子等固體顆粒物,因此會(huì)在油罐和污水罐中沉積形成油砂。罐內(nèi)的油砂因?yàn)槌练e而不易排出,會(huì)影響采油廠的效率,造成浪費(fèi)[1]。因?yàn)榕拍噙^程沒有引入對(duì)罐底沉積物的探測(cè),所以排泥過程仍然存在著排泥效率低下的問題,很大程度上限制了排泥的效果。亟需一種更加智能、更加高效的排泥分析方法。

關(guān)于罐底沉積物探測(cè)技術(shù),有多種常用方法可供選擇,包括激光沉積物掃描技術(shù)、側(cè)掃聲吶法、多波束測(cè)深法、單波束測(cè)深法以及無人船海底沉積物測(cè)量法。這些方法在各自的領(lǐng)域都具有一定的應(yīng)用價(jià)值,為罐底沉積物探測(cè)技術(shù)的研究與發(fā)展提供了多元化的方向[2]。作為現(xiàn)代光學(xué)遙感儀器,激光沉積物掃描技術(shù)將現(xiàn)代激光技術(shù)與傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)相融合。通過激光掃描,它能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度測(cè)量,進(jìn)而獲取三維數(shù)據(jù),如線、面、體和空間信息。得益于探測(cè)束波長(zhǎng)的減小和定向性的提升,該技術(shù)具有高精度探測(cè)方面較為顯著的優(yōu)勢(shì)[3]。自20世紀(jì)80年代起,我國就開始投入激光水下沉積物探測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)。在“八五”計(jì)劃期間,華中科技大學(xué)成功研制了國內(nèi)首套機(jī)載激光水下沉積物探測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。此外,機(jī)載激光掃描系統(tǒng)在水下地貌測(cè)繪和制圖領(lǐng)域也逐步取得了進(jìn)展。要實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)這一多技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng),需要在多個(gè)方面突破解決技術(shù)難題。這包括研發(fā)高性能的硬件系統(tǒng),研究以全波形數(shù)據(jù)處理為核心的算法,以及探索多光譜等創(chuàng)新技術(shù)和方法。

該技術(shù)屬于國際上較為前沿的地形地貌探測(cè)技術(shù),測(cè)量精度高,但距離其應(yīng)用落地還有一定距離,很難將該技術(shù)遷移至罐底沉積物探測(cè)中來[4]。

側(cè)掃聲吶法是利用聲吶發(fā)射裝置向待探測(cè)水域發(fā)射聲波信號(hào),當(dāng)聲波遇到障礙物發(fā)生散射時(shí),通過接收散射返回聲波信號(hào)進(jìn)而確定水域地貌信息的一種測(cè)量方式。側(cè)掃聲吶對(duì)水域進(jìn)行探測(cè)的過程中易受到水中雜質(zhì)以及環(huán)境噪聲等不可控因素的影響,使得采集到的數(shù)據(jù)存在漂移點(diǎn),不能準(zhǔn)確反映水下地貌信息,同時(shí),聲波散射信號(hào)除了與油罐內(nèi)介質(zhì)以及水域中障礙物相關(guān),還與待探測(cè)表面的反射角、聲波吸納能力等因素相關(guān),使得側(cè)掃聲吶技術(shù)在罐底油泥探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用存在困難,所以本項(xiàng)目不采用側(cè)掃聲吶進(jìn)行罐底沉積物探測(cè)[5]。

采用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行罐底沉積物探測(cè),其優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)探測(cè)位置進(jìn)行精確定位,給出坐標(biāo)位置及頂端標(biāo)高,并對(duì)周邊的罐底狀況進(jìn)行展示,對(duì)罐內(nèi)一些管路目標(biāo)分辨清晰;缺點(diǎn)是多波束覆蓋寬度與深度有關(guān),對(duì)于深度淺的液體效果一般,且對(duì)已經(jīng)淤平罐內(nèi)管線目標(biāo)沒有探測(cè)能力。對(duì)于本項(xiàng)目而言,儲(chǔ)罐油泥深度較淺,采用該探測(cè)方案不能發(fā)揮探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)發(fā)射功率較大,對(duì)于油田環(huán)境適應(yīng)性差,所以不采用該探測(cè)技術(shù)進(jìn)行沉積物探測(cè)[6]。

扇掃聲吶包括多種聲吶類型,其中使用最廣泛的是單波束前視聲吶,在一次收發(fā)過程中,聲吶只能觀測(cè)到該波束所覆蓋的空間范圍。因此,單波束前視聲吶在探測(cè)目標(biāo)時(shí)具有一定的局限性。若要對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行探測(cè),需要采用外力驅(qū)動(dòng)的方式旋轉(zhuǎn)聲吶發(fā)射裝置以及基陣,以搜索并覆蓋整個(gè)目標(biāo)區(qū)域[7]。

單波束聲吶數(shù)字化程度高、成像清晰,與多波束聲吶相比,具有體積小、成本低、便于安裝、可應(yīng)用到小型化的平臺(tái)上去的優(yōu)勢(shì);同時(shí)在同等時(shí)間內(nèi),其掃描范圍較多波束聲吶更為集中,功耗更低,能滿足油田安全使用的原則[8]。聲吶探測(cè)對(duì)比如圖1所示。

圖1 聲吶探測(cè)對(duì)比圖

單波束測(cè)量設(shè)備擁有高度便攜性,能夠很容易部署于多種測(cè)量平臺(tái)上,內(nèi)置存儲(chǔ)卡,數(shù)據(jù)可自動(dòng)儲(chǔ)存或者實(shí)時(shí)導(dǎo)出,兼容主流數(shù)據(jù)處理軟件。

目前沉積探測(cè)器多在海洋、湖泊等開放空間應(yīng)用,但是在采出水罐這種密閉空間還沒有應(yīng)用,這很大程度上限制水罐沉積規(guī)律的探索工作。并且罐底部高度不平、雜質(zhì)較多,探測(cè)器發(fā)射的聲波會(huì)在罐底和罐壁多次反射,影響罐底探測(cè)的精度。因此,基于以上種種因素,采取對(duì)罐底分區(qū)進(jìn)行多次測(cè)量的方法,研究聲波在罐底和罐壁反射和干涉的規(guī)律,通過研究相應(yīng)的算法去除雜余的信號(hào),獲取罐底三維深度信息,利用所制定的三維深度信息探測(cè)方案得到罐底沉積物分布情況,從而確保探測(cè)精準(zhǔn)的準(zhǔn)確性[9]。并且在探測(cè)設(shè)備選型時(shí),還應(yīng)考慮選擇具有防爆功能的探測(cè)裝置,保證設(shè)備防爆。綜上所述本項(xiàng)目主要采用單波束聲吶設(shè)備作為罐底沉積物探測(cè)的主要設(shè)備。

1 理論分析

針對(duì)勝利油田孤東采油廠的實(shí)地情況,選擇污水緩沖罐作為數(shù)值仿真對(duì)象進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真,通過現(xiàn)場(chǎng)圖紙對(duì)污水緩沖罐進(jìn)行三維建模,首先對(duì)于罐體及其內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行完全建模, 為了便于分析、降低工作負(fù)擔(dān)并確保計(jì)算準(zhǔn)確性,需要在實(shí)際沉降結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化。具體措施如下:

1)省略罐體中某些不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)和設(shè)備,例如支撐架、油水集合槽、加熱管線、油罐、沖洗管、泥沙匯集坑以及一些輔助設(shè)施(如換氣閥和清洗孔)等;

2)將罐內(nèi)壓視為常壓,忽略外部環(huán)境溫度的波動(dòng);

3)假定罐內(nèi)僅存在油泥砂和水兩種相,且充滿整個(gè)罐體內(nèi)部;

4)假定分散相油滴的尺寸均勻一致。

假設(shè)進(jìn)水管的流速保持穩(wěn)定,不受波動(dòng)影響。本研究關(guān)注的是油、水和泥沙三相混合物,屬于典型的液-液-固三相流問題。在解決多相流問題時(shí),歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法是兩種常見的計(jì)算求解手段。針對(duì)不同流體介質(zhì)的數(shù)值模擬仿真,兩種計(jì)算求解方案均有其優(yōu)缺點(diǎn):歐拉-拉格朗日方法主要針對(duì)離散介質(zhì)進(jìn)行分析,而歐拉-歐拉方法則將流域中介質(zhì)視為連續(xù)項(xiàng)進(jìn)行分析?；谘芯繉?duì)象中各成分的比例以及研究目標(biāo),最終選擇歐拉-歐拉模型中的混合物模型作為數(shù)值計(jì)算方法[10]。

混合物模型的基本控制方程包括以下三個(gè)方程。

連續(xù)性方程:

αk——第k相的體積分?jǐn)?shù);

n——為相數(shù)。

動(dòng)量方程:

式中:p——壓力面值;

能量方程:

=▽?(keff▽T)+SE

keff=∑αk(kk+kt)

式中:kt——湍流導(dǎo)熱系數(shù),由湍流模型確定;

kk——層流導(dǎo)熱系數(shù);

▽?(keff▽T)——由熱傳導(dǎo)引起的能量傳遞;

hk——第k相的顯焓;

SE——所有體積熱源。

選取RNGk-ε混合物兩相流模型為物理場(chǎng)接口條件,進(jìn)行仿真研究,其表達(dá)式如下:

=▽?[-pl+K]-▽?Km+Fm+ρg+F

式中:K=(μ+μT)(▽j+(▽j)T)——黏性應(yīng)力;

ρ=ρdφd+ρc(1-φd)——濃度;

φd=phid——分散相的體積分?jǐn)?shù);

j——混合物的速度場(chǎng);

ρd——分散相濃度;

ρc——連續(xù)相濃度;

jslip——滑移通量;

F——體積力;

Fm——體積力傳遞系數(shù);

g——重力加速度;

mdc——從分散相到連續(xù)相的質(zhì)量傳遞;

μ——?jiǎng)恿︷ざ?

Pk——湍流動(dòng)能源相;

uslip——平方滑移速度;

Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1,σε=1.3,σT=0.35,Cμ=

0.09——湍流模型參數(shù)。

2 淹沒水射流數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

本內(nèi)構(gòu)件的三維模型是基于真實(shí)三維模型的結(jié)構(gòu)對(duì)排水管在內(nèi)構(gòu)件錐形罩開孔接管的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化得到的內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu),在保證了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果在錐形罩區(qū)域的擾流現(xiàn)象出現(xiàn)的前提下,避免了焊縫區(qū)域出現(xiàn)的尖點(diǎn)和零體積區(qū)域的問題,簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟、節(jié)省了計(jì)算資源、顯著降低了計(jì)算時(shí)間以及保證了數(shù)值模擬仿真的收斂性。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模型計(jì)算的基礎(chǔ),進(jìn)行CFD仿真的過程中網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度對(duì)于計(jì)算結(jié)果有著明顯的影響,一般來說數(shù)值模擬仿真的精度與網(wǎng)格密度成正比關(guān)系。ANSYS ICEM CFD 有著強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能,可進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格編輯等功能。本文采用ICEM進(jìn)行數(shù)值模型的建立與網(wǎng)格劃分。通過建立罐內(nèi)內(nèi)構(gòu)件的三維模型與水體模型進(jìn)行布爾相減運(yùn)算,得到污水沉降罐的水體模型,通過上述的簡(jiǎn)化可以做到在水體中不存在零體積區(qū)域與不連續(xù)區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)高精度網(wǎng)格的劃分[11]。結(jié)合各個(gè)水體部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分割五部分part進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)的圓柱體采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,實(shí)現(xiàn)較快的劃分速度得到較為精準(zhǔn)的四面體網(wǎng)格,對(duì)于污水沉降罐中錐體部分是罐中最復(fù)雜的部分,利用高密度三角形網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分,使得計(jì)算在此區(qū)域中具有較高的準(zhǔn)確性,對(duì)污水沉降罐其余部分由于其空間尺度相對(duì)于進(jìn)出水管部分較大,流體分布變化較為平緩故采用較為大尺度的四面體與三角形網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在保證計(jì)算精度的前提下盡可能節(jié)省計(jì)算資源,提高計(jì)算效率。這是一種對(duì)于工程大尺度數(shù)值模擬仿真常用的一種計(jì)算方式。

幾何模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 幾何模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

在對(duì)罐內(nèi)的油砂進(jìn)行射流沖擊作業(yè)的過程中,初始條件通常表現(xiàn)為:水與油泥砂兩種組分在沉降罐中有明確的分界面,油泥砂由于其密度較大沉積于罐底,水相填充在油泥砂上部。設(shè)置主項(xiàng)為水,次項(xiàng)為油。噴嘴出口作為流場(chǎng)入口,入口邊界條件定義為速度入口;出口定義為自由出口;噴嘴及壁面邊界條件設(shè)置為墻體邊界條件。本文所研究的水和油砂均為不可壓縮流體[12]。選用收斂性好精度高的壓力基求解器(Pressure-based);罐內(nèi)流動(dòng)為各向同性湍流,湍流域采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行計(jì)算;由于該模型是為了模擬流場(chǎng)內(nèi)部水對(duì)油砂的沖擊情況,存在水相和油砂相的相互作用及分流,在多相流模型中,Eulerian可用于模型中的每一項(xiàng),故本模型采用Eulerian模型;控制方程的離散方法采用有限容積法,擴(kuò)散相和流相分別采用一階迎風(fēng)差分格式和延遲修正的差分式離散,速度壓力耦合采用壓力修正法求解[13]。

2.4 仿真結(jié)果

通過對(duì)污水沉降罐的排水管直徑、位置、數(shù)量進(jìn)行Fluent流場(chǎng)仿真,現(xiàn)對(duì)于Fluent模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

流場(chǎng)發(fā)展初期罐內(nèi)流體靜止分布,由進(jìn)水口進(jìn)入油水混相物質(zhì),與靜止流體接觸產(chǎn)生剪切力,帶動(dòng)靜止流體一起運(yùn)動(dòng),在高速流體附近的流體速度較高,產(chǎn)生局部低壓,流域中的其他液體向其中補(bǔ)充。在速度梯度與壓力梯度的雙重影響下,在高速流體兩側(cè)產(chǎn)生渦旋。但是由于,污水沉降罐的進(jìn)水位置于中心圓柱底部,通過圓柱體的緩沖作用,在圓柱體的上端進(jìn)入罐內(nèi)時(shí),只在污水沉降罐頂部存在較大的渦流攪動(dòng)現(xiàn)象,并且由于污水沉降罐的大空間尺度的特點(diǎn),對(duì)于罐底的油泥砂影響較小。故罐底油泥砂只在排水管出口的部分影響較大,并且由于罐內(nèi)錐形罩的阻礙作用,在錐形罩的部分存在小范圍的擾流攪動(dòng)作用故油泥砂在錐形罩部分存在攪動(dòng)現(xiàn)象。現(xiàn)通過對(duì)上述情況的Fluent數(shù)值模擬進(jìn)行分析。

2.4.1 原污水沉降罐的Fluent數(shù)值模擬

試驗(yàn)水罐為2 000 m3沉降罐,進(jìn)出口流量為1 600 m3/h,排泥時(shí)間30 min,進(jìn)口壓力0.6～0.65 MPa,油泥厚度2.7 m。進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真,實(shí)際排砂時(shí)間5～30 min仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同排沙時(shí)間的相分布圖

在仿真結(jié)果中上部及內(nèi)部深色表示進(jìn)液采出水,灰色表示罐內(nèi)上層采出水,下部深色表示罐底油泥。 不同時(shí)間段的油泥分布情況,已用于目前指導(dǎo)沉積及排泥規(guī)律的研究 。

從仿真結(jié)果可以看出,沉降罐采用中央進(jìn)液的方式,對(duì)罐內(nèi)沉積物及整體的液態(tài)擾動(dòng)較小。排泥區(qū)域集中在倒錐體下方,未安裝排泥口一側(cè)相比于另一側(cè)排泥量更少,與實(shí)際結(jié)果吻合。通過對(duì)比上述圖片,觀察到在排泥結(jié)束后,中心圓錐罩內(nèi)部仍然殘余較多油泥,并且由于油泥黏度較高,存在對(duì)圓錐罩內(nèi)壁黏附的現(xiàn)象,綜上所述,原污水沉降罐結(jié)構(gòu)對(duì)于罐底的油泥砂的影響較小,并且由于其較為復(fù)雜的內(nèi)構(gòu)件,導(dǎo)致罐底油泥砂排出效果較差。

2.4.2 雙開口排水管污水沉降罐Fluent數(shù)值模擬

試驗(yàn)水罐為2 000 m3沉降罐,進(jìn)出口流量為1 600 m3/h,排泥時(shí)間30 min,進(jìn)口壓力0.6～0.65 MPa,油泥厚度2.7 m。進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真,實(shí)際排砂時(shí)間5～30 min仿真結(jié)果如圖5所示。通過增加排水管數(shù)量之后,可以觀察到相較于單排水管的情況,排水管對(duì)側(cè)的油泥砂沉積現(xiàn)象得到明顯改善,并且雙側(cè)排水管的設(shè)計(jì),對(duì)污水沉降罐罐底沉積油泥砂上層可流動(dòng)部分的排出效果得到了明顯的改善。并且,相較于單側(cè)排水的情況,罐內(nèi)錐形罩內(nèi)部由于高黏度油泥砂的黏附作用也得到了明顯解決,故雙側(cè)排水的設(shè)計(jì)對(duì)于污水沉降罐的排泥存在明顯的優(yōu)化作用。但是,由于雙側(cè)排水的結(jié)構(gòu)需要改變污水沉降罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu),會(huì)產(chǎn)生較大的人力物力消耗;同時(shí),雙開口對(duì)于罐底水域的攪動(dòng)較大,在罐底產(chǎn)生較為紊亂的流場(chǎng),使得罐底油泥分布產(chǎn)生擾動(dòng),對(duì)上層清液的分布產(chǎn)生影響[14]。

圖5 雙向開口不同排沙時(shí)間的相分布圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)照

檢測(cè)設(shè)備為智匯ZH200單波束測(cè)深儀(大小功率各一個(gè)),換能器頻率200 kHz測(cè)深量程0.4～200 m,測(cè)深精度1 cm±0.1%×水深。應(yīng)用此聲吶檢測(cè)設(shè)備采集污水緩沖罐排砂前后測(cè)深數(shù)據(jù),可得排砂作業(yè)后罐內(nèi)油泥砂分布及罐內(nèi)油泥砂高度變化趨勢(shì),其分析如圖6、圖7所示。

圖6 聲吶探測(cè)罐內(nèi)油泥砂分布情況

圖7 數(shù)值模擬罐內(nèi)油泥砂分布情況

由圖像的聲吶探測(cè)和數(shù)值模擬方針結(jié)果進(jìn)行對(duì)照可知,在雙向開口的排砂的情況下聲吶探測(cè)結(jié)果與Fluent數(shù)值模擬結(jié)果的油泥砂分布情況基本一致,在排砂后罐內(nèi)仍然存在3.5 m左右的油泥砂殘余,并且由于罐內(nèi)排砂的流場(chǎng)攪動(dòng)效果,罐底油泥砂的分布為高低不均勻狀態(tài)。此結(jié)果證明本數(shù)值模擬仿真結(jié)果與實(shí)際排砂狀況基本一致,對(duì)于罐內(nèi)排砂結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有良好的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文主要進(jìn)行了不同工況下污水沉降罐的Fluent數(shù)值模擬仿真,根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置在Soliworks建立三維模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的步驟,保證了數(shù)值仿真的真實(shí)性和準(zhǔn)確性,進(jìn)行了邊界條件的設(shè)置:入口處為速度入口、出口為自由壓力出流、邊界設(shè)置為靜止壁面,進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1)經(jīng)過聲吶探測(cè)儀探測(cè)和Fluent數(shù)值模擬仿真對(duì)比,在排泥結(jié)束后,經(jīng)過沉降,油泥的厚度在罐內(nèi)基本保持均勻分布,該結(jié)果與實(shí)際吻合。該結(jié)果從側(cè)面驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,可以為優(yōu)化水罐結(jié)構(gòu)提供良好的條件。

2)并且對(duì)于數(shù)值仿真過程進(jìn)行了分析,討論了原本結(jié)構(gòu)、加大排水管直徑情況下的流場(chǎng)發(fā)展情況,提出了污水沉降罐排砂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案,并且論證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及合理性。對(duì)實(shí)際裝置的優(yōu)化方案具有指導(dǎo)意義。

3)通過本研究針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真得到罐內(nèi)油泥沉積變化規(guī)律,得到在沉降罐工作的不同時(shí)刻罐底沉積物的變化情況,能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油泥分布情況定時(shí)定量進(jìn)行排泥作業(yè),通過很大程度上提高現(xiàn)場(chǎng)排泥效率。