高速聚結型井下氣液分離器多參數組合優化設計

為解決天然氣井井下氣相夾液及超高氣液比氣液分離器分離效率低等問題，設計了一種適用于高氣液比井下的氣液分離裝置。通過數值模擬研究及正交試驗法確定了分離器較優結構模型，并分析了不同進口速度、氣液比以及分流比對其分離效率的影響。研究結果表明：影響分離器分離效率因素的主次程度依次為聚集擋板角度＞聚集擋板間距＞聚集擋板數，在27 m3/d的流量下，75.9 mm內徑的井下氣液分離裝置的最優結構為聚集擋板數18個，聚集擋板間距40 mm，聚集擋板角度45°，且當氣液比為7∶1、裝置進口速度為15 m/s、分流比為7∶1時，分離效率達93.6％；將裝置第一級設置為聚結螺旋軸入式旋流分離可使氣液分離效率得以提升。所得結論可為天然氣井井下氣液分離器的設計提供技術參考。

天然氣井；氣液分離器；高速聚結；仿真分析；正交試驗；操作參數

中圖分類號：TE934

文獻標識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.013

基金項目：國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點支持項目“同井注采井筒內關鍵湍流場域離散相運聚機理及運移動力學行為研究”（U21A20104）；863計劃項目“井下油水分離及同井注采技術與裝備”（2012AA061303）；臺州市科技計劃項目“基于兩相體積三維精準重構的氣液混合在線智能流量計關鍵技術研究”（23gyb10）。

Multi-parameter Optimization for High-Speed Coalescing

Downhole Gas-Liquid Separator

Wang He1，2" Zhang Yong2，3" Zhang Xincheng4

（1.School of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University；2.Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multi-phase Media Treatment and Pollution Prevention；3.Zhejiang Provincial Engineering Research Center of High-Performance Industrial Pump and Vacuum Equipment，Taizhou University;4.Daqing Oilfield Water and Environmental Protection Company）

Considering the low efficiency of downhole gas-liquid separator in gas wells with fluid in gas phase and ultrahigh gas-liquid ratio，a downhole gas-liquid separator suitable for wells with high gas-liquid ratio was designed.Then，the numerical simulation and orthogonal test were used to determine the optimal structural model of the separator，and analyze the influences of inlet speeds，gas-liquid ratios and diversion ratios on the separation efficiency.The results show that the factors are ranked as accumulation baffle angle gt; accumulation baffle spacing gt; accumulation baffle number in an order of impact on the separation efficiency.At a flow rate of 27 m3/d，the optimal structure of the 75.9 mm ID downhole gas-liquid separator is designed with： 18 accumulation baffles，40 mm accumulation baffle spacing，and 45° accumulation baffle angle.When the gas-liquid ratio is 7∶1，the inlet speed of the separator is 15 m/s，and the diversion ratio is 7∶1，the separation efficiency reaches 93.6%.When the first stage of the separator is set as a coalescing spiral axial cyclone separation，the gas-liquid separation efficiency is improved.The conclusions provide reference for the design of downhole gas-liquid separator in gas wells.

gas well;gas-liquid separator；high speed coalescence；simulation；orthogonal test；operating parameter

0" 引" 言

氣相夾液現象是天然氣井開采所面臨的一個難題，若無法在井下通過排水采氣實現氣液有效分離，將會造成產量降低直至無法生產。常規氣液分離方法如重力分離、過分離、旋流分離和慣性分離［1］等受井下空間限制，無法在井下使用或達不到分離精度要求。

S.DAVIE等［2］經過多年研究首次提出氣液旋流分離器的設計，通過對比發現它在重力、成本、占用面積、分離效率等方面都要優于傳統重力式分離器。WANG Y.A.等［3］和YUE T.等［4］研究了氣液圓柱型旋流器（GLCC）中氣液流動中液膜的上旋液膜（USLF）特性，并在最小氣液界面應力理論下建立了流型轉變的預判準則，但對氣液分離沒有進一步研究。O.E.OLALEYE等［5］提出了一種緊湊的立式氣液分離器的設計，研究了0.75 m/s進口速度下進口體積分數變化對分離性能的影響，但其對多入口速度條件下性能沒有深層研究。 苗春雨等［6］以緊湊型氣液旋流分離器為研究對象，基于PB（Plackett-Burman）試驗設計，開展不同結構參數對緊湊型氣液旋流分離器分離性能影響的顯著性分析，但其并沒有對高氣液比進行研究。YIN J.L.等［7］描述了一種形態自適應多場雙流體模型，將其應用于葉片式氣液分離器中，但對葉片式分離器內的復雜流動缺乏有力驗證。王夢陽等［8］為提高井口天然氣回收系統中氣液分離器的分離性能，設計了一種適合橇裝的雙筒臥式氣液分離器，運用數值模擬方法對氣液分離器分離性能進行研究，但對于高氣液比分離情況適用性不強。蔣明虎等［9］采用試驗方法，對不同進口條件下的管柱式氣液旋流分離器兩相分離特性進行了試驗研究，但缺乏一定新理論技術。唐建信等［10］提出一種用于重力式氣液分離器的新型葉片式入口構件結構，雖能提高分離效率，但其在實際應用中，消耗時間較長。LI T.等［11］提出了一種用于天然氣脫水凈化的新型氣液旋流分離器，采用不同的結構參數對旋流器進行優化，結果表明，當排氣管高度為140 mm、開口高度為60 mm時，分離效率最佳，但其對于高氣液比氣液的分離適用性不強。王亞安等［12］進行了管柱式氣液分離器上部筒體內旋流液膜分布特征對分離性能影響的分析，證實了液膜逃逸是GLCC液相分離效率降低的直接原因，但對氣液分離后續研究缺乏有力證據。劉培坤等［13］以柱段直徑為50 mm的水力旋流器為研究對象，模擬了較大范圍氣液比（介于0%～50%）下水力旋流器的分離性能，總結了入口不同氣液比對水力旋流器分離性能的影響規律，但對其他操作參數研究較少。YANG L.L.等［14-15］通過試驗和數值分析對柱式旋流分離器的分離特性進行了研究，基于液滴受力分析和旋流流體力學原理，準確預測了柱式分離器的分離性能，但對高氣液比的氣液分離研究較少。周云龍等［16］設計了一種多管束管柱式氣液旋流分離器，其根據流體力學方法，采用雷諾應力輸運模型（RSM））和大渦仿真相結合的方式進行數值仿真，得到不同進口速度工況下分離效率的變化情況和湍流流動情況，大大提高了分離器的分離效率，但對高氣液比情況使用性較差。

筆者以蘇里格氣田某X-1井為研究對象，提出一種高速聚結原理結合旋流分離技術的氣井井下超高氣液比氣液分離裝置，通過正交試驗法實現分離器結構的多參數優化，并針對目標井的實際工況開展了適用性研究。該井井口日產氣1.295×104 m3，日產水26.4 m3，井下氣液比在490∶1之內。

1" 技術分析

1.1" 結構設計

針對天然氣井井下高氣液比工況，基于高速聚結原理完成了高速聚結型井下氣液分離器的結構設計，如圖1所示。該裝置由兩級結構組成，第一級為高速聚結單元，第二級為螺旋軸入式旋流分離器。其中，第一級的高速聚結單元實現在氣體連續相條件高氣液比下霧化液滴的高速聚結，第二級的螺旋軸入式旋流分離器實現在液體連續相條件下的氣液旋流分離。由于螺旋軸入式旋流分離器的研究相對成熟，所以僅對第一級高速聚結單元開展多參數組合優化設計研究，得到結構最優解后與第二級結合進行效果驗證。在高速聚結單元，聚集擋板采用正向和反向的設計，并開有扇形小孔來保證氣液精細分離。

1.2" 工作原理

該井下氣液分離裝置在工作時，氣液混合物從中間切向入口進入裝置第一級后沖擊固定管，在重力作用下做重力沉降運動。因聚集擋板的作用使得液滴得以聚集逐級向下沉降，氣體向上沿固定管排出。相鄰2個擋板安裝時，將小孔位置垂直安裝，以防止氣液混合物未經聚集直接從小孔流出。聚集擋板距離邊壁留有空隙，在邊壁上聚集的流體可以沿其向下運動，最終在管的底部沉降聚集。聚集后的氣液混合物從一級底部出口進入到下一級旋流分離器內，受離心力的作用，氣液混合物在螺旋流道內形成旋流，密度小的氣核由底錐托舉從固定管底部向上排出，分離后的液體從底部出口排出。

2" 仿真分析

2.1" 模型構建及網格劃分

結合蘇里格氣田某X-1井的具體尺寸和氣液比開展井下氣液分離裝置的設計和優化，該井最大氣液比為490∶1。利用SolidWorks軟件建立分離器第一級部分的初始流體域模型并對網格進行劃分，如圖2所示。該模型主要由進口、聚集擋板及出口組成，湍流計算模型采用雙方程k-ε模型［17］，其適應性相比較其他模型適用性更強。為提高計算準確性，求解的離散格式采用二階迎風格式。邊界條件為：入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口，壁面選用2層全y+壁面處理。使用Starccm+軟件對模型進行網格劃分，得到的模型面網格數為480 536。檢驗情況絕大多數網格質量分布在0.95以上，滿足仿真模擬計算的要求。

2.2" 網格無關性檢驗

通過對比不同網格數量下的模擬結果，對網格數為30萬～80萬的范圍進行仿真分析得出，液相出口質量流量隨著網格數量的增加而降低，在480 536達到穩定。同時在保證計算精度以及節約時間的情況下，選取網絡數量為480 536個進行分離器的數值模擬。

2.3" 結構參數的正交優化分析

2.3.1" 正交試驗設計

聚集擋板數、聚集擋板角度、聚集擋板間距是影響第一級裝置氣液分離的主要結構參數，聚集擋板數為擋板數目，聚集擋板角度為聚集擋板相對于水平方向的張開角度，聚集擋板間距為兩擋板之間的間距。由于需要選取水平的數值，采用正交試驗方法對聚集擋板的參數進行優化篩選，尋求較優組合解。根據井下工況的實際性、尺寸的局限性，為了得到更加充分的各參數數據并對其規律進行揭示，選擇了4個水平來進行優化（見表1）。

根據參數的個數以及水平個數確定采用3因素4水平的正交表，為了確保各因素及各層面的一致分散及規整，各水平在表中各呈現4次，通過對每組數據的模型開展試驗得出試驗結果。此外，分離效率可根據下式求得。

E=M1M2-M3M4M4M2×100%（1）

式中：E為質量分離效率，%；

M1為氣相出口中氣體的含量，g；

M2為入口混合相中液體的含量，g;

M3為氣相出口中液體的含量，g;

M4為入口混合相中氣體的含量，g。

2.3.2" 優化結果分析

優化分析結果如表2所示。表2中，Ki（i=1，2，3，4）表示該因素i水平對應的指標和，ki（i=1，2，3，4）表示該因素i水平對應的指標平均值，R表示ki最大值與最小值的差。從表2可知：K值越大，表明該水平對試驗結果造成的影響越大；R值越大，表明該參數對試驗結果的影響越大。因此，聚集擋板角度對試驗結果的影響最大。

2.3.3" 正交試驗結果分析

正交試驗設計結果如表3所示。由表3可以得出，因素影響指標的主次關系為：聚集擋板角度＞聚集擋板間距＞聚集擋板數；同時得出最優參數搭配方案為聚集擋板數18、聚集擋板間距40 mm、聚集擋板角度45°，在其他條件設置相同的條件下，該搭配方案分離效率最高。此時分離的效率為93.3％。

3" 操作參數的適應性驗證

為驗證多參數組合優化得到的高速聚結井下分離器高速聚結段的分離效果和在不同操作參數下的適用性，根據目標井井下工況條件選取進口速度、氣液比、分流比3類參數分別進行仿真分析。

3.1" 進口速度對分離效率的適用性

3.1.1" 進口速度對流場分布的影響

進口速度作為主要影響處理量的參數決定了分離器內的整體流場速度分布。基于正交試驗法得出的較優結構進行進口速度對分離效率影響的研究，選用5、10、15、20及25 m/s的進口速度來進行分析。高速聚結單元內液體聚結的體積云圖如圖3所示。從圖3可知：進口速度為5和10 m/s的情況下，高速聚結單元下端積液腔內堆積液體，但液相出口的出液效果以及入口下端聚集擋板的液核堆集效果不明顯，表明在高速聚結單元底部存在氣相逃逸現象；速度為15 m/s的情況下，入口下端的聚集擋板下液體堆積現象顯著，且在積液腔內，液體聚集效果好，并在下方出口處出液較為穩定；速度為20和25 m/s的情況下，在入口下端的聚集擋板下液體堆積現象也較為顯著，但是積液腔內液體變化紊亂，表明速度過大會引起流場紊亂進而導致液相逃逸，分離效果不佳。

3.1.2" 進口速度對液相上行距離的影響

進口速度影響了液體在分離器內上行的距離。圖4為高速聚結單元內正向聚集擋板體積云圖。從圖4可以看出：速度為5、10及15 m/s時，液滴只能附著在下方第一層聚集擋板上；而速度為20及25 m/s時，液滴附著的位置上升了一個聚集擋板。表明了進口處氣液混合物速度過大會導致氣體攜液上升距離的增大，導致分離效果下降。因此，速度為5、10及15 m/s時的分離效果要好于速度為20及25 m/s的分離效果。

3.1.3" 進口速度對分離效率的影響

圖5為5組仿真的進口速度與分離效率關系圖。從圖5可以看出：隨著進口速度的增加，分離效率先增加后減小；進口速度在15 m/s時高速聚結單元的分離效率最高，達到了95.3％；在5～25 m/s的范圍內，高速聚結單元的分離效率都在90％以上，適用效果較好。

3.2" 氣液比對分離器分離效率的適用性

3.2.1" 氣液比對流場分布的影響

氣液比為進口氣體體積分數和液體體積分數之比。所設計的氣液分離器針對的是超高氣液比（氣體為連續相）工況下的氣液分離。在保證其他條件不變的情況下，設置進口速度為15 m/s，液滴粒徑為0.04 mm，氣液比分別為9、19、29、39及49 m3/m3來探究氣液比中液相在高速聚結單元內的分布情況（數值模擬計算的氣液比與實際井下氣液比為1∶10的關系）。圖6為不同氣液比5 s內的液相采樣體積云圖。從圖6可知：在氣液比為9 m3/m3時，積液效果較為明顯，且液相出口無氣體逃逸；隨著氣液比的增大，氣相含量逐漸增多，積液含量降低；氣液比在49 m3/m3時，由于氣相含量過大導致反向聚集擋板上最下面兩層聚集擋板上液體積液效果較差。因此，進口的氣液比影響了液相的積液效果。同時可以看出，分離器對高氣液比的氣液分離具有顯著的效果。

3.2.2" 氣液比對分離效率的影響

液相出口的排液速率隨著氣液比的升高逐漸減小，液相出口排液質量流量和進口進液質量流量的差值隨著氣液比的升高也逐漸減小。當氣液比為49 m3/m3時差值僅為10 g/s。5組仿真得到的分離器分離效率均在95％上下波動。通過仿真數據得出氣液比與分離效率的關系曲線，如圖7所示。從圖7可見，對于氣液比9～49 m3/m3，分離器的分離效率都在90％以上，分離效果較好。

3.3" 分流比對分離器分離效率的適用性

分流比的定義為液相出口與氣相出口的比值。在超高氣液比分離工作中，分流比的正確設置是維持液相出口穩定排液的重要參數之一。在保證其他邊界條件相同的條件下，對分離器的分流比進行梯度分組設置，得出不同分流比對分離器流場的影響。數值模擬的基本邊界參數見表4。

3.3.1" 分流比對流場分布的影響

圖8為氣液分離器在不同分流比情況下的液相體積分布云圖。從圖8可知，5組數值模擬中，聚集擋板上的液相分布基本相同，且邊壁的液相沉積在5組仿真中均較為穩定，沒有出現液膜斷層的現象。從圖8中底端積液附近的截面液相出口放大圖上看出：分流比為1∶1、3∶1時，底端積液處形成了較大的液相真空區域，此時的排液不穩定，氣相多以大氣泡的形式從截面出口脫離；當分流比為5∶1時，底端積液雖仍有氣相逃逸現象，但相較于分流比3∶1情況下，氣相逃逸量明顯減少；分流比設置為7∶1時，底端截面液相出口的氣相逃逸量持續降低且排液處僅有一小部分氣相隨液相一同排出；當分流比為9∶1時，底端積液穩定，液相充盈在環形流道截面出口，排液過程中基本無氣相逃逸。

3.3.2" 分流比對分離效率的影響

為了進一步探究高速聚結單元分流比對分離效率的影響，通過計算得出不同分流比與分離效率的關系圖，如圖9所示。從圖9可見：分流比為3∶1時，分離效率僅為58.6%；隨著氣液比繼續增加，分離效率也逐漸上升；分流比為7∶1時，分離效率為93.6%；分流比為9∶1時，排液的穩定性達到了極佳的狀態，分離效率達到了95.3%；結合液相出口排液速率與分流比的關系可以看出，增大分流比雖然可以增強分離器的分離效率，但過大的分流比嚴重降低了液相出口的排液速率。

4" 試驗驗證

4.1" 試驗工藝

為了驗證高速聚結型井下氣液分離器的整體效果，通過3D打印加工了第一級高速聚結單元和第二級旋流分離單元并進行了裝配，如圖10所示。在室內完成了試驗工藝的搭建，如圖11所示。通過選取合適的通管尺寸及控制進口速度，實現氣液比范圍可變，通過采用不同尺寸的氣液混合噴嘴實現液滴粒徑變化。該工藝流程通過調節水泵和空氣壓縮機來配比不同的流量和氣液比組合。

4.2" 試驗結果分析

通過合理調節分流比，觀察分離過程發現，通過第一級高速聚結單元將小液滴實現高速聚結后，液滴沿固定管壁面向下流入第二級，在第二級旋流器實現了液體連續相分離狀態，第一級分離不完全的氣體經旋流分離作用形成中心氣核，經固定管底部向上排出。試驗表明，分離器可以實現排水過程的連續性。

通過對裝置第一級以及整體進口速度、氣液比、分流比進行試驗驗證，得到了高速聚結型井下氣液分離器的整體分離效果，如圖12、圖13、圖14所示。通過圖12、圖13及圖14可以看出，在5、10、15、20及25 m/s這5組不同進口速度情況下，在氣液比9∶1、19∶1、29∶1、39∶1、49∶1等5組不同氣液比條件下，及在5組不同分流比條件下，整體試驗裝置的分離效率均高于第一級試驗裝置。驗證結果表明，將裝置第一級設置為聚結螺旋軸入式旋流分離可使氣液分離效率得以提升，且分離效果更好。

5" 結" 論

通過數值模擬研究以及正交試驗法確定了分離器較優結構模型，分析了不同進口速度、氣液比以及分流比對分流器分離效率的影響，得出結論如下。

（1）正交試驗的結果表明了影響分離器分離效率因素的主次程度依次為：聚集擋板角度＞聚集擋板間距＞聚集擋板數。在27 m3/d的流量工況下，內徑75.9 mm的井下氣液分離裝置的最優結構為：聚集擋板數為18個，聚集擋板間距為40 mm，聚集擋板角度為45°。

（2）用優化后的模型裝置研究不同進口速度對分離器分離效率的影響，在保證其他條件不變的情況下，進口速度為15 m/s時，積液腔內液體聚集效果最為明顯，且液相出口無氣體逃逸現象。分離器的分離效率可達95.3％，在5～20 m/s的范圍內，分離器的分離效率都在90％以上，分離效果較好。

（3）對進口氣液比進行數值模擬計算，在保證其他條件不變的情況下，隨著氣液比的增大，液相出口的排液速率變小，所得到的氣液分離效率均在95％上下波動。該裝置的氣液比按與實際井下氣液比的比值為1∶10設置。因此，根據氣田特點，該裝置適用于氣液比lt;490∶1工況。

（4）對出口分流比進行仿真分析，在保證其他條件不變的情況下，隨分流比增加氣液分離效率升高，當分流比為7∶1時，分離效率達到93.6％，液相出口排液速率較大。當分流比為9∶1時，分離效率可以達到95.3％。實際應用中，分流比的選擇應根據進口氣液比情況進行設定，不應大于進口氣液比，否則液體難以沉降。

（5）對第一級裝置以及整體裝置進行試驗驗證，結果表明，將裝置第一級設置為聚結螺旋軸入式旋流分離可使氣液分離效率得以提升，且分離效果更好。

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第一王賀，生于1999年，現為在讀碩士研究生，主要研究方向為流體機械及工程。地址：（163318）黑龍江省大慶市。email：wh19990301@126.com。

通信作者：張勇，副教授。email：yongdxx@botmail.com。

2024-03-07楊曉峰