(大庆油田 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)

水力旋流器因其设备体积小、分离高效、维修成本低等诸多优点，被广泛应用于石油、化工、环保等多重领域[1-2]。在其应用过程中，为适应不同的分离介质以及工况，演变出了多种结构形式的旋流器。对处理量要求较高时，采用多组旋流单体并联的方式，在保障处理精度的同时提高设备处理能力[3]。针对气-液、固-液、液-液、气-液-固等不同分离介质工况，研究人员设计出了合理的旋流分离结构，并取得了可观的应用效果[4-6]。然而，随着环保要求的不断提升，对旋流分离这种非完全分离的物理方法的分离精度要求也逐渐升高。近几年，两级甚至多级串联旋流器的研究及应用，因其可以在保障旋流单体处理量的同时，提高旋流分离精度受到广泛关注[7]。赵传伟等[8-9]提出了一种可用于井下油水分离的两级串联旋流器，并开展了模拟及试验研究；李枫[10]等通过将两根旋流单体通过管线串联的方式，实现两级旋流器的串联，并开展现场试验对其分离性能进行评估，得出串联旋流器可大幅降低底流排出液的含油率的结论；王羕[11]提出了一种轴向进液形式的两级串联旋流器结构，并对其进行了结构优选及流场特性分析，模拟结果呈现出较好的分离效果。本文以螺旋增压式串联旋流器为研究对象，针对其分离性能及适用性开展数值模拟及试验研究，对其分离性能及应用进行测试及评价，对螺旋增压式串联旋流器进一步的推广应用起到一定的积极作用。

1 结构形式及参数

螺旋增压式串联旋流器的结构如图1所示，由一级旋流器、二级旋流器以及过渡结构3部分组成。油水两相流由入口轴向进入一级旋流分离器内部，经过螺旋增压流道时，由轴向运动逐渐转换成切向运动，形成旋转流场，此时密度较轻的油相在离心的作用下向轴心运移，水相向边壁运移；在内锥的作用下油相由溢流口排出，富水相由一级旋流器底流口运移至过渡结构后进入二级旋流器内部，实现二级的油水分离；最终水相由底流口排出，油相由二级旋流器溢流口排出，实现油水两相的二次分离。

图1 轴入式两级串联旋流器结构示意

一级旋流器结构及参数如图2所示。二级旋流器结构及参数如图3所示。螺旋增压式串联旋流器主要参数如表1。

图2 一级旋流器结构及参数

图3 二级旋流器结构及参数

表1 螺旋增压式串联旋流器主要参数

2 数值模拟

2.1 网格划分

利用Gambit软件创建流体域几何模型，采用六面体网格对其进行划分，如图4所示。经网格独立性检验后，选择网格数为420 792时的流体域模型进行数值模拟。

图4 几何模型网格划分

2.2 边界条件

数值模拟的流体介质为油水混合液，其中水为连续相，密度为998.2 kg/m3，黏度为0.001 mPa·s；油为离散相，密度为889 kg/m3，黏度为1.06 mPa·s。入口边界条件为速度入口(Velocity)，出口边界条件为自由出口(Outflow)，含油体积分数为2%，处理量2.4～7.2 m3/h，分流比19%～34%。采用多相流混合模型(Mixture)计算油水两相分布，选用压力基准算法隐式求解器稳态求解，湍流计算模型为Reynolds应力方程模型(Reynolds stress model，RSM)，SIMPLEC算法用于进行速度压力耦合，墙壁为无滑移边界条件，动量、湍动能和湍流耗散率为二阶迎风离散格式，收敛精度设为10-6，壁面为不可渗漏、无滑移边界条件。

3 试验设计

3.1 室内试验

借助旋流器分离性能试验台，开展螺旋增压式串联旋流器分离性能室内试验，对其分离效率及适用性进行评估，试验流程如图5所示。

图5 室内试验流程

试验时，油水两相分别置于水罐及油罐内，水相通过螺杆泵泵入试验系统，油相通过油泵泵入，通过控制泵的转速及阀门开度来控制进液量。油水两相在静态混合器内完成充分混合后，由旋流器入口进入样机内，油相由溢流口排出样机，水相经底流口排出装置，油水两相均进入废液回收池内回收处理。其中入口及出口处均设有流量计及压力表，通过读取表中数值，确定入口进液量及分流比，并通过调整阀门开度，完成流量及分流比的控制。室内试验过程中，处理量2.4～7.2 m3/h、分流比19%～34%。

3.2 现场试验

为了进一步分析螺旋增压式串联旋流器对油田现场采出液的分离效果，在油井上开展分离性能测试。试验工艺如图6所示，主要由井口采油树、工艺管汇及串联旋流样机3部分组成。工艺管汇由阀门、电磁流量计、压力表、接样阀及管线组成，用来连接旋流样机及采油井口法兰，并完成入口、溢流及底流液流量与压力的计量及调节。旋流器入口连接井口油管，溢流口及底流口分别连接套管，完成采出液的计量、分离及回注。通过调节管汇中的阀门，控制旋流器的进液量及分流比。

图6 现场试验工艺

现场试验连接方式如图7所示，采出液进入旋流器分流后回注至油套环空。打开油管出口处阀门，使采出液进入试验管汇内，调节旋流器入口阀门，控制入口流量、分流比与数值模拟参数相同，分别取样，分析处理量及分流比对旋流样机分离性能的影响。现场试验过程中调整处理量为2.4～7.2 m3/h，分流比为19%～34%，分析该旋流器的分离效率变化情况。

图7 现场样机连接方式

4 试验结果分析

4.1 数据处理

在室内试验及现场试验过程中，为了减少随机误差对结果准确性造成不良影响，每个操作参数下均取样3组，并运用含油分析仪对入口、底流口及溢流口所接样液的含油体积分数进行分别测量，取3组样液含油体积分数的平均值作为最终结果，将结果带入式(1)完成旋流器分离效率的计算。

(1)

4.2 处理量对分离性能的影响

数值模拟时，通过控制混合液在旋流器入口处的速度控制入口进液量，由式(2)计算出处理量分别为2.40、3.36、4.80、5.76、7.20 m3/h时旋流器入口处的速度值，以此来作为入口边界条件。

Q=vi·A

(2)

模拟得到两级旋流器内油相体积分数分布随处理量的变化云图如图8所示。通过该云图可以看出，在研究范围内随着入口进液量的逐渐升高，一级旋流器溢流口底部轴心位置油核位置油相体积分数逐渐增大。当处理量为2.4 m3/h时，一级旋流器最大油相体积分数为0.15，二级溢流出口截面油相体积分数为0.05。当处理量增大到7.2 m3/h时，一级旋流器最大油相体积分数达0.35，二级旋流器最大油相体积分数为0.25。在两级分离过程中，一级旋流器对油相分离效果较为明显，二级旋流器主要起到降低底流口含油的净化作用。

图8 处理量对油相体积分数分布影响

室内试验及现场试验得出，入口进液量在2.4～7.2 m3/h变化时，螺旋增压式串联旋流器的试验效率与模拟效率对比如图9所示。模拟结果显示，随着旋流器处理量的增大，分离效率呈指数型增长。处理量低于4.8 m3/h时，室内试验结果与现场试验结果均与模拟结果相一致，随着入口进液量的增大，分离效率呈现出了上升趋势。但当入口进液量大于4.8 m3/h时，室内试验效率与现场试验效率值均有所降低，进液量为4.8 m3/h时，达到了螺旋增压串联旋流器的效率最大值。其原因是数值模拟过程中忽略了液滴间的碰撞以及湍流作用对油滴的破碎，致使油品乳化的可能；而试验时，随着入口进液量的逐渐增大，旋流器内部湍流作用逐渐增强，致使油品乳化增大，分离难度增加从而使旋流器的分离效率降低。同时可以看出，在不同处理量时，室内试验结果均较现场试验效率略高，这是因为室内试验时采用的是自来水与齿轮油的混合液，而在现场试验时为油田采出液，采出液黏度较自来水略高，从而增大了旋流分离难度，致使分离效率较室内试验值略低。

图9 处理量对分离效率影响曲线

4.3 分流比对分离性能的影响

数值模拟过程中，设置溢流分流比分别为25%、30%、35%、40%、45%；室内试验及现场试验溢流分流比为25%～45%；固定旋流器入口进液量为最佳处理量4.8 m3/h。分流比对螺旋增压式两级串联旋流器的分离效率的影响曲线如图10所示。

图10 分流比对分离效率的影响曲线

由图10可以看出，无论是模拟值还是试验值，随着分流比的逐渐增大，旋流器的分离效率均呈现出了先升高后降低的趋势，也就是说存在一个最佳的分流比值，使旋流器处于最佳的分离性能。试验值及模拟值均在当分流比为32%时达到了分离效率的最大值，说明本文研究的螺旋增压式串联旋流器的最佳分流比为32%。试验结果与模拟值呈现出较好的一致性。

5 结论

1) 室内试验及现场试验结果显示，当处理量在2.4～7.2 m3/h变化时，随着处理量的逐渐增大，螺旋增压式串联旋流器的分离效率先升高后降低，并在入口进液量为4.8 m3/h时达到效率最大值；继续增加进液量会加重乳化，使分离效率有所降低。螺旋增压式串联旋流器的最佳处理量为4.8 m3/h，最佳分离效率为98.7%。

2) 随着分流比的增大，分离效率的模拟值与试验值均呈现出了先升高后降低的趋势，并在分流比为32%时达到了分离效率的最大值。说明螺旋增压式串联旋流器的最佳溢流分流比为32%。