一種油水分離聚結構件結構數值分析

趙雪峰

大慶油田有限責任公司, 黑龍江 大慶 163453

0 前言

中國高含水老油田儲量已達到230×108t,年產量1.34×108t,占全國原油產量的70%以上,是石油儲量和產量的主體。隨著油井采出液含水量的升高,高含水老油田地面處理系統油水分離設備負擔不斷增加,擴增設備投資過高，工程建設周期過長,如果能夠通過改造在用設備來提高設備油水分離效率和處理能力,將是既省錢、又見效快的途徑。中國油田在用的三相分離器、游離水脫除器等油水分離設備都屬于重力式油水分離器,該類型油水分離器通常包括入口構件、穩流構件、聚結構件三部分結構,其中,聚結構件是影響油水分離效率的主要因素。從實際使用經驗上看,板式聚結構件不僅可以顯著提高油水兩相的分離效果,而且占據設備的有效分離體積極小[1]。不同類型的板層具有不同的效果特點,若逐一開展試驗,研究費用過高、周期過長,無法滿足生產需要[2-9]。近年來,計算流體力學已經成為工程設計中的重要工具,同時也成為很多學科中的科研方法[10-20]。因此,本文通過對一種油水分離裝置聚結構件不同結構形式進行數值模擬計算,并對計算結果進行對比分析,最終確定聚結構件結構,并加工制造開展現場試驗,應用效果良好。

1 模型油水分離裝置幾何結構和計算參數

為了滿足高含水老油田采出液大處理量要求,在用油水分離設備尺寸巨大(如Ф 2.0 m×20 m游離水脫除器),如果直接采取計算流體力學方法對其內部流場進行數值計算,計算量大,無法實現精細數值模擬。為了實現精細數值模擬,按照實際設備尺寸進行了比例縮小,實現模型油水分離裝置內部工況與生產工況一致。模型油水分離油水分離裝置結構見圖1,尺寸為Φ 0.3 m×1.8 m,介質停留時間、進出口流速等運行參數都與生產工況一致。模型裝置主要有三方面結構特征:一是模型油水分離裝置傾角可調節,有9°、12°、15°三種傾角;二是內置斜板式聚結構件,斜板角度可調節,有9°、12°、15°三種斜板角度;三是斜板有無折邊、帶折邊、帶折邊+L槽三種結構。本文分別針對這三方面結構特征開展數值分析,給出最佳聚結構件結構,指導工程設計,提高油水分離設備處理效率,為油田開發降本增效提供技術支持。四種典型聚結構件截面見圖2。

圖1 模型油水分離裝置結構圖

a)9°帶折邊

當介質含水量太高時,由于油相很少,斜板內部的油水分離效果不是很清晰,因此模擬計算介質含水率取50%,在數值模擬計算結果中可以清晰地看出導油槽、折邊對油水分離效果的影響。其他介質條件:介質溫度40 ℃、油密度860.0 kg/m3、水密度992.2 kg/m3、油黏度35 mPa·s、水黏度0.656 mPa·s等。壓力邊界條件取進口壓力0.2 MPa，介質流量取1 m3/h和3 m3/h兩種。

2 聚結構件數值分析

油水分離器包括入口構件、穩流構件、聚結構件等三部分，結構十分復雜。為了提高計算效率,對內部結構進行了簡化:本文主要考慮不同聚結構件對油水分離效果的影響,因此可忽略入口構件、內部支撐構件等;油水分離器采用了穩流構件,可忽略來液量波動。利用通用流體模擬計算軟件Cfdesign分別對不同油水分離裝置傾角、不同斜板角度、不同斜板結構情況下的介質流動和油水分離效果進行數值模擬計算,并對計算結果進行數值分析。

2.1 計算幾何模型和數學模型的建立

為提升計算精度及效率,計算網格全部為map網格，計算網格總數900 000以上。求解器:應用基于壓力的非定常隱式算法求解方法;湍流模型:應用k-ε兩方程RNG湍流模型;多相流模型:應用包含隱式體積力格式的VOF模型;油水分離器入口邊界條件:速度入口(VELOCITY_INLET);油水分離器油液出口邊界條件:流動出口(OUTFLOW);壓力速度耦合求解算法:PISO算法;描述流體運動的方程包含連續性方程、動量方程、能量方程,湍流模型應用k-ε兩方程RNG湍流模型。計算內流場三維實體圖和網格劃分情況見圖3。

a)三維實體圖

式(1)中第一個為連續性方程，第二、三、四個是動量方程,第五個是質量方程。

(1)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;V為流體的速度矢量,m/s;T為溫度,K;u,v,w分別為x,y,z三個坐標方向上的速度分量,m/s;x,y,z為直角坐標系下的三個方向坐標,m;k為導熱系數,W/(m·K);cp為定壓比熱容,J/(kg·K)；t為時間，s。

k-ε兩方程RNG湍流模型如下:

Gb-ρε-YM

(2)

(3)

2.2 分離設備傾角對分離效果影響的數值分析

油田生產實際中的油水分離設備通常長度超過20 m，充滿液體后重量很大,如果設備傾角過高,支撐非常困難,經過結構分析,傾角不宜超過15°,因此選取9°、12°、15°三種傾角開展數值模擬計算。分離設備不同傾角三維實體圖見圖4。裝置內置式聚結構件,斜板角度9°、12°、15°,斜板為帶折邊無L槽結構。

a)9°

1)裝置處理油水混合介質流量1 m3/h時,三種傾角油水分離數值計算結果見圖5(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表1。

表1 處理量1 m3/h時不同傾角分離設備油水分離數值計算結果表

a)9°

2)裝置處理油水混合介質流量3 m3/h時,三種傾角油水分離數值計算結果見圖6(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表2。

a)9°

表2 處理量3 m3/h時不同傾角分離設備油水分離數值計算結果表

3)根據上述計算結果,繪制不同傾角角度與出水口油相比例關系曲線見圖7。從圖7可見，隨著傾角角度增加,出水含油量單調減小;在1 m3/h較低入口流量下,12°和15°傾角角度對出水含油量的影響不顯著;在3 m3/h較高入口流量下,傾角角度的增加可以顯著降低出水含油量,但是出水含油量整體過高,分離效果較差。

圖7 不同傾角角度與水出口油相比例關系曲線圖

2.3 斜板式聚結構件斜板角度對油水分離效果影響的數值分析

板式聚結構件提高油水分離效果,主要依靠淺池原理,如是斜板效果更好,因此選取9°、12°、15°斜板角度開展數值模擬計算。油水分離設備傾角為9°、12°、15°,斜板為帶折邊無L槽結構。不同斜板角度截面圖見圖8。

a)9°

1)裝置處理油水混合介質流量1 m3/h時,三種斜板角度油水分離數值計算結果見圖9(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表3。

表3 處理量1 m3/h時不同斜板角度分離設備油水分離數值計算結果表

a)9°

2)裝置處理油水混合介質流量3 m3/h時,三種斜板角度油水分離數值計算結果見圖10(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表4。

表4 處理量3 m3/h時不同斜板角度分離設備油水分離數值計算結果表

a)9°

3)根據上述計算結果,繪制不同斜板角度與出水口油相比例關系曲線見圖11。從圖11可見，隨著斜板角度增加,出水口油相比單調增大;在1 m3/h較低入口流量下,斜板角度對出水口油相比的影響不顯著;在 3 m3/h 較高入口流量下,斜板角度對出水口油相比的影響顯著增加,但出水含油量整體過高,分離效果較差。

圖11 不同斜板角度與水出口油相比例關系曲線圖

2.4 聚結構件結構對油水分離效果影響分析數值

板式聚結構件結構是直接影響油水分離效果的主要因素之一,經過分析,針對無折邊、帶折邊、帶折邊+L槽三種結構開展數值模擬計算。分離設備傾角為12°,斜板角度為12°。不同聚結構件結構截面圖見圖12。

a)無折邊

1)裝置處理油水混合介質流量1 m3/h時,三種聚結構件結構油水分離數值計算結果見圖13(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表5。

表5 處理量1 m3/h時不同聚結構件結構分離設備油水分離數值計算結果表

a)無折邊

2)裝置處理油水混合介質流量3 m3/h時,三種聚結構件結構油水分離數值計算結果見圖14(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表6。

表6 處理量3 m3/h時不同聚結構件結構分離設備油水分離數值計算結果表

a)無折邊

3)根據上述計算結果,繪制不同聚結構件結構與出水口油相比關系曲線，見圖15。從圖15可見，折邊對出水口油相比的影響較大;從機理分析上,折邊的存在抑制了混合液在周向的流動,使油水分離更加充分;L槽對降低出水含油量效果明顯,但在1 m3/h較低入口流量下,作用不顯著;在3 m3/h較高入口流量下,L槽可以有效降低出水含油量,但是出水含油量整體過高,分離效果較差。

圖15 不同聚結構件結構與水出口油相比例關系曲線圖

2.5 數值分析結論

1)分離裝置在介質流量為1 m3/h時(停留時間 8 min),油水分離效果較好。

2)隨著分離裝置傾角角度的增加,出水含油量單調減小;介質流量小于1 m3/h(停留時間大于8 min),傾角超過12°時對分離效果影響較小。

3)隨著斜板角度的增加,出水含油量單調增大;介質流量小于1 m3/h時(停留時間大于8 min),斜板角度對分離效果影響較小。

4)斜板折邊對出水含油量的影響較大。

5)L槽在較高流量下對降低出水含油量效果明顯;介質流量小于1 m3/h時(停留時間大于8 min),L槽對分離效果影響較小[10]。

3 新型油水分離設備現場試驗

根據油水分離設備傾角、板式聚結構件結構對油水分離效果的數值分析結果,研制出全新結構的Ф 2.0 m×20 m新型高效游離水脫除器,設備處理量依據模擬分離裝置介質流量為1 m3/h時的停留時間設計。根據數值分析結果,該設備主體容器選取傾角12°,內置多層斜板式聚結構件,斜板角度12°,斜板帶折邊,為了排泥方便斜板帶L槽,見圖16。新型油水分離設備現場照片見圖17。

圖16 內部聚結構件截面圖

圖17 新型油水分離設備現場照片

為了試驗新型油水分離設備分離效果,開展了與常規設備現場比對的試驗,試驗結果見表7。在進液含水率為91.2%、處理液量為7 400～11 200 t/d、溫度為38 ℃、破乳劑加藥量為10 mg/L、脫后油和水的質量指標相近的條件下,Ф 2.0 m×20 m新型油水分離設備比Ф 4.0 m×20 m 常規油水分離設備的處理時間縮短22.2～34.4 min,油水分離效率提高了2.7～2.8倍。

表7 兩種油水分離設備對比試驗數據表

4 結論

1)通過對油水分離設備傾角、斜板式聚結構件角度和結構進行數值分析,確定介質停留時間8 min以上,傾角超過12°時分離效果影響較小;斜板角度對分離效果影響較小;L槽對分離效果影響較小。

2)依據數值分析結果,研制了新型油水分離器,現場比對試驗顯示,新型油水分離器的油水分離效率提高了2.7～2.8倍。