林宇 伍坤一 吳國(guó)霈 李文勝 劉恩斌

1.中國(guó)石油西南油氣田公司集輸工程技術(shù)研究所 2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院3.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程(青島)有限公司

現(xiàn)有的頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)通常采用加砂體積壓裂工藝進(jìn)行儲(chǔ)層改造,在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中,砂粒和壓裂返排液一起隨著頁(yè)巖氣產(chǎn)出,若不能有效脫除氣體所含的顆粒物,將會(huì)對(duì)地面系統(tǒng)的設(shè)備管道安全平穩(wěn)運(yùn)行造成影響。由于頁(yè)巖氣存在壓力產(chǎn)量遞減速度較快的生產(chǎn)特點(diǎn),需要增壓機(jī)對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行增壓輸送。頁(yè)巖氣中的雜質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)的損傷包括機(jī)組損傷和腐蝕停機(jī)故障,長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致機(jī)器受損甚至停車(chē),將嚴(yán)重影響產(chǎn)量,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)會(huì)對(duì)外輸管網(wǎng)供配氣調(diào)配產(chǎn)生較大影響。臥式過(guò)濾分離器作為頁(yè)巖氣進(jìn)增壓機(jī)前的最后一道保障,其分離效率對(duì)下游設(shè)備影響極大。因此,有必要對(duì)臥式過(guò)濾分離器的分離效率進(jìn)行研究。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)過(guò)濾分離器分離效果的評(píng)價(jià)手段單一,通常只能通過(guò)對(duì)分離器前后管道在線檢測(cè)或取樣離線分析的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)研究,針對(duì)設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)情況和分離效率的研究較少。采用FLUENT軟件對(duì)臥式過(guò)濾分離器內(nèi)部多相流流場(chǎng)的狀態(tài)進(jìn)行模擬,研究其流體速度分布、壓力分布和流體流線,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),直觀地反映各種工況下設(shè)備的分離效果并進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)流場(chǎng)模擬研究,為頁(yè)巖氣集輸?shù)钠椒€(wěn)運(yùn)行優(yōu)化提供有效的技術(shù)支撐。

1 物理模型、邊界條件及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.1 邊界條件

臥式過(guò)濾分離器入口壓力為2.7 MPa,產(chǎn)量30×104m3/d,水含量60 m3/d,砂含量0.6 kg/d,液體顆粒粒徑主要分布為50～100μm、固體顆粒粒徑主要分布為30～90μm。過(guò)濾分離器包含有19根濾筒,19個(gè)壓力出口。具體模擬參數(shù)見(jiàn)表1～表3。

表1 2.7 MPa時(shí)不同液體顆粒粒徑臥式過(guò)濾分離器模擬參數(shù)

表2 2.7 MPa時(shí)不同固體顆粒粒徑臥式過(guò)濾分離器模擬參數(shù)

表3 2.7 MPa時(shí)40μm液體顆粒不同入口速度臥式過(guò)濾分離器模擬參數(shù)

1.2 物理建模與網(wǎng)格劃分

川南頁(yè)巖氣臥式過(guò)濾分離器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。頁(yè)巖氣通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入分離器初分室除去粗顆粒和游離水,之后大部分顆粒物在經(jīng)過(guò)過(guò)濾段時(shí)被過(guò)濾元件截留,氣流通過(guò)波紋板整流成較大顆粒,重力分離后進(jìn)入下游管道,顆粒物匯入集液包。

本次對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化(四面體)網(wǎng)格劃分后代入邊界條件,進(jìn)行仿真模擬[1-4]。在選用模型方程時(shí),采用了DPM模型以及湍流模型對(duì)多相流(含砂頁(yè)巖氣)進(jìn)行表征,同時(shí)利用多孔介質(zhì)模型對(duì)臥式分離器內(nèi)部濾網(wǎng)進(jìn)行表征。臥式分離器模型如圖2所示。

由于過(guò)濾分離器尺寸和與其連接的管道尺寸差異較大,對(duì)模型進(jìn)行獨(dú)立分塊,網(wǎng)格劃分為濾筒與波紋管兩部分計(jì)算模型。濾筒和波紋管網(wǎng)格圖如圖3所示。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

含砂氣體通過(guò)管道輸送至分離器入口,進(jìn)入分離器內(nèi)部,砂粒接觸到濾網(wǎng)發(fā)生反彈作用或被濾網(wǎng)捕捉。被濾網(wǎng)阻滯的砂粒部分掉入分離器底部形成堆積,并通過(guò)定期開(kāi)啟閥門(mén)清理,而氣體則通過(guò)濾網(wǎng)從出口流出。由于濾網(wǎng)孔隙率不足以對(duì)所有類(lèi)型砂粒進(jìn)行無(wú)差別阻滯,部分砂粒將進(jìn)入濾網(wǎng)并由氣體攜帶逃逸[5-7]。本濾網(wǎng)孔徑50μm,孔隙度取33%,計(jì)算得到黏性阻力系數(shù)為7.495×1011,慣性阻力系數(shù)為1.305×106。

網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證中,在模擬入口速度6 m/s、產(chǎn)液量為12 m3/d、壓力為3 MPa時(shí),驗(yàn)證參數(shù)出口速度。網(wǎng)格數(shù)量為5 265 083時(shí),出口速度為1.05 m/s,與其他網(wǎng)格數(shù)量的速度偏差為1%左右,取該數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 模擬分析

2.1 濾筒模型模擬分析

由于本模擬工況中液體和固體所占頁(yè)巖氣質(zhì)量流量的比重較小,因此,忽略注入的液體和固體對(duì)頁(yè)巖氣流場(chǎng)的影響,采用離散相(DPM)模型,模擬的工況參數(shù)中,僅壓力和速度能影響頁(yè)巖氣流場(chǎng)。為了便于展示臥式過(guò)濾分離器中部模型頁(yè)巖氣流場(chǎng),截取了3個(gè)截面,如圖4所示。

在壓力為2.7 MPa,速度分別為7 m/s、10 m/s和12 m/s的工況下,3個(gè)截面的壓力和速度分布類(lèi)似,見(jiàn)圖5和圖6。

由各截面壓力速度云圖可知,在截面1和截面2,速度和壓力分布較均勻,濾筒內(nèi)壓力低于筒外壓力,內(nèi)外壓差不超過(guò)1 000 Pa,模型內(nèi)最大壓差不超過(guò)4 000 Pa。由于濾筒內(nèi)過(guò)流截面面積小于分離器截面,因此,濾芯內(nèi)流速要明顯高于筒外。由截面3和中心截面壓力速度云圖可知,氣流由入口進(jìn)入后直接沖擊濾芯壁面,因氣流急速轉(zhuǎn)向產(chǎn)生壓力降,在部分濾芯壁面形成“滯壓”,局部壓力升高2 000 Pa左右。同時(shí),部分氣流在濾芯間通道加速,7 m/s、10 m/s和12 m/s工況下的最大速度分別為9.97 m/s、15.35 m/s和17.78 m/s,這樣的氣流速度壓力變化容易導(dǎo)致氣流中的顆粒物集中,對(duì)靠近入口處的濾筒壁面產(chǎn)生沖蝕。分離器在該段設(shè)計(jì)中采用了鋼管結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,避免了因沖蝕引起的濾芯局部失效。分離器內(nèi)氣流跡線見(jiàn)圖7。

從圖7可看出,速度在入口處及靠近入口鋼管處較大,與軸向截面速度云圖現(xiàn)象相符合,分離器邊界流動(dòng)較為紊亂,速度較小。過(guò)濾筒內(nèi)由于濾筒管徑較小,速度增大,流線平直,速度較為均勻。

2.1.1不同液體顆粒粒徑分離效率評(píng)價(jià)

模擬參數(shù)選取表1參數(shù),即液體顆粒粒徑分別為50μm、60μm、70μm、80μm、90μm和100μm,壓力為2.7 MPa,入口速度為7 m/s時(shí),對(duì)分離器濾筒模型進(jìn)行模擬分析相應(yīng)的分離效率,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 濾筒模型液體顆粒物分離效率計(jì)算結(jié)果

當(dāng)粒徑大于60μm時(shí),分離效率接近100%。

為研究后續(xù)波紋板流場(chǎng)及分離效率,取分離效率為95%,顆粒粒徑取60μm,即假設(shè)進(jìn)入波紋板模型液體量為3 m3/d。

2.1.2不同固體顆粒粒徑分離效率評(píng)價(jià)

模擬參數(shù)選取表2參數(shù),壓力取2.7 MPa,入口速度為7 m/s時(shí),固體顆粒粒徑分別為30μm、50μm、70μm、90μm,對(duì)分離器濾筒模型進(jìn)行模擬分析相應(yīng)的分離效率,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 濾筒模型固體顆粒物分離效率計(jì)算結(jié)果

當(dāng)粒徑大于30μm時(shí),分離效率為100%,粒徑小于30μm時(shí),粒子有少部分逃脫。

為研究后續(xù)波紋板流場(chǎng)及分離效率,取分離效率為95%,顆粒粒徑取30μm,即假設(shè)進(jìn)入波紋板模型砂量為0.03 kg/d。

2.2 波紋管模型模擬分析

濾筒模型內(nèi)壓降較小,因此,在波紋管部分的模擬中,壓力和濾筒部分保持一致。通過(guò)后處理得到濾筒各個(gè)出口的速度約為1.6 m/s;在波紋管分析中設(shè)置了3組,分析速度分別為1.0 m/s、1.6 m/s和2.0 m/s對(duì)波紋管分離效果的影響。通過(guò)前面的分析可知,濾筒模型對(duì)固體顆粒和液滴都有較好的分離效果。根據(jù)前面的分離計(jì)算情況取濾筒部分分離效率為95%,模擬波紋管對(duì)未被分離的5%顆粒的捕捉情況。

在波紋管模型中壓力為2.7 MPa、速度分別為1.0 m/s、1.6 m/s和2.0 m/s時(shí),3種不同流場(chǎng)中的速度分布云圖均類(lèi)似,圖8為1.0 m/s時(shí)的速度分布云圖。

波紋板模型內(nèi)沒(méi)有較大壓力波動(dòng),出口處由于過(guò)流截面積減小,速度增大,壓力減小,壓力變化明顯,最大壓差在2 000 Pa左右。波紋管處速度分布較為均勻,而在筒內(nèi),由于過(guò)流面積增大,流速較大區(qū)域?yàn)椴y板橫截面的延伸面,靠近筒壁區(qū)域速度明顯減小,速度分布變化較小,出口處由于過(guò)流截面積減小,速度明顯增大。

取液滴直徑60μm,波紋板模型液體顆粒共有3組工況,分離效率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。氣流壓力為2.7 MPa,速度分別為1.0 m/s、1.6 m/s和2.0 m/s時(shí)的分離效率分別為65.61%、54.08%和48.89%。由此可見(jiàn),波紋板分離效率隨氣流速度的增大而逐漸降低。

表6 波紋板模型液體顆粒分離效率計(jì)算結(jié)果

取固體顆粒直徑30μm,不同流速下波紋板分離效率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。2.7 MPa壓力下,速度分別為1.0 m/s、1.6 m/s和2.0 m/s時(shí)的分離效率分別為93.54%、71.73%和64.87%。由此可見(jiàn),波紋板分離效率隨速度的增大而下降。

表7 波紋板模型固體顆粒分離效率計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)川南頁(yè)巖氣臥式過(guò)濾分離器的濾筒與波紋管兩部分進(jìn)行獨(dú)立建模,對(duì)2.7 MPa入口壓力,不同流速條件下的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并研究了不同工況下不同粒徑的液體和固體顆粒的運(yùn)行軌跡和分離效率。

(2)濾筒部分計(jì)算結(jié)果顯示,入口處氣流直接沖擊濾筒壁面,流場(chǎng)較紊亂,局部有約2 000 Pa“滯壓”,濾筒分離效率較高,分離效率隨著顆粒粒徑的增加而增大。對(duì)于液滴顆粒而言,當(dāng)液體顆粒粒徑大于60 μm時(shí),分離效率＞99%;對(duì)固體顆粒而言,當(dāng)固體顆粒粒徑大于30μm時(shí),分離效率＞99%。

(3)波紋板部分計(jì)算結(jié)果顯示,波紋板間氣流流線平直,流場(chǎng)較為穩(wěn)定,但分離效率較差。固體和液體顆粒的分離效率均隨流速的增大而降低。液滴分離效率最高為65.61%,固體顆粒分離效率最高為93.54%。

(4)利用FLUENT軟件對(duì)頁(yè)巖氣臥式過(guò)濾分離器進(jìn)行模擬計(jì)算,可以直觀地反映設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)情況,并計(jì)算分離效率,為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選型和評(píng)價(jià)優(yōu)化提供了有效的技術(shù)手段。