田洋陽 崔之健 孫明龍 徐士祺 黃茹陽

(1. 西安石油大學陜西省油氣田特種增產技術重點實驗室 2.西安石油大學石油工程學院 3. 中國石油集團西部鉆探工程有限公司試油公司)

0 引 言

傳統(tǒng)的油田集輸工藝是將采出的油水混合物混輸至油田集中處理站統(tǒng)一脫水、穩(wěn)定、計量。但隨著石油二次開采的加速，部分油田采出液含水體積分數(shù)高達90%以上[1-2]，原油脫水規(guī)模大幅增大，部分集中處理站的處理規(guī)模較小，難以適應不斷提高的含水體積分數(shù)采出液的處理需求，且損耗能量大，運行成本高。因此，一種高效低成本的預分水新流程“就地分水就地回注”受到廣泛關注。該流程在井場預分離出采出液中的游離水，簡化了工藝流程，節(jié)省了油田地面工程成本。T形管分離器具有結構簡單、無活動部件、便于設計安裝、維護工作少、運營成本低、耗能小以及占地面積小等特點，在油水預分離領域有廣泛的應用前景[3]。

T形管分離器的分離原理是油水混合物在足夠長的管道中運動形成分層流，在重力作用下油滴上浮聚集在管頂部，油相從主管頂部排出，通過主管底部和分支管排出水相，從而實現(xiàn)T形管分離器油水分離的效果。近年來，國內外學者對T形管分離器的研究主要集中在系統(tǒng)關鍵部件的幾何結構和操作參數(shù)方面，并在T形管分離器設計及應用方面取得了大量研究成果。叢娟等[4]試驗研究了入口位置、流速、入口含油體積分數(shù)、流量配比、水平管徑以及垂直管數(shù)等對T形管油水分離效率的影響。于爽等[5]研究不同管徑比對T形管路內局部阻力的影響，發(fā)現(xiàn)局部阻力在主管和支管交匯處出現(xiàn)峰值，隨著垂直支管管徑的增大，局部阻力損失會相應增大。陳建磊[6]對T形多分支管中的流速及相分布進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)混合流速較高不利于油水在分支管間穩(wěn)定沉降，分離效率隨著混合流速的增大而減小，推薦油水出口分流比要略大于理論分流比。胡坤等[7]通過試驗和數(shù)值模擬進行了研究，結果表明入口含油體積分數(shù)越低，入口流速越慢，分離效率越高，當分流比與入口含油體積分數(shù)相同時，分離效率最高。WANG L Y.等[8]對兩種結構的T形管路的油水流動現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，將模擬的數(shù)據(jù)與YANG L.等[9]的試驗數(shù)據(jù)進行對比，對比結果發(fā)現(xiàn)：油水兩相分配的模擬數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)趨勢符合較好；當分支管路方向水平布置時，兩種工況下油水相分配不均的現(xiàn)象并不明顯，而當分支管方向垂直布置時，只有油相比例超出臨界值之后水相才會進入分支管中。魏叢達等[10]對復合T形管的幾何結構進行了研究，研究結果表明：入口充分發(fā)展段長度越長、水平管管徑越大、分支管數(shù)目越多，分離效率越高。

目前對T形管內流型及分離過程的研究較少。B.J.AZZOPARDI等[11]基于氣-液流在T形管連接處相不均勻分布的原理，研究連接處和周圍管道的幾何參數(shù)設計方法，獲得分離效率較高的幾何結構。B.SAM等[12]利用OLGA研究了T形交界處油氣兩相分離過程，并且分析了操作壓力、油氣比、油流量和臂長等因素對分離過程的影響。章光等[13]分析了T形管水平管內流型對分離過程的影響，并采用Euler Euler多相流模型，研究了油水混合物流速0.55 m/s、不同含油體積分數(shù)工況下，分流比對T形管油水分離效率的影響。楊利民等[14]用T形管分離器進行了油水兩相的分離試驗，提出了分離效果評價指標，即分離效率。研究表明：對分離效果影響很大的因素為入口流型，入口為分層流時，分離效率可達95%左右，并且可通過增加含水量、減小混合物從而使促進油水分離。安杉等[15]對T形管內的油水兩相流動情況和分離特性進行了CFD-PBM數(shù)值模擬，并進行了室內試驗以驗證模擬結果的準確性。為了獲得較好的除油效果，需要掌握T形管分離器內流場規(guī)律。本文利用數(shù)值模擬方法，研究了T形管分離器內流場結構和油水分離規(guī)律，以期為高含水油水分離提供新思路，為高效分離器設計及優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用的T形管分離器結構如圖1a所示。T形管分離器由3部分組成，分別為主管、分支管和匯管。其中主管直徑D=50 mm，匯管直徑Dm=50 mm，主管入口段長度Lm=500 mm，匯管長度Lb=500 mm，分支管高度h=250 mm，分支管直徑Db=24 mm。將建立的T形管分離器流體域三維模型導入ICEM中進行網(wǎng)格劃分，利用Robust(Octree)方法劃分非結構化網(wǎng)格，如圖1b所示。

圖1 T形管分離器結構及網(wǎng)格示意圖Fig.1 Structural schematic and grid of the T-junction separator

為了保證數(shù)值結果與網(wǎng)格數(shù)量無關，劃分了3種不同數(shù)量的網(wǎng)格，分別為104萬、61萬和32萬，并以進、出口油流量分布作為對比，結果如圖2所示。由圖2可知：隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，進、出口油流量分布略有差異，當網(wǎng)格數(shù)量從32萬增加到61萬時，主管出口油流量顯著增加；當網(wǎng)格數(shù)量進一步增加到104萬時，進、出口油流量變化較小。這說明此時網(wǎng)格具有獨立性解，故本文采用的網(wǎng)格數(shù)量為61萬。

圖2 網(wǎng)格無關性分析Fig.2 Grid independence analysis

1.2 數(shù)學模型

湍流模型采用RNGk-ε模型，具體形式如式(1)和式(2)所示，近壁處采用標準壁面函數(shù)。

(1)

(2)

式中：ρ為密度，kg/m3；k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s3；Gk為由層流速度梯度產生的湍流動能，kg/(m·s3)；Gb為由浮力產生的湍流動能，kg/(m·s3)；YM為可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻，kg/(m·s3)；αε和αk分別為ε方程和k方程的湍流普朗特數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為k方程的模型系數(shù)。

多相流模型采用歐拉多相流模型，其表達式如下：

(3)

(4)

式中：αi為i相的體積分數(shù)；ui為第i相的速度，m/s；p為壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；τi為應力張量，Pa；F為相互作用力，N。

1.3 模型其他參數(shù)

模擬的介質為水和油。連續(xù)相為水，密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001 kg/(m·s)。分散相為油，密度為890 kg/m3，油滴直徑為500 μm。入口邊界設定為速度邊界，入口混合流速為0.1 m/s，入口油水混合物中油相體積分數(shù)為 5%，主管和匯管的分流比設置為0.5。壁面采用無滑移邊界條件。壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

2 流場分布特性

2.1 速度分布特性

速度是流場特征中關鍵參數(shù)，反映著流體在T形管分離器中的運動狀態(tài)，同時也揭示了兩相分離過程。圖3為不同截面上的合速度矢量分布。從圖3可知：兩相速度分布規(guī)律基本相同，在主管中速度沿Z方向(流動方向)逐漸降低；分支管中速度最大，這是由于流動截面積突然縮小以及重力加速度共同作用引起的；在油相聚集的主管頂部，水相并無速度；在水相聚集的主管和匯管底部，油相并無速度；揭示了T形管式分離器可以實現(xiàn)油水兩相的分離；沿著流動方向，速度逐漸衰減。

圖3 不同截面上合速度矢量分布圖Fig.3 The vector distribution of the combined velocity on different sections

圖4為兩相合速度矢量局部放大圖。圖4中紅色虛線圓圈處為渦流，這是由于流動方向發(fā)生改變，流動方向雜亂，湍流程度增加，在匯管和分支管上游出現(xiàn)渦流，給兩相的分離帶來不利影響。此外，從圖4可以清楚看到，水相和油相的分布位置不同，在主管中油相位于頂部，而水相位于底部，在頂部和底部之間兩相均存在速度，說明頂部和底部之間存在摻混，是待分離的主要區(qū)域。

圖4 兩相合速度矢量局部放大圖Fig.4 A partial enlarged view of the two-phase combined velocity vector

2.2 湍流特征參數(shù)分布規(guī)律

圖5為湍動能k分布圖。湍動能是單位質量脈動運動動能的平均值，代表湍流脈動的動能。由圖5可知，湍動能在主管中油相和水相的交界面，分支管以及匯管上游處較大，其中在匯管上游處湍動能達到了峰值。主要原因分析如下：①油相和水相界面由于存在相間摻混，脈動速度較大，所以湍動能較大；②分支管和主支管的截面面積差異比較大，但流速突增，使得脈動速度較大；③匯管上游由于流動方向的突然改變(見圖3)，存在二次渦流，所以脈動速度也較大。

圖5 湍動能k分布圖Fig.5 Distribution of turbulent kinetic energy k

圖6為湍動能耗散率分布圖。湍動能輸運過程中，大尺度脈動的動能傳輸給小尺度脈動，小尺度湍流脈動耗散動能，湍動能耗散率可以衡量這種耗散的強弱。

圖6 湍動能耗散率ε分布圖Fig.6 Distribution of turbulent energy dissipation rate ε

由圖6可以看出，在分支管和主管連接處、分支管和匯管交接處以及匯管上游湍動能耗散率較高，這些位置流動都發(fā)生轉向，有些位置還存在二次渦，因此湍動能以分子黏性的方式耗散了，故產生較大的湍動能耗散率。

2.3 分離過程分析

2.3.1 入口流速的影響

為了研究T形管在不同入口流速下的分離過程，改變入口速度進行了模擬，分別為v=0.10、0.30、0.50和0.70 m/s。圖7為入口流速下油相體積分數(shù)云圖。由圖7可知，隨著入口流速增加，匯管出口油相體積分數(shù)也遞增，主管內高含油區(qū)域前端先增大后減小，且高含油區(qū)前端位置向下游移動。

圖7 入口流速對油相體積分數(shù)分布規(guī)律的影響Fig.7 The influence of inlet flow velocity on the distribution of oil concentration

圖8為入口流速對分離效率的影響，分離效率為兩相在支管中采出率差的絕對值，表達式如下：

(5)

式中：Qoil,mainfold和Qwater,mainfold分別是分離器匯管出口油和水質量流量，kg/s；Qoil,main和Qwater,main分別是分離器主管出口油和水質量流量，kg/s。

由圖8可知，隨著入口流速增加，分離效率先略有上升后迅速下降隨后保持不變，其主要原因是，流速變化導致油層和混合層的高度發(fā)生了變化。入口流速v=0.10～0.30 m/s時，油水兩相沉降時間充足，在入口充分發(fā)展段分層良好，經過分支管擾動后能快速恢復。隨著入口流速繼續(xù)增加，油水兩相之間的剪切作用增強，兩相混合更加充分，部分混合層在水層的攜帶作用下流動至匯管出口，且擾動使流體沉降時間縮短，油水分層效果差，匯管出口油流增大。

入口流速對分離過程的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面影響流體在分離器中的停留時間，流速越大，停留時間越短，且在分流的擾動后恢復分層流更困難；另一方面影響界面附近油相的分散程度，通常流速越大，油相以油滴的形式分散在水相中更均勻，混合層攜帶油相更多。綜上所述，入口流速選擇v=0.10～0.30 m/s為最佳。

圖8 入口流速對分離效率的影響Fig.8 The influence of inlet flow rate on separation efficiency

2.3.2 入口含油體積分數(shù)的影響

圖9 入口含油體積分數(shù)對分離效率的影響Fig.9 The influence of inlet oil volume fraction on separation efficiency

2.3.3 分流比的影響

為了研究T形管在不同分流比下的分離過程，改變分流比進行了模擬，分流比分別為0.3、0.5、0.7和0.9，其他參數(shù)不變。圖10為分流比對分離效率的影響。

圖10 分流比對分離效率的影響Fig.10 The effect of split ratio on separation efficiency

由圖10可知，隨著分流比增大，混合層開始流入?yún)R管，分離效率呈先增后減規(guī)律?；旌狭黧w經過入口充分發(fā)展形成分層流，分層流頂層為油層，中間為油水混合層，底層為水層。分流比低時，匯管主要流出底層水，此時匯管出口含油體積分數(shù)很低。隨著分流比增加，匯管的流量增大，油水間擾動增強，流體流經匯管攜帶了部分混合層流體，導致匯管出口含油體積分數(shù)增加。分流比繼續(xù)增大，混合層全部流入?yún)R管后，油層開始流入?yún)R管，此時分離效率呈線性減小。

綜合考慮油相體積分數(shù)分布規(guī)律和分離效率，在本文T形管結構和工況下，存在最佳操作參數(shù)，具體如下：入口流速在0.30～0.50 m/s之間，入口含油體積分數(shù)為5%～9%，分流比在0.5～0.7之間，此時分離效率最高可以達到87%。

3 結 論

(1)油水兩相速度分布規(guī)律基本相同，在主管中沿流動方向速度逐漸降低，分支管中速度最大，水相在主管頂部區(qū)域速度較??；相反，油相在主管頂部區(qū)域流速明顯高于水速。在匯管中上述分布趨勢更加明顯；湍動能耗散率局部峰值出現(xiàn)在分支管和主管連接處、分支管和匯管連接處以及匯管上游。

(2)當入口流速從0.10 m/s增加至0.30 m/s時，油水兩相沉降時間充足，經分流擾動后能快速恢復，分離效率逐漸提高；進一步增加流速，油水兩相的剪切作用增強，兩相混合更充分，部分混合層從匯管出口流出，且擾動后流體沉降時間縮短，油水分層效果差，分離效率降低。綜合考慮，T形管最優(yōu)流速為0.10～0.30 m/s。

(3)隨著含油體積分數(shù)增加，油水混合層的厚度增加，流入?yún)R管的混合層逐漸增加，分離效率緩慢增大；繼續(xù)增加含油體積分數(shù)，絕大部分混合層流入?yún)R管，混合層頂層也有部分流入?yún)R管，T形管的分離效率下降。綜合考慮入口含油體積分數(shù)在5%～9%之間為最佳。

(4)分流比較低時，分支管主要流出底層水，此時匯管出口含油體積分數(shù)很低，分離效率較低；隨著分流比增大，匯管的流量增大，油水間擾動增強，流體流經匯管攜帶了部分混合層流體，導致匯管出口含油體積分數(shù)增加。分流比為0.7時，T形管分離器的分離效果明顯提升，但分流比繼續(xù)增大，混合層全部流入?yún)R管后，油層開始流入?yún)R管，此時分離效率隨著分流比的增加呈線性減小。綜合考慮最優(yōu)分流比在0.5～0.7之間。