楊 容侯勇俊盧廣榮

目前,我國鉆井液的固相控制主要特點是淺地層需要處理的鉆井液流量大;深地層需要處理的鉆井液流量小,黏度高,并且隨著鉆井工藝水平的不斷提高,傳統(tǒng)鉆井振動篩已不能滿足實際的工程需要。

挪威CUBILITY AS 公司發(fā)明了Mud Cube 固相控制系統(tǒng)[1],利用帶式真空過濾與高頻微振的復(fù)合作用實現(xiàn)固液分離,可以將排出鉆屑的含液率從傳統(tǒng)振動篩的80%以上降低到40%以下,篩網(wǎng)下氣液混合物,通過重力分離實現(xiàn)氣液分離,通過二級過濾實現(xiàn)油霧分離,但該系統(tǒng)成本高,易損件壽命短,功耗大。 丹尼爾·蓋·波默洛[2]提出了在傳統(tǒng)鉆井液振動篩的篩網(wǎng)下部復(fù)合真空作用,強化振動篩的固液分離能力,大幅降低排出鉆屑的含液量,并通過重力分離原理實現(xiàn)氣液分離,但其真空大小受振動篩的振動參數(shù)限制,不能太大,因此難以充分發(fā)揮真空對鉆屑的干燥作用。 侯勇俊等[3-5]提出的脈動負(fù)壓振動設(shè)備如圖1,通過壓縮空氣脈動噴射在篩面下產(chǎn)生脈沖負(fù)壓,可充分發(fā)揮負(fù)壓對鉆屑的干燥作用;噴射泵排出的氣液混合物通過旋流器實現(xiàn)氣液分離,很顯然,進(jìn)入旋流器的氣液混合物壓力是脈動的,旋流器的氣液分離性能及變化規(guī)律需要深入研究。

圖1 脈動進(jìn)料旋流分離器局部視圖Fig.1 Local view of the pulsating feed cyclone separator

楊兆銘等[6]設(shè)計了一種二級旋流氣液分離裝置,通過 CFD 和試驗結(jié)合的方法對簡化的分離裝置內(nèi)部流場的非對稱性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)入口面積和升氣管的大小會影響旋流流場的穩(wěn)定性。 左鵬等[7]針對一種多旋臂的氣液旋流分離器利用CFD 模擬的方式選取RSM 模型對其進(jìn)行氣相的流場特性分析,得到了和實驗值較為符合的壓力降分布。 劉彩玉等[8]通過CFD 仿真模擬對一種同向出流氣液分離器進(jìn)行了流場分析,通過性能規(guī)律曲線進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)選,并制作了試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了驗證。 韓國的Chu 等[9]通過CFD 和CFD-DEM 雙向耦合的方式對自然旋流介質(zhì)旋流器(NMC)進(jìn)行了分析,將模擬結(jié)果與物理實驗結(jié)果進(jìn)行了比較,并對2 種重要的操作參數(shù),即介質(zhì)速度和質(zhì)量比在NMC 入口的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。 Liu 和Yan 等[10]使用Fluent 仿真軟件對井下油水旋流分離器進(jìn)行分析,研究了幾何因素對分離效率和分流比的影響,優(yōu)化了幾何結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在下錐角在大于0.5°,小于3.0°時,可獲得合適的分流比和高效率。

上述研究中,不論是氣液分離還是固液分離都是采用穩(wěn)定進(jìn)料的邊界條件進(jìn)行模擬分析,均未曾研究過脈動進(jìn)料邊界條件下分離器的分離性能及其影響參數(shù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 流體控制方程

工作流體在旋流分離中常常呈強烈三維旋流狀態(tài),各相之間呈各向異性,根據(jù)常見湍流模型分類及特點[11,12],選擇雷諾應(yīng)力(RSM 模型)作為數(shù)值模擬計算的湍流模型,其流體控制方程[13]如下。

(1)連續(xù)性方程:

式(1)中:速度uj為j方向上的分量,j表示空間坐標(biāo),j=1,2,3;ρ表示流體密度。

(2)動量方程:

式(2)中:uiuj表示速度在ij方向上的分量;p為靜壓;τij等于黏性應(yīng)力張量;ρgi指i方向上的重力體積力;Fi表示i方向的外部體積力和其他用戶自定義源項之和。

(3)分離效率:旋流分離器中氣液2 項分離方程[14]可通過同一位置的鉆井液、氣體作圓周運動的離心力的大小來表示。

式(3)～式(6)中:Fi=z,k表示為鉆井液或氣體所受離心力,N;K表示質(zhì)量修正系數(shù),為無量綱常數(shù);Mj=z,k表示鉆井液或空氣質(zhì)量,kg·m-3;v表示鉆井液或空氣作圓周運動的線速度,m·s-1;R表示鉆井液或空氣作圓周運動的半徑,m;n表示鉆井液或空氣作圓周運動的轉(zhuǎn)數(shù)。 根據(jù)式(6)知,工作流體的分離離心力大小與其密度有關(guān),旋流分離器正是利用這一工作原理進(jìn)行氣液分離。

目前數(shù)值模擬中對于定義旋流分離器氣液分離效率的方法較多,在Fluent 中為表示旋流分離器的氣液分離效率[15],定義氣體溢流口質(zhì)量流量與氣體進(jìn)口質(zhì)量之比為該分離器的氣液分離效率。

式(7)中;E表示氣體分離效率,%;Qo表示氣體溢流口質(zhì)量流量,kg·s-1;Qi表示氣體入口質(zhì)量流量,kg·s-1。

1.2 物理模型與邊界參數(shù)

1.2.1 幾何模型及參數(shù)

基于里馬特經(jīng)驗公式[16]得到旋流分離器的幾何模型的結(jié)構(gòu)參數(shù),建立流體域,相關(guān)旋流結(jié)構(gòu)如圖2 所示,初始幾何參數(shù)尺寸如表1 所示。

圖2 旋流分離器結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model of cyclone separator

表1 旋流分離器幾何參數(shù)尺寸Table 1 The size of the geometric parameters of cyclone separator

1.2.2 模型設(shè)定

選擇CFD 計算軟件為Fluent,多相流模型為混合(mixture)模型,相數(shù)為2,設(shè)置的相關(guān)材料物理參數(shù)如表2 所示。

表2 流體介質(zhì)參數(shù)Table 2 Parameters of fluid medium

1.2.3 網(wǎng)格劃分和無關(guān)性分析

旋流分離器流體計算域采用以六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為主的劃分方式,為了保證在入口網(wǎng)格的平順性和計算結(jié)果的精確性,對進(jìn)口處的網(wǎng)格進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化細(xì)化。 為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,采用上述相同的物理參數(shù)和邊界條件對網(wǎng)格數(shù)量10 萬、22 萬、30 萬、50 萬和80 萬 5 種旋流分離器模型進(jìn)行數(shù)值模擬,以旋流分離器氣液分離效率為指標(biāo),對網(wǎng)格無關(guān)性驗證后,最終確定選擇網(wǎng)格數(shù)量為220 792 個。

1.2.4 初值邊界條件和計算格式

在穩(wěn)定進(jìn)料條件下,設(shè)初始進(jìn)料壓力0.3 MPa,設(shè)置進(jìn)口邊界條件為速度入口,鉆井液和空氣進(jìn)口速度均為24 m·s-1;溢流口和底流口均采用壓力出口邊界條件,設(shè)置出口壓力為0;溢流口氣體回流率為1,底流口氣體回流率為0;壁面采用光滑無位移的邊界;壓力-速度場采用SIMPLEC 算法,壓力插值采用PRESTO 格式,其余項均采用QUICK 為主的二階收斂格式。

2 2 種狀態(tài)下的變量控制

2.1 穩(wěn)定進(jìn)料條件下的變量

穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài)下,查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)[17,18]可以得知其影響氣液分離效率的因素主要包含2 大類:模型本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和介入待分離的流體參數(shù)(操作參數(shù)),為保證在本工況下的最佳氣液分離效率,需對相關(guān)參數(shù)采取控制變量法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選得到最佳分離效率曲線下的相關(guān)參數(shù),進(jìn)行仿真計算時,為保證變量唯一性,除變量值發(fā)生改變外,其他未提及參數(shù)均按初始參數(shù)設(shè)置。 結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)及其變量值如表3 和表4 所示。

表3 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其變量值Table 3 Relevant structural parameters and their variable values

表4 相關(guān)操作參數(shù)及其變量值Table 4 Relevant operation parameters and their variable values

2.2 脈動進(jìn)料條件下的變量

為實現(xiàn)脈動進(jìn)料邊界條件下對旋流分離器的入口條件控制,需借助Fluent 的用戶自定義函數(shù)[19-22]即UDF 進(jìn)行編程編譯,本研究使用的是Visual Studio 2015 進(jìn)行C 文件的編程和儲存。 為得到在脈沖進(jìn)料邊界下的最佳分離效率,需要控制變量對脈沖函數(shù)類型、脈沖頻率、脈沖速度峰值等影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。 模擬工程狀態(tài)下的脈沖,可以以Fluent 中的UDF 函數(shù)作為邊界條件來代替實際工程中的配送器,如圖1 所示。 為探究脈沖條件下各個參數(shù)對分離效率的影響情況,本節(jié)將從脈沖類型、脈沖頻率大小、脈沖速度峰值大小等3 個主要參數(shù)進(jìn)行控制變量,進(jìn)行仿真計算時,為保證變量唯一性,除變量值發(fā)生改變外,其他未提及參數(shù)均按初始參數(shù)設(shè)置,部分UDF 函數(shù)如下。

(1)矩形脈沖函數(shù):

if (t>=0&&t<=0.5)v=0;

else if (t>0.5&&t<=1)v=24。

(2)三角形脈沖函數(shù):

if (t>=0&&t<=0.5)v=48t;

else if (t>0.5&&t<=1)v=48-48t。

(3)正弦波形脈沖函數(shù):

v=12sin((0.8πt-π/2)+12。

在鉆井工程實際生產(chǎn)中,常用脈沖頻率一般為0.1～1.0 Hz,為實現(xiàn)脈動流體入口速度在0～24 m/s之間周期性來回切換,得到最佳分離效率下的脈沖頻率,通過VS 軟件以C 語言程序進(jìn)行編譯并加載到Fluent 中進(jìn)行邊界條件控制,相關(guān)脈沖參數(shù)及其變量值如下表5 所示。

表5 相關(guān)脈沖參數(shù)及其變量值Table 5 Correlation pulse parameters and their variable values

3 結(jié)果與討論

3.1 2 種進(jìn)料狀態(tài)下的效率曲線及參數(shù)優(yōu)選

3.1.1 穩(wěn)定進(jìn)料效率曲線及參數(shù)優(yōu)選[23,24]

監(jiān)測仿真計算結(jié)果中的氣體進(jìn)口質(zhì)量流量和溢流出口的質(zhì)量流量,通過式(7)進(jìn)行計算得到氣液分離效率,其效率曲線如圖3 所示。

從圖3(a)中橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)隨著鉆井液密度的增加,整體分離效率略有波動,說明鉆井液密度在小范圍幅度變化時對氣液分離效率影響很小,縱向?qū)Ρ戎?溢流管深度在160 mm 時氣液分離效率最高,其他3 者氣液分離效率隨參數(shù)變化時,氣液分離效率穩(wěn)定在67%附近。 圖3(b)中4 種不同入口截面積隨著不同入口速度的變化,分離效率波動幅度較小,當(dāng)入口截面積為60×35 mm2時其分離效率和其他3 者差異較大。 從圖3(c)中,橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)在出口壓力900 Pa 時,3 種結(jié)構(gòu)下氣液分離效率會略微提高;縱向?qū)Ρ戎邪l(fā)現(xiàn)當(dāng)錐角為14°時,氣液分離效率比其他2 種結(jié)構(gòu)更高。 從圖3(d)中橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)壓縮空氣比重大小能較大地影響分離效率,體積分?jǐn)?shù)在40% 左右時,氣液分離效率達(dá)到最高98.2%,縱向隨著溢流直徑的增加,整體分離效率有逐漸提高的趨勢。

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同操作參數(shù)下的效率曲線變化Fig.3 The efficiency variation of different structure parameters with different operation parameters

綜上,當(dāng)穩(wěn)定進(jìn)料旋流氣液分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如溢流直徑62 mm、溢流管深度160 mm、錐角14°、入口截面積60×35 mm2時,氣液分離效率最高。 當(dāng)壓縮氣體占比0.4 時,氣液分離效率達(dá)到最高98.2%,操作參數(shù)中的進(jìn)口速度、鉆井液密度、背壓等的改變使分離效率在小范圍內(nèi)有所波動,說明在一定程度上調(diào)節(jié)操作參數(shù)可使得氣液分離效率提高。

3.1.2 脈動進(jìn)料效率曲線及參數(shù)優(yōu)選

以同樣的方式將脈動進(jìn)料條件下仿真得到的氣體進(jìn)口質(zhì)量流量和溢流口質(zhì)量流量,通過式(7)計算后可以得到關(guān)于3 種函數(shù)在不同脈沖參數(shù)下的效率性能曲線圖(圖4)。

圖4 不同脈沖參數(shù)下效率變化曲線Fig.4 The efficiency variation curve under different pulse parameters

從圖4(a)可以看出,脈沖速度在12～20 m·s-1時,矩形脈沖波形下的氣液分離效率是最高的,脈沖速度在20～24 m·s-1時,正弦波形脈沖下的氣液分離效率最高;在圖4(b)中,3 種脈沖波形在頻率為0.4 Hz 時氣液分離效率都較其他更高。 尤其是正弦波形,當(dāng)脈沖頻率為0.4 Hz,脈沖速度為24 m·s-1時,正弦脈沖的氣液分離效率最高,達(dá)到85.5%。 在一定程度上三角波和正弦波效率曲線走勢接近,但工程實際控制中很難做到像矩形脈沖一樣的速度陡降或陡升,三角波和正弦形波更為貼近實際工程。綜上,選擇正弦波作為分離函數(shù)來控制邊界條件進(jìn)行分離,最適宜分離頻率為0.4 Hz,脈沖入料平均速度為24 m·s-1。

3.2 2 種進(jìn)料狀態(tài)下的流場跡線及氣相分布

為進(jìn)一步清晰地表示出脈動進(jìn)料條件下的流場內(nèi)部參數(shù),如切向速度、徑向壓力、湍流動能等變化情況,對旋流分離器的內(nèi)部流場進(jìn)行探究和分析,得到了2 種進(jìn)料狀態(tài)下的流場跡線云圖(圖5)和氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖(圖6)。

圖5 2 種不同進(jìn)口壓力狀態(tài)下的流場軌跡云圖(m·s-1)Fig.5 The nephograms of streamline under two different inlet states(m·s-1)

圖6 2 種不同進(jìn)口壓力狀態(tài)下的氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.6 The nephograms of gas phase volume fraction distribution under two different inlet states

從圖5 中可以看出,2 者速度峰值出現(xiàn)的位置相似,脈動進(jìn)料條件下,速度峰值較穩(wěn)定進(jìn)料更低,從速度云圖中可以發(fā)現(xiàn),脈動進(jìn)料條件下速度值從旋流器進(jìn)口到底流口降低的幅度比穩(wěn)定進(jìn)料條件下低,速度下降得越慢,內(nèi)部軸向壓力降和壓力損失越低。 從旋流跡線上來看,2 種進(jìn)料狀態(tài)下氣液兩相的軌跡線都比較明顯,均未出現(xiàn)紊亂流線和逆流線,在脈動條件下,氣液分離能形成較好的穩(wěn)定性,旋流中部都形成了空氣柱的軌跡線,值得注意的是,在空氣柱的大小方面,穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài)下的分離區(qū)域的空氣柱較脈動進(jìn)料狀態(tài)下更大,這也是導(dǎo)致脈動進(jìn)料下的氣液分離效率較穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài)下低一些的原因之一。

從圖6 中可以看出,穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)計算狀態(tài)下,氣相體積分?jǐn)?shù)多集中于溢流管附近,分離效果良好,旋流器混流區(qū)、旋流區(qū)和分離區(qū)壁面處氣相幾乎為0。 脈動進(jìn)料狀態(tài)下,溢流管附近的氣相體積分?jǐn)?shù)略低于穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài),在旋流區(qū)和分離區(qū)附近還含有部分氣相,說明在實際的脈動進(jìn)料狀態(tài)下進(jìn)行氣液分離的分離效率要低于穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài)。 從氣相體積分?jǐn)?shù)分布來看,2 種進(jìn)料狀態(tài)都有沿Z 軸近似左右對稱分布的規(guī)律,內(nèi)部主要氣相分布位置較為相似,脈動進(jìn)料條件下的分離區(qū)的氣相分布稍有波動。

3.3 2 種進(jìn)料狀態(tài)下流場參數(shù)變化情況

3.3.1 湍動能

湍流動能和湍流耗散率都是表征流體運動穩(wěn)定性的指標(biāo),湍流動能和湍流耗散率越大,流體運動越不穩(wěn)定,越容易產(chǎn)生渦流。 本研究以湍流動能為例,通過與穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài)下同參數(shù)的旋流分離器內(nèi)部流場進(jìn)行比較,并截取3 個主要運動界面:混流區(qū)(Mixed flow zone)、旋流區(qū)(Swirling zone)、分離區(qū)(Separation zone),如圖7 所示,分析得到了如圖8所示的湍流動能變化情況示意圖。

圖7 取點截面示意圖Fig.7 Schematic diagram of cross section of taking points

圖8 2 種不同進(jìn)料條件下分離器內(nèi)部湍流動能變化Fig.8 Variation of turbulent kinetic energy inside the separator under two different feeding conditions

從圖8 的分析可以得到,脈動進(jìn)料條件在進(jìn)口(混流區(qū)Z=610 mm)截面、Z=380 mm 的旋流區(qū)的平均湍流動能均高于穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài),脈動進(jìn)料條件在此截面湍流動能變化無序,波動較大,流體性質(zhì)不穩(wěn)定,易產(chǎn)生渦流。 在Z=0 mm 時的分離區(qū)時,壁面處穩(wěn)定進(jìn)料條件下的湍流動能是高于脈動進(jìn)料條件下的,其余地方的湍流動能均低于脈動進(jìn)料條件下,說明脈動條件工作流體在壁面處穩(wěn)定性更好,其他區(qū)域則是穩(wěn)定進(jìn)料條件下的穩(wěn)定性更好。

3.3.2 徑向壓力降

壓力降是進(jìn)行旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要考慮因素,在某一范圍內(nèi),適當(dāng)?shù)膲毫挡粌H讓旋流分離器內(nèi)部流體的運動更加穩(wěn)定,還會極大地促進(jìn)多相流之間的分離。 本研究對在2 種不同進(jìn)料狀態(tài)的旋流分離器內(nèi)部的壓力降分布情況進(jìn)行對比,通過壓力降的變化來預(yù)測流體運動的趨勢和流體的穩(wěn)定性。 內(nèi)部流場按壓力作用方向可分為軸向壓力降和徑向壓力降2 種,以同一平面上即徑向壓力降為例,理論上徑向壓力梯度變化越大,越有利于兩相的分離。

在圖9 中橫向?qū)Ρ葋砜捶€(wěn)定進(jìn)料條件下從混流區(qū)從壁面到中心點徑向壓力平均值要大于脈動進(jìn)料條件下同位置時的平均徑向壓力值,2 種進(jìn)料條件下點位越靠近中心點其徑向壓力值越低;2 者的徑向壓力變化趨勢都是關(guān)于Z軸近似左右對稱的,這說明了運動的相對穩(wěn)定性,均未出現(xiàn)紊亂流波動的情況。 從旋流分離器的進(jìn)口到底流口,即圖9(a)～圖9(c)的縱向?qū)Ρ葋砜?穩(wěn)定進(jìn)料條件下的壓力梯度變化更大,這說明穩(wěn)定進(jìn)料下多相流的氣液分離效率更高,更適合兩相分離。

圖9 2 種不同進(jìn)料條件下分離器內(nèi)部徑向壓力變化Fig.9 Variation of radial pressure inside the separator under two different feeding conditions

3.3.3 切向速度

旋流分離器內(nèi)部速度矢量主要由3 個方向上的分量組成,主要包括軸向速度、徑向速度和切向速度3 種,其中對分離效率影響最大的是切向速度。

從圖10 的2 種不同進(jìn)料工況的切向速度的分析中可知,在Z=380 mm 的壁面處,脈動進(jìn)料的切向速度值是大于穩(wěn)定進(jìn)料條件下的切向速度值,此時脈動進(jìn)料下的速度流場更適合進(jìn)行氣液分離,而在Z=0 mm 出口截面和Z=610 mm 進(jìn)口截面,穩(wěn)定進(jìn)料條件下壁面處的切向速度略大于脈動進(jìn)料時的切向速度,此時穩(wěn)定進(jìn)料條件下的流場更適合進(jìn)行氣液分離。 脈動進(jìn)料條件下3 個不同截面在在靠近中心點附近的切向速度值均小于穩(wěn)定進(jìn)料下的切向速度值,從氣相分離角度來說,空氣柱附近的氣相切向速度越低,中心點的氣相更易分離。

圖10 2 種不同進(jìn)料條件下分離器內(nèi)部切向速度變化Fig.10 Variation of tangential velocity inside the separator under two different feeding conditions

4 結(jié)論

通過Fluent 對旋流分離器的模擬仿真,對2 種進(jìn)料狀態(tài)下的流場進(jìn)行分析對比可得到如下結(jié)論。

1)通過穩(wěn)定進(jìn)料條件下的氣液旋流器仿真模擬,優(yōu)選出溢流管直徑68 mm,溢流管深度160 mm,入口截面積60×35 mm2,錐角度數(shù)14°等最適宜結(jié)構(gòu)參數(shù),在空氣比例0.4,底流背壓900 Pa 的操作參數(shù)下會有最高分離效率98.2%。

2)脈動進(jìn)料條件下選用正弦波形作為脈沖波形較好。 相同的其他參數(shù)條件下,采用頻率為0.4 Hz 的正弦脈沖進(jìn)料時,旋流分離器的分離效率最高,可達(dá)85.5%,脈動進(jìn)料使分離器的分離效率比穩(wěn)定進(jìn)料有所降低。

3)通過穩(wěn)定進(jìn)料和脈動進(jìn)料下的流體運動軌跡云圖發(fā)現(xiàn)2 者運動軌跡相似,運動跡線清晰,無紊亂流和逆流,在脈動進(jìn)料條件下流場能實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。 對比2 者的氣相體積分布云圖得到相似的呈中心對稱分布規(guī)律,氣液分離效果良好。

4)通過進(jìn)一步對比2 種進(jìn)料狀態(tài)下流場參數(shù)的變化,相比于穩(wěn)定進(jìn)料狀態(tài),脈動進(jìn)料時其內(nèi)部湍流動能均值和幅值增大、切向速度均值和幅值降低、徑向壓力降梯度降低,上述參數(shù)變化是導(dǎo)致脈動進(jìn)料氣液效率降低的主要原因之一。