楊風(fēng)斌,楊雯雅,蒿秋軍,張金利,胡志剛,于洪鑒

(1.中國石化勝利油田分公司 孤東采油廠,山東 東營 257237;2.齊魯理工學(xué)院 智能制造與控制工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250200;3.勝利油田注汽技術(shù)服務(wù)中心 孤島注汽項(xiàng)目部,山東 東營 257100;4.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院,山東 青島 266580)

采油廠采出液首先進(jìn)入初分離罐將水和原油進(jìn)行分離,所得原油和水分別進(jìn)入油罐和污水罐。由于采出液含有砂子等固體顆粒物,因此會在油罐和污水罐中沉積形成油砂。罐內(nèi)的油砂因?yàn)槌练e而不易排出,會影響采油廠的效率,造成浪費(fèi)[1]。因?yàn)榕拍噙^程沒有引入對罐底沉積物的探測,所以排泥過程仍然存在著排泥效率低下的問題,很大程度上限制了排泥的效果。亟需一種更加智能、更加高效的排泥分析方法。

關(guān)于罐底沉積物探測技術(shù),有多種常用方法可供選擇,包括激光沉積物掃描技術(shù)、側(cè)掃聲吶法、多波束測深法、單波束測深法以及無人船海底沉積物測量法。這些方法在各自的領(lǐng)域都具有一定的應(yīng)用價值,為罐底沉積物探測技術(shù)的研究與發(fā)展提供了多元化的方向[2]。作為現(xiàn)代光學(xué)遙感儀器,激光沉積物掃描技術(shù)將現(xiàn)代激光技術(shù)與傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)相融合。通過激光掃描,它能對目標(biāo)進(jìn)行高精度測量,進(jìn)而獲取三維數(shù)據(jù),如線、面、體和空間信息。得益于探測束波長的減小和定向性的提升,該技術(shù)具有高精度探測方面較為顯著的優(yōu)勢[3]。自20世紀(jì)80年代起,我國就開始投入激光水下沉積物探測系統(tǒng)的研究與開發(fā)。在“八五”計(jì)劃期間,華中科技大學(xué)成功研制了國內(nèi)首套機(jī)載激光水下沉積物探測試驗(yàn)系統(tǒng)。此外,機(jī)載激光掃描系統(tǒng)在水下地貌測繪和制圖領(lǐng)域也逐步取得了進(jìn)展。要實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光測深系統(tǒng)這一多技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng),需要在多個方面突破解決技術(shù)難題。這包括研發(fā)高性能的硬件系統(tǒng),研究以全波形數(shù)據(jù)處理為核心的算法,以及探索多光譜等創(chuàng)新技術(shù)和方法。

該技術(shù)屬于國際上較為前沿的地形地貌探測技術(shù),測量精度高,但距離其應(yīng)用落地還有一定距離,很難將該技術(shù)遷移至罐底沉積物探測中來[4]。

側(cè)掃聲吶法是利用聲吶發(fā)射裝置向待探測水域發(fā)射聲波信號,當(dāng)聲波遇到障礙物發(fā)生散射時,通過接收散射返回聲波信號進(jìn)而確定水域地貌信息的一種測量方式。側(cè)掃聲吶對水域進(jìn)行探測的過程中易受到水中雜質(zhì)以及環(huán)境噪聲等不可控因素的影響,使得采集到的數(shù)據(jù)存在漂移點(diǎn),不能準(zhǔn)確反映水下地貌信息,同時,聲波散射信號除了與油罐內(nèi)介質(zhì)以及水域中障礙物相關(guān),還與待探測表面的反射角、聲波吸納能力等因素相關(guān),使得側(cè)掃聲吶技術(shù)在罐底油泥探測領(lǐng)域的應(yīng)用存在困難,所以本項(xiàng)目不采用側(cè)掃聲吶進(jìn)行罐底沉積物探測[5]。

采用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行罐底沉積物探測,其優(yōu)點(diǎn)是能對探測位置進(jìn)行精確定位,給出坐標(biāo)位置及頂端標(biāo)高,并對周邊的罐底狀況進(jìn)行展示,對罐內(nèi)一些管路目標(biāo)分辨清晰;缺點(diǎn)是多波束覆蓋寬度與深度有關(guān),對于深度淺的液體效果一般,且對已經(jīng)淤平罐內(nèi)管線目標(biāo)沒有探測能力。對于本項(xiàng)目而言,儲罐油泥深度較淺,采用該探測方案不能發(fā)揮探測系統(tǒng)的優(yōu)勢,同時發(fā)射功率較大,對于油田環(huán)境適應(yīng)性差,所以不采用該探測技術(shù)進(jìn)行沉積物探測[6]。

扇掃聲吶包括多種聲吶類型,其中使用最廣泛的是單波束前視聲吶,在一次收發(fā)過程中,聲吶只能觀測到該波束所覆蓋的空間范圍。因此,單波束前視聲吶在探測目標(biāo)時具有一定的局限性。若要對特定區(qū)域進(jìn)行探測,需要采用外力驅(qū)動的方式旋轉(zhuǎn)聲吶發(fā)射裝置以及基陣,以搜索并覆蓋整個目標(biāo)區(qū)域[7]。

單波束聲吶數(shù)字化程度高、成像清晰,與多波束聲吶相比,具有體積小、成本低、便于安裝、可應(yīng)用到小型化的平臺上去的優(yōu)勢;同時在同等時間內(nèi),其掃描范圍較多波束聲吶更為集中,功耗更低,能滿足油田安全使用的原則[8]。聲吶探測對比如圖1所示。

圖1 聲吶探測對比圖

單波束測量設(shè)備擁有高度便攜性,能夠很容易部署于多種測量平臺上,內(nèi)置存儲卡,數(shù)據(jù)可自動儲存或者實(shí)時導(dǎo)出,兼容主流數(shù)據(jù)處理軟件。

目前沉積探測器多在海洋、湖泊等開放空間應(yīng)用,但是在采出水罐這種密閉空間還沒有應(yīng)用,這很大程度上限制水罐沉積規(guī)律的探索工作。并且罐底部高度不平、雜質(zhì)較多,探測器發(fā)射的聲波會在罐底和罐壁多次反射,影響罐底探測的精度。因此,基于以上種種因素,采取對罐底分區(qū)進(jìn)行多次測量的方法,研究聲波在罐底和罐壁反射和干涉的規(guī)律,通過研究相應(yīng)的算法去除雜余的信號,獲取罐底三維深度信息,利用所制定的三維深度信息探測方案得到罐底沉積物分布情況,從而確保探測精準(zhǔn)的準(zhǔn)確性[9]。并且在探測設(shè)備選型時,還應(yīng)考慮選擇具有防爆功能的探測裝置,保證設(shè)備防爆。綜上所述本項(xiàng)目主要采用單波束聲吶設(shè)備作為罐底沉積物探測的主要設(shè)備。

1 理論分析

針對勝利油田孤東采油廠的實(shí)地情況,選擇污水緩沖罐作為數(shù)值仿真對象進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真,通過現(xiàn)場圖紙對污水緩沖罐進(jìn)行三維建模,首先對于罐體及其內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行完全建模, 為了便于分析、降低工作負(fù)擔(dān)并確保計(jì)算準(zhǔn)確性,需要在實(shí)際沉降結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化。具體措施如下:

1)省略罐體中某些不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)和設(shè)備,例如支撐架、油水集合槽、加熱管線、油罐、沖洗管、泥沙匯集坑以及一些輔助設(shè)施(如換氣閥和清洗孔)等;

2)將罐內(nèi)壓視為常壓,忽略外部環(huán)境溫度的波動;

3)假定罐內(nèi)僅存在油泥砂和水兩種相,且充滿整個罐體內(nèi)部;

4)假定分散相油滴的尺寸均勻一致。

假設(shè)進(jìn)水管的流速保持穩(wěn)定,不受波動影響。本研究關(guān)注的是油、水和泥沙三相混合物,屬于典型的液-液-固三相流問題。在解決多相流問題時,歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法是兩種常見的計(jì)算求解手段。針對不同流體介質(zhì)的數(shù)值模擬仿真,兩種計(jì)算求解方案均有其優(yōu)缺點(diǎn):歐拉-拉格朗日方法主要針對離散介質(zhì)進(jìn)行分析,而歐拉-歐拉方法則將流域中介質(zhì)視為連續(xù)項(xiàng)進(jìn)行分析?；谘芯繉ο笾懈鞒煞值谋壤约把芯磕繕?biāo),最終選擇歐拉-歐拉模型中的混合物模型作為數(shù)值計(jì)算方法[10]。

混合物模型的基本控制方程包括以下三個方程。

連續(xù)性方程:

αk——第k相的體積分?jǐn)?shù);

n——為相數(shù)。

動量方程:

式中:p——壓力面值;

能量方程:

=▽?(keff▽T)+SE

keff=∑αk(kk+kt)

式中:kt——湍流導(dǎo)熱系數(shù),由湍流模型確定;

kk——層流導(dǎo)熱系數(shù);

▽?(keff▽T)——由熱傳導(dǎo)引起的能量傳遞;

hk——第k相的顯焓;

SE——所有體積熱源。

選取RNGk-ε混合物兩相流模型為物理場接口條件,進(jìn)行仿真研究,其表達(dá)式如下:

=▽?[-pl+K]-▽?Km+Fm+ρg+F

式中:K=(μ+μT)(▽j+(▽j)T)——黏性應(yīng)力;

ρ=ρdφd+ρc(1-φd)——濃度;

φd=phid——分散相的體積分?jǐn)?shù);

j——混合物的速度場;

ρd——分散相濃度;

ρc——連續(xù)相濃度;

jslip——滑移通量;

F——體積力;

Fm——體積力傳遞系數(shù);

g——重力加速度;

mdc——從分散相到連續(xù)相的質(zhì)量傳遞;

μ——動力黏度;

Pk——湍流動能源相;

uslip——平方滑移速度;

Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1,σε=1.3,σT=0.35,Cμ=

0.09——湍流模型參數(shù)。

2 淹沒水射流數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

本內(nèi)構(gòu)件的三維模型是基于真實(shí)三維模型的結(jié)構(gòu)對排水管在內(nèi)構(gòu)件錐形罩開孔接管的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化得到的內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu),在保證了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果在錐形罩區(qū)域的擾流現(xiàn)象出現(xiàn)的前提下,避免了焊縫區(qū)域出現(xiàn)的尖點(diǎn)和零體積區(qū)域的問題,簡化了計(jì)算步驟、節(jié)省了計(jì)算資源、顯著降低了計(jì)算時間以及保證了數(shù)值模擬仿真的收斂性。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模型計(jì)算的基礎(chǔ),進(jìn)行CFD仿真的過程中網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度對于計(jì)算結(jié)果有著明顯的影響,一般來說數(shù)值模擬仿真的精度與網(wǎng)格密度成正比關(guān)系。ANSYS ICEM CFD 有著強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能,可進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格編輯等功能。本文采用ICEM進(jìn)行數(shù)值模型的建立與網(wǎng)格劃分。通過建立罐內(nèi)內(nèi)構(gòu)件的三維模型與水體模型進(jìn)行布爾相減運(yùn)算,得到污水沉降罐的水體模型,通過上述的簡化可以做到在水體中不存在零體積區(qū)域與不連續(xù)區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)高精度網(wǎng)格的劃分[11]。結(jié)合各個水體部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分割五部分part進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對于管內(nèi)流動的圓柱體采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,實(shí)現(xiàn)較快的劃分速度得到較為精準(zhǔn)的四面體網(wǎng)格,對于污水沉降罐中錐體部分是罐中最復(fù)雜的部分,利用高密度三角形網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分,使得計(jì)算在此區(qū)域中具有較高的準(zhǔn)確性,對污水沉降罐其余部分由于其空間尺度相對于進(jìn)出水管部分較大,流體分布變化較為平緩故采用較為大尺度的四面體與三角形網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在保證計(jì)算精度的前提下盡可能節(jié)省計(jì)算資源,提高計(jì)算效率。這是一種對于工程大尺度數(shù)值模擬仿真常用的一種計(jì)算方式。

幾何模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 幾何模型網(wǎng)格劃分圖

2.3 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

在對罐內(nèi)的油砂進(jìn)行射流沖擊作業(yè)的過程中,初始條件通常表現(xiàn)為:水與油泥砂兩種組分在沉降罐中有明確的分界面,油泥砂由于其密度較大沉積于罐底,水相填充在油泥砂上部。設(shè)置主項(xiàng)為水,次項(xiàng)為油。噴嘴出口作為流場入口,入口邊界條件定義為速度入口;出口定義為自由出口;噴嘴及壁面邊界條件設(shè)置為墻體邊界條件。本文所研究的水和油砂均為不可壓縮流體[12]。選用收斂性好精度高的壓力基求解器(Pressure-based);罐內(nèi)流動為各向同性湍流,湍流域采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行計(jì)算;由于該模型是為了模擬流場內(nèi)部水對油砂的沖擊情況,存在水相和油砂相的相互作用及分流,在多相流模型中,Eulerian可用于模型中的每一項(xiàng),故本模型采用Eulerian模型;控制方程的離散方法采用有限容積法,擴(kuò)散相和流相分別采用一階迎風(fēng)差分格式和延遲修正的差分式離散,速度壓力耦合采用壓力修正法求解[13]。

2.4 仿真結(jié)果

通過對污水沉降罐的排水管直徑、位置、數(shù)量進(jìn)行Fluent流場仿真,現(xiàn)對于Fluent模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

流場發(fā)展初期罐內(nèi)流體靜止分布,由進(jìn)水口進(jìn)入油水混相物質(zhì),與靜止流體接觸產(chǎn)生剪切力,帶動靜止流體一起運(yùn)動,在高速流體附近的流體速度較高,產(chǎn)生局部低壓,流域中的其他液體向其中補(bǔ)充。在速度梯度與壓力梯度的雙重影響下,在高速流體兩側(cè)產(chǎn)生渦旋。但是由于,污水沉降罐的進(jìn)水位置于中心圓柱底部,通過圓柱體的緩沖作用,在圓柱體的上端進(jìn)入罐內(nèi)時,只在污水沉降罐頂部存在較大的渦流攪動現(xiàn)象,并且由于污水沉降罐的大空間尺度的特點(diǎn),對于罐底的油泥砂影響較小。故罐底油泥砂只在排水管出口的部分影響較大,并且由于罐內(nèi)錐形罩的阻礙作用,在錐形罩的部分存在小范圍的擾流攪動作用故油泥砂在錐形罩部分存在攪動現(xiàn)象。現(xiàn)通過對上述情況的Fluent數(shù)值模擬進(jìn)行分析。

2.4.1 原污水沉降罐的Fluent數(shù)值模擬

試驗(yàn)水罐為2 000 m3沉降罐,進(jìn)出口流量為1 600 m3/h,排泥時間30 min,進(jìn)口壓力0.6～0.65 MPa,油泥厚度2.7 m。進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真,實(shí)際排砂時間5～30 min仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同排沙時間的相分布圖

在仿真結(jié)果中上部及內(nèi)部深色表示進(jìn)液采出水,灰色表示罐內(nèi)上層采出水,下部深色表示罐底油泥。 不同時間段的油泥分布情況,已用于目前指導(dǎo)沉積及排泥規(guī)律的研究 。

從仿真結(jié)果可以看出,沉降罐采用中央進(jìn)液的方式,對罐內(nèi)沉積物及整體的液態(tài)擾動較小。排泥區(qū)域集中在倒錐體下方,未安裝排泥口一側(cè)相比于另一側(cè)排泥量更少,與實(shí)際結(jié)果吻合。通過對比上述圖片,觀察到在排泥結(jié)束后,中心圓錐罩內(nèi)部仍然殘余較多油泥,并且由于油泥黏度較高,存在對圓錐罩內(nèi)壁黏附的現(xiàn)象,綜上所述,原污水沉降罐結(jié)構(gòu)對于罐底的油泥砂的影響較小,并且由于其較為復(fù)雜的內(nèi)構(gòu)件,導(dǎo)致罐底油泥砂排出效果較差。

2.4.2 雙開口排水管污水沉降罐Fluent數(shù)值模擬

試驗(yàn)水罐為2 000 m3沉降罐,進(jìn)出口流量為1 600 m3/h,排泥時間30 min,進(jìn)口壓力0.6～0.65 MPa,油泥厚度2.7 m。進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真,實(shí)際排砂時間5～30 min仿真結(jié)果如圖5所示。通過增加排水管數(shù)量之后,可以觀察到相較于單排水管的情況,排水管對側(cè)的油泥砂沉積現(xiàn)象得到明顯改善,并且雙側(cè)排水管的設(shè)計(jì),對污水沉降罐罐底沉積油泥砂上層可流動部分的排出效果得到了明顯的改善。并且,相較于單側(cè)排水的情況,罐內(nèi)錐形罩內(nèi)部由于高黏度油泥砂的黏附作用也得到了明顯解決,故雙側(cè)排水的設(shè)計(jì)對于污水沉降罐的排泥存在明顯的優(yōu)化作用。但是,由于雙側(cè)排水的結(jié)構(gòu)需要改變污水沉降罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu),會產(chǎn)生較大的人力物力消耗;同時,雙開口對于罐底水域的攪動較大,在罐底產(chǎn)生較為紊亂的流場,使得罐底油泥分布產(chǎn)生擾動,對上層清液的分布產(chǎn)生影響[14]。

圖5 雙向開口不同排沙時間的相分布圖

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對照

檢測設(shè)備為智匯ZH200單波束測深儀(大小功率各一個),換能器頻率200 kHz測深量程0.4～200 m,測深精度1 cm±0.1%×水深。應(yīng)用此聲吶檢測設(shè)備采集污水緩沖罐排砂前后測深數(shù)據(jù),可得排砂作業(yè)后罐內(nèi)油泥砂分布及罐內(nèi)油泥砂高度變化趨勢,其分析如圖6、圖7所示。

圖6 聲吶探測罐內(nèi)油泥砂分布情況

圖7 數(shù)值模擬罐內(nèi)油泥砂分布情況

由圖像的聲吶探測和數(shù)值模擬方針結(jié)果進(jìn)行對照可知,在雙向開口的排砂的情況下聲吶探測結(jié)果與Fluent數(shù)值模擬結(jié)果的油泥砂分布情況基本一致,在排砂后罐內(nèi)仍然存在3.5 m左右的油泥砂殘余,并且由于罐內(nèi)排砂的流場攪動效果,罐底油泥砂的分布為高低不均勻狀態(tài)。此結(jié)果證明本數(shù)值模擬仿真結(jié)果與實(shí)際排砂狀況基本一致,對于罐內(nèi)排砂結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有良好的參考價值。

4 結(jié)論

本文主要進(jìn)行了不同工況下污水沉降罐的Fluent數(shù)值模擬仿真,根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置在Soliworks建立三維模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的步驟,保證了數(shù)值仿真的真實(shí)性和準(zhǔn)確性,進(jìn)行了邊界條件的設(shè)置:入口處為速度入口、出口為自由壓力出流、邊界設(shè)置為靜止壁面,進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1)經(jīng)過聲吶探測儀探測和Fluent數(shù)值模擬仿真對比,在排泥結(jié)束后,經(jīng)過沉降,油泥的厚度在罐內(nèi)基本保持均勻分布,該結(jié)果與實(shí)際吻合。該結(jié)果從側(cè)面驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,可以為優(yōu)化水罐結(jié)構(gòu)提供良好的條件。

2)并且對于數(shù)值仿真過程進(jìn)行了分析,討論了原本結(jié)構(gòu)、加大排水管直徑情況下的流場發(fā)展情況,提出了污水沉降罐排砂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案,并且論證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及合理性。對實(shí)際裝置的優(yōu)化方案具有指導(dǎo)意義。

3)通過本研究針對現(xiàn)場進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬仿真得到罐內(nèi)油泥沉積變化規(guī)律,得到在沉降罐工作的不同時刻罐底沉積物的變化情況,能夠指導(dǎo)現(xiàn)場工人根據(jù)現(xiàn)場油泥分布情況定時定量進(jìn)行排泥作業(yè),通過很大程度上提高現(xiàn)場排泥效率。