含砂稠油卧式分离器数值模拟*

敬加强 程原招 张世坚 单雨婷 黎登辉 杨 航 石运亮

(1.西南石油大学石油与天然气工程学院 2.油气消防四川省重点实验室 3.中国西南油气田燃气分公司)

0 引 言

近年来，随着我国经济进入快速发展阶段，国际形势出现百年未有之大变局，能源安全对我国实现伟大复兴极其重要[1]。石油资源是能源构成中不可或缺的一部分，但是我国大多数陆上常规油田已经进入了石油开采中后期，海上稠油热采迎来了新的发展机遇。

稠油开采过程中，井底附近地层被破坏，使得砂粒随着稠油一起流入井筒[2]。原油携砂可能导致集输工艺管道及设备存在砂沉积[3]、砂冲蚀[4-6]及腐蚀[7]风险，严重时不仅造成管道及设备堵塞，还会引起清管器卡堵甚至控制阀门失效[8-9]，从长远来看，可能导致企业停产、增加运营维护成本、危害环境等后果。此外，热采注入蒸汽，使稠油含水体积分数逐年增加，有时含水体积分数甚至高达90%以上[10-11]。若不脱出稠油中的水分，会给稠油生产输运及炼化过程带来极大危害。因此在海洋平台上有必要使油水初步分离，且在油水分离的时间内尽量让砂粒沉积在分离器内并定期排出，从而减少对分离器后面的管道和设备的危害，提高海洋平台稠油开采效率。

重力式分离器结构简单、操作方便、运行稳定且维护费用低，是目前油田上应用最广泛的油水分离工艺设备之一。多相流理论和计算技术的迅速发展极大地推动了分离器的理论研究,人们已经利用计算机对分离器的流场进行数值模拟。目前对分离器的数值研究较广泛,但多是对不同构件下的流场模拟研究[12-14]，缺少分析含砂稠油卧式分离器中颗粒的沉积率对分离器分离效率的影响，因此，笔者借助流体计算动力学(CFD)软件Fluent对含砂稠油卧式分离器内部流场进行分析，数值模拟得到了分离器内的砂粒运动轨迹、油水分布情况及不同粒径的砂粒质量分数变化，并进一步探索了入口速度、稠油黏度和含砂质量分数等操作参数对分离性能的影响。研究结果可为稠油除砂分析中砂粒尺寸控制和分离器现场作业提供理论支撑。

1 数值模拟方法

1.1 卧式分离器物理模型的建立

卧式重力分离器主要利用重力对油水混合物进行分离。进行分离器三维流场模拟时，对分离器的内部结构进行了适当简化，内部只保留了入口挡板和溢流板。根据某油田提供的资料，使用Solid Works 软件绘制卧式分离器的三维物理模型，如图1所示。其中实际流动区域是直径3.8 m，长12.6 m的圆柱体以及长短半径分别为1.9和1.0 m 的两个半椭球封头组成的空间，进出口直径均为0.3 m,溢流板高度2.6 m,入口挡板为边长1.5 m的正方形。

图1 卧式分离器三维物理模型

1.2 控制方程和湍流模型

不考虑温度对两相分离器内油水两相流动过程的影响，采用VOF两相流模型模拟两相分离器内的油水两相流动和分离过程。VOF模型是建立在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法，两种或者多种流体(相)在互不相融的流体交界面时可以采用这种模型。在单元中，若第q相流体体积分数为a，存在以下三种情况：①a=0,单元格内不存在第q相流体；②a=1,单元格内充满了第q相流体；③0

油水两相混合物在三相分离器内做中等强度的旋转流动，具有各向异性，因此研究中常选用RNG湍流模型。该模型在标准湍流模型基础上修正了湍动黏度，在一定程度上考虑了湍流各向异性效应，因此可以考虑湍流弯曲、旋转流动以及流动分离等过程。湍动能k和湍动能耗散率ε的输运方程如下：

(1)

(2)

式中：ρm为油水混合物密度，u为油水混合物的速度，μ为油水混合物的动力黏度，σk、σε、C1和C2均为模型常数。

1.3 边界条件及求解设置

边界条件包括入口条件、壁面条件和出口条件。入口采用 Velocity-inlet，以控制流量的方式对入口处流体进行控制；壁面采用绝热、无滑移壁面；出口采用自由出口。经式(1)和式(2)计算，进出口湍流强度设置为3%，水力直径0.3 m。求解设置中湍流模型的近壁面采用标准壁面函数，压力和速度耦合采用 SIMPLE算法，压力的离散方式为Standard 形式; 动量、湍动能和湍动能耗散率均采用二阶迎风格式。

油分离效率可以通过统计进出分离器油出口的混合液和稠油的质量关系得到，即有：

(3)

式中：w为分离器分离效率，m1为油出口中油的质量，m2为油出口总质量。

砂沉积率可以通过统计进入分离器和离开分离器的颗粒数目之间的关系得到，即有：

(4)

式中：γ为砂沉积率，n1为分离器入口砂粒数目，n2为分离器水出口砂粒数目，n3为分离器油出口砂粒数目。

1.4 网格无关性验证

为了确定计算所用的网格数量，要进行网格无关性验证，在不影响计算精度的前提下，尽可能减少网格数量。通过改变全局网格尺寸，得到不同网格数量的流场计算模型。将不同网格数目作为自变量，分离器分离效率作为因变量，其他设置不变，得到如图2所示的网格无关性验证曲线。

图2 网格无关性验证曲线

由图2可以看出，当网格数量在3.6×104左右时，卧式分离器的分离效率不再随网格数目的变化而变化。因此取模型网格数量为3.6×104作为计算网格。

2 结果与分析

2.1 内部流场分析

根据某油田提供的数据，该分离器的最大液体处理能力如下：水流量498 m3/h、油流量92 m3/h；油密度940 kg/m3，黏度300 mPa·s；水密度998 kg/m3，黏度1 mPa·s。颗粒直径符合Rosin-Rammler粒径分布规律，且主要集中在50～150 μm,颗粒质量流量为液体处理量的0.05%，经计算，分离器入口最大速度为2.2 m/s，含油体积分数为15.5%，颗粒速度和油液一致，按以上数据设置模拟条件进行流场分析。

不同粒径颗粒轨迹云图如图3所示。从颗粒的轨迹可以看出，在分离器入口挡板附近流动比较紊乱且有中等旋转流场产生，在入口挡板以后颗粒的运动轨迹比较平稳。油水混合液触碰到入口挡板后在此面上有部分回流，使油水、砂粒在分离器内停留时间延长，提高油水分离效率，形成的局部旋转流场产生离心力加速油水分离，并且旋转流场形成的中心低压是油相顺利排出的主要因素。

图3 不同粒径颗粒轨迹云图

分离器内沉积砂的粒径分布情况如图4所示。比较进口和分离器底面的砂粒质量分数变化可以看出，在砂粒粒径小于110 μm时，分离器底面各种粒径砂粒质量分数小于进口各种粒径砂粒质量分数，说明砂粒在小于110 μm时，砂粒没有沉积在分离器内；当砂粒粒径大于110 μm时，分离器底面各种粒径砂粒质量分数大于进口各种粒径砂粒质量分数，说明砂粒粒径在大于110 μm时，砂粒沉积在分离器内，且随着砂粒粒径的增大，该粒径砂质量分数增加的幅度逐渐增大；砂粒在分离器内的迁移速度主要受油水混合液速度影响，同时砂粒粒径越大，砂粒的质量越大，在同一个重力场下，受到的重力越大，因此粒径越大的颗粒迁移速度衰减的越快，越容易在分离器内沉积下来。

图4 分离器内沉积砂的粒径分布

油水两相因密度差异在分离器内部出现了明显的分层，油分布于上层[15-16]且油层和水层在各自区域都达到了体积分数的最大值1，表明该区域内全部是水或油。分离器纵截面油水两相分布如图5所示。图5中，红色代表油，蓝色代表水，在溢流板左侧的油水混合区域，油受到浮力作用缓慢上升，水的密度比油大同时被溢流板分割在油室之外，使油水分离分层。

图5 分离器纵截面油水两相分布云图

图6为分离器内不同横截面的油水两相分布云图，其中图6a是距离分离器入口0.2 m处的横截面，图6b是入口挡板处的横截面，图6c为距离入口2 m处的横截面，图6d为距离入口7 m处的横截面，图6e、图6f分别代表分离器水出口和油出口的横截面。通过图6可以很直观地看到油水混合液从进入分离器到离开分离器(即从图6a位置到图6f位置)，油水两相的混合程度逐渐降低，油水两相分离的程度越来越大。距离入口较远的地方，如图6e、图6f位置，油水混合液的速度已经衰减超过50%，在相同距离内油水分离的时间较图6a、图6b位置的更长，所以分离器内越远离入口的地方，油水分离的程度更高，如图6f位置油水分离程度远高于图6a位置，说明在相同情况下，分离器越大，分离效果越好。

图6 不同位置横截面油水两相分布对比图

2.2 入口速度的影响

设置油水混合液含油体积分数为15.5%，油密度为940 kg/m3，油黏度为300 mPa·s，水的密度为998 kg/m3，水的黏度为1 mPa·s，颗粒质量流量为油水混合液的0.05%，颗粒直径为50～150 μm,颗粒速度和油液保持一致。数值模拟不同入口速度(v=0.6、1.0、1.4、1.8和2.2 m/s)与卧式分离器油出口含油体积分数和砂沉积率的变化关系，结果如图7所示。

图7 入口速度与油出口含油体积分数和砂沉积率的变化关系

由图7可得，砂沉积率随着入口速度的增大缓慢减小，速度越大砂粒在分离器内停留的时间越短，发生沉积的可能性就越小，砂粒越容易从分离器逃至输油管线或其他设备，导致管线堵塞、设备堵塞或冲蚀等不良反应，降低生产效益；同时分离器内的油出口含油体积分数随着速度的增大逐渐减小，这表明在入口速度大于1 m/s时油出口含油体积分数迅速减小至37.7%，而在速度小于等于1 m/s时油出口含油体积分数高达90%以上。不同入口速度纵截面油水两相分布云图如图8所示。由图8可得，随着入口速度的减小，分离器油出口云图中红色逐渐占满整个出油管，这表明出口含油体积分数逐渐增大。

图8 不同入口速度下纵截面油水两相分布云图

油水在分离器内分层需要一定的时间[17-19]，如果入口速度过快，油水还没来得及分离就被带出分离器，导致分离效率降低。入口速度越低，油水分离的时间越长，油水分离更充分。因此在满足生产需要的条件下，为了降低原油中的含水体积分数，进入分离器的速度应控制在1 m/s以下。综上所述，入口速度与砂沉积率和油出口含油体积分数成反比，且油出口含油体积分数受到的影响更明显。

2.3 油黏度的影响

设置油水混合液含油体积分数为15.5%，油密度为940 kg/m3，水密度为998 kg/m3，水黏度为1 mPa·s，颗粒质量流量为油水混合液的0.05%，颗粒直径为50～150 μm,颗粒速度和油水混合液速度均为2.2 m/s。数值模拟得到不同稠油黏度(μ=100、150、200、250和300 mPa·s)下卧式分离器油出口含油体积分数及砂沉积率的变化关系，如图9所示。

图9 稠油黏度与油出口含油体积分数和砂沉积率的变化关系

从图9可以看出，在稠油黏度为100 mPa·s时，油出口含油体积分数达最高(37.5%)，砂沉积率至最小(53.4%)，在稠油黏度为300 mPa·s时，油出口含油体积分数降至最低(32.3%)，此时砂沉积率高达70.36%。随着稠油黏度的增加，油出口含油体积分数逐渐减小，但总体减小幅度不大。稠油的黏度越大，稠油从油水混合液中上浮，受到的摩擦阻力和剪切应力越大[20]，颗粒在分离器内存在汇集成团的现象，并且稠油黏度越大，稠油越容易吸附在砂粒周围形成团状聚合物，团状物的重力较大，不容易在油水混合液中上浮，所以分离效率和稠油黏度成反比。不同稠油黏度下纵截面油水两相分布云图如图10所示。由图10可以看出，随着稠油黏度的增加，分离器油出口云图中蓝色占比以微小的变化增加，这表明油出口含油体积分数在减少，分离器分离效率降低。

图10 不同稠油黏度下纵截面油水两相分布云图

稠油黏度越大，稠油越容易被吸附在砂粒周围形成团状聚合物，该团状物所受的重力更大，这相当于砂粒的直径和质量均增大，显然这样的砂粒更容易沉积。

2.4 含砂质量分数的影响

设置油水混合液含油质量分数为15.5%，油密度为940 kg/m3，黏度为300 mPa·s；水密度为998 kg/m3，黏度1 mPa·s；颗粒直径为50～150 μm,颗粒速度和油水混合液速度均为2.2 m/s。数值模拟得到了不同含砂质量分数(w=0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%)下卧式分离器油出口含油体积分数和砂沉积率的变化关系，如图11所示。

不同含砂质量分数下纵截面油水两相分布云图如图12所示。由图11和图12可得：随着含砂质量分数的增加，砂粒的沉积率逐渐增大，分离器的分离效率逐渐减小，说明含砂质量分数与砂沉积率成正比，与分离效率成反比；含砂质量分数增加，表示进入分离器的砂粒增多，入口速度不变，分离器的处理量不变，则单位体积内的砂粒增多，相当于单位体积内的油水混合液“密度”增加，砂粒与砂粒之间更容易靠稠油聚在一起抱团，使砂粒更易沉积在分离器内部，同时降低分离效率；含砂质量分数增加，油水混合液中的砂粒数目增加，这提高了稠油被砂粒吸附在其周围的概率，使得吸附在砂粒周围的稠油难以上浮，从而降低了分离器的分离效率。

图11 含砂质量分数与油出口含油体积分数及砂沉积率的变化关系

图12 不同含砂质量分数下纵截面油水两相分布云图

3 砂粒沉积试验验证

由于试验条件限制，采用分液漏斗代替重力分离器，砂粒在分液漏斗内沉降。用粒径为150 μm的砂粒配置含砂质量分数为0.25%的含砂稠油5 mL共3组，试验采用100#工业白油作为模拟油，模拟油温度为15.3 ℃，密度为883.23 kg/m3，黏度为300 mPa·s。

利用D.J.ZIGRANG等[21]的沉降速度公式计算出砂粒在白油中的沉降速度，由含砂质量分数0.25%的数值模拟时间为30 min，计算出需要的白油液柱高度。在分液漏斗上部放入配置好的5 mL含砂白油，达到沉降时间后在装置底部放出5 mL白油,在离心机内分离油砂，用蠕动泵吸出砂粒，最后用电热鼓风干燥箱烘干砂粒表面白油，用高精度天平(可精确到0.000 1 g)称量砂粒的质量。试验装置如图13所示。经天平称量后计算结果如表1所示。

图13 试验装置

表1 砂沉积率计算结果

由表1可得三次试验条件下的砂粒沉积率分别为85.1%、81.6%和86.9%，与含砂质量分数在0.25%时的数值模拟结果(83.2%)很接近，由此验证了上述数值模拟结果的准确性。

4 结 论

(1)数值模拟结果表明，分离器可以在入口挡板周围形成中等强度的旋转流场，有利于油水分离；分离器内砂粒粒径小于110 μm，砂粒不容易沉积在分离器内，粒径大于110 μm后砂粒发生沉积的可能性逐渐增大。

(2)当分离器入口速度大于1 m/s时，分离器的油水分离效率显著下降，砂沉积率逐渐降低；稠油的动力黏度越大，油滴上浮受到的摩擦力和剪切应力越大，上浮速度越慢，分离效率降低，可以通过加热来降低稠油的动力黏度，提高分离效率；分离效率随着含砂质量分数的增大而逐渐降低，而砂粒的沉积率与含砂质量分数成正比。

(3)稠油被吸附在砂粒的周围而形成聚合团状物，降低了油滴的上浮速度，从而降低了分离器的分离效率。