【摘 要】水力旋流油水分离器是井下油水分离系统的核心部件。目前旋流分离器在陆上油井已得到广泛的应用，但是这种旋流器组不适应于高产油量的油井，对大流量的海上用旋流器仍处于研发阶段。笔者设计了将多个旋流器并联的井下水力旋流器，根据油井的特征确定了水力旋流器的结构及其尺寸，对旋流油水分离器的内部流场进行数值模拟，选取RNG k-？双方程湍流模型，得到旋流器内部压力分布、速度矢量图、切向、径向、轴向和湍动能的分布规律。在分流比为25%时，得到了所设计的旋流器分离效率较高，能够满足高产油量的需求。
　　【关键词】大流量；井下油水分离器；并联；模拟
　　0 引言
　　井下油水分离系统的分离效率和处理能力与井下水力旋流器的性能直接相关，传统的井下油水分离系统都是配置单级或多级串联形式的井下水力旋流器[1]。为适应陆地或海上油田产液量高的油井，必须配置大公称直径的井下水力旋流器，但水力旋流器的分离效率随着公称直径的增加而下降，传统的旋流器组并不适合高产液量的油井[1]。
　　1 油水分离系统的构成及其设计
　　1.1 井下分离系统构成
　　井下油水分离系统包括产出层、注入层、电潜泵、多相管流和井下油水分离器5个子系统构成。井下油水分离器系统和电潜泵系统是井下油水分离系统最重要的两个部分。井下油水分离系统由水力旋流器组和流体流道组成，原油和电泵增压后的能量在该处分别进行油水分离和能量分配，是保证油水分离正常工作的核心[2-4]。
　　1.2 并联旋流器井下分离装置设计
　　针对井下油水分离器的结构形式和工艺特点数据：所设计的井下旋流器最大外壳直径不得超过210mm，旋流入口处理流量Q=1000m3/d，原油含水率为90%，要求采注比为1：4（即溢流量口流量为Q=200m3/d，底流口下注流量为Q=800m3/d），整个旋流器要求耐压满足35MPa。
　　2 旋流油水分离器的模拟计算
　　2.1 几何模型的建立及网格划分
　　将水力旋流器组的整体流道作为研究对象，用Gambit软件建模，采用结构网格法，选择合适的网格生成网格，局部旋流器组计算模型结构如图2所示。
　　2.2 设定计算条件
　　（1）湍流模型
　　k-epsilon模型中的RNG k-□双方程湍流模型。
　　图2 旋流器组计算模型结构
　　（2）物性条件
　　单项模型介质为水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3 kg/（m.s），两相模型介质为油和水的混合物，主项为水，密度998.2kg/m3，粘度1.003×10-3 kg/（m.s），次项为油，密度为850kg/m3，粘度为3×10-3 kg/（m.s），油滴内径30um。
　　（3）边界条件
　　介质切向进入旋流器，设置入口平面为速度入口VELOCITY-INLET，设置出口平面为压力出口PRESSURE_OUELET。
　　2.3 并联仿真结果及其分析
　　在旋流器的重要部位（旋流入口、旋流出口等）选取六个垂直于旋流器几何轴线（Z轴）的平面，分别为Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600，下文模拟仿真图中line17、line18、line19、line20、line21、line22分别为面在Z=200、Z=30、Z=10、Z=-20、Z=-60、Z=-600处沿半径分布的线。油水两相流下得到压力、速度、湍动能等仿真结果。
　　（1）压力分布
　　如图4所示，旋流器轴截面静压分布图，旋流器旋流口及其以上部位，静压力较大，静压力随着半径的减小而减小；如图5所示，静压沿半径分布曲线图，越靠近旋流器入口处的静压越大，越靠近旋流器底流口静压力越小，静压力随着半径的减小而减小；如图6所示，旋流器入口静压分布图，旋流器内部静压比旋流器流道小。造成静压变化的原因：油水混合物经过增压泵增压后，切向进入旋流器，压力较大，在旋流口以下面，由于旋流器的压降，压力曲线沿Z轴向下而逐渐减小，越靠近底流口，能量损失就越大[5]。
　　（2）速度矢量图
　　如图7所示，七个并联旋流器入口内部流场的速度矢量图，向内旋流器运动的流体速度较小，向上运动，从溢流口排出，向外旋流器运动的流体速度较大，向下运动，从底流口排出。
　　（3）切向速度
　　如图8所示，各截面切向速度沿半径分布曲线，沿半径的方向由外到内，可以将曲线分为三段：靠近旋流器表面的边界层、上升段、中心区域的下降段。切向速度随半径的减小而迅速增大，在某一位置达到最大，而后随着径向位置进一步减小，在靠近中心轴线处随着半径的减小急剧降低。在r=20mm左右的区域，切向速度达到最大。
　　（4）轴向速度
　　如图9所示，各截面轴向速度的变化规律基本相同，沿半径方向向下，速度方向也为下，随半径的减小而减小，再转变为向上的速度，随半径的增大而增大，在旋流器半径的中部通过零点。轴向速度影响到流体在旋流器内的停滞时间，速度太大将会影响到油相颗粒在流场的滞留时间，不利于油水分离。
　　（5）径向速度
　　如图10所示，可以看出相对于切向速度和轴向速度，径向速度分布规律相对复杂，而且比切线速度和轴向速度小得多，随着半径的变化，径向速度没有明显的规律，难以测定，轴心等一些区域，径向速度为0，在轴心处径向速度梯度较大，随着半径的增大而快速降低，这说明在各个旋流器中心附近产生的内旋流场是分离的有效区域。
　　图10 径向速度沿半径分布曲线
　　3 分离效率
　　分流比在25%时，如表1和表2所示，旋流器组分离数据，旋流器组在不同出口处油水混合、油和水的流量。 　　根据表1和表2给定的数据，得到分流效率：
　　η=溢流口油流量/（溢流口油流量+底流口油流量）×100%
　　=0.907/（0.907+0.026）×100%=97.21%
　　可以得到，所设计的并联旋流器的分离效率和处理能力较高，能够满足海上用大流量油水分离的需求。
　　4 结论与展望
　　4.1 设计了并联结构的旋流油水分离器系统的结构，根据井下油井的特征确定了水力旋流器的结构尺寸。
　　4.2 对旋流油水分离器的内部流场进行数值模拟，结果表明，静压力随着半径的减小而减小，切向速度随半径的减小而迅速增大，在靠近中心轴线处随着半径的减小急剧降低，轴向速度，先随半径的减小而减小，再随半径的增大而增大，径向速度没有明显的规律，靠近旋流器器壁的边界处的湍动能值比旋流器的内部区域大等规律。
　　4.3 根据溢流口和底流口的模拟数据，计算得到旋流器的分离效率，分析得到所设计的并联旋流器分离效率高、处理能力强等优点。
　　4.4 国外海上用大流量井下油水分离系统已进入应用阶段，而国内旋流器的研究仍处于起步阶段，还有许多具体的工作需要进一步研究、探索和开发。今后的研究工作中，要对海上用旋流器的结构和加工方面进一步的完善、通过仿真处理进一步优化设计，提高旋流器的分离效率和处理能力。