基于CFD的旋流器油水分离仿真研究

２０１Ｉ在　第４Ｏ卷　石油矿　场机械　第２期　第２４页　ｏＩＬ　ＦＩＥＬＤ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　２０１１，４０（２）：２４～２７　文章编号：１Ｏ０卜３４８２（２０１１）０２—００２４—０４　基于ＣＦＤ的旋流器油水分离仿真研究　魏培静，严小妮，田凤仙　（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡７２１００２）　摘要：旋流器是对油田采出液进行油水分离的重要设备，旋流腔流场特性是研究其分离能力的重要　依据，但是通过试验的方式无法全面地揭示其流场性质。应用ＣＦＤ技术对其流场特性进行了研　究，借助于计算机仿真技术，对旋流器油水分离过程进行了数值模拟，得到了旋流腔内压力、速度、　含油体积百分数等物理量的变化规律。通过计算机仿真的方法对旋流器结构进行优化，既节约成　本，又缩短了新产品的开发周期。　关键词：旋流器；油水分离；计算流体动力学（ＣＦＤ）；仿真；分离性能　中图分类号：ＴＥ９３１．１　文献标识码：Ａ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ　Ｗａｔｅｒ－ｏｉｌ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＦＤ　ＷＥＩ　Ｐｅｉ—ｊ　ｉｎｇ。ＹＡＮ　Ｘｉａｏ—ｎｉ．ＴＩＡＮ　Ｆｅｎｇ—ｘｉａｎ　（Ｂａｏｊｉ　Ｏｉｌｆｉｅｌｄ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂａｏｊｉ　７２１００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ—ｏｉ１　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ　ｃａｖｉｔｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｂａｓｉｓ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｉｔｓ　ｓｅｐａｒａ－　ｔｉｏｎ　ａｂｉｌｉｔｙ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｓ　ｕｎａｂｌｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｒｅｖｅｌａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｉｔｓ　ｃｈａｒａｃ－　ｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｉｓ　ＣＦＤ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｃｙ－　ｃｌｏｎｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｙｃｌｏｎｅ　ｗａ—　ｔｅｒ—ｏｉｌ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｏｎ　ｃａｖｉｔｙ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｓｐｅｅｄ，ｏｉｌ　ｖｏｌｕｍｅ　ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｏｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｓａｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌ—　ｏｐｍｅｎｔ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｐｒｏｄｕｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ；ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｉｌ—ｗａｔｅｒ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　旋流器是油田现场重要的地面设备，主要完成　场关键点的流动特性。该方法成本高，想要全面了　采出液的油水分离工作。旋流器内流场特性是研究　解旋流器内各处的压力场、流速场等存在较大困难。　旋流器分离性能的最关键依据。目前研究旋流器内　３）　计算机仿真研究　以ＣＦＤ（计算流体动力　流场的方法主要有３种。　学）理论为依据，结合计算机数值计算和图像处理的　１）　理论分析法将内流场做相应的抽象和简　能力，对其内流场进行仿真分析。执行１次仿真计　化，建立其数学模型，是指导试验研究的理论基础，　算就相当于完成了１次物理试验，通过仿真结果可　但是由于其非线性的因素，多数流动无法得到解　以得到旋流器内任何位置处的流动特性，形象地再　析解。　现了流动情景，极大地节省了成本及时问ｎ　ｊ。　２）　试验测量法通过现场的试验探寻其内流　ＣＦＤ是在流动基本方程（质量守恒方程、能量　收稿日期：２０１０—０８—１６　作者简介：魏培静（１９８０一），女，陕西宝鸡人，主要从事石油机械技术工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｐｊｂｏｒｎｅｏ＠１６３．ｃｏｍ。　第４Ｏ卷第２期　魏培静，等：基于ＣＦＤ的旋流器油水分离仿真研究　守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程）控制下对　流体机械内的流动进行数值模拟的一门学科。结合　计算机强大的图形处理能力，研究人员可以直观地　得到内流场各位置上基本物理量（如速度、压力、浓　度等等）的变化情况，结合ＣＡＤ技术，可对研究对　象进行结构优化。　本文结合某油田现场使用的双进口旋流器介绍　基于ＣＦＤ的旋流器内流场仿真研究方法。　１模型建立及网格划分　以ＣＦＤ为核心的内流场计算机仿真在建立研　究对象的流动模型时遵循自下而上的原则：即先确　定关键点的位置，再由关键点生成流动域的外轮廓　线，通过线组合的方式生成流动域的包络面，最后由　该包络面即可得到研究对象的流动域三维模型。　ＣＦＤ研究的是流动区域的特性，在建立分析模型　时，故不必考虑其壁厚的影响，只需确定旋流腔的结　构。图１为双进口旋流器的仿真模型。　图１旋流器仿真模型　仿真结果的精确度很大程度上取决于网格的精　度。网格尺寸越小，仿真结果也就越精确，但是需要　耗费的计算机资源也就越大。在划分网格时，首先　应完成面网格的划分，然后再使用四面体网格形式　对分析模型进行体网格划分。由于旋流器某些局部　位置尺寸小（如进口过渡段、溢流口、底流口），因此　在划分网格时需进行局部控制，即根据需要在不同　的区域可以设置不同的网格精度。经过划分可得到　网格总数约为５．０×１０　，由于计算量较大，因此进　行ＣＦＤ仿真需要配置性能较高的计算机。　２　边界条件　２．１湍流模型确定　目前进行流场数值模拟的湍流模型较多，如　ＬＥＳ（大涡模型）、ＲＳＭ（雷诺应力模型）、　ｅ（涡粘模　型）等，对于不同结构形式的流体机械，各湍流模型　有自身的优势　。ＲＳＭ雷诺应力模型充分考虑了　流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化，对于复杂　流动它具有更高精度的预测潜力。结合旋流器结构　形式，本文湍流模型确定为雷诺应力模型。　雷诺应力忌方程和ｅ方程为　Ｏｔ　＋　　’ａｚ　ａ一去［ｚ，ｌ（、　＋￣　。　丝ｋ）　ａ’　ｘｊ］＿Ｉ＋　＿去Ｉ（Ｐ　＋Ｇ　）一ｐ￡　（１）　ａ　。＋　　ａｚ　ａ一丢［　，Ｉｃ、　＋ＯＰ’　＂　ｅ　Ｏ’　ｌＸｊ］＋。　　ｃ】　寺（Ｐ　＋ｃ３ＥＧ　）～Ｃ２　ｌＤＴ。　（２）　式中，Ｐ为剪应力产生项；Ｇ为浮力产生项；　为湍　动粘度，是物性参数；ｔ为时间；ｋ为湍动能；￡为湍动　耗散率；Ｃ。　为与局部流动方向相关的一个系数；Ｃ¨　Ｃ２　、　、　均为常数。　２．２物性参数处理　油田采出液主要为油与水的液态混合物，在数　值仿真过程中，为了能真实地反映采出液的物理性　质，本文通过油与水按一定比例混合进行配制的方　式来实现物性参数的模拟，且在分析过程中不考虑　混合液中空气的影响，表１为仿真过程中油和水的　物性参数。　表１分析过程中物性参数　２．３旋流器模型设置　１）　进口　在现场工作过程中，通常是改变其进　口的操作压力来实现对旋流器的整体控制。因此在　数值模拟过程中，旋流器的双进口均应定义为压力　（ｐｒｅｓｓｕｒｅ＿ｉｎｌｅｔ），这种边界条件专用于模拟流动进口　处压力已知的模型，对可压和不可压流动计算都适　用，本算例中设置操作压力为０．３２　ＭＰａ（绝对压力），　本模型在计算过程中设定参考压力为０　Ｐａ。　２）　底流口　在现场工作过程中，底流口经分　离后的液体通常直接流向开式容器中，由于其直接　与大气相连，故底流口定义为压力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ—ｏｕｔ—　ｌｅｔ），这种边界条件适用于模拟流动出口处压力已　知的亚音速流动模型，本算例中底流口压力设置为　０．１　ＭＰａ（绝对压力）。　２０１１年第４０卷　第２期第２７页　石油矿场机械　ＯＩＬ　ＦＩＥＬＤ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　文章编号：１００１－３４８２（２Ｏ１　１）０２—００２７—０３　膨胀套管非ＡＰＩ特殊螺纹端面金属自密封结构设计　练章华　，杨龙　，冯耀荣　，刘永刚　，陈世春　。　（１．西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都６１０５００；２．中国石油集团　石油管工程技术研究院，西安７１００６５；３．渤海钻探塔里木钻井工程公司，新疆库尔勒８４１０００）　摘要：可膨胀套管螺纹连接是膨胀套管技术中的关键技术之一，开展膨胀套管螺纹连接技术的研究　有助于该技术在国内的发展和应用。借助于有限元力学分析软件，设计了一种非ＡＰＩ特殊钩形螺　纹端面金属自密封可膨胀螺纹结构，并对其进行了有限元力学分析，详细讨论了其密封完整性。结　果表明：在膨胀前，金属密封性非常好，但在膨胀后，由于内密封面和外密封面变形不协调，使得膨　胀后密封性能有所下降；在母螺纹根部设计密封槽，并安装１个橡胶密封圈，能有效地保证其密封　的完整性。　］　关键词：膨胀套管；钩形螺纹；金属密封；橡胶密封　中图分类号：ＴＥ９３１．２　文献标识码：Ａ　Ｅｎｄ—ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｅｔａｌ　Ｓｅｌｆ－ｓｅａｌｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｎｏｎ－ＡＰＩ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｔｈｒｅａｄ　ｏｆ　Ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ　Ｃａｓｉｎｇ　ＬＩＡＮ　Ｚｈａｎｇ—ｈｕａ　，ＹＡＮＧ　Ｌｏｎｇ。，ＦＥＮＧ　Ｙａｏ—ｒｏｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙｏｎｇ—ｇａｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｓｈｉ—ｃｈｕｎ　’。　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｏｉｌ　ａｎｄ　Ｇａｓ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１０５００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏ　’Ｔｕｂｕｌａｒ　Ｇｏｏｄｓ　ｏｆ　ＣＮＰＣ，Ｘｉ’ａｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｔａｒｉｍ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｂｏｈａｉ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｋｏｒｌａ　８４１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ　ｃａｓｉｎｇ　ｔｈｒｅａｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ　ｃａｓｉｎｇ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｔｈｒｅａｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ　ｃａｓｉｎｇ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｏ　ｈｅｌｐ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌ—　ｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｔ　ｈｏｍｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａ　ｎｏｎ一　・＋一＋“＋“＋”—　一－４－　参考文献：　Ｒｏｌｌｅｔ—Ｍｉｅｔ　Ｐ，Ｌａｕｒｅｎｃｅ　Ｄ，Ｆｅｒｚｉｇｅｒ　Ｊ．ＬＥＳ　ａｎｄ　ＲＡＮＳ　［１］王福军．计算流体动力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出　版社，２００４：２－３．　ｏｆ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　ｔｕｂｅ　ｂｕｎｄｌｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　ａｎｄ　Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ，１９９９，２０（３）：２４１－２５４．　Ｅ２３于兴军，刘春全，艾志久，等．新型油水分离器分离性能　研究［Ｊ］．石油矿场机械，２００６，３５（３）：３１—３３．　［３２郭广东，邓松圣，张福伦．固一液一液三相分离水力施流　周永，吴应湘，郑之初，等．油水分离技术之一——直　管和螺旋管的数值模拟［Ｊ］．水动力学研究与进展：Ａ　辑，２００２，１　７（１）：５４０—５４６．　Ｌｉ　Ｊ　Ｃ．Ｌａｒｇｅ　ｅｄｄｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　器现状及发展趋势［Ｊ２．石油矿场机械，２００９，３８（１１）：　１６—１８．　ｆｌｏｗｓ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｓｐｅｃｔｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｒｅｎｄｓ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａ　Ｓｉｎｉｃａ，２００１，１７（４）：２８９—３０１．　Ｅ４］郭广东，邓松圣，张福伦．操作参数对固一液一液三相水　力施流器分离效率的影响ＥＪ］．石油矿场机械，２０１０，３９　（５）：１７—１９．　褚良银，陈文梅．旋转流分离理论［Ｍ］．北京：冶金工业　出版社，２００２：５－８．　收稿日期：２０１０　０８—２３　基金项目：国家自然科学基金项目（５０７７４０６３）；ＣＮＰＣ石油管工程技术研究院资助项目。　作者简介：练章华（１９６４一），男，四川自贡人，教授，博士，博士生导师，１９９４年毕业于西南石油学院机械工程系，现从事　ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＦＤ、套管损坏机理、管柱力学及射孔完井等教学与科研，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｗｃｔｌｚｈ＠ｓｗｐｕ．ｅｄｕ．ｅｎ。