有杆往复式泵井下油水分离器数值模拟研究

摘要

随着油田开发逐渐进入中、后期，油田采油也逐渐步入高含水阶段。除举升大部分水耗能外，对采出的高含水原油需要耗费大量的人力物力来实现油水分离及污水净化、回注处理，同时污水也会污染环境。井下油水分离技术可实现同井采注，解决上述问题。 目前，井下油水分离器的种类很多，本文主要对水力旋流器进行数值模拟研究。现在油田大部分还是采用游梁式抽油机进行采油，有杆泵为举升原油提供动力，在此抽油系统中采用水力旋流器进行油水分离，最关键的问题是旋流器入口为间歇性进液。本文利用Fluent中的自定义功能——UDF函数，编写程序并在Fluent中加载设置入口边界条件，解决了这一难点。编写UDF函数需确定入口流量的变化规律。根据驴头悬点的运动规律和井下结构方案及运行方式，将抽油杆带动下的有杆泵柱塞运动规律传递到旋流器入口流量的变化规律。本文采用单级双锥水力旋流器，在Gambit中建立几何模型、划分网格等，并进行网格无关性分析。Fluent中湍流模型为LES模型，加载边界条件、确定数值算法。 水力旋流器入口间歇进液时，存在一定时间间隔内，入口流量为零，这与以往电潜泵、螺杆泵下的水力旋流器入口稳定进液相比，类似于一种极端情况。目前对此方面的数值模拟研究较少，本文在研究此种情况的旋流器性能前，首先研究旋流器入口波动进液的情况，即由稳定进液变为波动进液对旋流器分离性能的影响分析。将入口流量的波动规律分解为波动频率和波动幅值的变化规律，改变波动频率和幅值，旋流器分离性能和内流场特性随之变化。通过数值模拟研究，确定旋流器分离性能、压降变化和内部流场特性与波动频率和波动幅值之间的关系。其次，将入口设为间歇进液，分析旋流器分离性能和内流场特性的变化规律；研究结构参数变化对分离性能的影响并通过正交实验法优选结构参数；分析旋流器生产参数和运行参数变化对分离性能的影响并选取合适的参数值；针对入口间歇进液，旋流器内分离场不易稳定，分离效果较差，设计了旋流器的内插管，有效抑制短路流，提高分离效率。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 井下油水分离技术的研究现状

1.3 课题的研究内容

1.4 本文的组织结构

第二章 有杆往复式双液流泵下旋流器入口流量波动规律

2.1 有杆往复式双液流泵抽油系统组成及工艺流程

2.1.1 井下油水分离系统结构组成

2.1.2 井下油水分离的工艺流程

2.2 游梁式抽油机四杆机构的循环特性

2.3 游梁式抽油机驴头悬点运动规律分析

2.4 有杆往复式泵抽油系统运行规律分析

2.5 水力旋流器入口流量和入口速度的变化规律

2.6 本章小结

第三章 非稳定流工况下水力旋流器设计及仿真设置

3.1 水力旋流器的分类

3.2 水力旋流器的结构形式和工作原理

3.3 水力旋流器有关参数定义

（1）分流比

（2）分离效率

（3）溢流压降

（4）底流压降

3.4 水力旋流器参数对分离性能的影响

3.4.1 结构参数

3.4.2 操作参数

3.4.3 运行参数

3.5 水力旋流器方案确定

3.6 水力旋流器结构参数初步设计

3.6.1 水力旋流器的结构参数计算公式

3.6.2 水力旋流器结构参数的初步确定

3.7 井下水力旋流器数值模拟研究方法

3.7 .1 湍流模型的选择

3.7.2 网格生成方法

3.7.3 网格的无关性分析

3.7.4 数值解法的设置

3.7.5 水力旋流器间歇流入口速度UDF函数

3.8 本章小结

第四章 入口流量周期性波动下水力旋流器分离特性研究

4.1 基于Fluent对改变入口流量波动幅值的旋流器工作特性研究

4.1.1 入口速度和质量流量的确定

4.1.2 旋流器分离效率和压降研究分析

4.1.3 旋流器内部压力场研究分析

4.1.4 旋流器内部速度场研究分析

4.2 基于Fluent对改变入口流量波动频率的旋流器工作特性研究

4.2.1 入口速度和质量流量的确定

4.2.2 旋流器分离效率研究分析

4.2.3 旋流器内部压力场研究分析

4.2.4 旋流器内部速度场研究分析

4.3 本章小结

第五章 入口流量间歇性进液时水力旋流器分离特性研究

5.1 油水两相分布及内流场规律分析

5.1.1 入口流量监测

5.1.2 油水两相分布及出口含油浓度波动规律

5.1.3 流场压力场研究

5.1.4 流场 速度场研究

5.2 结构参数优化分析

5.2.1 仿真参数

5.2.2 对分离性能影响规律分析

5.2.3 结构参数优化设计

5.3 生产参数对分离性能的影响规律分析

5.3.1 生产参数分析

5.3.2 影响规律研究

5.4 运行参数对分离性能的影响规律分析

5.4.1 运行参数分析

5.4.2 影响规律研究

5.5 水力旋流器内插管结构参数优选

5.5.1 旋流器内插管简介

5.5.2 内插管结构参数优选

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢