0 引言

井下油水分离技术是油田进入高含水期后减少举升能耗、减轻地面污水处理压力、提高油田开发综合效益的一项新技术^{[1, 2, 3]}。从最初的探究开始至今已有20多年的历史，这一技术能有效解决采油过程中的水处理问题。产出水几乎影响到石油开采的各个方面，包括储量采收率、操作费用、投资开支、法规、腐蚀以及环境等^{[4, 5, 6]}。

在井下油水分离过程中，利用水力旋流器进行油水分离被普遍采用。水力旋流器具有诸多优势，如无运动部件、体积小、质量轻、分离效率高并且性能稳定^[7]。混合液从产油层通过流道进入旋流器切向入口后进行高速旋转，通过离心力作用而使油水分离。混合液进入旋流器之前需要经过流道传送，旋流器分离后的油与水也需要通过流道流至不同位置。因此，流道在井下油水分离管柱内空间结构中起着重要作用。然而，为提升油水分离效果，研究人员通常只考虑水力旋流器部分的设计，往往忽略了经过分离后的液流在流道传送过程中可能造成的滞留等问题，关于流道对井下油水分离的影响也未见文献报道。如何通过对旋流器的外部流道进行有效优化，以改善旋流器的实际处理效果，提高其总产油量，也就成为一个关键问题摆在了研究者的面前。

鉴于此，笔者着重研究液流经两级旋流器的溢流管排出后，流道的结构布局对出流的影响，并探索将拉法尔喷管结构应用于井下油水分离管柱流道中。

水力旋流器处理含油污水的目的是希望得到符合要求的溢流和底流。尽管旋流器具有较高的分离效率，但是单级旋流器若想同时满足以上2项要求困难较大。因此将旋流器的工艺流程设计成两级或多级串联^[8]。

两级旋流器在井下的组合形式可以有很多种，且不同组合形式的外部管柱内空间流道也不尽相同。笔者将针对其中一种组合形式展开细致的流道研究。该组合形式如图1所示，一级为轴流叶片式旋流器，二级为双切向入口旋流器。此处不涉及对旋流器的研究，仅参考两级旋流器的尺寸和外形来优化其外部流道。

图 1 两级旋流器串联示意图 Fig.1 Schematic of two stage series hydrocyclone

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管柱内流道是连接水力旋流器与其他部件之间的通道，它决定了流液去向。管柱内空间分布在一定程度上决定旋流分离出的油液是否顺利流至总出口，以及溢流总出口油液总量。因此，对流道空间结构进行优化很有意义，可以藉此得到更优的结构和尺寸，使流入管柱内的液体压力和流速等更加合理，总出口的总产油量更高。

二级旋流器是否起到作用主要看2个方面：一是从二级旋流器分离出的水是否含油更低，二是从溢流总出口出去的油液总量是否更大。由于不研究旋流器本身，所以笔者针对上述第2点来开展研究，即研究两级旋流器的溢流流道。

原始结构中两级旋流器串联工艺如图2A所示。由于只研究管柱内空间溢流流道部分，故旋流器、入口流道和底流流道都不作考虑，即图2B所示空间为主要研究对象。

图 2 两级溢流流道 Fig.2 Two stage overflow flow channel

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图3为两级溢流流道结构示意图。由于以溢流流道为研究对象，所以以一级旋流器的溢流口为一级流道入口，二级旋流器的溢流口为二级流道入口。一级旋流器分离的油液由一级流道入口进入，沿一级溢流流道从总出口排出，少量的回流沿设置的一级溢流小出口排出(回流至一级旋流器中)；二级旋流器分离出的油液由二级溢流口通过二级溢流流道进入二级溢流环空流道，少量回流沿设置的二级溢流小出口排出(回流至二级旋流器中)，大量油液沿环空流道与一级溢流汇合，一并从总出口排出。

图 3 两级溢流流道结构示意图 Fig.3 Structural schematic of two stage overflow channel

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两级溢流口处都增加小出口的原因是：以旋流器溢流口作为流道的入口，根据经验，溢流口通常存在回流，而并非完全流出。因此研究管柱内工艺流道时在结构上设定回流。

原始结构中溢流流道物理模型如图4所示，溢流流道2个主要连接处的网格细节图如图5所示。

图 4 溢流流道模物理型 Fig.4 Model of overflow flow channel

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图 5 溢流流道网格细节图 Fig.5 Local view of the overflow channel grid

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原始结构中一级旋流器外的环空流道等径，由于选定的一级轴流式旋流器是上宽下窄，所以将环空流道部分随旋流器的外形也设计成不等径环空，如图6a所示。

图 6 流道各优化方案示意图 Fig.6 Schematic of flow channel optimizations

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井下油水分离两级旋流器的特点是一级入口压力高，二级入口压力低，二级溢流压力更低，因此二级溢流在与一级溢流汇合时比较困难。针对这部分结构优化，将汇合处设计成倾斜相贯的形式，角度为45°，如图6b所示。

为解决二级溢流压力低而难以汇入总溢流出口的情况，采取拉法尔喷管的形式，如图6c所示。将溢流总出口管设计成先收缩再扩张的形式，变窄后速度增大，压力降低，有助于二级溢流进入总出口流道，然后流道再变宽，速度减小，压力变大，将两级溢流送至总出口。

考虑对二级溢流部分的流道结构进行优化，实现更好的出流，两级连接处设计为如图6d所示的结构。从该连接处的速度矢量图可看出，圆柱形空腔中有2处循环流。从图7原始结构的二级溢流速度矢量图可看出循环流的分布情况，为减少循环流，此处由同心设计改成偏心结构。图8为此处优化的细节图。

图 7 二级溢流原始结构速度矢量图 Fig.7 Velocity vector of original two stage overflow structure

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图 8 方案d优化细节图 Fig.8 Details of program d optimization

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在一级旋流器基础上再串联二级旋流器，则成本变高，工艺变复杂。如果串联后二级底流口排出的水质更佳，且最后排出油的总量比无二级旋流器时高，那么二级旋流器的存在会更有意义。因此，在流道结构不同，其他参数都一致的情况下，选定优化目标是总出口的油相质量分率高于一级溢流的油相质量分率，质量流量增加率越大，则说明流道的优化效果越好。定义质量流量增加率如下：

同时定义出油率为总出口中的油量与由一级溢流和二级溢流进入到流道中油量的比值。经Fluent模拟得到以下分析结果。

图9为原始结构流道与方案a的环空流道速度矢量对比图。从图可以看出，其二级溢流成直角折到环空流道中，且在环空流道入口处形成循环流。而方案a中与小管连接的一端流道空间较大，随一级旋流器外形而逐渐变窄，这样二级溢流直接进入环空流道无需直角弯，流场也比原始结构情况稳定而有序。

图 9 原始结构与方案a的环空流道速度矢量对比图 Fig.9 Original structure versus program a on annulus velocity vector

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图10为原始结构与方案b的汇总处速度矢量对比图。从常规流道的速度矢量上可看出有3处循环流。循环流越多，对流场的干扰就越大，阻碍正常出流。而方案b中采用倾斜相贯结构之后使循环流得到改善，尤其标记处效果明显，流场更加稳定。

图 10 原始结构与方案b的汇总处速度矢量对比图 Fig.10 Original structure versus program b on the velocity vector at confluence part

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图11为原始结构与方案c的汇总处速度矢量对比图，方案c采取拉法尔喷管的结构。从图可以看出，喷管的设计取得了预期效果，收缩后速度明显增大，再扩展后速度又减小。另外从表1中方案c增大的质量流量增加率也可看出，这一结构可使二级溢流更容易进入到总溢流流道并与一级溢流一起从总出口排出。

图 11 原始结构与方案c的汇总处速度矢量对比图 Fig.11 Original structure versus program c on the velocity vector at confluence part

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图12为原始结构与方案d的两级连接处速度矢量对比图。常规两级连接处是二级溢流沿溢流管进入一个圆柱形空腔，然后再流入环形流道，可以看到圆柱形空腔中2处循环流。而方案d为减少循环流设计成偏心结构，从得到的模拟结果可以看出达到了预期目的，圆柱形空腔中循环流现象减少。

图 12 原始结构与方案d的二级溢流处速度矢量对比图 Fig.12 Original structure versus program d on the velocity vector at the two stage overflow part

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表1列出了原始结构和各优化方案的出油率与质量流量增加率。通过初步模拟分析可知，a、b、c这3个方案的出油率和质量流量增加率都高于原始结构的流道，而方案d的这2个参数略低于原始结构，说明a、b、c 3个优化方案对流道都起到了增强效果的作用，其中方案a和b效果显著，油产量增加更明显。

图13为常规流道与各优化方案总出口压力降直方图。从图可看出，常规流道与方案a、方案d的压力降基本一致，方案b的压力降略有增大，而方案c增大明显。压力降增大引起能量损耗增大，这与方案c中优化的特殊结构有直接关系，喷管结构加大了液流通过时的阻力损失，流场的不稳定也使能量损耗增大。但是方案c在流道汇总处起到二级溢流更容易与一级溢流汇合的作用，在最后总出口的出流上收到一定的效果。

图 13 原始结构与各方案总出口压力降直方图 Fig.13 Outlet pressure drop histogram of original structure and each program’s structure

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图14为原始结构与各方案轴向速度云图，由图可见方案c的两级汇总处速度达到了变速的设计目的。图15为原始结构与方案c轴向速度云图细节对比图，图中数值明确反映了喷管设计处压力先变小后增大、速度先增大后变小这一变化。

图 14 原始结构与各方案轴向速度云图 Fig.14 Axial velocity distribution of original structure and each program’s structure

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图 15 原始结构与方案c轴向速度云图细节对比图 Fig.15 Detailed axial velocity distribution of original structure versus programs c

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通过上述数值模拟分析，初步掌握了各优化方案对井下两级旋流分离效果的影响，下一步将开展相应的试验验证工作。

(1)井下油水分离管柱内流道结构的改进对旋流分离后油液的排出有重要作用，流道结构的改变影响总出口油液的排出效果。

(2)一级旋流器外部不等径环空流道设计优于原始结构中的等径环空流道，达到了更好的效果，流场更有序，出油率和质量流量增加率都有所提高。

(3)在两级溢流汇总处，倾斜相贯的设计优于常规直角相贯设计。拉法尔喷管的结构形式应用于井下油水分离管柱内流道设计可行，尽管压力损失有所增加，但有助于二级溢流汇入到总溢流出口。

(4)二级溢流与圆柱形空腔的连接形式由同心设计改成偏心设计后，总出油率与质量流量增加率降低。虽然流场比原始结构循环流变少，但整体对称性变差，这可能是导致出流效果受到影响的原因之一。

(5)初步数值模拟分析结果表明，旋流器外部流道结构的优化有利于改善旋流分离工艺的总体效果。通过参数优选，还将取得更佳效果。