井下油水旋流分离器的数值计算及优化设计

论文摘要

将油井举升系统与油水旋流分离技术相结合,形成同井注采系统,是油田进入高含水期后提高经济效益的一项新技术。其核心设备水力旋流器是一种利用两相流的密度差,在离心力场中将分散相从连续相中分离出来的一种设备。水力旋流器结构简单、无相对运动部件,具有分离效率高、价格低廉、操作维修方便。采用CFD软件中最精细的雷诺应力湍流模型,基于控制体积法,应用PC-SIMPLE算法,对油水分离旋流器内部流场进行了数值模拟。通过对单相流数值模拟得到旋流器内部流场的速度分布特性和压力分布特性。对油水两相流数值模拟得出了油滴粒径、流量及分流比的变化对分离效率的影响。在流场模拟中考虑了分散油相的流动特性,用计算两相流的湍流数学模型和处理分散油相的方法,研究油水分离旋流器的结构参数对流场和分离性能的影响,对入口、圆柱段及溢流管进行了结构优化。为了验证数值计算结果,对优化后旋流器进行了分离特性实验研究,优化后的旋流单管基本上达到了设计要求的处理能力和除油效率,其分流比也在合适的范围之内。最后介绍了电潜泵井下油水分离系统的结构和工作原理,将优化设计后的旋流器引入系统,并对系统进行了方案设计,包括电潜泵的设计计算以及配套电动机的选型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外研究新进展
• 1.2.2 水力旋流器的理论发展
• 1.3 计算流体动力学（CFD）简介
• 1.3.1 CFD 概述
• 1.3.2 CFD 在水力旋流器研究中的应用
• 1.4 本论文的研究内容及研究方法
• 1.4.1 本论文的研究内容
• 1.4.2 本论文的研究方法
• 第二章 水力旋流器的基础理论研究
• 2.1 水力旋流器的基本结构及工作原理
• 2.2 水力旋流器的特性参数及影响因素
• 2.2.1 分流比
• 2.2.2 分离效率
• 2.2.3 处理量
• 2.2.4 几何参数对水力旋流器性能的影响
• 2.2.5 操作参数对水力旋流器性能的影响
• 2.3 旋流器速度场分布规律及影响参数研究
• 2.3.1 切向速度的分布规律及影响参数
• 2.3.2 轴向速度的分布规律及影响参数
• 2.3.3 径向速度场分布规律研究
• 2.4 旋流器中分散相液滴的向心运动
• 2.4.1 液液旋流分离器分散相液滴受力分析
• 2.4.2 油水液液旋流分离器分散相油滴自由径向运动方程
• 2.4.3 油水液液旋流分离器可分离分散相油滴直径
• 第三章 双锥型油水分离器的数值模拟
• 3.1 油水分离器的数值模拟方法及湍流模型
• 3.1.1 直接数值模拟（DNS）
• 3.1.2 大涡模拟
• 3.1.3 Reynolds 平均法
• 3.1.4 两相流模型
• 3.2 数值模拟计算建模过程
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 物理模型
• 3.2.3 RSM 湍流模型
• 3.3 单相流场的数值计算结果及分析
• 3.3.1 流体迹线的数值模拟
• 3.3.2 速度场分布特性
• 3.3.3 压力场分布特性
• 3.4 两相流场的数值计算结果及分析
• 3.5 小结
• 第四章 油水分离旋流器结构优化
• 4.1 油水分离旋流器结构的单要素优化
• 4.1.1 CFD 分析前处理
• 4.1.2 入口流道型式研究
• 4.1.3 圆柱段优化
• 4.1.4 溢流管优化
• 4.2 室内试验及结果分析
• 第五章 电潜泵井下油水分离生产系统设计
• 5.1 基本结构
• 5.2 工作原理
• 5.3 井下油水分离系统方案设计
• 5.3.1 水力旋流器设计
• 5.3.2 电潜泵的设计
• 5.3.3 配套电动机的选择
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢