井下变螺距螺旋气液分离器的压力损失及分离性能研究

Downhole spiral separator is a gas-liquid separation device which has the advantages of simple structure and high efficiency. The study on screw type gas-liquid separation mechanism is not perfect. The rheological parameters of water cut oil and gas-liquid would be test by experiment in this project. The section gas rate test device of the spiral gas-liquid separator would be developed. The visualization experimental device for the spiral separator would be established. The gas-liquid flow through the spiral separator would be simulated. The different flow pattern of gas-liquid spiral flow would be observed under different velocity. The non Newtonian liquid flow field simulation method, the gas-liquid interface capturing method and interface parameters processing method would be researched in this project. The numerical simulation of the bubble motion in the helical flow would be completed. The experimental tests and numerical simulation method of the spiral gas-liquid flow would be formed. The movement of bubbles in the screw centrifugal force field, and the characteristics of gas-liquid separation and bubble coalescence would be studied. The flow resistance calculation method of separator would be obtained. The effect mechanism of screw blade structure parameters on the separation performance would be explored.

井下螺旋分离器是一种结构简单和高效的气液分离装置，国内外对螺旋式气液两相分离机理的研究尚不完善。本项申请对含水原油和含气采出液的流变物性参数进行实验研究，研发用于螺旋气液分离器的截面含气率测试装置，建立可视化螺旋分离器实验装置，模拟含气采出液通过螺旋分离器的流动过程，观测不同流速条件下气液螺旋流的流动型态及其变化特征，研究非牛顿液体连续相流场模拟方法、气液界面捕捉方法和界面参数不连续处理方法，进行螺旋流场中的气泡运动数值模拟，形成螺旋气液流动的实验测试和数值模拟方法。研究在螺旋式离心力场下的分散相气泡运动规律，以及气液分离和气泡聚并、胀大的特征，获得分离器流动阻力的计算方法，探索螺旋片结构参数对气液分离性能的影响机理，为井下气液分离器的设计提供理论依据。

螺旋分离器是一种应用于石油开采中的高效气液分离装置。本项目研究了双螺旋变螺距螺旋分离器流动特性及分离机理，并通过实验验证了研究结果的准确性。运用计算流体动力学方法，建立螺旋分离器流场的控制方程，采用RNG k-ε湍流模型对双螺旋变螺距螺旋分离器内流场进行了数值模拟研究，得到了幂律流体在双螺旋变螺距螺旋分离器内流动的压力分布特性与速度分布特性。研究了不同工况下单相流和气液两相流在螺旋分离器中压力损失和流量特性。通过对传统计算公式分析，得到了单相流和气液两相流在双螺旋变螺距螺旋分离器流动的摩擦阻力系数公式。.螺旋分离器中二次流的存在，使得局部阻力增加，继而能量损失加大。本项目研究了螺旋分离器在不同流速、不同螺距二次流流动特性。根据模拟结果，得到了阻力系数与迪恩数关系曲线。综合考虑速度、螺距和二次涡流个数，得到了合适的螺距变化范围。.通常认为螺旋分离器是按照离心分离原理实现井下气液分离，分离机理并不完善。研究在固体壁面附近剪切层内还存在强烈的剪切作用力，使得束缚在液滴中气泡的克服表面张力而提出了壁面剪切层辅助分离；分离器内由下而上，随着混合介质位能及动能的增加，引起压力下降，使部分小气泡膨胀，获得被分离的向心力而提出了压力辅助分离机理。通过对不同工况不同结构分离器分离效率的模拟计算分析，得到螺旋分离器分离效率的影响因素，为工程优化设计螺旋分离器提供了参考依据。.为了验证数值模拟的有效性及合理性，利用室内螺旋分离器气液分离实验装置，通过改变操作参数，分别对单螺旋定螺距螺旋分离器和双螺旋变螺距螺旋分离器进行实验研究，其模拟结果与实验结果较为接近，进一步验证了模拟结果的合理性和准确性。