水下主动式高效旋流分离机理研究

深水油气田水下生产系统是各国石油公司进军深水油气开发的关键技术之一，在实现油气长距离输送、减少油气田开发成本、环境保护等方面具有无可比拟的优势。本课题研究的对象是水下生产分离器分离出的生产水处理环节- - 主动式旋流分离，应用其可控的离心场达到含油污水的高效分离。应用计算流体动力学、有限元分析和模型样机试验等方法，进行针对水下主动式高效旋流分离的强制涡流形成控制机理研究，强制涡流前推稳定机理研究，适应入口浓度压力波动的高效分离机理研究, 深水环境压力及内外压差适应控制机理研究，通过本课题的研究使分离后的生产水含油率<100ppm满足回注地层的要求。该研究将为该类型油水分离器的水下应用奠定理论基础和必要的技术支持，提高我国在深水油气田开采领域的装备研发水平，推动我国深水研究事业的发展。

深水油气田水下生产系统是实现长距离能源输送和减少油气田开发成本方面具有无可比拟的优势。本课题研究的对象是深水油气田水下生产系统油气水砂处理的最后环节——主动旋流油水分离，应用其可控的强离心场达到高效分离。设计了一种新型的静螺旋栅式除油型动态旋流器。该油水分离器不仅运用了经典的静态旋流器的旋流筒的结构，并在旋流筒的入口处设计了一个静止的螺旋栅结构，同时该旋流器的旋流筒是在电机的驱动下实现高速旋转。当油水混合物以一定的压力经过螺旋栅的螺旋通道进入旋转筒时，能够获得高切向速度。而高速旋转的旋转筒也将利于维持油水混合物在旋流筒中的切向速度流场，弥补油水混合物在旋转筒中的能量损失。课题组设计了一套完整的实验装置，为了提高该油水分离器旋转筒内部径向上的压力差，在该实验装置的出油口设计了一个泵用于降低出油口的压力。.课题组实现了对动态旋流器强制涡流形成控制机理的研究、强制涡流前推稳定机理的研究以及旋转筒转速对分离效率的影响的研究。然后通过理论推导和CFD仿真研究得到了入口浓度、入口流量和压降比对旋流器分离效率和分流比的影响情况。研究结果显示，旋流器分离效率对入口流量变化是非常敏感的，而对入口浓度的变化不是太敏感。当入口流量很小的时候，分离效率还是不错的，但是分流比也比较低。当入口流量不断增加，分离效率开始会有一点点波动，当入口流量很大的时候，分离效率会显著地下降。而入口浓度比较小的时候，对分离效率的影响非常不明显。当入口浓度大于一定值的时候，分离效率会直线下降。压降比随着入口压力的增加先很明显地降低然后逐渐趋于平稳，而随着出油口压力的增加成线性关系不断降低。而旋流器的分离效率随着压降比的增加先明显地增加然后趋于平稳，而旋流器的分流比随着压降比的增加成线性关系不断降低。为了让旋流器的综合性能达到最优，旋流器的压降比应该保持在1.3左右。此外，为了适应深海压力环境，课题组不仅为旋流器部分设计了系统的密封方案，通过仿真研究了深海压力是否对旋流器的分离性能有影响。结果显示，只有旋流器的压降比一定，环境压力对旋流器的分离性能基本不会产生任何影响。.根据理论和仿真的情况不断改进所设计的实验装置，并作了实验研究。实验中还存在着一些缺陷，使得所的到的实验数据与仿真的数据存在一定的差距。但实验结果能够很好地验证前面理论和仿真的结果。理论和仿真所得到的操作参数能够很好地用于实验中的实际操作。