【正文】 體在入口下方旋轉(zhuǎn)一周后才形成旋流，在這個過程中形成入口分流區(qū)。經(jīng)過旋流離心分離,部分液體可能以旋流液膜的形式向上爬升或以液滴的形式隨氣流向上運動產(chǎn)生氣相夾帶液滴的現(xiàn)象。對于高氣油比的分離工況,分離器直徑： （29）對于低氣油比的分離工況,分離器直徑： （30）式中和分別是分離工況下氣體流量和液體流量。研究表明,保持液相入口切向流速和液相流速的比為40時,旋流分離效果最佳。氣相臨界速度是: （28）式中We是無因次Weber數(shù),它決定于液滴的尺寸,這里取值7。若分離器配置控制系統(tǒng),匯合點位置可以高于入口。建議氣相出口流速取3～30ｍ/ｓ,～12ｍ/ｓ?！♂槍Ψ村F型、正錐型和圓柱型旋流體進行的研究表明,對于氣/液分離,圓柱型旋流體要稍優(yōu)于反錐型和正錐型結(jié)構(gòu)。另外,離心力和浮力的大小與直徑成反比,切向速度衰減與長度成正比。GLCC的尺寸影響其性能及造價。如果液面高于入口,氣體會通過液體而溢出,造成更多液體的攜帶。最新的許多試驗都表明,單入口GLCC的最佳液面大約在距離入口下方1～3L/d處。雙入口的試驗表明中等大小的氣體流量（在入口處段塞流轉(zhuǎn)為分層流）下，氣體帶液率有明顯降低，當氣體流量較高時（在入口處為環(huán)空流），無多大變化。液相流速過小將難以發(fā)揮旋流離心分離的作用,但液相流速過大將形成過高的漩渦區(qū),在筒體中過早出現(xiàn)氣相夾帶液滴和液相夾帶氣泡現(xiàn)象,影響分離效果。通過對3種不同入口開槽結(jié)構(gòu)(矩形、同心圓形及新月形)的初步實驗發(fā)現(xiàn),同心圓形噴嘴(縮口管)結(jié)構(gòu)的分離特性最差,而矩形結(jié)構(gòu)噴嘴的分離效果最佳,新月形結(jié)構(gòu)噴嘴的分離效果與矩形噴嘴接近,由于矩形槽結(jié)構(gòu)加工困難,推薦采用新月形結(jié)構(gòu)。迭代求解準則方程,D和h作為迭代參量,直至準則方程左端小于1,din即為滿足分層流條件最小入口管直徑。故入口管采用傾斜入口. 入口管傾角以27176。而傳統(tǒng)分離器采用的入口結(jié)構(gòu)通常為垂直于筒體的結(jié)構(gòu)(目前很多分離器采用的分氣包亦為類似結(jié)構(gòu)),采用垂直結(jié)構(gòu)的管柱式旋流分離器實驗證明,與傾斜向下的入口結(jié)構(gòu)相比,氣液分離效果明顯變差,工作范圍大約減小一半。氣液相流速的不同,油氣兩相或油氣水多相流在入口管內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。第四章 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 入口設(shè)計分析 由于管柱式旋流分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)氣液的高效分離,而入口結(jié)構(gòu)決定了分離器的氣液分布及其初始切向入口速度的大小,因此入口結(jié)構(gòu)和尺寸是影響管柱式旋流分離器實現(xiàn)氣液分離的關(guān)鍵因素。、為氣泡和液滴阻力系數(shù)。徑向上,分散粒子受離心力和阻力作用,根據(jù)受力平衡,氣泡徑向滑脫速度: (16)同理,液滴徑向滑脫速度: (17)式中:、為氣泡和液滴直徑。⑤分離系統(tǒng)與外界沒有熱交換,視為等溫系統(tǒng)。③氣泡或液滴的運動為定常流動。 (15) 氣泡、液滴軌跡模型假設(shè):①氣泡或液滴分散粒子為球形,在運動中不變形。對于工程應(yīng)用,以上的假設(shè)是趨于保守的。忽略壁面附近的自由渦旋區(qū),將旋流場視為強制渦旋運動,切向流速近似呈線性分布。根據(jù)實驗與數(shù)值模擬研究,徑向流速通常較切向流速和軸向流速低二個數(shù)量級,對氣液分離效率的影響非常小,因此忽略徑向速度。指分離器橫截面積。旋流強度沿軸向變化的經(jīng)驗關(guān)系式: (11 )式中動量通量之比: (12)式中:是連續(xù)相(氣相或液相)入口質(zhì)量流量。旋流強度定義為在某一高度截面上連續(xù)相切向動量通量與總軸向動量通量的比。連續(xù)相切向速度、徑向速度和軸向速度構(gòu)成了旋流場。到達器壁的液滴,在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下,將在器壁上形成螺旋狀薄層液流沿器壁向下流動分出,完成氣液分離。2 .液滴軌跡分析 經(jīng)過入口分流區(qū)初步分離后的旋轉(zhuǎn)氣流攜帶液滴進入分離器上部的液滴區(qū),與氣泡區(qū)不同的是,由于分散粒子液滴的密度大于連續(xù)相氣相密度,液滴被甩向器壁。1 .氣泡軌跡分析在漩渦區(qū),較大直徑的氣泡容易被擄獲分出,因此氣泡軌跡的研究區(qū)域是從漩渦底部開始的渦流區(qū)。連續(xù)相做渦旋運動,由于氣液相密度差,分散相粒子(氣泡或液滴)與連續(xù)相間存在滑脫。把方程(5)代入方程(7),積分得到常數(shù)Ｃ,漩渦形狀方程如下:Z= (8)從漩渦方程(8)求解漩渦高度:= (9) 氣泡區(qū)和液滴區(qū)分離器上部,氣相為連續(xù)相,液滴分散其中,稱液滴區(qū)。R為筒體半徑, R=d/2。除壁面附近,該旋流可看作剛體轉(zhuǎn)動,如圖33所示,微元控制體以恒定角速度旋轉(zhuǎn)。氣液相經(jīng)入口槽進入入口分流區(qū)實現(xiàn)氣液的初步分離,上部的氣相、下部的液相分別沿筒壁旋轉(zhuǎn)形成旋流場。入口管向下傾斜,在重力作用下有利于形成分層流,實現(xiàn)氣液兩相的初步分離。Kouba的實驗研究表明,采用向下傾斜的入口管,保證入口管流型呈現(xiàn)分層流將在很大程度上改善氣液分離效果、擴展管柱式旋流分離器的適用范圍,最佳傾斜角為27176。因此入口結(jié)構(gòu)是影響管柱式旋流分離器分離特性的關(guān)鍵因素之一。圖31 GLCC結(jié)構(gòu)圖 管柱式旋流氣液分離器由入口區(qū)(段)、入口分流區(qū)、漩渦區(qū)、氣泡區(qū)、液滴區(qū)、氣相和液相出口配管等部分組成(圖32)。這一成本低、重量輕的新型分離器在替代傳統(tǒng)容器式分離器方面具有很大的吸引力。液體沿徑向被推向外側(cè),并向下由液體出口排出。它既沒有可移動部件,也無需內(nèi)部裝置。因此，旋流式氣液分離用于分離鉆中的氣體具有廣闊前景。不同的分離要求、不同的處理物料的性質(zhì)往往需要不同結(jié)構(gòu)尺寸或操作條件的旋流器，因此旋流器往往不能互換使用。雖然旋流式氣液分離技術(shù)在石油化工方面的應(yīng)用要晚得多，但與常規(guī)的重力式分離相比較，它具有很多優(yōu)點：① 分離效率高，由于分離原理的不同使得旋流式分離器具有很高的分離效率；② 成本低，占用空間較小、維護費用少、能耗低、不需要任何幫助分離的介質(zhì)；③ 安裝靈活方便，旋流器可以任何角度安裝； ④ 工作連續(xù)、可靠,操作維護方便,一旦設(shè)計、調(diào)試好, 就可自動、穩(wěn)定地工作。 旋流式分離器的優(yōu)缺點在石油化工中裝置中，有各種各樣的分離器，其中以立式重力氣液分離器最為常見，這種氣液分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作可靠等持點。旋流分離技術(shù)可用于液液分離、氣液分離、固液分離、氣固分離等。在具有密度差的混合物以一定的方式及速度從入口進入旋流分離器后,在離心力場的作用下,密度大的相被甩向四周,并順著壁面向下運動,作為底流排出；密度小的相向中間遷移，并向上運動，最后作為溢流排出，分離示意圖如圖1。出口一般為兩個，而且多為軸向出口，分布在旋流分離器的兩端。入口有單入口和多入口幾種，但在實踐中，一般只有單入口和雙入口兩種。旋流分離器的基本構(gòu)造為一個分離腔、一到兩個入口和兩個出口。雖然旋流分離技術(shù)在氣液分離方面的應(yīng)用要晚得多,但已顯示出了其體積小、快速、高效、連續(xù)操作等方面的優(yōu)越性。開始,只用于選礦過程中的固液分離和固固分離2分級,后來發(fā)展到固氣分離,液氣分離等。經(jīng)過不斷的研究，在常規(guī)式分離器的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了很多適用于各種場合的新型分離器。第二章 方案論證目前分離器的種類繁多，分類方法也很多，主要按分離介質(zhì)不同可分為固液分離器、氣液分離器和液液分離器，按分離原理可分為重力式分離器、管式分離器和旋流式分離器。與容器式分離器相比,諸如柱狀氣\液旋流器(GLCC)等小型分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、重量輕等特點,基本不需任何維護,而且易于安裝及操作。同時考慮到目前的石油工業(yè)主要依靠常規(guī)容器式分離器來處理井口油/氣/水采出液。但是國內(nèi)欠平衡鉆井裝備開發(fā)能力還很低,只有少數(shù)廠家可以生產(chǎn)專業(yè)裝備,常規(guī)和關(guān)鍵設(shè)備幾乎全部是依靠進口.近幾年來,欠平衡鉆井技術(shù)在國內(nèi)得到了充分的推廣,昂貴的欠平衡裝備是制約著這項技術(shù)的障礙,其作用是將井筒內(nèi)循環(huán)出來的氣體與液體分離,從而保持正常的鉆井工作。同時欠平衡鉆井與常規(guī)過平衡鉆井相比，其具有的優(yōu)點優(yōu)點有：（1）可以減輕或消除鉆井液對地層的危害；（2）良好的地層顯示，有利于達到勘探目的；（3）增加了防噴能力，降低了井噴失控的風(fēng)險；（4）可以大幅度地提高鉆速；（5）可以降低井漏風(fēng)險，節(jié)約鉆井成本；（6）可以減少壓差卡井風(fēng)險；（7）可以鉆井過程中生產(chǎn)油氣；（8）可以對地層進行較為準確的評價。隨著信息、裝備的不斷完善和市場的不斷推動，我國欠平衡鉆井的數(shù)量也將穩(wěn)步攀升。離心式氣液分離器設(shè)計離心式氣液分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)論文第一章 引言欠平衡鉆井技術(shù)就是在鉆井過程中,利用自然條件和人工手段在可以控制的條件下使鉆井流體的循環(huán)液柱壓力低于所鉆地層的孔隙壓力,以實現(xiàn)所謂的“邊噴邊鉆”,這種鉆井工藝技術(shù)叫欠平衡鉆井。,由于研制成功了旋轉(zhuǎn)防噴器及其它欠平衡鉆井配套設(shè)備,欠平衡鉆井技術(shù)得到了大規(guī)模推廣應(yīng)用,在實施過程中,工藝和設(shè)備又不斷的完善和提高,由于與普通鉆井相比,欠平衡鉆井有多方面的優(yōu)越性,加上政府的鼓勵政策,因此欠平衡鉆井技術(shù)發(fā)展很快,1992年采用欠平衡鉆井技術(shù)完成30口井,1993年達到120口,1994年和1995年分別完成230口和330口.我國開展欠平衡鉆井的研究起步較晚,但近年來隨著塔里木油田解放128井、輪古2井、輪古20井、輪古22井、輪古4井、輪古21C井,大港油田板深板深8等井采用欠平衡鉆井技術(shù)取得良好的開發(fā)效果和勘探突破,、中原、,國際鉆井招標也越來越多地要求采用欠平衡鉆井技術(shù),也將促進我國欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展.在未來鉆井技術(shù)發(fā)展中,欠平衡鉆井技術(shù)將同水平井、分枝井、連續(xù)油管鉆井等技術(shù)一樣,，到2005年，美國國內(nèi)采用欠平衡鉆井技術(shù)完成的鉆井數(shù)量將占到總鉆井數(shù)量的30%，而且比較樂觀的預(yù)測則是37%。在鉆井過程中，實現(xiàn)對油氣層的充分暴露和保護，有利于發(fā)現(xiàn)油七層和增加油井產(chǎn)量，欠平衡鉆井所具有的一些優(yōu)勢較好地適應(yīng)了這種需要。在欠平衡鉆井過程出于安全的考慮和鉆井工藝的特殊要求，除了所用的地面常規(guī)地面裝備像氮或壓縮氣供應(yīng)裝置、容積小且壓力大的注液泵、液氣混合管匯、節(jié)流管匯、鉆屑或鉆井液取樣器、化學(xué)劑注射泵、采油分離系統(tǒng)和自動燃燒氣體系統(tǒng)等，還需要一些專業(yè)設(shè)備，主要有高壓旋轉(zhuǎn)分流器防噴器系統(tǒng)、液流導(dǎo)向系統(tǒng)、地面分離系統(tǒng)、隔水管帽旋轉(zhuǎn)防噴系統(tǒng)、實用隔水管裝置、模擬軟件、地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前國內(nèi)僅有的幾臺欠平衡裝備中的液氣分離器大都是從美國進口的,價格極其昂貴。但經(jīng)濟性和操作壓力條件不斷要求其尋找新型高效、低成本的小型分離器,特別是在海上油田。針對這一現(xiàn)狀,本設(shè)計自行設(shè)計一臺適應(yīng)欠平衡鉆井施工的管柱式液氣旋流分離器。目前對分離器的理論和實踐研究已比較深入，對內(nèi)部流動規(guī)律也了解很多。旋流分離器(簡稱旋流器) 的發(fā)明、應(yīng)用已有約一個半世紀了。到20世紀80年代末,這種旋流分離器被用于石油工業(yè)中的產(chǎn)出水除油,取得了滿意的效果。 旋流式分離器的結(jié)構(gòu)及工作原理旋流分離器，是一種利用離心沉降原理將非均相混合物中具有不同密度的相分離的機械分離設(shè)備。分離腔主要有圓柱形、圓錐形、柱錐形三種基本形式。就入口與分離腔的連接形式來分，入口又有切向入口和漸開線入口兩種?？拷M料端的 圖21為溢流口，遠離進料端的為底流口。這樣就達到了分離的目的。本文設(shè)計的旋流分離器用于石油鉆井中鉆井液的氣液分離。立式重力式分離器的主體為一立式圓筒體，多相流一般從該筒體中段進入，頂部為氣流出口，底部為液體出口，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖22。旋流式氣液分離器有以上優(yōu)點，但也有如下缺點:① 由于旋流器內(nèi)流體的流動產(chǎn)生一定的剪切作用，如果參數(shù)設(shè)計不當，容易將液滴(油滴或水滴) 打碎乳化而惡化分離過程； 圖22② 通用性較差。在欠平衡鉆井中，使用旋流式氣液分離器分離鉆井液中的氣體，能充分發(fā)揮該離器優(yōu)點，同時又能有效的避免它的缺點。第三章 管柱式氣液旋流分離器管柱式旋流分離器(GasLiquid Cylindrical Cyclone,簡寫GLCC)是一種新型分離裝置(見圖31)。氣液混合物由切向入口進入旋流分離器后形成的旋流產(chǎn)生了比重力高出許多倍的離心力,由于氣液相密度不同,所受離心力差別很大,重力、離心力和浮力聯(lián)合作用將氣體和液體分離。而氣體則運動到中心,并向上由氣體出口排出。在油和氣的流量分別為16000ｍ3/ｄ和1980Ｍｍ3/ｄ,分離壓力為680ｋＰａ的分離工況下,若分別采用管柱式旋流分離器、傳統(tǒng)容器型立式和臥式分離器,6ｍ,相當于同等規(guī)模的傳統(tǒng)立式分離器()的一半左右,相當于傳統(tǒng)臥式分離器(29ｍ)的四分之一左`右。 入口區(qū)由于管柱式旋流分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)氣液的高效分離,而入口結(jié)構(gòu)決定了分離器的入口氣液相分布及氣液相切向入口速度的大小。氣液相流速的不同,油、氣兩相或油、氣、水多相流在入口管和噴嘴內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。而傳統(tǒng)分離器采用的入口結(jié)構(gòu)通常為垂直于筒體的結(jié)構(gòu)(目前很多分離器采用的分氣包亦為類似結(jié)構(gòu)),實驗證明采用垂直結(jié)構(gòu)的管柱式旋流分離器,氣液分離效果差,工作范圍大約是傾斜向下的入口結(jié)構(gòu)分離器的一半。圖32 GLCC結(jié)構(gòu)圖 入口分流區(qū)入口分流區(qū)即與入口槽連接的筒體部分(如圖32)。 漩渦區(qū)經(jīng)初步分離的液相以切向速度沿筒壁旋轉(zhuǎn)形成強制旋流。流動是軸對稱的、各分速度沿ｚ軸變化不大,因此假設(shè)微元控制體在軸向、切向上沒有加速度,徑向加速度,應(yīng)用歐拉方程式得徑向和軸向運動微分方程:圖33 旋流控制體受力分析　 （1） （2）式中