楊風(fēng)斌，顧永濤，王玉江，蒿秋軍，史仕熒，李華

（1.勝利油田孤東采油廠，山東 東營 257237；2.勝利油田工程技術(shù)管理中心，山東 東營 257000；3.勝利油田注汽技術(shù)服務(wù)中心 孤島注汽項目部，山東 東營 257000；4.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190）

0 引言

隨著油田開采進(jìn)入中后期，采出液含油率逐年升高，使得油田瀕臨經(jīng)濟(jì)開采極限，采用大罐式分離設(shè)備體積大、成本高，急需緊湊型分離設(shè)備以精簡流程、降低開采成本。而采用緊湊型分離器，氣液分離通常是第一環(huán)節(jié)。目前關(guān)于緊湊型氣液分離器的研究大概分為兩類：一類為T型管[1]，另一類為旋流器[2]。對于分離氣液兩相的旋流器一般應(yīng)用在天然氣工業(yè)中，即液相為液滴的氣液分離領(lǐng)域[3]。旋流器應(yīng)用在含液率較高的氣液分離領(lǐng)域時，通常直徑較大，即做成罐的形式[4]。而對于勝利油田的氣液分離領(lǐng)域，一般液相為連續(xù)相，故采用T型管進(jìn)行氣液分離結(jié)構(gòu)比較緊湊。早在20世紀(jì)70年代就有學(xué)者對于T型多分叉管開展氣液兩相流動分離的研究[5]，大部分的研究圍繞著T型管內(nèi)分岔處的結(jié)構(gòu)對氣液兩相分離的影響，很少有關(guān)于如何使得T型管適應(yīng)瞬態(tài)萬變的氣液兩相高效分離方面的研究[6-8]。

在上述背景下，本文研究了一種基于管道動態(tài)重力沉降原理進(jìn)行氣液分離的改進(jìn)型T型管，對其中的氣液分離性能開展了相關(guān)室內(nèi)試驗研究，研究結(jié)果為T型管的工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置及流程

圖1所示為試驗裝置的結(jié)構(gòu)尺寸圖，這種改進(jìn)型T型管的上部出口即出氣口設(shè)置了一個垂直出口，下部出口即出水口設(shè)計了一個U型管。T型管的主管路均由直徑為50 mm的管道連接而成，其中4根豎直管水平間距為1000 mm，垂直間距為600 mm，總體長度為4000 mm，其中定義h為氣液界面距離水平管的高度。

圖1 改進(jìn)型T型管結(jié)構(gòu)尺寸圖

將改進(jìn)型T型管安裝在如下試驗流程中：氣、水兩相分別從空壓機(jī)、水泵計量后以一定含氣率進(jìn)入T型管，經(jīng)過T型管分離后，氣相從上部流出，水相從下部出液口流出回到水罐，然后水被泵抽回系統(tǒng)循環(huán)試驗，如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)流程圖

1.2 試驗介質(zhì)

試驗介質(zhì)為空氣和水，試驗在常溫下開展，其中水的密度為1000 kg/m3，黏度為0.013 Pa·s。為了便于觀察，利用水溶性葡萄紫將水染成紫色。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)定義

本文涉及到的入口含氣率即入口氣體的流量與總體積流量之比，定義如下：

α=Qg/Qh。

式中：Qg為入口氣相體積流量，m3/h；Qh為入口總體積流量，m3/h。

入口混合流速v的定義如下：v=Qh/A。

式中，A為管道橫截面積，m2。

2.2 氣液分離性能隨氣液界面波動變化規(guī)律

當(dāng)入口含氣率為25%，入口混合流速為1 m/s，試驗改變氣液界面，觀察從出氣口、出液口的氣液兩相流流態(tài)。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣液界面高度為0時，可以看到出氣口不含液體，但是部分氣泡被攜帶從出液口流出，即使有U型管，氣泡仍然被攜帶從出液口流出。隨著氣液界面的升高，在豎直管的范圍內(nèi)，出液口不含氣、出氣口不含液體。當(dāng)氣液界面到達(dá)上部水平管中時，出液口不含氣體、出氣口會有少部分液體被攜帶從出氣口流出；相對于出氣口結(jié)構(gòu)不改變時，出氣口的含液率大大降低。這主要是由于液體的密度高于氣體，氣體攜帶液體向上流動所需的能量會高于氣體攜帶液體水平向前運(yùn)動，故部分液體會在重力作用下向下運(yùn)動，氣液分離性能得到提高。

2.3 氣液分離性能隨入口流速變化規(guī)律

當(dāng)保持入口含氣率為25%，增大入口混合流速。試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣液界面h保持在豎直管范圍內(nèi)時，速度低于1.5 m/s時，分離的出氣口氣中不含液體，分離的出液口液中不含氣體；當(dāng)速度達(dá)到1.5 m/s時，分離后的出氣口氣中仍然不含液滴，但是出液口會含有少部分氣泡。觀察發(fā)現(xiàn)主要是由于速度較高時，部分小氣泡沒來得及上升至T型接頭進(jìn)入豎直管，而快速被液體攜帶從出液口流出，說明改進(jìn)后的T型管應(yīng)用時應(yīng)保持在一定的入口混合流速范圍內(nèi)，從而使得其分離性能優(yōu)良。

2.4 氣液分離性能隨入口含氣率變化規(guī)律

當(dāng)入口流速為1.0 m/s，保持氣液界面h在豎直管范圍，改變?nèi)肟诤瑲饴?，試驗結(jié)果如圖5所示。從試驗可以看出，隨著入口含氣率增大，只要氣液界面在豎直管范圍內(nèi)，出氣口不含液體，出液口不含氣體。當(dāng)含氣率較低時，將出氣口閥門關(guān)小從而維持氣液界面在豎直管范圍內(nèi)；當(dāng)含氣率較高時，將出氣口閥門開大從而讓氣體快速流出，氣液界面也可以維持在豎直管范圍內(nèi)。故含氣率改變對改進(jìn)型氣液分離器分離性能影響也不大。

圖5 入口含氣率對T型管分離性能的影響

3 結(jié)論

通過對T型管出氣口、出液口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并經(jīng)試驗研究得到如下結(jié)論：1）出氣口結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以降低出氣口氣體攜帶液滴的能力，從而降低出氣口氣中含液率；出液口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對于提高氣液分離性能的作用有限；2）當(dāng)其余條件一致，入口混合流速在1.5 m/s以內(nèi)變化氣液界面時，氣液界面高于下水平管的上表面，低于上水平管的下表面，能夠使得改進(jìn)后的T型管出氣口不含液、出液口不含氣。3）當(dāng)其余條件不變，保持氣液界面在豎直管范圍內(nèi)，入口混合流速低于1.5 m/s時，氣液分離性能優(yōu)良，T型管的最佳流速范圍應(yīng)控制在1.5 m/s以內(nèi)。4）當(dāng)入口混合流速在1.5 m/s以內(nèi)，氣液界面豎直管范圍內(nèi)，其余條件一致的前提下，改變?nèi)肟诤瑲饴?，試驗發(fā)現(xiàn)，T型管能夠適應(yīng)廣泛的氣液兩相流相含率范圍。

圖3 氣液界面對T型管分離性能的影響

圖4 入口流速對T型管分離性能的影響

總之，改進(jìn)型T型管性能優(yōu)良，通過對其性能研究，獲得了其性能變化規(guī)律，研究為其工業(yè)應(yīng)用提供了指導(dǎo)。