超高压井口除砂器液固分离数值模拟及优化

作     者：宋德双 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周思柱;肖艳平

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：超高压井口除砂器 数值模拟 液固分离 响应面优化 

摘      要：压裂作业过程中,压裂返排液以液固两相流的形式返排到井口,返排液若不经有效处理,便会对下游设备的安全运营产生严重威胁。井口除砂器以旋流分离技术为基本原理,在井口除砂过程中,能够实现高效率的在线连续排砂,被广泛应用于压裂返排液的液固分离过程中。本课题来源于某公司设计生产的140MPa超高压井口除砂器。该除砂器在结构和工况上相较于传统旋流除砂器均有较大差异,其液固分离机制尚不明晰,且除砂效率仍有待提升。本文结合该除砂器的现场数据,以CFD方法研究了该超高压井口除砂器的内部流场情况,并对其液固分离行为做出分析,最后基于响应面方法对该除砂器做出优化,主要研究内容及结论如下:(1)依据CFD相关理论,建立了基于Euler–Lagrange坐标系下该除砂器的液固两相流数值模型,并依据庞学诗和普利特提出的计算公式,从分离粒度和压降两方面对该数值模型的准确性进行了验证。(2)计算得到该除砂器的粒级效率曲线,发现对于砂砾直径在5um-20um的小粒径颗粒,除砂器的分离效率都在25%左右。而对于粒径稍大的颗粒,尤其是30um-80um的颗粒,除砂器对砂砾的分离效率随砂砾粒径的增加而明显上升。总体来看,砂砾的分离效率随入口流量的增大而增大,d50随入口流量的增加逐渐降低,压降随入口流量的增加不断升高。(3)对除砂器的内部流场进行了深入研究,发现环向导流槽近入口段流速约是远入口段的6倍。除砂器内部的内、外旋流特征明显,且旋向相同。旋流筒内部存在较为明显的短路流与循环流,溢流管下端,存在“喉结现象。(4)除砂筒内部流体的速度场中,切向速呈“M型分布;轴向速度存在明显的正负转变,且流体上行的速度远大于流体下行的速度;径向速度值较小,分布没有明显规律。在数值上,流体的切线速度轴向速度径向速度。除砂筒内部流体的压力场中,静压呈“V型分布;动压同切向速度分布类似,呈“M型分布。(5)探究了三种典型粒径的颗粒在除砂器中的分离行为,发现单颗粒分离行为与颗粒粒径及入射位置均有关系,从近入口段进入旋流筒的颗粒被成功分离的几率较高,且分离时间也较短。对颗粒组的分离行为研究中,发现颗粒组在柱段有较为明显的内外分区,而在锥段,这种内外分区却不明显,旋流筒真正起分离作用的部分在锥段。(6)以最大分离效率为目标,对除砂器进行优化。选择CCD实验法进行实验设计,基于Kriging代理模型完成响应面拟合,并采用MISQP算法完成了对响应面最优解的获取,实现了对旋流筒结构参数的优化。与此同时对旋流筒安装角度及分流比进行优选,使得除砂器的分离效率共计提升10.4个百分点。