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段塞流捕集器结构改进与除砂性能研究

段塞流捕集器结构改进与除砂性能研究

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作者：许仁辞中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

海上凝析气田气井出砂现象广泛存在,严重威胁下游生产设备的正常运行。传统的分离设备很难被直接移植到狭小的平台。本文对传统段塞流捕集器进行结构改进,在入口设置旋流预分离,内部设置挡砂板,使得砂粒在捕集器内被分离。以旋流分离和... 详细信息

海上凝析气田气井出砂现象广泛存在,严重威胁下游生产设备的正常运行。传统的分离设备很难被直接移植到狭小的平台。本文对传统段塞流捕集器进行结构改进,在入口设置旋流预分离,内部设置挡砂板,使得砂粒在捕集器内被分离。以旋流分离和沉淀池理论为指导,利用数值模拟方法研究旋流分离器分离机制,通过实验测试方法对捕集器的分离性能进行系统评价。主要内容和结论如下:旋流器内旋流场切向速度分为壁面区、准自由区和强制涡区。径向上最大切向速度分布在排气管径约2/3处。轴线方向上,最大切线方向速度呈“U”形分布,中间低两端高。轴向速度分为轴中心处上行流和外围下行流。随着轴向能量的衰减,上行流中心处出现缓慢流、滞止流等现象。零包络面的空间扭曲度和螺旋半径可以反映流场的稳定性和旋流强度。增大旋流器锥角高度、收缩距离和降低筒体高度,旋流器内切向流速增大,颗粒分离效率增大;零包络面径向收缩,螺旋化增强,呈现圆台状、圆柱状和柱锥状并在不同状态之间的转化,能量损失升高。极差分析法表明影响捕集器分离性能的因素强弱依次是颗粒粒径、捕集器液位高度和入口液流量。正交实验分析表明颗粒粒径影响最为显著,其他两项不显著。挡板设置在距离比L/L>0.55,高度比值H/D>0.37位置时,捕集器工作在高效区,分离效率达到约95%,临界粒径降低至约10μm。旋流器能够有效地分离气体携带的液滴和砂粒,压降系数增量仅为0.0415。气流量波动±20%范围内,捕集器分离稳定性良好。液流量波动±20%范围内,分离恶化,临界粒径增大至约40μm。只有在第一挡板偏离高效区时,第二挡板分离作用才会突显。段塞流捕集器内砂粒堆积成一定倾角的砂床。随着液位的升高,倾角逐渐增大。通过差分优化法分别建立捕集器内的积砂量和质量分离效率关于挡板参数的关系式。根据连续性方程,推导出清砂估算时间,为捕集器设备和其他类似结构的容器设备及时清砂提供指导。

关键词：段塞流捕集器旋流分离器数值模拟挡板除砂性能

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凝析气田井口管式除砂器结构设计与性能评价

凝析气田井口管式除砂器结构设计与性能评价

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作者：任高飞中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

气井井口出砂对井口设备和下游油气集输系统都会造成影响,严重时可能会出现管线砂堵、阀门刺漏等现象。海洋井口平台具有空间有限、远离陆地、无人员常驻、设备维护成本高等特点,对除砂设备与相关工艺的设计提出了更高的挑战。本文将传... 详细信息

气井井口出砂对井口设备和下游油气集输系统都会造成影响,严重时可能会出现管线砂堵、阀门刺漏等现象。海洋井口平台具有空间有限、远离陆地、无人员常驻、设备维护成本高等特点,对除砂设备与相关工艺的设计提出了更高的挑战。本文将传统的多相流控砂技术进行了分析对比,在管式除砂器的基础上进行了结构改造,使用Fluent研究了除砂器的工作特性,通过室内实验测试了不同结构下除砂器的分离效率,并提出了除砂器适用性的评价方法。主要内容与结论如下:将除砂器划分为入口管路、三通、出口管路、惯性迁移段和储砂筒五个模块。数值模拟结果显示,在入口管路至三通段,除砂器内压力呈现逐渐降低的趋势,速度值较入口速度几乎无变化;在三通处,连续相流动状态变化最为明显;三通至出口管路段,产生了强烈的气核区,局部流速上升,并在另一侧产生了旋涡,压力沿出口管路轴向产生了连续的波动,引起了湍流动能耗散,增大了分离器内能量损耗。在惯性迁移段和储砂筒区,连续相流速逐渐降至0,静压值产生跃升,砂粒进入该区域后仅依靠自身惯性向前运动,并在重力作用下沉积到储砂筒底部。通过数值模拟比较了不同结构下除砂器的分离效率,为实体机选型提供了理论依据。设计并搭建了天然气凝析液井口控砂实验系统,改进加砂方式保证多相流砂粒加入的均匀性。基于此实验系统,研究了工况参数与结构参数对除砂器分离性能的影响。极差分析法表明影响除砂器分离性能的因素强弱依次为颗粒粒径、表观气速、表观液速,其中砂粒粒径影响表现最为显著,其它两者显著性接近,相较于颗粒粒径不明显。实验表明分离室扩径和两级结构可以有效的提升除砂器分离效率。分离室直径由D扩至2D时,连续相流动状态由直接冲击储砂筒上方气液两相分界面变为旋流,大粒径砂粒分离效率提升明显,再次增大直径会造成分离器内压降值骤增,分离效率几乎无提升;使用两级结构代替单级结构会造成除砂器占地面积增大,但相较于分离室扩径,整体压降更低,分离性能提升显著。对实验结果综合考虑,本文给出了井口管式除砂器的基本结构。通过调研与数值计算,给出了天然气凝析液井口除砂器适用性判断方法,为相似应用需求的除砂器设计提供了指导。

关键词：天然气凝析液井口平台管式除砂器数值模拟除砂性能

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