真空式除氣器在鉆井固控系統(tǒng)中是比較常用的，通常安裝在泥漿振動(dòng)篩的后面，是一種專(zhuān)用的處理氣浸鉆井液的設(shè)備，除氣效率高達(dá)95%，今天我們就來(lái)看看真空式除氣器除氣效率。

除氣器作為鉆井液處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一,用于除去氣侵鉆井液中的氣體,以穩(wěn)定鉆井液的性能。油氣田鉆井中使用的除氣器有真空式、大氣式和離心式等多種形式。應(yīng)用廣泛、效果好的是真空式除氣器,其中立式真空除氣器由于其體積小、占用面積少,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多。其工作流程為:啟動(dòng)真空泵在除氣罐內(nèi)產(chǎn)生真空,在真空的作用下鉆井液經(jīng)吸入管吸入,并經(jīng)傘片流入除氣罐內(nèi),在傘片中鉆井液延展成薄層,鉆井液中的氣體在真空作用下暴露于鉆井液表層,并經(jīng)除氣罐的頂部被真空泵抽走,除氣后的鉆井液沉降在罐的底部,在重力作用下排出至系統(tǒng),或者用噴射泵抽汲排出至系統(tǒng)。在除氣罐內(nèi)鉆井液的流動(dòng)比較復(fù)雜,以致于影響除氣效率的因素諸多,運(yùn)用傳統(tǒng)的理論分析無(wú)法較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其除氣性能,實(shí)驗(yàn)室測(cè)試也是一項(xiàng)非常復(fù)雜,而且成本非常高的研究。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)除氣器的性能測(cè)試和效率評(píng)估都是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件局限性比較大,很難依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析影響除氣器性能的因素。為此,就立式真空除氣器的性能和效率評(píng)估研究進(jìn)行了合作,應(yīng)用CFD技術(shù)研究立式真空除氣器內(nèi)部流場(chǎng)、分析影響除氣性能因素、評(píng)估除氣效率。筆者的研究結(jié)果對(duì)立式真空除氣器的設(shè)計(jì)以及使用具有很好的指導(dǎo)意義。

分離傘的參數(shù)決定著真空式除氣器的除氣性能,因此分離傘是數(shù)值模擬研究的對(duì)象。按照分離傘結(jié)構(gòu),將過(guò)流部分用實(shí)體表示,其它部分用虛體表示,建立的除氣器分離傘計(jì)算模型如圖1所示。模擬氣侵鉆井液在分離傘上的流動(dòng)時(shí),為減少計(jì)算量,可取其中1個(gè)傘片來(lái)模擬,模型圖如圖2所示。

在三維問(wèn)題中可以使用四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、金字塔形網(wǎng)格以及楔形網(wǎng)格,或者使用2種網(wǎng)格的混合對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于計(jì)算區(qū)域形狀比較復(fù)雜,筆者采用混合網(wǎng)格。

真空除氣器工作時(shí)主要靠除氣罐內(nèi)的真空度吸入流體。因此,入口邊界為壓力邊界,出口邊界也為壓力邊界,壓力即為除氣罐內(nèi)的真空度。采用無(wú)滑移固壁條件,并由標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)確定固壁附近流體流動(dòng)。工作介質(zhì)為含有一定氣量的鉆井液,含氣體積分?jǐn)?shù)為18%[1],氣泡直徑為0.8mm,液相動(dòng)力粘度0.06Pa·s,液相密度1 200kg/m 3。

分離傘上的流體流動(dòng)可認(rèn)為是紊流流動(dòng),紊流模型采用RNG κ-ε模型。該模型來(lái)源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù),它和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型很相似,但是有以下改進(jìn)[2]: RNG模型在ε方程中加了1個(gè)條件,有效地提高了精度; RNG模型考慮了湍流漩渦,同時(shí)

也提高了這方面的精度; RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了1個(gè)解析公式,而標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型使用的是用戶(hù)提供的常數(shù);標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型是一種高雷諾數(shù)模型, RNG理論提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的解析公式,可以計(jì)算低雷諾數(shù)效應(yīng)。

除氣器中的流體為液氣兩相流,多相流模型采用混合模型?；旌夏Ｐ驮试S相之間互相貫穿,對(duì)一個(gè)控制容積的體積分?jǐn)?shù)取決于相占有的空間,使用了滑流速度概念,允許相以不同的速度運(yùn)動(dòng)?；旌夏Ｐ颓蠼饣旌舷嗟倪B續(xù)性方程,混合相的動(dòng)量方程及能量方程,第2相的體積分?jǐn)?shù)方程,以及相對(duì)速度的代數(shù)表達(dá)式?；旌夏Ｐ偷膽?yīng)用包括低負(fù)載的粒

子負(fù)載流、氣泡流、沉降以及旋風(fēng)分離等多相流。數(shù)值計(jì)算運(yùn)用分離的隱式求解方法,對(duì)動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散,對(duì)體積分?jǐn)?shù)計(jì)算采用Quick格式進(jìn)行離散,對(duì)速度與壓力耦合采用SIMPLE算法。

除氣器內(nèi)流場(chǎng)主要包括速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及各相體積分?jǐn)?shù)的分布;同時(shí),通過(guò)統(tǒng)計(jì)進(jìn)出口的密度值可以計(jì)算出除氣效率。筆者以除氣罐真空度為0.03MPa的分離傘流場(chǎng)分布為例簡(jiǎn)介其特點(diǎn)。

(1)壓力分布表現(xiàn):分漿管內(nèi)部與外部存在明顯的壓力差,這樣液體在壓差的作用下通過(guò)分漿孔流到分離傘上。除氣器內(nèi)真空度越大,此壓差越大,在分漿孔徑一定時(shí)流量也就越大。

(2)速度分布表現(xiàn):分漿孔出口附近速度較大,分離傘片上液體主要是在重力的作用下沿著傾斜的分離傘面向下流,因此速度很小。工作中希望從分漿孔中流出的液體先充滿(mǎn)分離傘頂部的空間,分離傘分漿孔為多個(gè)小孔。

(3)分離傘內(nèi)氣液體積分?jǐn)?shù)分布表現(xiàn):在2層分離傘之間的空間里,上面部分為氣體、中間部分為氣液混合體、底部則為含氣量很少的液體?？梢?jiàn),在分離傘的作用下,大部分氣體已經(jīng)從液膜中除去,剩下的液膜中含氣量非常少,從而達(dá)

到了除氣的目的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在分漿管附近由于從分漿孔流出的液體具有一定的速度而直接沖刷到上層分離傘上部的背面,所以在正對(duì)分漿孔的分離傘空間形成的氣液分界面不明顯,其它非正對(duì)分漿孔的區(qū)域,形成了較好的氣液分界面,氣液兩相得到了較好地分離。

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