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真空式除气器除气效率分析

2016年4月19日
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| Categories: 固控设备文章

   摘要: 目前对除气器的性能测试和效率评估都是在现场进行,现场试验条件局限性比较大,很难依据试验结果分析影响除气器性能的因素,运用传统的理论分析也无法较为准确地预测其除气性能。为此,应用CFD技术研究立式真空除气器内部流场、分析影响除气性能因素、评估除气效率。结果认为,分离伞的倾角和面积对除气器的影响较大,合理设计倾角和面积既能得到高的除气效率,又能减小除气器的体积;采用多相流混合模型,定量化预测了除气器的除气效率,合理设计可以使立式真空除气器的效率达到90%以上。

关键词 真空除气器 数值模拟 流场 除气效率

除气器作为钻井液处理系统中的关键设备之一,用于除去气侵钻井液中的气体,以稳定钻井液的性能。油气田钻井中使用的除气器有真空式、大气式和离心式等多种形式。应用最广泛、效果最好的是真空式除气器,其中立式真空除气器由于其体积小、占用面积少,国内外应用较多。其工作流程为:启动真空泵在除气罐内产生真空,在真空的作用下钻井液经吸入管吸入,并经伞片流入除气罐内,在伞片中钻井液延展成薄层,钻井液中的气体在真空作用下暴露于钻井液表层,并经除气罐的顶部被真空泵抽走,除气后的钻井液沉降在罐的底部,在重力作用下排出至系统,或者用喷射泵抽汲排出至系统。在除气罐内钻井液的流动比较复杂,以致于影响除气效率的因素诸多,运用传统的理论分析无法较为准确地预测其除气性能,实验室测试也是一项非常复杂,而且成本非常高的研究。目前,国内对除气器的性能测试和效率评估都是在现场进行,现场试验条件局限性比较大,很难依据试验结果分析影响除气器性能的因素。为此,就立式真空除气器的性能和效率评估研究进行了合作,应用CFD技术研究立式真空除气器内部流场、分析影响除气性能因素、评估除气效率。笔者的研究结果对立式真空除气器的设计以及使用具有很好的指导意义。

1 模型建立

1.1 三维计算模型及模型离散化

分离伞的参数决定着真空式除气器的除气性能,因此分离伞是数值模拟研究的对象。按照分离伞结构,将过流部分用实体表示,其它部分用虚体表示,建立的除气器分离伞计算模型如图1所示。模拟气侵钻井液在分离伞上的流动时,为减少计算量,可取其中1个伞片来模拟,模型图如图2所示。

在三维问题中可以使用四面体网格、六面体网格、金字塔形网格以及楔形网格,或者使用2种网格的混合对计算模型进行网格划分。由于计算区域形状比较复杂,笔者采用混合网格。

1.2 边界条件及介质物性参数

真空除气器工作时主要靠除气罐内的真空度吸入流体。因此,入口边界为压力边界,出口边界也为压力边界,压力即为除气罐内的真空度。采用无滑移固壁条件,并由标准壁面函数确定固壁附近流体流动。工作介质为含有一定气量的钻井液,含气体积分数为18%,气泡直径为0.8mm,液相动力粘度0.06Pa·s,液相密度1 200kg/m 3。

2 真空除气器气液两相流数值模拟分析

分离伞上的流体流动可认为是紊流流动,紊流模型采用RNG κ-ε模型。该模型来源于严格的统计技术,它和标准κ-ε模型很相似,但是有以下改进: RNG模型在ε方程中加了1个条件,有效地提高了精度; RNG模型考虑了湍流漩涡,同时
也提高了这方面的精度; RNG理论为湍流Prandtl数提供了1个解析公式,而标准κ-ε模型使用的是用户提供的常数;标准κ-ε模型是一种高雷诺数模型, RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式,可以计算低雷诺数效应。
除气器中的流体为液气两相流,多相流模型采用混合模型。混合模型允许相之间互相贯穿,对一个控制容积的体积分数取决于相占有的空间,使用了滑流速度概念,允许相以不同的速度运动。混合模型求解混合相的连续性方程,混合相的动量方程及能量方程,第2相的体积分数方程,以及相对速度的代数表达式。混合模型的应用包括低负载的粒
子负载流、气泡流、沉降以及旋风分离等多相流。数值计算运用分离的隐式求解方法,对动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散,对体积分数计算采用Quick格式进行离散,对速度与压力耦合采用SIMPLE算法。
除气器内流场主要包括速度场、压力场及各相体积分数的分布;同时,通过统计进出口的密度值可以计算出除气效率。笔者以除气罐真空度为0.03MPa的分离伞流场分布为例简介其特点。
(1)压力分布表现:分浆管内部与外部存在明显的压力差,这样液体在压差的作用下通过分浆孔流到分离伞上。除气器内真空度越大,此压差越大,在分浆孔径一定时流量也就越大。
(2)速度分布表现:分浆孔出口附近速度较大,分离伞片上液体主要是在重力的作用下沿着倾斜的分离伞面向下流,因此速度很小。工作中希望从分浆孔中流出的液体先充满分离伞顶部的空间,分离伞分浆孔为多个小孔。
(3)分离伞内气液体积分数分布表现:在2层分离伞之间的空间里,最上面部分为气体、中间部分为气液混合体、最底部则为含气量很少的液体。可见,在分离伞的作用下,大部分气体已经从液膜中除去,剩下的液膜中含气量非常少,从而达
到了除气的目的。进一步研究发现,在分浆管附近由于从分浆孔流出的液体具有一定的速度而直接冲刷到上层分离伞上部的背面,所以在正对分浆孔的分离伞空间形成的气液分界面不明显,其它非正对分浆孔的区域,形成了较好的气液分界面,气液两相得到了较好地分离。

3 影响除气效率的因素分析

除气效率的统计可按公式(1)计算,即
η =ρl-ρiρ0-ρi× 100% (1)
式中 ρ0———原始液相密度;
ρi———入口气侵液密度;
ρl———液体出口的介质密度。

3.1 除气器分离伞倾斜角度和直径对除气效率的影响

分离伞倾斜角度和直径决定着分离伞面积。数值模拟分析得知,在相同的分离伞面积下,分离伞倾角越小,除气效果越明显。笔者取较小的倾角(20°)来分析分离伞面积对除气效率的影响。图3为分离伞面积与除气效率的关系曲线。从图3可以看出,随着面积的增加,除气效率不断提高。分离伞面积从2.00m 2增大到2.50m 2时,除气效率有明显的提高;当分离伞面积从2.50m 2增大到3.00m 2时,除气效率有所提高,但不明显。由此可作如下判断:分离伞面积小于2.50m 2时,气泡不能完全从液膜中溢出,因而除气效率很低;分离伞面积大于2.50m…

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真空除气器结构特点

2016年1月18日
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| Categories: 固控设备文章

真空除气器是一种用于处理侵气钻井液的新型专用设备,又叫负压除气器,可以快速去除侵入到钻井液中的各种气体,对于恢复泥浆的比重,稳定泥浆性能,有很重要的作用。同时可作为大功率的泥浆搅拌器使用,适于各类泥浆循环净化系统的配套。该设备属于负压式除气器,科学合理的设计结构,能实现气液有效分离,滤掉杂质,保证气管始终通畅。

真空除气器结构特点

1.真空除气器利用真空泵的抽吸使泥浆进入真空罐内,并利用其使气体被抽出真空罐外,真空泵在此起了两种不同的作用。
2.真空泵在工作过程中,始终处于等温状态下,适用于易燃易爆的气体抽吸,安全性能可靠。
3.泥浆通过转子的窗口高速射向四壁,泥浆中的气泡破碎彻底,除气效果好。
4.主电机偏置,整机重心降低。
5.采用皮带传动,避免了减速机构的复杂化。
6.吸入管插入泥浆罐内,在泥浆无气浸的情况下,可作为大功率的搅拌器使用。
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气侵与固控设备

2016年1月9日
| 没有评论
| Categories: 固控设备文章

固控设备主要包括:钻井液振动筛、泥浆清洁器、除砂清洁器、除泥器和钻井液离心机。气侵就是指气体侵入钻井液中使性能变坏的过程。钻井液中的气体会严重影响固控设备。这种情况在大多数油田应用中被错误的解释和理解。固控中的气侵引起的主要问题是钻井液振动筛的筛网被“糊”,砂泵供给除砂清洁器、除泥器和钻井液离心机的泥浆输出量减少。气侵往往发生在气层的钻进中。

1. 钻井液振动筛与气侵

带有钻屑的钻井液的稳定流量决定了钻井液振动筛的筛分。钻井液必须通过振动筛的筛网,钻屑要么通过筛网,要么被筛网清除掉。钻井液中的气侵现
象对钻井液振动筛的筛分的影响有三种。
a. 气体上窜可以引起钻井液的体积波动,从而超过钻井液振动筛处理钻井液的能力。这主要是因为混入钻井液中的气体,在地表迅速膨胀的同时,使得钻井液波动巨大用处溢流管。液气分离器(钻井液气体分离器)可以解决这一问题。
b. 钻井液中微小气泡的存在是气侵的主要标志,当气泡膨胀至填充筛网金属线之间的空隙时,气泡可能糊住筛网。这种问题可以由脱气装置(真空除气器)清除混入钻井液中的气泡而得到解决。
c. 与气侵相关的泡沫会使钻井液振动筛筛网上留下一层轻而湿的泡沫膜。这些泡沫太轻不能在重力的作用下通过筛布,并且携带额外的泥浆流到钻井液振动筛的底端。钻井液的流失通常不明显从而容易被忽略。在一般情况下,可以用钻井液振动筛喷雾剂或消泡剂来破除泡沫。但是需要注意:这样会有大量的钻屑通过筛网,不能得到筛分去除。
第四个问题与气体无关,是因为钻井液受到盐水或盐侵入而黏度增加。这可能导致钻井液的跑浆,从而使钻井液不通过筛网。如果这种情况发生,则必须将被污染的钻井液从旁通进入泥浆储浆罐里。

2. 泥浆清洁器(除砂清洁器、除泥器)与气侵

泥浆清洁器(除砂清洁器、除泥器)的运转情况通常由水压龙头决定的,水头压力是砂泵所泵入钻井液体积的函数。砂泵对气侵现象很敏感。气体在叶轮中心压力降低区聚集,然后迅速减少砂泵的输出流量。如果砂泵吸入管线处流体压头很低,那么钻井液中少量的气体就可能将泵气锁,从而限制钻井液固控系统的运转。
砂泵的气锁阻止了泥浆清洁器(除砂清洁器、除泥器)的运转。只要溢流管中出现了气体,在固控系统的钻井液输送系统(主要是砂泵)就应该使用脱气装置(真空除气器)。

3. 钻井液离心机与气侵

钻井液离心机的进料泵采用典型的moyno泵,也就是螺杆泵。螺杆泵是渐进式腔式泵,不会像砂泵那样被气锁。但是螺杆泵的排量比砂泵要小。这直接降低了钻井液中的含气比例和离心机的输入压力。钻井液中的气体通过螺杆泵后其压力增加为输入压力,因此气体被压缩从而减少螺杆泵的输出。钻井液离心机输入的泥浆降低必然使泥浆输出减少,从而改变离心机的变切点。
注意:以下的估计都是最小值。随着气体侵入量的增加,钻井液的流动性更好而吸入口的水头降低,所有这些因素都会影响螺杆泵的性能从而影响钻井液离心机的性能。
下面所述的情况适用于螺杆泵,也适用于双缸或三缸钻井泵。

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深井固控系统分级设备

2016年1月9日
| 没有评论
| Categories: 固控设备文章

钻井液固相控制(简称固控)系统就是对钻井液中的有害固相颗粒进行控制,通过科学地布置固控设备,形成合理、高效的固控流程,可以清除钻井液中的有害固相,保留有用固相,满足钻井工艺对钻井液性能的要求。

深井钻井液固控系统采用五级固控,固控流程如下:

一级固控——去除大颗粒。经井底循环返回的钻井液中含有较大的钻屑,钻井液经井口至1#罐的连接管进入振动筛,通过振动筛将钻井液中粒度大于74μm的钻屑颗粒筛分出来,完成一级固控。

二级固控——清除气体。真空除气器是用于去除在钻井过程中侵入钻井液的气体的专用钻井液处理设备,它能够迅速、有效地清除钻井液中所含的气体(包括空气),除气器对于恢复钻井液密度、防止潜在井喷、井塌危险的发生具有重要作用。

三级固控——去除较大颗粒。经过振动筛处理后的钻井液进入到除砂器中,除砂器将钻井液较大的砂粒(粒度44μm~74μm)分离出来,完成除砂过程,即为三级固控。

四级固控——去除小颗粒。经过除砂器处理后的钻井液进入到除泥器中,除泥器将钻井液小的砂粒(粒度15μm~44μm)分离出来,完成除泥过程,即为四级固控。

五级固控——去除较小颗粒。经过除泥器处理后的钻井液进入到离心机中,离心机将钻井液较小的砂(粒度2μm~15μm)分离出来,完成离心过程,即为五级固控。

五级固控全部采用主要用于复杂井况和要求较高的井况,在实际使用过程中,可以根据钻井作业的需要,

采用其中的一级或几级固控流程。经过五级固控设备后的钻井液固相含量,可以完全达到国内钻井作业对钻井液质量的要求。

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