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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篩的后面，是一種專用的處理氣浸鉆井液的設備，除氣效率高達95%，今天我們就來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,國內(nèi)外應用較多。其工作流程為:啟動真空泵在除氣罐內(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)鉆井液的流動比較復雜,以致于影響除氣效率的因素諸多,運用傳統(tǒng)的理論分析無法較為準確地預測其除氣性能,實驗室測試也是一項非常復雜,而且成本非常高的研究。目前,國內(nèi)對除氣器的性能測試和效率評估都是在現(xiàn)場進行,現(xiàn)場試驗條件局限性比較大,很難依據(jù)試驗結(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估研究進行了合作,應用CFD技術(shù)研究立式真空除氣器內(nèi)部流場、分析影響除氣性能因素、評估除氣效率。筆者的研究結(jié)果對立式真空除氣器的設計以及使用具有很好的指導意義。
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)值模擬研究的對象。按照分離傘結(jié)構(gòu),將過流部分用實體表示,其它部分用虛體表示,建立的除氣器分離傘計算模型如圖1所示。模擬氣侵鉆井液在分離傘上的流動時,為減少計算量,可取其中1個傘片來模擬,模型圖如圖2所示。
在三維問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)格的混合對計算模型進行網(wǎng)格劃分。由于計算區(qū)域形狀比較復雜,筆者采用混合網(wǎng)格。
真空除氣器工作時主要靠除氣罐內(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。采用無滑移固壁條件,并由標準壁面函數(shù)確定固壁附近流體流動。工作介質(zhì)為含有一定氣量的鉆井液,含氣體積分數(shù)為18%[1],氣泡直徑為0.8mm,液相動力粘度0.06Pa·s,液相密度1 200kg/m 3。
分離傘上的流體流動可認為是紊流流動,紊流模型采用RNG κ-ε模型。該模型來源于嚴格的統(tǒng)計技術(shù),它和標準κ-ε模型很相似,但是有以下改進[2]: RNG模型在ε方程中加了1個條件,有效地提高了精度; RNG模型考慮了湍流漩渦,同時
也提高了這方面的精度; RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了1個解析公式,而標準κ-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù);標準κ-ε模型是一種高雷諾數(shù)模型, RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式,可以計算低雷諾數(shù)效應。
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,對一個控制容積的體積分數(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動?；旌夏Ｐ颓蠼饣旌舷嗟倪B續(xù)性方程,混合相的動量方程及能量方程,第2相的體積分數(shù)方程,以及相對速度的代數(shù)表達式?；旌夏Ｐ偷膽冒ǖ拓撦d的粒
子負載流、氣泡流、沉降以及旋風分離等多相流。數(shù)值計算運用分離的隱式求解方法,對動量方程采用二階迎風差分格式進行離散,對體積分數(shù)計算采用Quick格式進行離散,對速度與壓力耦合采用SIMPLE算法。
除氣器內(nèi)流場主要包括速度場、壓力場及各相體積分數(shù)的分布;同時,通過統(tǒng)計進出口的密度值可以計算出除氣效率。筆者以除氣罐真空度為0.03MPa的分離傘流場分布為例簡介其特點。
(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分離傘頂部的空間,分離傘分漿孔為多個小孔。
(3)分離傘內(nèi)氣液體積分數(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?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
到了除氣的目的。進一步研究發(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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