有杆泵井下油水分离系统设计与分析

石油机械
CHINA PETROLEUM MACHINERY 2021年第49卷第2期
— 94 —
V 油气田开发工程A
有杆泵井下油水分离系统设计与分析*
*基金项目：省部共建“石油天然气装备”教育部重点试验室(西南石油大学)项目(2018sts03)。

钟功祥程柯文向令吴陈胥卜轩谢锐
(西南石油大学；石油天然气装备教育部重点实验室)
钟功祥，程柯文，向令，等.有杆泵井下油水分离系统设计与分析.石油机械，2021，49 (2) : 94-103.
摘要：随着油田开采进入高含水阶段，大量采出水的举升和处理使得采油经济效益越来越低。

鉴于此，结合我国油田实际情况，提出一种新型有杆泵井下油水分离系统。

该系统由注采式一体
泵与两级串联旋流器连接，可实现同井采注。

基于正交试验设计，以底流口含油质量浓度C U 为目
标，通过Fluent 软件采用RSM 雷诺应力模型优化旋流器主要结构参数。

同时对两级串联油水分离
旋流器内部流场分布情况进行分析，深入研究不同入口速度下两级串联旋流器的分离效率。

研究
结果表明：结构优化后的单级旋流器C u 降低8.7%；两级串联旋流器内部流场具有较强的油水分 离能力；不同入口速度下，两级串联旋流器油相体积分数最高可达100%，C L 均低于200 mg/L,
满足回注标准，其中在曲柄转角°2 = 60°和孙=90°处C L 最小，为118mg/L 。

该方案能在井下有
效进行油水分离，使得分离水相达到回注标准，节省采油成本。

关键词：油水分离系统；旋流器；数值模拟；含油质量浓度；油相体积分数
中图分类号：TE355 文献标识码：A DOI ： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2021. 02. 015
Design and Analysis of Downhole Oil-Water Separation System for Rod Pump
Zhong Gongxiang Cheng Kewen Xiang Ling Wu Chen Xu Boxuan Xie Rui
(Southwest Petroleum 〃n/©ers/ty ； MOE Key Laboratory of O/l and Gas Egu/pment )
Abstract ： As oilfield development enters the high water cut stage ， the lifting and treatment of a large amount
of produced water makes the economic benefits of oil production lower and lower. Combining the actual situation of
domestic oilfields , a new type of rod pump downhole oil-water separation system is proposed. The system is con ­nected by an injection-production integrated pump and a two-stage series cyclone to realize production and injection
in the same well. Based on the orthogonal experimental design , the main structural parameters of the cyclone are optimized using the RSM Reynolds stress model by the Fluent software targeting the minimum mass concentration of
oil in the underflow port. The internal flow field distribution of the two-stage series oil-water separation cyclone is also analyzed to deeply study the separation efficiency of the two-stage series cyclone under different inlet velocity.
The research results show that the C u of the single-stage cyclone with optimized structure is reduced by 8. 7%. The internal flow field of the two-stage series cyclone has good oil-water separation ability. At different inlet velocities , the oil phase volume fraction of the two-stage series cyclone can reach up to 100% , and the C u is lower than 200
mg/L, which meets the re-injection standard. The C u is the smallest at the crank angle of 60° and 90°, which is 118 mg/L. This scheme can effectively carry out downhole oil-water separation , so that the separated water phase can reach the reinjection standard , and the oil production cost can be saved.
Keywords ： oil-water separation system ； cyclone ； numerical simulation ； oil mass concentration ； oil phase
volume fraction
2021年第49卷第2期钟功祥，等：有杆泵井下油水分离系统设计与分析—95—
0引言
油田进入中高含水期后，大量采出水的举升和处理使得采油经济效益越来越低。

据报道，雪佛龙石油公司在其全球业务中平均每天提升和处理19.5X106m3的采出水［1］。

因此，为了提高石油开采的经济效益、降低开采成本，国内外学者对井下油水分离技术进行了大量研究。

加拿大C-FER工程研究中心率先研制出了3种与旋流器相配套应用的泵系统：电潜泵系统(ESP)、螺杆泵系统(PCP)以及有杆抽油油水分离系统［2］。

赵传伟等［3］设计了螺杆泵井下油水分离生产系统，采用两种不同旋转方向的单螺杆泵对称布置方案，平衡轴向力，抵消了轴向水力载荷，增加了下泵的深度。

井下水力旋流器是井下油水分离技术的核心装置。

G.A.B.YOUNG等［4］优化了科尔曼和Thew的早期三段式设计。

蒋明虎等［5］针对电潜离心泵井下油水分离生产系统，根据生产层与注入层相对位置的差异，设计了两套井下水力旋流器串联结构方案，但两种方案仍采用旁通管，这对机组下井工艺提出较高要求。

王羕［6］提出一种新型轴入式两级串联旋流分离装置，其中使用螺旋叶片导流式旋流分离器作为预分离旋流器。

李巍等⑺采用内伸结构入口形式以及半开口圆管入口形式的重力式分离器进行数值模拟计算，为后续改进分离器内部分离结构提供了依据。

ZHAO C.W.等⑻利用响应面法建立OCU与实施粒子群优化的5个重要因素之间的二阶模型，利用粒子群优化算法得到了结构的最优参数。

李欣欣［9］根据驴头悬点的运动规律和井下结构方案及运行方式，研究分析旋流器入口非稳定流进液下的工作特性，为有杆泵的井下油水分离研究提供一定帮助。

中国科学院力学研究所［10］研制的轴流式井下旋流油水分离器采用轴向式入口,结构紧凑，处理量大，单根即可达到1200m3/d 的处理量。

综上所述，目前国内外对于井下油水分离的研究分为两个方向，一个是基于电潜泵与水力旋流器组合的分离系统。

由于我国目前油田仍有大量有杆泵抽油井，若将有杆泵更换为电潜泵，成本高昂。

若直接加装水力旋流器，有杆泵产生的入口流量不一，分离效果时好时坏，在入口速度低的情况下无法达到回注标准，易污染地层。

另一个是有杆泵与重力分离器组合的分离系统，此系统井下尺寸受限，重力分离耗时长、效率低。

针对以上问题，本文提出一种有杆泵与水力旋流器结合的新型油水分离系统，该系统采用两级串联旋流器，即使在低入口流量的情况下也能够达到回注地层标准，同时提高分离效率，降低油水分离的成本。

1有杆泵井下油水分离系统设计
1.1有杆泵井下油水分离系统
经过长期调研并对各种方案对比分析，本文设计了一种有杆泵井下油水分离系统方案，具体连接图如图1所示。

抽
油
泵
回注水流道
分离油通道
、分离油通^^^
~回注水流
水豔
C-C
回注水流道
分离油通道
分离
水流道
回注水流道
分离油通道
A
B
C
注
水
泵
分
油
回
水
徴
觀
道
道
fi l l J I
分离水流道
c f D y
井下流体入口/
两级分离器1、
分离水流道、
井下流空—回注水流道
分离油通道
图1有杆泵井下油水分离系统方案图
Fig.1Scheme diagram of downhole oil-water
separation system for rod pump
有杆泵井下油水分离系统包含3大结构，分别是上泵、下泵和油水分离器。

有杆泵为注采一体式泵，将一个抽油泵和一个注水泵串联，在下方与油水分离子系统连接实现同井采注。

其中油水分离系统采用并联6组两级串联油水分离旋流器。

直接将分离水相排入注水层，将分离油相举升到地面。

1.2工作原理
上冲程时，抽油杆柱带动柱塞向上运动，进油阀打开，上泵将油水分离器分离出的富集油相吸入下腔，下泵将油水分离器分离出的分离水相吸入下腔，与此同时出油阀在其上下压差的作用下关闭,
—96—石油机械2021年第49卷第2期
上泵柱塞上面的上泵腔内的富集油相沿油管排到地面，下泵柱塞上面的上泵腔内富集的水相沿注水流道注入注水层。

下冲程时，柱塞向下移动。

上泵的进油阀关闭，游动阀打开，柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部。

下泵进水阀一开始就关闭，柱塞的向下运动导致下泵筒的内压力逐渐增大，当泵的向下压力高于地层中液体压力时，柱塞的向下运动使游动阀打开，柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞的上部。

因此，下冲程是上泵排油下泵排水的过程。

1.3两级串联油水分离旋流器设计
井下油水分离技术最大的问题在于分离的水相中含油比要达到分离水相回注水层的要求。

单级水力旋流器较难保证分离水相直排的要求，所以本文采用两级串联油水分离旋流器的方案，在第一级旋流器完成油水分离后，对其底流口液体进行第二次分离，确保最后分离的水相中含油比达到回注水层的要求。

双锥形内表面是目前旋流器分离效果较好的一种结构，其中大锥的主要作用是加速流场，提高油、水两相的离心力，小锥的主要作用是稳定流场，实现油、水两相分离［11］。

单级旋流器结构参考经典的Colman-Thew旋流器模型中的F型旋流器,其溢流管无插入深度，采用双切线入口，可提高分离效率。

Colman-Thew型旋流器结构如图2所示。

圆柱段大锥段小锥段平行尾管段
溢流管
图2Colman-Thew型旋流器结构图
Fig.2Structural schematic of Colman-Thew cyclone
井下两级串联油水分离旋流器主要包括第一级油水分离旋流器、中间连接件和第二级油水分离旋流器。

每级油水分离旋流器由圆柱段、大锥段、小锥段及尾管段4段组成。

其三维模型如图3所示。

图3两级串联油水分离旋流器三维模型
Fig.3Three-dimensional model of two-stage series
oil-water separation cyclone
1.4有杆泵运动的关键位置确定
有杆泵井下两级串联油水分离系统需要基于有杆泵柱塞运动规律来研究油水分离系统的分离性能，该部分的研究将对后面油水分离旋流器的仿真分析提供操作参数支持。

对于长冲程抽油机，可以将游梁后臂处的弧线运动近似为直线运动，则将驴头悬点的运动简化为曲柄滑块运动。

曲柄滑块运动时，悬点运动规律如图4所示。

根据曲柄滑块运动曲线图分析可知：在抽油泵上冲程中确定这5个特殊位置，分别为曲柄转动到30。

、60。

、90。

、120。

和150。

这5个特殊位置作为后续油水分离器设计与分析进口流量的参数依据。

通过抽油机运动规律公式分别计算出对应位置的速度值、位移值。

所设计的两级串联旋流器的处理量为26m3/d,故抽油泵的处理量、转角、位移、速度以及对应排量和油水分离器进口速度之间的关系如表1所示。

1.20
r
s
.
1.50
0.75
0.00
-0.75
悬点速度
悬点加速度
j*j/
0.24
-0.24
-0.72 -1.50
050100150200250300350
曲柄转角/(°)
图4曲柄滑块运动时悬点速度和加速度曲线
Fig.4Curves of polished rod velocity and
acceleration when the crank block moves
表1特殊位置转角、位移、速度、对应
排量值之间的关系
Table1The relationship between rotation angle，
displacement，speed，and corresponding
displacement value at special position 曲柄转角0(。

)306090120150位移\A/m0.39 1.43 2.70 3.83 4.55速度/A/(m-s-1)0.91 1.46 1.50 1.140.58处理量Q/(10-3m3•s--1) 1.76 2.82 2.90 2.20 1.12单处理Q0/(10-3m3-s;-1)0.290.470.480.370.19进口速度厂/(m•s-1)11.8019.5019.5015.107.80
2旋流器结构参数优选
2.1湍流模型与数值解法
旋流器中流体的流动属于三维湍流流动，流动
2021年第49卷第2期钟功祥，等：有杆泵井下油水分离系统设计与分析—97—
控制方程如式(1)和式(2)所示，其中式(1)为时均化的质量守恒方程，式(2)为时均化的N-S方程［12］。

(1)
3(P"打)空+2r“f叫+叫］］-
近鸥L I込陆丿」
d2d。

“/
——(pu/”,)-----------(丛-----)+S-
O%-3(7%.O%,-
J11
(2)式中：叫为笛卡尔坐标分量，"，为时均速度分量，P 为流体密度，“为黏度，u',u；为有湍流模型确定的位置雷诺应力分量。

高强度的漩涡湍流运动是水力旋流器内部流场的重要标志之一。

因此，本文采用了适用于强旋流的雷诺应力模型来使控制方程组封闭，雷诺应力方程如下：
---(P u'-u'.)+(PU k u'-u'-)二
dt'P加k k11(3)
D T,+D L,+G/,+叭-为
式中：D T,,为湍流扩散相，D L,y.为分子扩散相，G y 为应力产生项，曾为应力应变再分配项，％为耗散项，/、八k为坐标方向。

压力与速度的耦合选用SIMPLEC算法进行求解，压力插值格式选择PRESTO!格式，离散格式采用QUICK格式进行其内部流场的运算。

2.2边界条件
(1)入口边界条件为速度输入，旋流器入口速度与流量满足公式(4)o
"i=0/S i(4)式中」i为旋流器入口速度，a为旋流器入口流量, S i为旋流器入口截面积。

(2)底流口边界条件和溢流口边界条件都选择充分发展条件(outflow),同时设定初始模拟操作参数，单级油水分离器溢流口分流比F=0.2,底流口分流比F0与F关系满足关系式(5)o
F0=1-F⑸
(3)固壁面边界按无滑移边界条件处理。

(4)分离效率满足公式(6)o
1(6)
S
式中：£为分离效率；C L为底流口含油质量浓度, mg/L;C i为入口含油质量浓度，mg/L。

此定义式表示油水分离器离心场作用下的净分离能力［13］2.3介质物性参数
根据某油田实际工况，水的密度998.2kg/m3,黏度100.3kg/(m•s)；油的密度889kg/m3,黏度1.06kg/(m・s)；入口含油体积分数10%o
2.4单级旋流器正交试验
底流口含油质量浓度是油水分离旋流器最重要的考核指标，影响着注入地层分离水相的质量。

以底流口含油质量浓度C u为优化目标，通过数值模拟方法优化单级旋流器的结构参数L4a D”、厶、0,其余参数不变。

为了快速准确地得到最优参数，以及得到影响分离效率的主要因素，本文采用正交试验设计。

采用四水平三因素L4(34)正交表进行试验(见表2)o通过Fluent软件采用雷诺应力模型进行数值模拟，入口速度设定为12m/s,9次模拟得到的试验结果见表3o
表2试验因素和水平
Table2Test factors and levels
试验因素
水平A.(尾管长度B(:溢流管直C(圆柱段长D(小锥角L4)/m m径D o)/mm度厶)/mm0)/(°) 13003350.75
2500440 1.00
3700545 1.25
表3试验结果分析
Table3Analysis of test results
试验号
A
因素
BC D
底流口含油质量
浓度/(mg-L-1) 11111212.9
21222196.3
31333206.2
42123195.9
52231205.7
62312198.5
73132197.6
83213199.4
93321215.4
K205.1202.1203.6211.3
k2200.0200.5202.5197.5
K204.1206.7203.2200.5
R 5.1 6.2 1.113.8
根据正交试验原理，极差R表示该因素在其取值范围内试验指标变化的幅度，根据极差大小可以判断主次影响顺序。

R越大，表示该因素水平变化对试验指标的影响越大。

由以上分析可知，因素
—98—石油机械2021年第49卷第2期影响主次顺序为DBAC。

K］、K2、©代表了在各因素
下底流口含油质量浓度的平均值，反映了同一因素的各个不同水平对底流口含油质量浓度影响的大小。

对应数值越小表示该因素为最优。

最优组合为A2B2C2D2,即L4二500mm、D o二3mm、厶二40 mm、0二1°。

2.5优化前后对比
图5为在入口速度为12m/s下，优化前、后单级旋流器的油相体积分数对比图。

由图5可见:优化前油相体积分数虽高，但均在旋流器轴心部位并未在溢流口处，对于油相分离影响不大；优化后旋流器顶部的油相聚集变小，说明分离效果有所改善。

对比对底流口含油质量浓度发现，优化后底流口含油质量浓度低于优化前。

优化前久为208 mg/L,优化后気为190mg/L,减小了8.7%。

图5优化前、后油相体积分数对比图
Fig.5Comparison of oil phase volume fraction
before and after optimization
2.6两级串联旋流器的结构尺寸确定
根据正交试验得出的结构尺寸，由于第二级旋流器分流比比第一级旋流器小，故第二级旋流器的尺寸在优化后的基础上进行比例缩小。

两级串联油水分离旋流器结构尺寸见表4。

表4两级串联油水分离旋流器结构尺寸mm Table4Structure dimension table of two-stage series
oil-water separation cyclone mm 参数第一级第二级
公称直径D4036
圆柱段长度L14036
大锥段长度L25751
小锥段长度L3286344
尾管段直径D u109
尾管段长度l4500500
溢流口直径D o42
当量入口直径D i 3.50 3.15
入口长度D ic 5.8 5.2
入口宽度D ik 1.7 1.53两级串联旋流器流场分布
3.1截面划分
对两级串联油水分离旋流器进行7个截面剖分,用于后续研究旋流器内部流场分布规律，截面划分情况见图6。

其中截面I〜截面W的轴向位置分别为1834、1794、1657、1221、921、870和694mm。

--------丁-------------------------呻一I n i n iv v vi vn
图6两级串联旋流器截面位置图
Fig.6Cross-sectional position diagram of
two-stage series cyclone
3.2速度场分布
两级串联旋流器内油水两相受力情况主要取决于速度分布规律，同时也可以通过速度场的变化反映水力旋流器的工作原理。

因而把旋流器速度矢量分解为切向速度、轴向速度与径向速度。

切向速度代表旋流强度，轴向速度关系液体停留时间，径向速度对旋流器的分离效率的影响较小。

本文主要对轴向速度和切向速度展开分析。

3.2.1轴向速度分布
图7为两级串联油水分离旋流器轴向速度云图。

由图7可知，两级串联旋流器在正常工作时,中间的速度方向由底流口沿轴向指向溢流口，靠近旋流器器壁的环形区域速度方向与中间的轴向速度方向相反。

在曲线图中，轴向速度成轴对称分布。

随着半径增大，轴向速度逐渐变小最后变为负值。

截面离入口越远，轴向速度越小。

其轴向速度的零值点形成了一个近似于锥形的分界面，简称零轴向速度包络面（LZVV）。

以LZVV为界分为两个旋流区：外旋流区轴向速度指向底流口，内旋流区轴向速度朝着溢流口移动。

轻介质油相逐渐移向轴心附近的内旋流区。

重介质水相向外移动至外旋流区。

使油水两相从不同出口流出。

其中截面I和截面V 存在方向的二次转换。

这是由于内旋流区的流体从溢流口排出时，溢流口直径有限，无法全部排出。

少量流体受上壁面的作用形成了循环流。

截面IV 为第一级旋流器尾管段下部截面，该截面的轴向速度随着近壁面速度先减后增，近壁面出现明显负值，是由于该部分直接与中间的连接部件相连，使得近壁面负方向轴向速度较大。

3.2.2切向速度分布
水力旋流器中切向速度分量尤为重要，
因为切
2021 年 第 49 卷 第 2 期
钟功祥，等：有杆泵井下油水分离系统设计与分析
— 99 —
a.轴向速度云图
8 r
三二二I n
皿 w v
VI vn
面面面面面面面
截截截截截截截面
截n
面 截皿
面 截IV
面 截V
面 截VD
面 截-20 -10 0
10 20 30
径向位置/mm
b.轴向速度曲线图
图7两级串联旋流器轴向速度图
Fig. 7 Axial velocity diagram of two-stage series cyclone
向速度决定着旋流器中产生的离心加速度和离心力 的大小，这是分散相介质的先决条件。

图8为两级
串联旋流器切向速度图。

从图8可知：切向速度呈 轴对称分布，在旋流器中存在一个环形空间切向速 度最高；从旋流器中心零切向速度开始，随着半径
增大， 切向速度增大， 当达到最大切向速度时， 切
向速度减小，直到旋流器边界内壁处减小为0。

总
体来说，两级旋流器都符合水力旋流器切向速度场
组合涡（外旋流自由涡和内旋流强制涡）的分布 规律，能促使油滴向中心迁移，保证分离效率。

3.3静压力分布规律
图9所示为两级串联旋流器静压力分布云图。

从图9可知：旋流器腔内压力呈对称分布，随着半 径的减小，压力逐渐降低，直到轴心处降为最小
值； 在轴线方向上， 压力梯度并无变化； 第一级旋单位:
m/s
26.0 1&5 11.0 3.5
-4.0
987654
3210
€
• l u <
翌
頼叵辱
a.切向速度云图
-20 -10 0
10 20 30
径向位置/mm
b.切向速度曲线图
图8 两级串联旋流器切向速度图
Fig. 8 Tangential velocity diagram of two-stage series cyclone
流器的压力梯度变化较大，能对多相流体预分离; 第二级旋流器压力梯度变化较小，保证回注水相达
到回注标准。

I
n
皿 w v VI vn
面面面面面面面 截截截截截截截单位:
MPa
0.29
0.12 -0.65 -0.21 -0.38
图9 两级串联旋流器静压力云图
Fig. 9 Static pressure distribution diagram of
two-stage series cyclone
3.4油相体积分数分布
第一级旋流器在压差作用下，大部分轻相油在
稳流锥顶部形成向上移动的油核，从第一级油水旋
流器溢流口排出。

剩余少量的轻相油和大量的水通
过中间连接结构进入第二级旋流器进行二次旋流分
离。

经过两次旋流分离，混合介质中的大部分油相
由溢流管排出，经采油泵举升至地面，二级旋流器
排出的底流由注水泵注入注水层。

图10为两级串
联旋流器油相体积分数云图。

从图10可以发现, 最大油相体积分数为0.85,中间富集油相非常明
显，在两级串联旋流器旋流段顶部轴心两边有明显
的油核聚集。

该现象是由于旋流段的循环流对轴心
富集油相流体的干扰，
冲击溢流口顶部从而使富集
—100 —
石油机械2021年第49卷第2期
油相向下移动。

图10 两级串联旋流器油相体积分数云图
Fig. 10 Oil phase volume fraction distribution
diagram of two-stage series cyclone
27.5 r
4不同入口速度对分离性能的影响
由表3可知，有杆泵曲柄所处特殊位置分别为
侑=30°、0 = 60°、卩3=90°、卩4 = 120°和申5 = 150°,
油水旋流器的入口速度分别为11.8、19.5、19.5、
15. 1 和 7.8 m/s 。

4. 1不同入口速度下旋流器的切向速度分布
不同入口速度下两级串联旋流器的切向速度曲
线如图11所示。

27.5 r
O
5.220
20
-10 -5
0 5
10 15径向位置/mm
b.截面U
15
—0产30°—02=60°亠亿=90° 十0产120°—2=150°
-10 -5 0 5 10 15径向位置/mm
d.截面V
15
—0产30° —0=60° 亠亿=90° 十©产120<—05=150'
.50.50.50
.5O 2.O 7.5.2.075.C M C M
11 1X 1
1 11 r s • l u <耿頼叵
辱
-205
-0-5-
2.O -2.5
2.20.50.50.50.5O
07.5.2.07.5.2.O n x
11
11
1
1 11
r s •
*
-20
14
12108 6
4 2
r s • l u <耿
頼叵辱
2 I|||||L -8 -6 -4 -2 0 2
4 6
径向位置/mm
f.截面vn。

o O I
0 0 0 2 53 6 9 11 ====--20 -15 -10 -5
0 5
10 15 20 25
径向位置/mm
a.截面I
—0产3025
0.50.50.50.50
.5O .55.2.075.2.075.2.O 2.2 2 2 1 1 1 1 -
r
s • l u <
耿頼叵辱
10
15
10-5 0
5径向位置/mm
c.截面皿。

o O 0 0 0 2 53 6 9 11
===== 二亠二
-10
-505径向位置/mm
e.截面VI 图11不同入口速度对应旋流器的切向速度曲线
0.50.50.50.50
.5O .55.2.075.2.075.2.O 2.
2 2 2 1 1 1 1 -
r s • l u <
耿頼叵辱
.50
.50.50.5
0.5O .5
2.075.2.075.2.O
2.H x H x
11 11 11 1
1
r s • l u <耿頼叵辱
Fig. 11 The tangential velocity diagram of the cyclone corresponding to different inlet
velocities
2021 年 第 49 卷 第 2 期
钟功祥，等：有杆泵井下油水分离系统设计与分析
— 101 —
由图11可知：5个入口速度的切向速度分布
规律相同；不同曲柄转角对应的入口速度下，入口 速度越高，切向速度越大，分离效率越高；曲柄转 角卩1二30°到化二150°时，截面I 到截面川和截
面V 到截面W,都是入口速度越大，切向速度越 高，切向速度分布规律明显；曲柄转角径二60°和
卩3二90°时，速度相同，切向速度曲线重合，从图
中只看到4条曲线。

4.2不同入口速度下旋流器的轴向速度分布
5个有杆泵柱塞位置对应入口速度下旋流器的
轴向速度曲线如图12所示。

由图12可知：曲柄转
角从申］二30。

到申5 = 150。

，各旋流器轴向速度分布
864208642
11r s .
—(P=30°—02=60°亠阳90°十0产120°―皆 150°
64
208642
r s .
—(P=30°—02=60°亠(P=90°十0产120°—皆150°
15
-20
-52--10 -5
0 5
10 15 20 25
径向位置/mm
a.截面I
_ _
一20
O 2 -15-5
0 5
径向位置/mm
b.截面U
10 15 20
1412108
4
O
0产30。

02=60°0=90°0产 120 ° 〜防150°
98
765432.
—(P=30°—02=60° 亠(P=90°十0产120 °—防 150°
0-1
6 I|||||||||-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
径向位置/mm
c.截面皿
2 I|||L -20 -15
-10 -5 0 5
径向位置/mm
d.截面V
20
151011
8
8
o o o 0 0 0 2 53 6 9 11
=====640产30°02=60°0=90°0产 120° 防 150°
-8
-6 -4 -2
2
径向位置/mm f.截面vn
10
76543210
r s .
径向位置/mm
e.截面VI
图12不同入口速度对应旋流器的轴向速度曲线
Fig. 12 The axial velocity diagram of the cyclone corresponding to different inlet
velocities
—102 —石油机械2021 年 第 49 卷 第 2 期
规律基本一致；曲柄转角卩2二60。

和卩3二90。

时，入
口速度较大，则轴向速度也为较大；曲柄转角卩5二
150。

时，入口速度较小，则轴向速度较小；对应曲
柄转角的5个入口速度，6个截面呈现出的变化规
律基本相同；随着入口速度的变化，各个旋流器轴
向速度变化明显，入口速度越高轴向速度越高，曲 柄转角02 = 60。

和申3=90。

时，入口速度相同，故轴
向速度曲线重合。

4.3不同入口速度下旋流器的静压力分布
不同入口速度 下 旋流 器 的 静压力 分布 云 图 如 图13所示。

由图13可知,5个入口速度的静压
力分布规律相同 ， 径向压力梯度产生力的方向均
指向 轴 心。

随 着 入 口 速 度 的 增 大， 压 力 梯 度 增
大， 分离性能随之越好。

图13不同入口速度对应旋流器的静压力云图
Fig. 13 The pressure distribution diagram of the cyclone
corresponding to different inlet velocities
单位：MPa
单位：MPa
单位：
MPa
单位:MPa
单位：
MPa
4.4不同入口速度下旋流器的油相体积分数分布
5个位置入口速度对应旋流器的油相体积分数
云图如图14所示。

由图14可知，5个入口速度的油相体积分数
分布规律相同，油相体积分数值都很高，除了 ®5 =
150°处，其他旋流器油相聚集度最好的地方可以
达到100%。

在曲柄转角化=60°和申3 = 90°时,
入口速度最大，可以看出在旋流器圆柱段顶端的三
角油相聚集区域更小， 说明分离效果更好。

4.5不同入口速度下旋流器的分离效率
不同位置入口速度对应旋流器的底流口含油质
量浓度曲线如图15所示。

由图15可知，随着有杆泵的上冲程运动，旋
流器底流口含油质量浓度先减小后增大， 5 个入口
速度对应的旋流器底流口含油质量浓度都低于200
mg/L,在曲柄转角卩2=60°和卩3=90° ,质量浓度
最小为118 mg/L 。

1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 1.00 0.75 0.50 0.25 °°0
c. 03 = 90°
d.(P 4=120°
1.00 0.75 0.50 0.25 0.00
e. 05=150°
(L •
岂)、翌栄*抵算細口握程
图14 不同入口速度对应旋流器的油相体积分数云图
Fig. 14 The enlarged view of the oil phase volume fraction of
the cyclone corresponding to different inlet velocities
图15不同入口速度对应旋流器的底流口
含油质量浓度曲线
Fig. 15 The mass concentration of oil in the underflow
port corresponding to different inlet velocities
5 结 论
(1) 对井下油水分离系统进行分析研究后,
提出了一种新型有杆泵井下油水分离系统，设计出
了一种有杆泵井下两级串联油水分离旋流器以及分
离油相通道和分离水相通道。

(2) 基于正交试验设计，以底流口含油质量
浓度为目标，通过Fluent 软件采用RSM 雷诺应力
模型优化旋流器主要结构参数。

优化后单级旋流器
的底流口含油质量浓度降低了 8.7%。

(3) 对优化后的两级串联旋流器的内部流场
分布情况进行了分析， 其流场分布规律与常规水力。