天然气水合物举升管气液分离过程数值模拟与方案优选

文章编号：1000 − 7393(2023)02 − 0203 − 08 DOI: 10.13639/j.odpt.2023.02.012
天然气水合物举升管气液分离过程数值模拟
与方案优选
王旱祥1 任京文1 于长录2 车家琪1 邓君宇3 徐鸿志3 刘延鑫1 朱晓洋1
1. 中国石油大学(华东)；
2. 中国石油渤海钻探工程有限公司油气合作开发分公司；
3. 中国石油集团工程技术研究院有限公司
引用格式：王旱祥，任京文，于长录，车家琪，邓君宇，徐鸿志，刘延鑫，朱晓洋. 天然气水合物举升管气液分离过程数值模拟与方案优选［J ］. 石油钻采工艺，2023，45（2）：203-210.
摘要：为了提高天然气水合物气液分离效率，加快天然气水合物开采利用，以我国南海水合物开采工况为基础，结合天然气水合物开采工艺设计原则，采用流体力学数值模拟方法分别对轴流导叶式、管柱式、螺旋式3种气液分离装置进行数值模拟分析，重点研究了不同液相含量对3种气液分离装置气液分离效率的影响，并得到了3种气液分离装置的适用工况。

研究结果表明，轴流导叶式、管柱式气液分离装置适用于液相流量较高、在分离空间内可形成液位的工况，螺旋式气液分离装置适用于液相含量较低且流量不大的工况。

结合我国南海天然气水合物的含水状态，以液相含量10%、产气量30 000 m 3/d 为优选条件，以分离效率和压降为优化目标参数，确定螺旋式分离装置更适用于南海天然气水合物井下气液分离。

该研究可为天然气水合物气液分离方案设计与优选提供指导。

关键词：天然气水合物；开采；气液比；分离效率；气液分离；螺旋式分离装置中图分类号：TE53 文献标识码： A
Numerical simulation and optimization of gas-liquid separation process
in gas hydrate lifting pipe
WANG Hanxiang 1, REN Jingwen 1, YU Changlu 2, CHE Jiaqi 1, DENG Junyu 3, XU Hongzhi 3, LIU Yanxin 1, ZHU Xiaoyang 1
1. China University of Petroleum (East China ), Qingdao 266500, Shandong , China ;
2. Oil & Gas Cooperation and Development Company , CNPC Bohai Drilling Engineering Co., Ltd., Tianjin 300300, China ;
3. CNPC Engineering Technology R&D Company Limited , Beijing 102206, China
Citation: WANG Hanxiang, REN Jingwen, YU Changlu, CHE Jiaqi, DENG Junyu, XU Hongzhi, LIU Yanxin, ZHU Xiaoyang.Numerical simulation and optimization of gas-liquid separation process in gas hydrate lifting pipe ［J ］. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(2): 203-210.
Abstract: In order to improve the gas-liquid separation efficiency of natural gas hydrates and accelerate the recovery and utilization of natural gas hydrates, this research performed numerical simulation hydromechanics analysis of three types of gas-liquid separation devices, namely the axial guide vane, tubular and spiral separators. The numerical simulation was based on the working conditions of hydrate recovery in the South China Sea and the principles of gas hydrate recovery scheme design. The influences of liquid-phase content on the gas-liquid separation efficiency and the applicable working conditions of the three gas-liquid separators
基金项目: 中石油重大科技项目课题四“天然气水合物试采井口与防砂装备及安全关键技术”(编号：ZD2019-184-004)。

第一作者: 王旱祥(1967-)，2008年毕业于北京工业大学机械设计及理论专业，博士，现从事非常规能源装备技术研究工作，教授。

通讯地
址：(266500)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。

E-mail ：通讯作者: 车家琪(1992-)，2021年毕业于中国石油大学(华东)机械工程专业，博士后，现从事井下工艺及工具研究工作。

通讯地址：
(266500)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。

E-mail ：第 45 卷 第 2 期石 油 钻 采 工 艺
Vol. 45 No. 2
2023 年 3 月OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY Mar. 2023
were clarified. The results showed that the axial guide vane and tubular gas-liquid separators are suitable for high liquid flow rates and liquid levels in the separation chamber, while the spiral gas-liquid separator is applicable to low liquid content and small flow rates. According to the water content of natural gas hydrates exploited in the South China Sea and the optimization conditions of liquid content of 10% and gas production of 30,000 m3/d, the optimization was performed with the separation efficiency and pressure drop as the objective parameters. The spiral separator was found more suitable for downhole gas-liquid separation in natural gas hydrates wells. The findings of this research provide guidance for the design and optimization of gas-liquid separation schemes of natural gas hydrates recovery.
Key words: natural gas hydrates; recovery; gas-liquid ratio; separation efficiency; gas-liquid separation; spiral separator
0 引言
天然气水合物是天然气和水在低温、高压环境下形成的一种似冰状物质，广泛分布在大陆边缘的海底沉积物和高纬度永久冻土中［1-2］。

天然气水合物开采方法主要包括降压法、注热法和注化学试剂法。

降压法具有开采过程简单、效率高、能耗低等优点，是目前最为有效的一种开采方法［3-4］。

对于水合物降压开采，由于气层中游离水以及凝析液的存在，天然气和水蒸气以及液滴状游离水混合在一起，这也就意味着从储层中开采出来的往往是气液混合物。

为降低天然气水合物开采的资源消耗，保证开采的连续性，提升采收率，需要针对井下气液情况合理设计井下气液分离管柱系统和分离装置，以达到更高的采气效率和质量［5-6］。

井下气液分离装置是井下气液分离系统的核心装置，其分离性能对整个分离系统的分离效率起着至关重要的作用。

国内外学者着重于气液分离器结构研究，尤其着重于油气的分离研究。

王尊策等［7］、余佳敏等［8］、吉雷等［9］对螺旋式、轴流导叶式分离器进行了结构参数分析。

黎亚洲等［10］、池燕妮等［11］对油气分离装置以及新型分离装置进行了研究。

总体来说，目前气液分离器可大致分为两类：一类是重力分离型，另一类是离心分离型。

由于气液分离装置应用在海底天然气水合物开采，不仅要适应天然气水合物开采工艺，还要适应具体工况和井下安装条件［12-14］。

笔者以我国南海水合物开采工况为基础，结合天然气水合物开采工艺方案设计原则，采用计算机流体力学数值模拟方法分别对轴流导叶式、管柱式、螺旋式3种气液分离装置进行数值模拟分析，重点研究不同液相含量对3种气液分离装置气液分离效率的影响，并得到3种气液分离装置的具体适用工况，从而为天然气水合物气液分离方案的设计与优选提供指导。

1 天然气水合物开采系统
南海海域水合物层温度约为10~20 ℃，井深约1 500~2 000 m(包括水深和泥线下垂深)；水合物储层地质疏松，液体滤失量大，在开采过程中液体含量一般在10%以下。

以此为基础，计算条件设定为产气量30 000 m3/d、井口压力0.3 MPa、井深2 000 m、储层温度13.5 ℃、压力15 MPa、井下液体含量10%、套管外径219 mm，进行天然气水合物气液分离系统装置优选和设计［15］。

在海上天然气水合物开采方面，电潜泵系统排液量变频可调，灵活性最好，再配置合适的气液分离装置，完全可以满足天然气水合物的开采要求［16-18］。

因此基于电潜泵排水采气基本原理，针对天然气水合物的开采特征，设计天然气水合物开采系统，如图1所示。

开采系统主要由电力与检测控制系统、气液分离系统和举升系统组成［19-20］。

其中，电力与检测控制系统为井下电潜泵机组提供电力，检测存液腔温度、井下压力、机组振动等信息；气液分离系统是利用天然气与液滴密度差异，通过旋转产生不同的离心力，将进入井筒的气液两相分离；举升系统即为电潜泵排水采气系统，将气液分离后暂存于存液腔的液体举升至井口［21-22］。

目前常用的气液分离装置主要包括重力式气液分离装置和离心式气液分离装置。

其中，重力式气液分离装置结构简单，使用方便，应用广泛，但是由于其对分离空间要求较大，受井下空间限制，不适宜在井下应用。

离心式气液分离装置对空间要求较小，而且分离效率高，结构简单，离心式气液分离主要包括旋流式气液分离和螺旋式气液分离。

旋流式气液分离又可分为常规旋流分离、轴流导叶式和管柱式旋流分离等。

下面分别对轴流导叶式、管柱式、螺旋式3种气液分离方式进行数值模拟分析，优选出适用于天然气水合物开采的气液分离工艺。

204石油钻采工艺 2023年 3 月（第 45 卷）第 2 期
2 仿真模型建立及验证
2.1 仿真模型建立
为了更准确地分析螺旋式气液分离装置内部流
场，利用Solidworks 进行了三维建模，螺旋式气液分离装置流域模型如图2所示。

图 2　螺旋分离装置流域模型
Fig. 2 Flow domain model of the spiral separator
划分六面体网格，总网格数为807 982个，网格质量达0.6以上，总体质量较好。

进行环境参数和物性参数设置，15 MPa 、13.5 ℃条件下天然气和液滴的密度分别为131 kg/m 3和998 kg/m 3，动力黏度分别为0.018 mPa·s 和1.003 mPa·s 。

对连续相模型进行边界条件与参数设置。

整个流域模型操作压力设置为15 MPa ，流域模型的入口条件为速度入口，气体流量为451.756 m 3/d ，入口速度为0.403 m/s ；出口边界条件设置为压力出口；单元中心变量梯度离散方法为Least-Squares Cell Based ，
压力差值方法为“PRESTO!”，对流项插值方法为 “QUICK ”。

离散相液滴粒子入射速度设置为0.403 m/s ，质量流率为0.522 kg/s ，液滴粒径分布为Rosin-Rammler 分布。

加入粒子的动态曳力模型和随机轨道模型，液滴破碎模型为TAB 模型，同时采用欧拉液膜模型表达液滴与壁面碰撞后的黏滞、扩散、反弹、飞溅等。

液体含量低于10%使用离散相模型，结合欧拉液膜模型分析液滴的聚合、破碎及液滴与壁面间的黏滞、反弹、扩散、飞溅，获得分离效率及液膜厚度云图；液相含量高于10%用欧拉多相流模型［23］。

2.2 仿真模型实验验证
研制了气液分离实验装置［24］，如图3所示，该
装置由供液系统、供气系统、雾化及气液混合单元、螺旋分离器试样机等组成。

其中，螺旋分离器试样机的螺旋体参数为：螺距70 mm ，圈数10，螺旋体管外径115 mm 。

图 3　气液分离实验装置
Fig. 3 Gas-liquid separation test device
采用相同的水合物气液分离模型进行气液分离室内实验，并进行数值模拟。

模拟介质为空气，控制流量为20 m 3/h ，液相含量分别为1%、2%、3%、
4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、20%、30%。

对比
数值模拟与实验结果偏差，并分析气液分离装置的分离性能。

结果显示：在液相含量10%以下，分离效率整体在90%以上，分离效果较好，气液比对分离效率影响较小；室内实验与数值模拟结果偏差最大为2.8%，最小为0.9%，均在3%以内，说明水合物气液分离模型可较好地模拟分离过程，故可依托水合物气液分离模型进一步进行影响规律分析。

3 天然气水合物井下气液分离装置优选
3.1 轴流导叶式气液分离装置
根据轴流导叶式气液分离装置结构建立流域模
型，分离装置流域模型和速度矢量图如图4
所示。

图 1　天然气水合物开采系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of the natural gas hydrates
production system
王旱祥等：天然气水合物举升管气液分离过程数值模拟与方案优选
205
图 4　轴流导叶式气液分离流域模型与速度矢量图Fig. 4 Flow domain model and velocity vector diagram of axial
flow guide vane gas-liquid separation
气液两相由入口进入，经过导叶片后液体被甩向边壁而被捕捉，聚集成股后由底流口排出，气体则由上方溢流口排出。

影响该分离装置的主要结构参
数包括入口尺寸、溢流口尺寸、底流口尺寸、螺旋形状及高度、溢流口伸入长度、锥体角度、锥体高度等。

轴流导叶式气液分离装置利用入口处的导叶片为气液两相造旋，再利用锥形体提高气液旋流速度，同时减少液滴在旋转过程的剪切破碎，利用两相所受离心力不同将两相分离开。

根据轴流导叶式气液分离装置结构建立流域模型，气液两相由入口进入，液体聚集成股后由底流口排出，气体则由上方溢流口排出。

设置液流入口速度为0.5 m/s ，其液相含量分别为2%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，分析不同液相含量的液流在分离装置内部的分离效率，轴流导叶式气液分离装置液相分布云图如图5所示。

图 5　轴流导叶式气液分离装置液相分布云图
Fig. 5 Liquid phase distribution nephogram of the axial flow guide vane gas-liquid separator
以出入口液相流量计算分离效率，绘制液相含
量-分离效率曲线，如图6所示，可以看出，液相含量在10%前后，曲线斜率并未出现骤变，因此两种模型之间衔接性良好。

气液比会影响液相流量，当液相含量低于20%时，液相流量较小，无法产生高于底流口的液位，气体可由底流口流出，分离效率低；若液相含量高于20%，产生的液位高于底流口，分离效率逐渐提高；当液相流量超过分离装置的承载上限时，分离装置无法正常工作，分离效率最低，故底流口和溢流口尺寸需要适应液相流量。

由此可知，液相含量越高，即气液比越低，气液分离装置分离效率总体呈升高,趋势。

轴流导叶式
旋流分离装置更适用于液相流量相对较高(低气液比)的气液分离。

液相含量过小造成流量过低时，部分气体会通过底流口流出，流量过高则超过承载上限。

分离效率/%
液相含量/%
图 6　液相含量对液流分离效率影响
Fig. 6 Effects of liquid content on separation efficiency
206
石油钻采工艺 2023年 3 月（第 45 卷）第 2 期
3.2 管柱式气液分离装置
管柱式气液分离装置是旋流分离的另一种结构
形式，其流域模型及速度矢量图如图7所示。

影响管柱式气液分离装置的结构参数主要包括：入口尺寸、溢流口尺寸、底流口尺寸、柱体深度、溢流口沉入深度等，其中气液分离装置的2个切向入口的设置可提高气液分离的造旋能力，携液气流由切向方向流入分离装置后开始旋转，在旋转过程中，由于天然气与液滴的密度不同，使得气相和液相产生了不同的离心力，从而实现两相分离。

最后，气相部分由顶部溢流口流出，液相则被甩到边壁，聚集成股后由底流口排出。

设置液流入口速度为0.5 m/s ，液相含量为2%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，计算管柱式气液分离装置的分离效率。

液相含量低于10%时采用离散相模型，结合欧拉液膜模型；对于液相含量高于10%时采用欧拉多相流模型，重点分析液相分布情况和分离效率，如图8所示。

图 8　管柱式气液分离装置液相分布云图
Fig. 8 Liquid phase distribution nephogram of the tubular gas-liquid separator
利用溢流口液体流量和总液体流量计算分离效率，绘制管柱式气液分离装置液相含量与分离效率曲线。

由图9可知，在液相含量10%附近曲线斜率逐渐增大，但并未出现骤变，因此2种模型之间衔接性良好。

当液相含量低于20%时，液相流量相对较小，由于无法产生高于底流口的液位高度，所以部分气体会由底流口流出，分离效果比较差，分离效率整体相对较低；若液相含量高于20%，此时已经具有足够大的液相流量，可产生高于底流口的液位，分离效率较高，基本达到分离效率峰值范围；随着液相含量进一步升高，液位也会随之升高，筒体分离工作部分相应减少，部分液体开始从溢流口逃出，分离效率逐
渐降低；当液相流量超过分离装置承载上限时，管柱
式气液分离装置无法正常工作，分离效率最低。

图 7　管柱式气液分离流域模型与速度矢量图Fig. 7 Flow domain model and velocity vector diagram of the
tubular gas-liquid separation
分离效率/%
液相含量/%
图 9　液相含量对分离效率影响
Fig. 9 Effects of liquid content on separation efficiency
王旱祥等：天然气水合物举升管气液分离过程数值模拟与方案优选
207
3.3 螺旋式气液分离装置
井下螺旋式气液分离装置阻力小、耗能少、分
离效率高，其工作性能主要取决于螺旋圈数、螺距以及气液流速、气液比。

该装置主要结构参数为螺距、螺旋圈数、螺旋体管径。

螺旋式气液分离装置由外筒、排液管、导气管和螺旋片组成。

导气管为分离后的气液两相流提供各自的通道出口，收集管壁内侧的大量分离气体并保证夹杂较少的液体，避免了螺旋分离后气液两相流二次混合。

螺旋式气液分离装置流域模型与速度矢量图如图10所示。

图 10　螺旋式气液分离流域模型与速度矢量图Fig. 10 Flow domain model and velocity vector diagram of
spiral gas-liquid separation
在地层压力和排水泵抽汲作用下，气液两相流沿入口进入分离装置螺旋段。

螺旋式气液分离装置主要就是利用螺旋片构建内部螺旋通道，气液两相在螺旋通道内做螺旋运动，利用离心力实现相间分离，气液两相相态不同，螺旋式气液分离装置的运作方式也不同。

若气相为分散相，液相为连续相，气液
两相由下向上运动，上方排气；若液相为分散相，气相为连续相，气液两相由上向下运动，下方排液。

根据螺旋式气液分离装置结构建立流域模型，由于天然气水合物含液较少，气液两相由上方入口进入，通过螺旋通道时气液两相分离开，液滴被边壁捕捉，聚合后沿螺旋片成股流下，由底流口排出，气相则流出螺旋通道，由溢流口排出。

设置入口速度为0.5 m/s ，其液相含量分别为2%、4%、6%、8%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，计算螺旋式气液分离装置的分离效率。

当气液两相介质共存时，两相存在情况或分布状况可以是各种各样的。

有气体以细微气泡形式均匀充满液体中的泡状情况，有以巨大气泡形式自液体中涌出的浮泡情况，还有液体以细小水滴分散在气体中的雾状情况等。

两相流还存在密集与分散之分，当其密集时可能有不同程度的聚并现象，不同的分散状态下，气液两相流流动的状态不同，流体力学特性也不同。

因此，在对两相流进行计算时选择
合适的计算模型是非常关键的。

液相含量低于10%采用离散相模型，结合欧拉液膜模型分析液滴运动；液相含量高于10%时采用欧拉多相流模型。

螺旋式气液分离装置液相分布云图如图11所示。

以溢流口出液量计算液相分离效率，绘制液相含量-分离效率关系曲线见图12。

螺旋式气液分离装置外壁面要适应套管尺寸，螺旋体管径、螺距、螺旋圈数、螺旋头数等参数需适应气液比和处理量。

气液比和总处理量可影响液相流量，若液相流量过
图 11　螺旋式气液分离装置液相分布云图
Fig. 11 Liquid phase distribution nephogram of the spiral gas-liquid separator
208
石油钻采工艺 2023年 3 月（第 45 卷）第 2 期
小，气液分离效率会有所降低；若液相流量过高，气液分离效率下降，超出分离装置的承载极限，会有较多液体从溢流口流出，所以螺旋式气液分离装置适用于气液比较高或液相流量较低的气液分离。

其结构参数需根据分离性能进行计算优化。

分离效率/%液相含量/%
图 12　液相含量对分离效率影响
Fig. 12 Effects of liquid content on separation efficiency
由此可知，液相含量越低，即气液比越高，螺旋式气液分离装置分离效率越高；相反，气液比越低，分离效率越低。

螺旋式气液分离装置更适用于高气液比分离。

在此结构参数下，液相含量过低(≤4%)会造成分离效率下降，含量过高(≥60%)也会处于非正常工作状态。

4 结论
(1)采用计算机流体力学数值模拟方法分别对
轴流导叶式、管柱式、螺旋式3种气液分离方式进行数值模拟分析，重点分析了不同液相含量对3种气液分离装置气液分离效率的影响，得到了3种气液分离装置的具体适用工况，为天然气水合物气液分离装置的设计与优选提供理论指导。

(2)轴流导叶式旋流分离装置更适用于液相流量相对较高，即低气液比的气液分离，液相含量过低造成流量过低时，部分气体会通过底流口流出，流量过高则会超过承载上限；管柱式气液分离装置适用于可形成液位的较高气液比的气液分离，液相含量过小造成流量过低时，部分气体会通过底流口流出，流量过高超过承载上限时，管柱式气液分离装置无法正常工作；螺旋式气液分离装置更适用于高气液比分离，液相含量过低(≤4%)会造成分离效率下降，含量过高(≥60%)则会处于非正常工作状态。

(3)结合我国在南海开采天然气水合物的出水状态，以液相含量10%、产气量30 000 m 3/d 为优选条件，以分离效率和压降为优化目标参数来看，螺旋式气液分离装置更适用于天然气水合物开采。

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［24］ （修改稿收到日期 2023-02-12）
〔编辑 景　暖〕
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石油钻采工艺 2023年 3 月（第 45 卷）第 2 期。