重力油水分离中油滴聚结行为数值模拟研究

发布时间：2020-09-25 10:00

　　油水分离技术是油田开发生产中关键的生产环节,油水重力分离法是最经济适用的油水分离方法之一,其分离效率取决于油滴之间的相互作用。但是以往对重力场下油水分离的研究总是集中于油滴群在反应器内的宏观动力学行为,对于微观下油滴与油滴相互作用机理研究尚不彻底。因此,本文运用多物理场耦合软件COMSOL对重力场下双油滴之间的相互作用进行数值模拟计算,并对关键影响因素进行了分析。本文基于Cahn-Hilliard方程的相场方法建立了油滴在重力场上浮过程行为模型。首先,从微观角度研究了单油滴上浮过程中的油滴终速度和变形度影响因素。结果表明,油滴粒径越大,变形越大,终速度随粒径的增大逐渐趋于定值;且油水密度差越大、连续相黏度越小、油滴黏度越小,油滴的终速度越大,越容易分离,而油水的界面张力则对油滴的变形度有较大影响。其次,在共直线双油滴上浮聚结过程行为模型中,从微观角度分析了上油滴尾流对下油滴的影响,揭示了双油滴的聚结原理。研究了影响双油滴聚结的众多因素,模拟表明减小双油滴的初始间距、油滴黏度、连续相黏度、油水两相界面张力,增大粒径和油水两相密度差可以降低油滴聚结时间。最后,在并行双油滴上浮聚结过程行为模型中,从微观角度研究双油滴的聚结和排斥现象,当双油滴间距比S0.5,双油滴发生聚结,随着距离的减小,油滴黏度、连续相黏度的减小,两相密度差的增大均会促进油滴的聚结。当双油滴间距增大时双油滴发生先吸引后排斥的运动特性,随着粒径的增大、油滴黏度的增大、连续相黏度的减小、密度差的减小双油滴的排斥作用越明显,到达稳定状态时双油滴被分离的横向距离越远。当双油滴间距比S5时,双油滴不再发生相互影响。本文利用数值模拟手段,从微观分散相双油滴相互影响的过程揭示了重力场下油水分离原理,可为油田重力油水分离器的设计、工况设置等提供理论基础,指导油田的高效开发,同时也丰富了油水两相流研究理论,为更为复杂的油水两相流体系提供参考。
【学位单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE624.1
【部分图文】：

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研究对象示意图

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密度：条件SOL 多物理场耦合软件，两相流过程中的运动状态行求解，网格形式可分为形网格能比四边形网格更结构较简单，所以模拟过格数目的确定一定要合理确的描述，但网格如果过在保证计算精度和考虑尺寸。同时为了提高计算球形油滴与水相的界面处

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不考虑相间和壁面的传质和传热。图 2.1 研究对象示意图2.3.2 两相流控制方程油滴上浮运动状态的研究，首先要了解油水两相流运动的基本方程。假设油水均为不可压缩、不互溶的牛顿流体，且在流动过程中油水两相间不存在化学反应和传热传质，对于二维情况，油水两相流体的控制方程可以表现为：运动方程：（2-1）连续方程：（2-2）N-S 方程表示动量守恒，而连续相方程则表示质量守恒。运动方程公式左侧对应的是流体的惯性力，右侧分别表示为流体中的压力、粘性力、表面张力和重力作用。为了成功追踪在重力作用下，连续相和分散相油滴的界面随时间的运动变化，可使基于Cahn-Hilliard 方程的相场方法控制分散油滴界面的破裂、变形和聚结过程，其表达式为：相场方法的控制方程可表达为（2-3）式中： ——相场参数；——控制方程扩散尺度的迁移系数(m3s/kg)；

【参考文献】