基于响应面法的井下旋流分离器结构优化

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.007

摘要/Abstract

摘要： 基于数值模拟方法与中心组合设计方法，采用二阶多项式基函数构建了井下旋流分离器的结构参数与分离效率及底流压力损失间的数学关系模型。通过开展附加试验对模型预测值与数值模拟实际值进行对比，得出分离效率和压力损失的预测值与实际值的平均相对误差分别为0.104%和4.562%，验证了模型预测结果的准确性。针对响应面优化结果与初始结构开展分离性能对比研究，结果表明：当入口油滴粒径在50～500 μm范围内变化时，优化前结构的分离效率变化范围为58.92%～98.56%，优化后结构的分离效率变化范围为60.35%～99.48%；当入口含水率在94%～99%范围内变化时，优化前结构的分离效率由74.61%提高到88.07%，优化后结构分离效率由75.26%提高到91.56%。在不同粒径及含水率条件下，优化后结构均呈现出了明显的高效性及适用性。

关键词: 同井注采, 井下旋流分离器, 结构优化, 分离性能

Abstract: Based on numerical simulation method and central composite design method， the mathematical models of the relationship among the structural parameters of downhole hydrocyclones and the separation efficiency and the underflow pressure loss were established by using the second-order polynomial function. Additional tests were carried out to compare the predicted values of the mathematical model with the actual ones of numerical simulation. The average relative errors between the predicted values and the actual ones of the separation efficiency and pressure loss are as 0.104% and 4.562% respectively， which verifies the accuracy of the prediction results of the model. Meanwhile， a comparative study was carried out on the separation performance between the response surface optimization structure and the initial structure. The results show that when the inlet oil droplet size varies in the range of 50～500 μm， the initial structural separation efficiency ranges from 58.92% to 98.56%. After optimization， the separation efficiency ranges from 60.35% to 99.48%. When the inlet water content changes in the range of 94%～99%， the separation efficiency of initial hydrocyclones increases from 74.61% to 88.07%， after optimization the separation efficiency is in the range of 75.26%～91.56%. Under the conditions of different inlet oil droplet size and water content， the optimized structure shows obvious high efficiency and applicability.

Key words: single-well injection-production, downhole hydrocyclone, structural optimization, separation performance

中图分类号:

TQ051.8

邢雷, 李金煜, 赵立新, 蒋明虎, 韩国鑫, . 基于响应面法的井下旋流分离器结构优化[J]. 中国机械工程, 2021, 32(15): 1818-1826.

XING Lei, LI Jinyu, ZHAO Lixin, JIANG Minghu, HAN Guoxin, . Structural Optimization of Downhole Hydrocyclones Based on Response Surface Methodology#br#[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 32(15): 1818-1826.

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参考文献

［1］刘合，高扬，裴晓含，等. 旋流式井下油水分离同井注采技术发展现状及展望［J］. 石油学报， 2018， 39（4）：463-471.
LIU He， GAO Yang， PEI Xiaohan， et al. Progress and Prospect of Downhole Cyclone Oil-Water Separation with Single-well Injection-Production Technology［J］. Acta Petrolei Sinica， 2018， 39（4）：463-471.
［2］刘合，郝忠献，王连刚，等. 人工举升技术现状与发展趋势［J］. 石油学报， 2015， 36（11）：1441-1448.
LIU He， HAO Zhongxian， WANG Liangang， et al. Current Technical Status and Development Trend of Artificial［J］. Acta Petrolei Sinica， 2015， 36（11）：1441-1448.
［3］赵立新，宋民航，蒋明虎，等. 新型轴入式脱水型旋流器的入口结构模拟分析［J］. 石油机械， 2013， 41（1）：68-71.
ZHAO Lixin， SONG Minhang， JIANG Minghu， et al. Analysis of the Inlet Structure of the Neotype Dehydrated Cyclone［J］.China Petroleum Machinery， 2013， 41（1）：68-71.
［4］盛庆娇. 新型螺旋入口水力旋流器模拟分析及实验研究［D］. 大庆：东北石油大学， 2013.
SHENG Qingjiao. Simulation Analysis and Experimental Study on a New Type Spiral Inlet Hydrocyclone［D］. Daqing：Northeast University of Petroleum， 2013.
［5］宋民航. 新型导叶式水力旋流器设计与结构优选［D］. 大庆：东北石油大学， 2013.
SONG Minhang. Design and Structure Optimization on a New Vane-guide Hydrocyclone［D］. Daqing：Northeast University of Petroleum， 2013.
［6］王振波，马艺，金有海. 导叶式旋流器内油滴运动迁移规律的数值模拟［J］. 高校化学工程学报， 2011， 25（3）：543-546.
WANG Zhenbo， MA Yi， JIN Youhai. Movement Simulation of the Oil Droplets Migration in the Vane-guided Hydrocyclone［J］. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities， 2011， 25（3）：543-546.
［7］赵传伟，李增亮，董祥伟，等. 井下双级串联式水力旋流器数值模拟与实验［J］. 石油学报， 2014， 35（3）：551-557.
ZHAO Chuanwei， LI Zengliang， DONG Xiangwei， et al. Numerical Simulation and Experiment of Downhole Two-stage Tandem Hydrocyclone［J］. Acta Petrolei Sinica， 2014， 35（3）：551-557.
［8］赵传伟，李增亮，邓良驹，等. 井下双级串联式油水分离器工作特性研究［J］. 机械工程学报， 2014， 50（18）：177-185.
ZHAO Chuanwei， LI Zengliang， DENG Liangju， et al. Research on Operating Characteristic of Downhole Dual-stage Tandem Oil-Water Separator［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（18）：177-185.
［9］王羕. 井下两级串联旋流分离技术研究［D］. 大庆：东北石油大学， 2014.
WANG Yang. Research of Downhole Two-stage In-series Hydrocyclone Separation Technology［D］. Daqing：Northeast University of Petroleum， 2014.
［10］邢雷，张勇，蒋明虎，等. 轴入式两级串联旋流器流场分析与性能评估［J］. 中国机械工程， 2018， 29（16）：1927-1935.
XING Lei， ZHANG Yong， JIANG Minghu， et al. Flow Filed Analysis and Performance Evaluation on Axis-in Dual-stage Tandem Hydrocyclones［J］. China Mechanical Engineering， 2018， 29（16）：1927-1935.
［11］CHU L Y， CHEN E M， LEE X Z. Effect of Structural Modification on Hydrocyclone Performance［J］. Separation and Purification Technology， 2000， 21（1）：71-86.
［12］王志杰，李枫，赵立新. 含聚浓度对旋流器性能影响的数值模拟与试验［J］. 化工进展， 2019， 38（12）：5287-5296.
WANG Zhijie， LI Feng， ZHAO Lixin. Numerical Simulation and Experimental Study on the Effect of Polymer Concentration on Hydrocyclone Performance［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2019. 38（12）：5287-5296.
［13］高扬，刘合，张勇. 采出液含砂量对井下两级串联旋流器分离性能的影响［J］. 东北石油大学学报， 2018， 42（1）：112-120.
GAO Yang， LIU He， ZHANG Yong. Effect of Sand Content of Produced Fluid on Separation Performance of Downhole Two-stage Series Cyclone［J］. Journal of Northeast Petroleum University， 2018， 42（1）：112-120.
［14］宫磊磊. 采出液含气对井下油水旋流分离器的影响研究［D］. 大庆：东北石油大学， 2015.
GONG Leilei. The Research of Produced Liquid Gas-containing Having Influence on Downhole Oil-water Hydrocyclone Separator［D］. Daqing：Northeast University of Petroleum， 2015.
［15］HWANG K J， CHOU S P. Designing Vortex Finder Structure for Improving the Particle Separation Efficiency of a Hydrocyclone［J］. Separation and Purification Technology， 2017， 172：76-84.
［16］NI L， TIAN J Y， ZHAO J N. Experimental Study of the Relationship between Separation Performance and Lengths of Vortex Finder of a Novel De-foulant Hydrocyclone with Continuous Underflow and Reflux Function［J］. Separation Science and Technology， 2017， 52（1）：142-154.
［17］赵宇，赵立新，徐保蕊，等. 基于正交法的一体化二次分离旋流器结构参数优选［J］. 流体机械， 2016， 44（3）：29-33.
ZHAO Yu， ZHAO Lixin， XU Baorui， et al. Structural Parameter Optimization of the Integrated Secondary Separation Hydrocyclone Based on Orthogonal Method［J］. Fluid Machinery， 2016， 44（3）：29-33.
［18］ZHAO C W， SUN H Y， LI Z L. Structural Optimization of Downhole Oil-Water Separator［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2017， 148：115-126.
［19］NI L， TIAN J Y， SONG T， et al. Optimizing Geometric Parameters in Hydrocyclones for Enhanced Separations：a Review and Perspective［J］. Separation & Purification Reviews， 2019， 48（1）：30-51.
［20］BELAIDI A， THEW M T. The Effect of Oil and Gas Content on the Controllability and Separation in a De-oiling Hydrocyclone［J］. Chemical Engineering Research and Design， 2003， 81（3）：305-314.
［21］邢雷，蒋明虎，张勇，等. 轴入导锥式旋流器内油滴聚并破碎特性［J］. 中国石油大学学报（自然科学版）， 2019， 43（2）：140-147.
XING Lei， JIANG Minghu， ZHANG Yong， et al. Analysis of Droplet Coalescence and Breakage Characteristics in Axis-in Hydrocyclone with Diversion-cone［J］. Journal of China University of Petroleum （Natural Science Edition）， 2019， 43（2）：140-147.
［22］李博，夏蕊，王学文，等. 基于响应面法的多因素交互作用下中部槽磨损试验研究［J］.中国机械工程， 2019， 30（22）：2764-2771.
LI Bo， XIA Rui， WANG Xuewen， et al. Experimental Study on Wear of Middle Plates under Multi Factor Interaction Based on Response Surface Method［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30 （22）：2764-2771.
［23］张焕梅，杨瑞刚. 基于响应面法的起重机结构可靠性灵敏度分析［J］. 中国工程机械学报， 2020， 18（2）：131-136.
ZHANG Huanmei， YANG Ruigang. Reliability Sensitivity Analysis of Crane Structure Based on Response Surface Method［J］. Chinese Journal of Construction Machinery， 2020， 18（2）：131-136.
［24］LIU L， ZHAO L X， YANG X， et al. Innovative Design and Study of an Oil-Water Coupling Separation Magnetic Hydrocyclone［J］. Separation and Purification Technology， 2019， 213：389-400.
［25］MARVIN D C， JOSE G B， BRITTANY N， et al. CFD Modeling of Hydrocyclones：a Study of Efficiency of Hydrodynamic Reservoirs［J］. Fluids， 2020， 5（3）：118-137.
［26］NOROOZI S， HASHEMABADI S H， CHAMK-HA A J. Numerical Analysis of Drops Coalescence and Breakage Effects on De-oiling Hydrocyclone Performance［J］. Separation Science and Technology， 2013， 48（7）：991-1002.
［27］李莉，张赛，何强，等. 响应面法在试验设计与优化中的应用［J］. 实验室研究与探索， 2015， 34（8）：40-45.
LI Li， ZHANG Sai， HE Qiang， et al. Application of Response Surface Methodology in Experiment Design and Optimization［J］. Research and Exploration in Laboratory， 2015， 34（8）：40-45.
［28］蒋明虎，赵立新，李枫，等.旋流分离技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2000：12-14.
JIANG Minghu， ZHAO Lixin， LI Feng， et al. Cyclone Separation Technology［M］. Harbin：Harbin Institute of Technology Press， 2000：12-14.

[1]	刘兴旺, 田嵩, 刘晓明, 姜永为, 孙禛, 李阔. 电动涡旋压缩机柱销防自转机构载荷优化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2306-2311.
[2]	焦纪强1, 2, 蒙峻2, 谢文君2, 郭方准1. 钛合金内衬薄壁腔体结构设计与性能研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(02): 265-270.
[3]	陈俊翔1, 2, 齐钒羽1, 姜宏达1, 2, 孔祥东1, 2, 金振林1, 艾超1, 2. 负载口独立双阀芯电液阀的结构优化[J]. 中国机械工程, 2024, 35(10): 1747-1761.
[4]	陈源1, 熊典峰1, 李运堂1, 高永操2, 李传仓2, 王冰清1, 金杰1. 航空高速齿轮泵齿轮端面摩擦副的润滑特性[J]. 中国机械工程, 2024, 35(07): 1178-1187.
[5]	杨文军, 庞建超, 康鑫, 王磊, 李思成, 张哲峰. 基于缸盖等效构件模型的热机疲劳寿命预测与优化设计方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(24): 3004-3014.
[6]	刘杰, 翦林杰, 窦泽城, 文桂林, 王锐坤, 李方义. 超细微穿孔板构筑轻质结构的吸声特性研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(20): 2395-2402.
[7]	薛凯, 郭润兰, 黄晖阳, 黄华. 基于点云数据的增材制造模型结构优化方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(20): 2482-2488.
[8]	何宇凡, 孙江宏, 高锋, 李乃峥, 何雪萍, 王军见. 一种针对圆锥体外表面贴装的机械手设计分析与优化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(01): 55-64.
[9]	王新, 陈耕, 刘峰, 余晨帆, 张乐乐, . 航天器密封舱结构的安定分析与优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(20): 2502-2508.
[10]	何智成, 杨丁丁, 姜潮, 伍毅, 江和昕. 基于增材制造各向异性的强度约束拓扑优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2372-2380，2393.
[11]	杨艳玲, 禹静, 林希萌, 蔡晋辉. 三维螺纹测量机接触式测头的优化设计[J]. 中国机械工程, 2021, 32(15): 1812-1817.
[12]	何吉祥, 李聪波, 吕岩, 李娟. 数控车床主轴单元结构节能性优化设计[J]. 中国机械工程, 2021, 32(11): 1330-1340.
[13]	张静;马靓;赵登飞. 大方坯结晶器电磁搅拌器结构优化[J]. 中国机械工程, 2020, 31(10): 1148-1154.
[14]	喻长江;戴宁;李大伟;程筱胜. 多级仿生建模及优化技术[J]. 中国机械工程, 2019, 30(09): 1111-1118.
[15]	胡裕菲;刘子建;钟浩龙;秦欢. 车身动态刚度链建模及正向概念设计研究[J]. 中国机械工程, 2018, 29(09): 1076-1083,1089.