流体机械

项目	D₁	D₂	D₃	D₄	H₁	H₂	H₃
数值	25	8.5	14	6.5	252	52	25

项目	D₁	D₂	D₃	D₄	H₁	H₂	H₃
数值	25	8.5	14	6.5	252	52	25

项目	入口速度/（m·s^-1）	水相密度/（kg·m^-3）	水相黏度/（mPa·s）	油品密度/（kg·m^-3）	油相黏度/（Pa·s）	收敛精度
数值	0.88	998.2	1.003	800~980	1.06	10^-6

项目	入口速度/（m·s^-1）	水相密度/（kg·m^-3）	水相黏度/（mPa·s）	油品密度/（kg·m^-3）	油相黏度/（Pa·s）	收敛精度
数值	0.88	998.2	1.003	800~980	1.06	10^-6

项目	含油浓度C/%	溢流分流比F_U/%	分离效率E_Z/%	压力损失P_U/MPa
方案1	2	10	96.34	0.161
15	97.97	0.173
20	98.43	0.186
25	98.59	0.201
30	98.66	0.217

方案2	5	13	96.48	0.231
18	98.57	0.249
23	99.06	0.268
28	99.24	0.289
33	99.30	0.312

方案3	8	16	95.75	0.297
21	98.71	0.319
26	99.33	0.342
31	99.53	0.368
36	99.61	0.395

方案4	10	18	94.67	0.340
23	98.72	0.364
28	99.32	0.389
33	99.73	0.418
38	99.66	0.447

方案5	13	21	92.12	0.401
26	97.94	0.430
31	99.25	0.459
36	99.66	0.490
41	99.80	0.523

项目	含油浓度C/%	溢流分流比F_U/%	分离效率E_Z/%	压力损失P_U/MPa
方案1	2	10	96.34	0.161
15	97.97	0.173
20	98.43	0.186
25	98.59	0.201
30	98.66	0.217

方案2	5	13	96.48	0.231
18	98.57	0.249
23	99.06	0.268
28	99.24	0.289
33	99.30	0.312

方案3	8	16	95.75	0.297
21	98.71	0.319
26	99.33	0.342
31	99.53	0.368
36	99.61	0.395

方案4	10	18	94.67	0.340
23	98.72	0.364
28	99.32	0.389
33	99.73	0.418
38	99.66	0.447

方案5	13	21	92.12	0.401
26	97.94	0.430
31	99.25	0.459
36	99.66	0.490
41	99.80	0.523

项目	含油浓度C/%	油品密度ρ/（kg·m^-3）	分离效率E_Z/%	压力损失P_U/MPa
方案1	2	800	98.61	0.204
850	98.40	0.200
900	94.00	0.195
950	72.74	0.184
980	46.30	0.175

方案2	5	800	99.19	0.281
850	98.10	0.276
900	89.47	0.267
950	61.28	0.251
980	40.55	0.241

方案3	8	800	99.33	0.342
850	96.64	0.338
900	79.90	0.324
950	53.96	0.310
980	37.64	0.300

方案4	10	800	99.28	0.380
850	93.40	0.373
900	73.50	0.358
950	50.57	0.345
980	36.17	0.336

方案5	13	800	98.53	0.430
850	84.50	0.419
900	65.73	0.408
950	46.60	0.397
980	34.69	0.389

项目	含油浓度C/%	油品密度ρ/（kg·m^-3）	分离效率E_Z/%	压力损失P_U/MPa
方案1	2	800	98.61	0.204
850	98.40	0.200
900	94.00	0.195
950	72.74	0.184
980	46.30	0.175

方案2	5	800	99.19	0.281
850	98.10	0.276
900	89.47	0.267
950	61.28	0.251
980	40.55	0.241

方案3	8	800	99.33	0.342
850	96.64	0.338
900	79.90	0.324
950	53.96	0.310
980	37.64	0.300

方案4	10	800	99.28	0.380
850	93.40	0.373
900	73.50	0.358
950	50.57	0.345
980	36.17	0.336

方案5	13	800	98.53	0.430
850	84.50	0.419
900	65.73	0.408
950	46.60	0.397
980	34.69	0.389

项目	分离介质	密度/（kg·m^-3）
离散相	GL-5 85W-90重负荷型齿轮油	900
离散相	工业白油1	850
离散相	工业白油2	800
连续相	水	1 000

项目	分离介质	密度/（kg·m^-3）
离散相	GL-5 85W-90重负荷型齿轮油	900
离散相	工业白油1	850
离散相	工业白油2	800
连续相	水	1 000

井下微型旋流器油水分离性能及适应性研究

曹砚锋 ¹ , 邱浩 ¹ , 文敏 ¹ , 马增华 ² , 欧阳铁兵 ² , 赵军伟 ² , 齐致远 ¹

流体机械 | 试验研究 2025,53(12): 12-21

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流体机械 |试验研究 2025 , 53 (12) : 12 -21

井下微型旋流器油水分离性能及适应性研究

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曹砚锋¹, 邱浩¹, 文敏¹, 马增华², 欧阳铁兵², 赵军伟², 齐致远¹

作者信息

¹中海油研究总院有限责任公司，北京 100028

²中海油田服务股份有限公司，天津 300459

通讯作者:

赵军伟（1982），男，高级工程师，主要从事油气田地面工程工艺研究、油水分离及同井注采、油田人工举升技术方面的研究，通信地址：100028北京市朝阳区太阳宫南街6号院中海油大厦中海油研究总院有限责任公司，E-mail：zhaojw22@cosl.com.cn。

作者简介:

曹砚锋（1977），男，高级工程师，主要从事海上油气田钻完井方案设计和技术研究工作，E-mail：caoyf@cnooc.com.cn。

Research on the oil‑water separation performance and adaptability of underground micro cyclones

Yanfeng CAO¹, Hao QIU¹, Min WEN¹, Zenghua MA², Tiebing OUYANG², Junwei ZHAO², Zhiyuan QI¹

Affiliations

¹CNOOC Research Institute Ltd.，Beijing 100028，China

²China Oilfield Services Limited，Tianjin 300459，China

出版时间: 2025-12-31 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.002

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摘要

收起

针对同井注采系统中井下空间狭小及油水混合液内小粒径油滴难以高效分离的问题，选用对小粒径油滴分离效果更佳的微型旋流器，结合计算流体力学（CFD）数值模拟与试验方法，分析采出液物性参数和微型旋流器的操作参数对井下油水分离性能的影响规律，并探讨其在不同条件下的适应性。结果表明，当采出液含油浓度分别设定为2%，5%，8%，10%，13%时，对应的最佳溢流分流比分别为20%，23%，26%，28%，31%；当油品密度为800 kg/m³时，微型旋流器在含油浓度2%~13%范围内均具有较好的分离性能；当油品密度为850 kg/m³和900 kg/m³时，微型旋流器的最佳适应采出液含油浓度范围分别为低于8%和低于5%。研究可为微型旋流器在井下油水分离中的高效应用提供参考。

关键词

微型旋流器 / 操作参数 / 物性参数 / 适应性 / 分离性能

Abstract

收起

To address the challenges of limited downhole space in single‑well injection‑production systems and the difficulty in efficiently separating small‑diameter oil droplets from oil‑water mixtures，miniature hydrocyclones with better separation performance for small oil droplets were selected.Combining computational fluid dynamics （CFD） numerical simulation and experimental methods，the effects of produced fluid physical parameters and operational parameters of miniature hydrocyclones on downhole oil‑water separation performance were analyzed，and their adaptability under different conditions was investigated.The results show that when the oil concentration in the produced fluid is set to 2%，5%，8%，10%，and 13%，the corresponding optimal overflow split ratios are 20%，23%，26%，28%，and 31%，respectively；when the oil density is 800 kg/m³，the miniature hydrocyclone demonstrates good separation performance across the oil concentration range of 2% to 13%；when the oil density is 850 kg/m³ and 900 kg/m³，the optimal adapted produced fluid oil concentration ranges for the miniature hydrocyclone are below 8% and below 5%，respectively.This study can provide references for the efficient application of miniature hydrocyclones in downhole oil‑water separation.

Key words

miniature hydrocyclone / operational parameters / physical parameters / adaptability / separation performance

引用本文

曹砚锋, 邱浩, 文敏, 马增华, 欧阳铁兵, 赵军伟, 齐致远. 井下微型旋流器油水分离性能及适应性研究. 流体机械, 2025 , 53 (12) : 12 -21 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.002

Yanfeng CAO, Hao QIU, Min WEN, Zenghua MA, Tiebing OUYANG, Junwei ZHAO, Zhiyuan QI. Research on the oil‑water separation performance and adaptability of underground micro cyclones[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (12) : 12 -21 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.002

正文

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0　引言

收起

我国许多油藏已进入高含水或特高含水期，这给油田开采带来了巨大挑战，大幅增加了开采难度。油田含水率的逐渐上升意味着采出液中的含油浓度逐渐降低，不仅提高了开采成本，同时也降低了开采效率。当前，面对高含水期和特高含水期带来的挑战，油田开采领域需采取有效的解决方案^［1］。为克服这一问题，井下油水分离及同井注采技术得以应用。该技术颠覆了现有开发模式，有效解决了“大量地下水被采出”与“注入水无效循环”两大难题，被称为四次采油技术。这项技术的应用，对保障我国石油能源供给战略、实现油田稳定生产及节能降耗均具有重要意义^［2-3］。

在众多井下油水分离设备中，旋流器因其结构简单、分离高效和易于维护的优点而备受青睐^［4］。目前，为提升油水分离效率，相关学者在油水分离领域展开了深入研究，探讨了操作参数、结构参数以及介质物性参数对油水分离性能的影响规律，并通过优化这些参数来实现更高效的油水分离效果^［5-12］。杨兆铭等^［13］针对特高含水期油田在稠油集输方面进行了分析，指出稠油在柱状旋流器内的分离特性与其他油品存在差异。分散相粒径对底流口含油率有显著影响，但对压力损失影响较小。油品密度和黏度对底流口含油率的影响不同，密度越小越有利于分离；当油品密度高于900 kg/m³时，在油水分离工艺的弱旋流场作用下几乎无法达到分离效果；黏度的影响与密度不同，存在一个使分离效果最优的黏度和密度范围。韩帅^［14］在辽河油田针对稠油污水进行了旋流分离技术的应用研究，某脱水站未使用破乳药剂，将分流比调整为10.87%，结果显示，经旋流分离后，污水的最佳除油效率仅为59.56%，明显低于常规旋流器的分离效率。YANG等^［15］采用数值模拟研究了油滴特征参数对旋流除油装置分离效率的影响，最终得出液滴尺寸对分离效率有正向影响，含油浓度对效率有负向影响，油滴速度在一定范围内与效率成正比。NIAZI等^［16］研究了连续相温度对旋流器总效率和分流比的影响，结果显示，随着温度升高，总效率增加，而分流比则呈相反趋势。TAVARES等^［17］基于试验数据与理论推导，构建了考虑黏度对旋流器分离性能影响的数学模型，结果表明，随着连续相黏度的上升，流体的运动速度会相应减缓，导致流体在旋流器内无法获得足够的离心力，从而使得整体分离效率下降。

由于油田井筒内部空间有限，对油水分离器的尺寸设计限制较大；且同井注采工艺系统结构复杂，存在油水混合液中微小油滴难以分离的问题。微型旋流器（尤其是主直径小于30 mm的类型）对微小油滴的分离能力强、效率高^［18］，但目前针对同井注采系统中微型旋流器关键参数与性能研究的相关报道较为鲜见。这些关键参数在特定工况下，会成为提高油水分离效率的关键因素，在某些情况下甚至可能对分离效率起到决定性作用。此外，微型旋流器在井下工作时，无法随含油浓度的变化轻易调整溢流分流比，因此为确保其在关键应用中达到最优性能，必须全面考虑并精确调控这些参数。

综上所述，本文旨在通过CFD数值模拟，确定井下微型旋流器在不同含油浓度下的最佳溢流分流比，并对井下混合液在不同油品密度下的含油浓度适应性展开分析；通过深入研究操作参数与物性参数对微型旋流器性能的影响，揭示不同参数对井下微型旋流器分离性能的作用规律。

1　结构原理及研究方法

收起

1.1　理论分析

与常规旋流器相比，微型旋流器不仅具备紧凑的结构设计，适配井筒空间限制，还可高效处理微小油滴；其独特的旋流分离机制，显著提升了油水分离效率。油滴在旋流器中的受力情况如图1所示，其所受径向力主要包括离心力

F C

、径向压力梯度力

F P

、连续水相对油滴施加的斯托克斯阻力

F S

及油滴旋转产生的马格纳斯力

F M

。根据式（1）可求得微油滴在流场中的径向合力

F ∑

：

F ∑ = F P - F C - F S ± F M

（1）

在微油滴受到的径向力中，径向压力梯度力

F P

和离心力

F C

占据主导作用，因此两者的差值ΔF决定着微油滴朝向分离器轴心的运动速度：

Δ F = F P - F C = π x 3 v t 2 6 r (ρ w - ρ o)

（2）

式中，

Δ F

为油滴所受合力，N；

x

表示油滴粒径，mm；

v t

为切向速度，m/s；

r

为距离旋流器轴心的径向距离，mm；

ρ w

，

ρ o

分别表示水相和油相的密度，kg/m³。

根据式（2），在相同的入口速度条件下，假设常规旋流器和微型旋流器中待分离的油滴粒径，以及油滴所在位置处的切向速度均相同，由于微型旋流器的径向空间小于常规旋流器，油滴在微型旋流器中所受到的径向合力更大，更容易运动到旋流器内壁附近而被成功分离。同时，考虑到分离精度及井下可能存在的堵塞问题，文中选用主直径为25 mm的微型旋流器展开研究。

1.2　结构原理

在实际应用中，为满足井下大排量采出需求，微型旋流器需采用多级并联形式工作。由于该形式下每个微型旋流器的分离性能一致，因此可选取单个旋流器作为研究对象。井下微型旋流器的结构与工作原理分别如图2、图3所示，其主要结构参数见表1。当油水混合物从径向入口流入旋流器后，内部螺旋流道会引导混合液进行高速切向旋转；在此过程中，受离心力作用，密度较大的水相被推向旋流器边壁，最终经底流口排出；而密度较小的油相则在旋流器中心区域汇聚，并逐渐在溢流管下方聚集，最终通过溢流口排出，从而实现油水混合物的有效分离。

1.3　数值模拟方法

1.3.1　网格划分及无关性检验

采用ICEM软件对微型旋流器流体域进行网格划分时，选用六面体结构性网格作为网格类型，其在稳定性与收敛性方面具有显著优势^［19-20］。为研究网格数量对模拟结果的影响，文中以分离效率变化为主要考察指标，并开展网格无关性检验。微型旋流器流体域网格如图4（a）所示，试验共设计5种不同数量的网格，其分离效率变化趋势如图4（b）所示。可以看出，当网格数量增加至357 880时，分离效率变化趋于稳定。因此，为在保证模拟精度的同时降低计算成本，最终确定网格数量为357 880。

1.3.2　数值模拟条件设置

利用ANSYS Fluent进行数值模拟，计算选用双精度压力基求解器，采用隐式稳态求解。多相流模型选用Mixture模型，该模型可用于模拟微型旋流器内油水两相介质的流动，能提供较为准确的模拟结果，同时具有成本较低、节省运算资源等优点^［21］。湍流模型选择雷诺应力模型（Reynolds stress model，RSM），该模型对旋转流场结果的预测具有较高精度。模拟条件设置见表2。

壁面边界条件设置为无滑移、不可渗透。求解器设置方面，压力-速度耦合方式采用SIMPLEC，压力离散格式采用PRESTO！，动量离散格式选用二阶迎风。入口采用速度入口边界条件，出口设为自由出口。

2　数值模拟方案及结果分析

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2.1　含油浓度与最佳溢流分流比的适应性方案设计及分析

溢流分流比（溢流流量与入口流量的比值）是影响旋流器分离性能的主要因素。在含油浓度C分别为2%，5%，8%，10%，13%的条件下，对井下微型旋流器开展溢流分流比的适应性研究。采用上述数值模拟方法，以分离效率E_Z及溢流压力损失P_U为监测指标，探究每种含油浓度下分离效率达到较优水平且压力损失较低时，对应的最佳溢流分流比。考虑到入口含油浓度增加时，需要更大的溢流分流比才能使油相排出，因此根据含油浓度的不同，对各浓度条件下的初始溢流分流比进行了相应的上调。表3示出方案设计和数值模拟结果。

2.1.1　溢流分流比对微型旋流器分离性能的影响

在表3中5种含油浓度条件下，溢流分流比对分离效率和压力损失的影响，如图5所示。可以看出，分离效率随分流比增加而提升，但提升幅度逐渐减缓，最终趋于平缓；与此同时，溢流压力损失则近似呈线性增长。这是由于随着溢流分流比的逐渐增大，溢流口流量增加，油相介质向溢流口排出的速率加快，此时大多数油相介质基本可以从溢流口流出，但单位时间内进入旋流器的两相介质总流量保持不变，故分离效率逐渐增大。当分流比逐渐增加到一定值后，油相几乎完全由溢流口流出，故分离效率的增加幅度会逐渐减小。压力损失增大的原因是溢流口直径大小一定，随着溢流分流比增加，溢流口流量增加导致。这表明通过增大溢流分流比可以在一定程度上改善分离性能，但同时需考虑压力损失增大带来的不利影响。

由表3和图5可知，当含油浓度为13%，溢流分流比为21%时，分离效率为92.12%，压力损失为0.401 MPa；当分流比增大到26%时，分离效率高达97.94%，提升了6.32%，同时压力损失增加了0.029 MPa；溢流分流比继续以5%的间隔增大，此时分离效率提升幅度逐渐降低，溢流压力损失上升幅度逐渐增大。这表明在高含油浓度条件下，分流比已不再适合继续增大，过大的分流比会使更多的水相从溢流口排出，从而对分离效率产生反作用。

在不同含油浓度条件下，分离效率和压力损失的变化规律基本相同，这表明数值模拟方法具有较好的准确性。

2.1.2　溢流分流比油相分布云图分析

为研究溢流分流比在低含油与高含油条件下对微型旋流器分离性能的影响，对表3中2种含油浓度条件下的油相分布云图进行分析（含油浓度2%属于低含油浓度，13%属于高含油浓度）。图6示出含油浓度2%时，不同溢流分流比下的油相分布云图。可以看出，随着分流比的增大，油相逐渐向溢流口迁移，使更多油相从溢流口排出；当分流比达到20%及以上时，底流含油量接近0。

图7示出含油浓度13%时，不同溢流分流比下的油相分布云图。

从图可以看出，当最小溢流分流比为21%时，微型旋流器内部相较于低含油条件下产生的油相更为明显。这是因为当混合液含油量高时，较小的分流比使分离出的油相不能完全从溢流口排出，油体会在底流口附近积聚。当溢流分流比逐渐增大时，油相在溢流口附近不断向上聚集，此时油相更容易从溢流口排出。因此，高含油条件下微型旋流器需要更大的溢流分流比才能使分离出的油相从溢流口排出。

2.1.3　溢流分流比适应性结果分析

当含油浓度在2%~13%范围内时，为满足良好的经济适用性并达到较好的分离性能，将溢流分流比设定为26%。此时旋流器无论在哪种含油浓度下，均可达到较好的分离性能。为验证这一结论，采用相同的数值模拟方法进行模拟验证，结果如图8所示。

从图可以看出，在溢流分流比保持26%不变的条件下，当混合液含油浓度在10%及以下时，分离效率在98%以上；当混合液含油浓度高于10%但低于13%时，分离效率虽有所降低，但仍接近98%。此时微型旋流器仍可保持良好的分离性能，并且压力损失可控制在0.43 MPa以下。因此可以得出，当溢流分流比设定在26%时，对不同含油浓度的混合液适应性较好，能够在保证良好分离性能的同时满足经济适用性要求。

2.2　含油浓度对油品密度的适应性方案设计与分析

2.2.1　油品密度适应性方案设计

旋流器的分离原理是利用多相介质间的密度差异来实现的，因此油品密度是影响旋流分离的关键因素。选取适应性最好的溢流分流比26%，在含油浓度分别为2%，5%，8%，10%，13%时，对微型旋流器开展油品密度的适应性研究，分析不同含油浓度对油品密度的适应范围。采用上述数值模拟计算方法，以分离效率E_Z和溢流压力损失P_U作为监测指标。表4示出含油浓度对油品密度适应性分析的方案设计及模拟结果。

2.2.2　油品密度对微型旋流器分离性能的影响

5种不同含油浓度下，不同油品密度对分离效率和压力损失的变化规律如图9所示。结合表4和图9可知，油品密度对分离性能具有显著影响。

随着油品密度增加，油水两相密度差减小，导致分离效率与压力损失均呈现下降趋势。该现象在低含油和高含油浓度下均成立，但在高含油浓度下，效率随密度增加，下降更为急剧。当含油浓度为13%时，密度从800 kg/m³增至980 kg/m³，分离效率从98.53%的峰值骤降至34.69%。

2.2.3　油品密度油相分布云图分析

为研究油品密度在低含油与高含油浓度下对微型旋流器分离性能的影响，对表4中2种含油浓度条件下的油相分布云图进行分析（含油浓度2%属于低含油浓度，13%属于高含油浓度）。图10示出混合液含油浓度为2%时，不同油品密度下的油相分布云图。

从图可以看出，随着油品密度的增大，微型旋流器内部产生的油核逐渐向底流口方向移动。当油品密度达到900 kg/m³以上时，分离出的油相越来越靠近微型旋流器壁面。这是因为当油品密度接近水的密度时，微型旋流器产生的高速离心力很难将密度较大的油相分离出来，这验证了油品密度较大时分离性能降低的原因。

图11示出混合液含油浓度为13%时，不同油品密度下的油相分布云图。可以看出，随着油品密度的增大，微型旋流器溢流管附近的油相体积分数逐渐降低，这说明分离效率呈逐级递减的趋势。观察油品密度为800 kg/m³时，微型旋流器产生的油核基本靠近微型旋流器上部。当油品密度以50 kg/m³的间隔继续增加时，可以看出微型旋流器产生的油核不断向下迁移，因此更多的油相从底流口排出。当油品密度大于950 kg/m³时，油品密度更接近于水相，产生的油核将向微型旋流器壁面扩散，油相很难从溢流口排出，因此微型旋流器难以实现油相分离。

2.2.4　含油浓度对油品密度适应性结果分析

由表4和图9可知，当油品密度为800 kg/m³时，随混合液含油浓度增大，微型旋流器分离效率呈先升高后降低趋势，其中含油浓度13%时分离效率达98.53%；且此密度下，无论混合液为低含油浓度还是高含油浓度，旋流器均表现出较好分离性能。当油品密度增至980 kg/m³时，分离效率均低于50%，适应性较差。当油品密度小于等于900 kg/m³时，混合液含油浓度为2%的工况下，分离效率能保持在94%以上，且适应性较好。当油品密度小于等于850 kg/m³时，仅混合液含油浓度为2%，5%和8%时，旋流器才具有良好分离性能。而当混合液含油浓度达到10%以上（属于高含油）时，若需旋流器保持良好分离性能，油品密度需控制在800 kg/m³左右。

3　室内试验测试及结果分析

收起

3.1　试验装置及原理

3.1.1　试验介质工况

微型旋流器主要用于油水两相混合介质的分离。混合相主要由油和水组成，连续相介质为水，离散相介质为GL-5 85W-90重负荷型齿轮油和2种不同密度的工业白油，其参数值见表5。

3.1.2　试验装置及原理

室内试验的配套设施主要包括动力单元、计量单元、化验分析单元及微型旋流器样机，工艺流程如图12所示。采用螺杆泵及柱塞泵作为动力装置，通过调节变频器的频率来控制电机的转速，从而实现流量的控制。计量单元由流量计和压力表组成，试验中选用红外分光测油仪对含油浓度进行化验分析。

水箱中的油水混合液经螺杆泵加速后，进入微型旋流器内进行离心分离。分离后，大部分油相从顶部依次经溢流流量计、溢流排液阀进入废液池；大部分水相则从底部依次经底流流量计、底流排液阀进入废液缸。图13示出室内试验用微型旋流器样机。

3.2　含油浓度及油品密度对分离性能的影响

3.2.1　试验方案和步骤

在分离系统中加入密度为800，850，900 kg/m³的油，入口流量为1.6 m³/h，溢流分流比设置为35%。调节油泵控制含油浓度分别为2%，5%，8%，10%和13%，进行5组试验。系统稳定运行后，取样并进行化验分析，对比不同含油浓度下的分离效果。图14示出油相密度为900 kg/m³时，入口、溢流和底流的样液图。

3.2.2　不同油品密度下试验结果分析

图15示出不同混合液含油浓度下，3种不同密度油相对应的底流含油浓度变化趋势。

由图15可知，在相同条件下，当油品密度为800 kg/m³时，底流含油浓度先缓慢上升后略有下降，整体保持相对稳定；当油品密度增至850 kg/m³时，底流含油浓度随入口含油体积分数的增加呈逐渐上升趋势；尤为显著的是，在高含油浓度条件下，密度为900 kg/m³的高密度油品，其底流含油浓度的增长态势更为突出。由此可见，随着油品密度的增大，底流含油浓度逐渐升高，表明分离效率逐步降低；同时，随着入口含油浓度的增加，底流含油浓度同样呈上升趋势，分离效率也随之下降。该试验结果的变化规律与模拟结果一致。

图16示出不同油品密度下的样液示意图。试验中保持处理量与分流比不变，通过改变油品密度，探究不同密度油品对分离性能的影响规律。可以看出，微型旋流器对800~900 kg/m³范围内的油品均具备一定分离效果；其中，当油品密度为800 kg/m³时，底流样液最为清澈，表明该条件下分离效果最优。

3.3　分流比对分离性能的影响

3.3.1　试验方案

分流比是影响微型旋流器效率的关键因素。向分离系统加入水和密度为800 kg/m³的油，入口流量为1.6 m³/h，含油浓度为5%，溢流分流比分别设定为20%，25%，35%，40%，45%。试验样液如图17所示。

3.3.2　试验结果分析

图18示出不同分流比条件下，模拟与试验的分离效率变化曲线。可以看出，分流比较小时，进入分离装置的流体更多流向底流口，溢流口流量相对较小；随着分流比逐步增大，更多流体被分配至溢流口，使得溢流流量增加，更多油相得以从溢流口排出，分离效率在此阶段显著提升。模拟得出的分离效率高于试验结果，这是由于模拟过程采用了理想边界条件所致。整体而言，随着分流比的增大，模拟与试验的分离效率均呈上升趋势，二者变化规律保持一致。

4　结论

收起

（1）在固定其他操作参数的条件下，微型旋流器的分离效率在一定范围内随油品密度的增大而降低，随入口含油浓度的升高而减小，随溢流分流比的增大而提升。

（2）针对采出液含油浓度为2%，5%，8%，10%和13%的工况，其对应的最佳溢流分流比分别为20%，23%，26%，28%与31%。将溢流分流比统一设定为26%，可在全浓度范围内实现分离效率与压力损失的良好平衡，具备较好的工程适应性。

（3）当油品密度为800 kg/m³时，微型旋流器在低含油浓度（2%）至高含油浓度（13%）区间内均表现出优良的分离性能。随着油品密度升高，其适宜处理的含油浓度范围变窄。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

王吉涛，李俊键.高含水油田剩余油研究方法、分布特征与发展趋势［J］.油气地质与采收率，2024，31（2）：58-69.

WANG J T，LI J J.Research methods，distribution characteristics，and development trend of remaining oil in high water cut oilfields［J］.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2024，31（2）：58-69.

易良平，张程，杨兆中，等.井下油水分离装置现状与展望［J］.科学技术与工程，2024，24（8）：3043-3053.

YI L P，ZHANG C，YANG Z Z，et al.Review of downhole oil and water separation devices［J］.Science Technology and Engineering，2024，24（8）：3043-3053.

段铮，李锋，邹信波，等.井下油水分离的国内外研究现状［J］.机械工程师，2021（6）：59-62.

DUAN Z，LI F，ZOU X B，et al.Research status of downhole oil‑water separation in the world［J］.Mechanical Engineer，2021（6）：59-62.

邹敏红，刘道喜，周冶.水力旋流器控制方法研究及应用［J］.中国矿业，2023，32（增刊2）：92-96.

ZOU M H，LIU D X，ZHOU Y.Research and application of hydrocyclone control methods［J］.China Mining Magazine，2023，32（Sup.2）：92-96.

张蓓蓓，刘影，李秀媛.基于正交试验方法的两级串联水力旋流器操作参数优化［J］.化工机械，2022，49（2）：210-217.

ZHANG B B，LIU Y，LI X J.Optimization of operating parameters for two‑stage series hydrocyclones based on orthogonal experimental method［J］.Chemical Engineering & Machinery，2022，49（2）：210-217.

张义科，李福春，余峰，等.油水分离旋流器分离性能的数值模拟分析［J］.机械工程师，2023（1）：77-80.

ZHANG Y K，LI F C，YU F，et al.Numerical simulation analysis on separation performance of oil‑water hydro‑cyclone［J］.Mechanical Engineer，2023（1）：77-80.

张文华，李东来，刘秀林，等.中心复合设计的水力旋流器结构优化与试验研究［J］.机械科学与技术，2023，42（7）：993-999.

ZHANG W H，LI D L，LIU X L，et al.Structure parameters optimization of hydrocyclone by central omposite design and experiment study［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2023，42（7）：993-999.

张晓光，刘佳成，徐保蕊，等.轴流式两级一体化水力旋流器结构参数优选［J］.流体机械，2023，51（11）：71-78.

ZHANG X G，LIU J C，XU B R，et al.Optimization of structural parameters of axial flow two‑stage integrated hydrocyclone［J］.Fluid Machinery，2023，51（11）：71-78.

夏宏泽，赵宇，李宁，等.稠油采出液油水分离旋流工作参数优化研究［J］.石油机械，2024，52（3）：93-101.

XIA H Z，ZHAO Y，LI N，et al.Optimization of working parameters for oil‑water separation cyclone of produced fluid of heavy oil［J］.China Petroleum Machinery，2024，52（3）：93-101.

CHI Y，ZHANG R，MENG X，et al.Numerical simulation of two‑phase flow and droplet breakage of glycerin‑water mixture and kerosene in the cyclone reactor［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2021，34（6）：150-159.

莫丽，许先雨，刘栖，等.钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性［J］.润滑与密封，2023，48（2）：44-51.

MO L，XU X Y，LIU X，et al.Wall wear characteristics of hydrocyclone for solid‑liquid separation of drilling fluid［J］.Lubrication Engineering，2023，48（2）：44-51.

卢梦媚，赵立新，刘琳，等.基于响应面法的井下油水分离微型旋流器结构参数优化［J］.流体机械，2024，52（5）：32-39.

LU M M，ZHAO L X，LIU L，et al.Structural optimization of mini‑hydrocyclone for downhole oilwater separation based on response surface methodology［J］.Fluid Machinery，2024，52（5）：32-39.

杨兆铭，何利民，田洋阳，等.稠油在柱状旋流分离器中分离特性的数值模拟［J］.油气储运，2020，39（3）：319-325.

YANG Z M，HE L M，TIAN Y Y，et al.Numerical simulation of separation characteristics of heavy oil in cylindrical cyclone separator［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，2020，39（3）：319-325.

韩帅.水力旋流分离技术处理稠油采出水现场试验［J］.油气田地面工程，2020，39（9）：44-47.

HAN S.Field test of hydro cyclone separation technology for heavy oil produced water treatment［J］.Oil‑Gasfield Surface Engineering，2020，39（9）：44-47.

YANG M J，JIANG R，WU X Y，et al.Separation performance of hydrocyclone oil removal device influenced by oil droplet trajectory and oil drop characteristics［J］.Science Progress，2023，106（2）：1-21.

NIAZI S，HABIBIAN M，RAHIMI M.A comparative study on the separation of different‑shape particles using a mini‑hydrcyelone［J］.Chemical Engineering Technology，2017，40（4）：699-708.

TAVARES L M，SOUZA L L G，LIMA J R B，et al.Modeling classification insmall‑diameter hydrocyclones under variable rheological conditions［J］.Minerals Engineering，2002，15（8）：613-622.

李新亚，蒋明虎，邢雷，等.基于Plackett-Burman设计的微型旋流器结构参数灵敏度分析［J］.流体机械，2023，51（3）：42-48.

LI X Y，JIANG M H，XING L，et al.Sensitivity analysis of micro‑hydrocyclone structural parameters based on Plackett-Burman design［J］.Fluid Machinery，2023，51（3）：42-48.

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 M H，ZHAO L X，LI F，et al.Hydrocyclone separation technology［M］.Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2000：12-14.

于贺春，韩尊义，张国庆，等.真空环境下小孔节流径向气浮轴承特性研究［J］.机床与液压，2024，52（11）：93-99.

YU H C，HAN Z Y，ZHANG G Q，et al.Research on the characteristics of radial gas bearings with small orifice restrictors in a vacuum environment［J］.Machine Tool & Hydraulics，2024，52（11）：93-99.

VAKAMALLA T R，MANGADODDY N.Numerical simulation of industrial hydrocyclones performance：role of turbulence modelling［J］.Separation and Purification Technology，2017，176：23-39.

2025年第53卷第12期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.002

接收时间：2025-02-24
首发时间：2026-10-22
出版时间：2025-12-31

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收稿日期：2025-02-24
修回日期：2025-08-17

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¹中海油研究总院有限责任公司，北京 100028

²中海油田服务股份有限公司，天津 300459

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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项目	D₁	D₂	D₃	D₄	H₁	H₂	H₃
数值	25	8.5	14	6.5	252	52	25

项目

D₁

D₂

D₃

D₄

H₁

H₂

H₃

数值

8.5

6.5

252

项目	入口速度/（m·s^-1）	水相密度/（kg·m^-3）	水相黏度/（mPa·s）	油品密度/（kg·m^-3）	油相黏度/（Pa·s）	收敛精度
数值	0.88	998.2	1.003	800~980	1.06	10^-6

项目

入口速度/（m·s^-1）

水相密度/（kg·m^-3）

水相黏度/（mPa·s）

油品密度/（kg·m^-3）

油相黏度/（Pa·s）

收敛精度

数值

0.88

998.2

1.003

800~980

1.06

10^-6

项目	含油浓度C/%	溢流分流比F_U/%	分离效率E_Z/%	压力损失P_U/MPa
方案1	2	10	96.34	0.161
15	97.97	0.173
20	98.43	0.186
25	98.59	0.201
30	98.66	0.217

方案2	5	13	96.48	0.231
18	98.57	0.249
23	99.06	0.268
28	99.24	0.289
33	99.30	0.312

方案3	8	16	95.75	0.297
21	98.71	0.319
26	99.33	0.342
31	99.53	0.368
36	99.61	0.395

方案4	10	18	94.67	0.340
23	98.72	0.364
28	99.32	0.389
33	99.73	0.418
38	99.66	0.447

方案5	13	21	92.12	0.401
26	97.94	0.430
31	99.25	0.459
36	99.66	0.490
41	99.80	0.523

项目

含油浓度C/%

溢流分流比F_U/%

分离效率E_Z/%

压力损失P_U/MPa

方案1

96.34

0.161

97.97

0.173

98.43

0.186

98.59

0.201

98.66

0.217

方案2

96.48

0.231

98.57

0.249

99.06

0.268

99.24

0.289

99.30

0.312

方案3

95.75

0.297

98.71

0.319

99.33

0.342

99.53

0.368

99.61

0.395

方案4

94.67

0.340

98.72

0.364

99.32

0.389

99.73

0.418

99.66

0.447

方案5

92.12

0.401

97.94

0.430

99.25

0.459

99.66

0.490

99.80

0.523

项目	含油浓度C/%	油品密度ρ/（kg·m^-3）	分离效率E_Z/%	压力损失P_U/MPa
方案1	2	800	98.61	0.204
850	98.40	0.200
900	94.00	0.195
950	72.74	0.184
980	46.30	0.175

方案2	5	800	99.19	0.281
850	98.10	0.276
900	89.47	0.267
950	61.28	0.251
980	40.55	0.241

方案3	8	800	99.33	0.342
850	96.64	0.338
900	79.90	0.324
950	53.96	0.310
980	37.64	0.300

方案4	10	800	99.28	0.380
850	93.40	0.373
900	73.50	0.358
950	50.57	0.345
980	36.17	0.336

方案5	13	800	98.53	0.430
850	84.50	0.419
900	65.73	0.408
950	46.60	0.397
980	34.69	0.389

项目

含油浓度C/%

油品密度ρ/（kg·m^-3）

分离效率E_Z/%

压力损失P_U/MPa

方案1

800

98.61

0.204

850

98.40

0.200

900

94.00

0.195

950

72.74

0.184

980

46.30

0.175

方案2

800

99.19

0.281

850

98.10

0.276

900

89.47

0.267

950

61.28

0.251

980

40.55

0.241

方案3

800

99.33

0.342

850

96.64

0.338

900

79.90

0.324

950

53.96

0.310

980

37.64

0.300

方案4

800

99.28

0.380

850

93.40

0.373

900

73.50

0.358

950

50.57

0.345

980

36.17

0.336

方案5

800

98.53

0.430

850

84.50

0.419

900

65.73

0.408

950

46.60

0.397

980

34.69

0.389

项目	分离介质	密度/（kg·m^-3）
离散相	GL-5 85W-90重负荷型齿轮油	900
离散相	工业白油1	850
离散相	工业白油2	800
连续相	水	1 000

项目

分离介质

密度/（kg·m^-3）

离散相

GL-5 85W-90重负荷型齿轮油

900

离散相

工业白油1

850

离散相

工业白油2

800

连续相

水

1 000