流体机械

结构参数	混流水力旋流器	轴流水力旋流器
总长L	752	792
溢流管L₁	20	20
圆柱段L₂	40	50
大锥段L₃	22	22
小锥段L₄	430	460
直尾段L₅	240	240
圆柱管径D₁	40	40
底流管径D₂	10	12

结构参数	混流水力旋流器	轴流水力旋流器
总长L	752	792
溢流管L₁	20	20
圆柱段L₂	40	50
大锥段L₃	22	22
小锥段L₄	430	460
直尾段L₅	240	240
圆柱管径D₁	40	40
底流管径D₂	10	12

油田采出液预分水用混流式水力旋流器性能研究

尚超 ¹ , 胡征睿 ²^,³ , 刘美丽 ²^,³ , 张明 ¹ , 王春升 ¹ , 徐海波 ¹ , 陈家庆 ²^,³

流体机械 | 设计计算 2026,54(1): 66-73

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流体机械 |设计计算 2026 , 54 (1) : 66 -73

油田采出液预分水用混流式水力旋流器性能研究

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尚超¹, 胡征睿²^,³, 刘美丽²^,³, 张明¹, 王春升¹, 徐海波¹, 陈家庆²^,³

作者信息

¹中海油研究总院有限责任公司工程研究设计院，北京 100027

²北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617

³深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617

通讯作者:

陈家庆（1970），男，博士，教授，主要研究方向为环保多相流高效分离技术与设备，通信地址：102617北京市大兴区清源北路19号北京石油化工学院机械工程学院，E-mail：jiaqing@bipt.edu.cn。

作者简介:

尚超（1984），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为海上油气集输工艺与设备，E-mail：shangchao@cnooc.com.cn。

Performance study of mixed‑flow hydrocyclones for pre‑separating produced fluids in oil fields

Chao SHANG¹, Zhengrui HU²^,³, Meili LIU²^,³, Ming ZHANG¹, Chunsheng WANG¹, Haibo XU¹, Jiaqing CHEN²^,³

Affiliations

¹Engineering Research & Design Department，CNOOC Research Institute Company Limited，Beijing 100027，China

²School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China

³Beijing Key Laboratory of Pipeline Critical Technology and Equipment for Deepwater Oil & Gas Development，Beijing 102617，China

出版时间: 2026-01-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.009

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摘要

收起

为进一步降低旋流预分水设备的出水含油浓度，减小后端处理负荷，提出一种新型混流式水力旋流器结构，并通过数值模拟与试验验证的方法，对其性能进行系统研究。结果表明，当油相密度低于890 kg/m³、油相黏度小于75 mPa⋅s、入口含水率为75%~99%时，该设备可实现分水率大于50%、出水含油浓度小于200 mg/L的性能指标；当入口含水率在70%~75%时，出水含油浓度低于400 mg/L的条件下，分流比可调节范围在0.55~0.65；当入口含水率不低于75%时，出水含油浓度低于200 mg/L的条件下，分流比可调节范围为0.4~0.6。提出的混流式水力旋流器在不同含水率条件下，均表现出良好的分离性能。研究可为高含水油井采出液高效预分水提供有效途径。

关键词

高含水采出液 / 预分水 / 水力旋流器 / 数值模拟 / 试验测试

Abstract

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To further reduce the oil concentration in the water outlet of the cyclone pre‑separation device and to lessen the load of subsequent treatment，a novel mixed‑flow hydrocyclone structure was proposed.Its performance was systematically investigated through numerical simulation and experimental validation methods.The results indicate that when the oil phase density is below 890 kg/m³，the oil viscosity is less than 75 mPa⋅s，and the inlet water cut ranges from 75% to 99%，the device can achieve performance indicators of a water separation efficiency greater than 50% and an oil concentration in the water outlet below 200 mg/L.When the inlet water cut is between 70% and 75%，the split ratio can be adjusted in the range of 0.55 to 0.65 with the oil concentration at the water cut below 400 mg/L.When the inlet water cut is not less than 75%，the split ratio can be adjusted from 0.4 to 0.6 with the oil concentration in the water outlet below 200 mg/L.The proposed mixed‑flow hydrocyclone demonstrates excellent separation performance under different water cut conditions.The research can provide an effective way for efficient pre‑separation of produced fluids from high‑water‑cut oil wells.

Key words

high‑water‑cut produced fluids / pre‑separation / hydrocyclone / numerical simulation / experiment

引用本文

尚超, 胡征睿, 刘美丽, 张明, 王春升, 徐海波, 陈家庆. 油田采出液预分水用混流式水力旋流器性能研究. 流体机械, 2026 , 54 (1) : 66 -73 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.009

Chao SHANG, Zhengrui HU, Meili LIU, Ming ZHANG, Chunsheng WANG, Haibo XU, Jiaqing CHEN. Performance study of mixed‑flow hydrocyclones for pre‑separating produced fluids in oil fields[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (1) : 66 -73 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.009

正文

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0　前言

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目前，国内外主要油田已先后进入高含水开发期^［1-3］，为保证原油稳产或上产，需要不断增加油井提液量，这给油气集输处理带来了诸多挑战^［4-6］。为解决高含水油井采出液处理难题并减少碳排放，在井口实施采出液预分水的工艺技术受到广泛关注^［7］。其中，利用超重力场的静态水力旋流器因具有体积小、结构简单、效率高等优点，而颇受青睐^［8-11］。

为适应采出液处理量大、油水比高的分离需求，研究人员对传统切向入口水力旋流器进行结构改进，采用对称双入口或者螺旋形入口形式，以减少流体碰撞、转向造成的液滴破碎和阻力损失等^［12-14］。20世纪90年代，为解决切向水力旋流器湍动能耗散高、处理能力提升有限的问题，文献［15-17］提出了轴流式水力旋流器并开展了系列研究。轴流式水力旋流器通过导流叶片，使流体产生旋转流动，不仅大幅降低入口湍动程度，而且进一步提高了分离性能和结构紧凑性，在采出液预分水领域得到快速发展^［18-20］。

孔畅言等^［21］成功开发了一种采出液预分水用轴流式水力旋流器，并通过油田现场试验验证了其预分水性能：在油井采出液含水率不低于70%、分水率不低于50%时，出水含油浓度小于1 500 mg/L。在此基础上，为进一步将旋流器出水含油浓度降至200 mg/L以下，减轻后续处理工艺流程的负荷，本文设计一种混流式水力旋流器，并研究处理量、含水率和分流比等对分离性能的影响，以期为混流式水力旋流器的工程化应用提供数据支撑。

1　设备结构

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在已有轴流式水力旋流器^［22］的基础上，基于液滴动力学理论和湍流控制方法，提出的混流式水力旋流器结构如图1所示，其尺寸如表1所示。混流式水力旋流器主要包括混合流入口、圆柱段、大锥段、小锥段、直尾段、溢流口和底流口。油水混合液在压力作用下，从混合流入口进入混流式水力旋流器，在起旋元件的导流作用下，流体沿轴向进入叶片起旋区（圆柱段），并逐渐产生旋转运动；随后，具有一定旋转强度的混合液，进入锥环形稳旋区（大锥段）形成稳定的强旋转流动；当强旋转混合液流入小锥段时，发生径向沉降分离，密度较大的水相在离心力作用下向外部区域运动，密度较小的油相快速聚集到中心形成油核；由于强旋转流场在分离段中心形成逆向压力梯度，同时底流口的限流（背压）作用对流动产生影响，使得油核发生逆向流动，最终从位于起旋元件中心的溢流口流出；小锥段外部区域的水相，在来液压力驱动下向下游流动，最终从分离段底部的底流口流出。

2　数值模拟方法

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2.1　网格划分

使用ANSYS ICEM 2020软件对2种水力旋流器进行六面体结构化网格划分^［23］，对速度梯度变化较大的区域进行局部网格加密，网格划分结果如图2所示。

合理的网格尺寸，可以节省计算机资源和提高计算精度。为降低网格尺寸对模拟结果的影响，采用5种网格尺寸的网格进行模拟计算，对应的网格数量分别为298 657，696 148，1 054 891，1 237 412和1 517 308，不同网格尺寸下的流场模拟结果如图3所示。可以看出，当网格数量大于696 148时，旋流器内速度分布曲线趋于一致，且各网格尺寸计算结果的相对误差小于5%。结合计算时间和成本，后续计算选择网格数量696 148对应的网格尺寸。

2.2　模型选择和参数设置

采用ANSYS Fluent 2020 R1软件对旋流器内油水两相进行模拟。选用欧拉两相流模型模拟油水流动和分离过程，湍流模型选用RSM模型，控制方程和封闭方程详见文献［24］。连续相介质为水，密度为998 kg/m³，黏度为1.003 mPa⋅s；分散相介质为油，密度为850 kg/m³，黏度为75 mPa⋅s，平均油滴粒径为140 μm。入口采用速度入口边界，根据处理量设置入口速度；出口采用自由出流边界，根据分流比设置出流权重系数；壁面设置为无滑移壁面边界。采用QUICK格式离散方程对流项，以减少扩散误差；采用SIMPLE方法耦合压力与速度。监测各出口质量流率，出流稳定且迭代残差小于10^-4后，视为计算收敛。

2.3　性能评价指标

预分水用旋流器分离性能评价指标主要包括分水率和出水含油浓度。其中，分水率指底流口的水相体积流率与入口水相体积流率的比值，如式（1）所示，可用于表示设备的分离能力；出水含油浓度指底流口的油相质量流率与底流口总体积流率的比值，如式（2）所示，反应底流口含油浓度是否满足技术指标要求。

S = Q w, u / Q w, i × 100 %

（1）

C o i l = Q o, u / Q w

（2）

式中，Q_w_，_u为底流口水相体积流率，L/h；Q_w_，_i为入口水相体积流率，L/h；Q_o_，_u为底流口油相质量流率，mg/h；Q_w为底流口总体积流率，L/h。

3　试验结果与讨论

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3.1　流场对比分析

水力旋流器中流动复杂，为详细分析旋流器的流场特性，选取小锥段内不同轴向位置进行研究。图4和图5分别示出了2种旋流器内切向速度与轴向速度的分布情况。从图可以看出，2种旋流器内的切向和轴向速度分布规律基本一致，即切向速度沿径向均呈典型的马鞍形分布，且随着流体流动方向切向速度逐渐减小。轴向速度沿径向均呈“W”形分布，且流动速度沿轴向逐渐减小。

在截面A，B，C（见图1），混流式水力旋流器内最高切向速度分别为2.67，1.66，1.45 m/s，比轴流式水力旋流器分别提高了23.61%，18.07%，21.07%。在不同径向位置，混流式水力旋流器的切向速度均高于轴流式水力旋流器，说明混流式水力旋流器具有更强的分离能力。此外，在截面A，B，混流式旋流器内逆向排油的最大轴向速度分别为3.55，1.25 m/s，相对轴流式水力旋流器分别提升了23.69%，49.6%。在截面C，轴流式水力旋流器中心上行速度降至0，而混流式水力旋流器仍存在逆向排油的轴向速度。混流式水力旋流器采用混流入口，初始旋流强度较高，其中心区域的上行流动能力得到增强，因此在截面C，混流式水力旋流器仍然保持一定的轴向速度，该轴向速度分布使混流式旋流器不仅快速排出油核，而且排油范围也比轴流式水力旋流器有所增加。因此，混流式水力旋流器内湍流流场的速度分布更有利于降低出水含油浓度。

图6示出处理量1.0 m³/h、含水率85%、分流比0.575的工况条件下，2种水力旋流器的分离效率和压降特性。由图可知，当分水率为50%时，轴流式水力旋流器的出水含油浓度为333 mg/L，混流式水力旋流器的出水含油浓度为26 mg/L，明显低于轴流式水力旋流器，而2种结构的出油含水率相差无几，皆在75%左右。从压降特性图中可以看出，混流式水力旋流器的压降略高于轴流式水力旋流器。其中，混流式水力旋流器的溢流压降为41.11 kPa、底流压降为6.20 kPa；轴流式水力旋流器的溢流压降为38.23 kPa、底流压降为5.67 kPa。综合来看，在压降差异较小的情况下，混流式水力旋流器的分水性能提升明显。

3.2　处理量对分离性能的影响

图7示出处理量对混流式水力旋流器性能的影响。

由图可知，保持分水率50%不变时，不同处理量下出水含油浓度均在50 mg/L以下，且出水含油浓度随着处理量的增加逐渐下降。随着处理量的增大，旋流器内的旋流强度增强，油水分离的驱动力提高。在不考虑油滴破碎的情况下，油水分离效果得到改善，因此出水含油浓度降低。

3.3　分流比对分离性能的影响

图8示出分流比对混流式水力旋流器性能的影响。将分流比定义为溢流口流量与进液流量的比值。当进液流量和入口含水率保持不变时，增大分流比意味着增大溢流口的流量、减小底流口的流量。因此，分水率随着分流比的增大呈线性降低，出水含油浓度也相应下降。分流比在0.35~0.55范围内变化，当含水率为90%时，分水率最高达71.22%，此时出水含油浓度为51 mg/L。当分流比增大至0.55时，分水率下降至50.13%，出水含油浓度小于10 mg/L。由此说明，混流式水力旋流器分流比的可调节范围较宽，可满足不同工况需求。

3.4　油相密度对分离性能的影响

图9示油相密度对混流式水力旋流器性能的影响。

由图可知，随着油相密度的升高，旋流器的分水率几乎保持不变，出水含油浓度呈上升趋势，当油相密度不超过890 kg/m³时，出水含油浓度均小于150 mg/L；当油相密度为910 kg/m³时，出水含油浓度超过500 mg/L；当油相密度为930 kg/m³时，出水含油浓度显著增加，超过5 000 mg/L。由此可见，当油相密度低于890 kg/m³时，混流式水力旋流器能够满足分水率50%、出水含油浓度小于200 mg/L的技术目标。

3.5　油相黏度对分离性能的影响

图10示出油相黏度对混流式水力旋流器性能的影响。

由图可知，随着油相黏度的增大，分水率保持在50%左右，出水含油浓度呈上升趋势。当油相黏度超过110 mPa⋅s，出水含油浓度上升显著，当油相黏度为180 mPa⋅s时，出水含油浓度为1 977 mg/L。这是由于油相黏度增加，油相径向迁移难度增大、轴向排出速度减少，因此，出水含油浓度升高趋势明显。当油相黏度不高于110 mPa⋅s时，混流式水力旋流器能够满足分水率50%、出水含油浓度小于200 mg/L的技术目标。

3.6　入口含水率对分离性能的影响

图11示出入口含水率对混流式水力旋流器性能的影响。由图可知，保持分水率不变时，出水含油浓度随入口含水率的增加显著降低。这是由于入口含水率升高时，入口油相质量减少，油水混合物的黏度降低，有利于两相分离。当入口含水率大于80%时，出水含油浓度均小于10 mg/L，满足分水率50%、出水含油浓度小于200 mg/L的技术目标。当入口含水率小于80%时，出水含油浓度显著增加。

3.7　混流式水力旋流器的试验研究

采用文献［22］的试验方法，对混流式水力旋流器的分水性能进行试验验证，试验系统如图12所示，虚线框内为混流式水力旋流器实物。试验结果如图13所示。

由图13（a）可以看出，当入口含水率在70%~99%范围变化时，保证分水率不低于50%，试验测量得到的出水含油浓度均在350 mg/L以内；当入口含水率不低于80%时，均能满足出水含油浓度小于200 mg/L的技术目标，说明混流式水力旋流器具有很好的预分水性能。此外，当含水率大于80%时，试验测量结果与数值模拟结果吻合良好好，验证了数值模拟方法的可靠性。当含水率小于80%时，试验测量结果远低于数值模拟结果，这可能是在数值模拟过程中忽略了低含水率时，大量油滴聚结对分离产生促进效果。

由图13（b）可以看出，不同入口含水率下，出水含油浓度随分流比的变化趋势基本相似，均随着分流比的增大而降低。当含水率高于80%时，不同分流比下出水含油浓度基本保持在147~200 mg/L，此时分流比在0.4~0.6之间；当含水率为70%时，出水含油浓度最低为330 mg/L，当出水含油浓度低于400 mg/L时，此时分流比在0.55~0.65之间。由此可见，混流式水力旋流器具有良好的预分水性能，且具有很宽的操作范围。

4　结论

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（1）相对于轴流式水力旋流器，混流式水力旋流器在旋流分离区产生的最高切向速度最大提高了23.61%，逆向排油的最大轴向速度提高了49.6%，因此，同比条件下，其出水含油浓度明显降低，且压降几乎不变。

（2）混流式水力旋流器的分水性能稳定，当流量变化不超过设计流量的±20%、入口含水率不低于80%、油相黏度不高于110 mPa⋅s、油相密度不高于890 kg/m³时，混流式水力旋流器可以实现分水率不低于50%、出水含油浓度小于200 mg/L的技术指标。

（3）混流式水力旋流器具有良好的分离性能，当含水率高于80%时，控制分水率≥50%，出水含油浓度基本保持在200 mg/L以内，此时分流比在0.4~0.6之间；当含水率在70%~75%时，出水含油浓度在400 mg/L以内，此时分流比在0.55~0.65之间。

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：

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2026年第54卷第1期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.009

接收时间：2025-03-25
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-01-30

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收稿日期：2025-03-25
修回日期：2025-10-17

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¹中海油研究总院有限责任公司工程研究设计院，北京 100027

²北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617

³深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617

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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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