李翔宇 趙立新 徐保蕊 王 圓 蔣明虎

(東北石油大學機械科學與工程學院)

脫氣除砂一體化旋流器采出液處理技術*

李翔宇**趙立新 徐保蕊 王 圓 蔣明虎

(東北石油大學機械科學與工程學院)

設計了單錐型同軸式脫氣除砂一體化三相分離旋流器，針對油田水驅(qū)采出液開展了室內(nèi)模擬試驗研究，檢驗了其處理效果。對水驅(qū)和三元復合驅(qū)采出液的處理效果開展了數(shù)值模擬分析對比，結果表明：該旋流器在用于水驅(qū)和三元驅(qū)采出液脫氣除砂處理時，均表現(xiàn)出較為優(yōu)良的分離性能。

旋流器 脫氣除砂 一體化處理 采出液處理

隨著油田的不斷開發(fā)，采出液含水率逐步提高，油田地面水處理工作負荷日益加大，如何有效解決多相介質(zhì)的分離處理是當前面臨的主要問題之一[1]。多相介質(zhì)分離處理的方法有許多，其中旋流分離是一種離心分離方法，具有處理過程連續(xù)、分離速度快及設備可靠性高等突出的優(yōu)勢[2～4]。

通常旋流器一般用于兩相介質(zhì)的分離[5～8]，若要實現(xiàn)氣液固三相分離需要采用脫氣旋流器和除砂旋流器兩套工藝裝置，設備成本高，且壓力損耗大。Bednarski S等國內(nèi)外學者對三相分離旋流器開展了相應的研究，設計了不同的結構形式[9，10]。

本研究開發(fā)設計了單錐型同軸式脫氣除砂一體化三相分離旋流器，針對油田采出液處理，開展了旋流分離的模擬試驗研究與數(shù)值分析。

1 分離水驅(qū)采出液試驗研究

通過前期數(shù)值模擬分析與結構設計，確定了單錐型同軸式氣液固一體化旋流分離器Hy2的主體結構(圖1)，其主直徑為50mm。

該結構旋流器在位于底流口附近設計了一個軸向的排液口和一個切向排砂口。氣液固三相混合介質(zhì)由切向入口高速進入旋流器后，在離心力的作用下，密度最小的氣體介質(zhì)首先被分離出并由頂部排氣口排出，液固混合介質(zhì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)向下運動，并在離心力作用下，較重的固體雜質(zhì)被甩至旋流器內(nèi)壁面附近，然后隨部分液體介質(zhì)由切向排砂口排出；同時集中于旋流器中心處的液體介質(zhì)則進入軸向排液管，最終由排液口排出。以此原理實現(xiàn)了脫氣除砂三相一體化旋流分離。

圖1 旋流器Hy2結構示意圖

在保持旋流器Hy2在最佳操作參數(shù)(處理量5.35m3/h，溢流口分流比59%、排砂口分流比6%)條件下，針對現(xiàn)場水驅(qū)采出液所取樣液進行三相分離室內(nèi)試驗研究。試驗中將取來的實際水樣進行攪拌，確保沉淀的固體雜質(zhì)能有效摻混于混合介質(zhì)中；同時通過實驗室空氣壓縮機注氣，模擬含氣條件。試驗中，入口混合介質(zhì)的含砂率為800mg/L左右。

得出的旋流器Hy2針對水驅(qū)采出液的脫氣效率和除砂效率曲線分別如圖2、3所示。

圖2 旋流器分離水驅(qū)采出液脫氣效率曲線

圖3 旋流器分離水驅(qū)采出液除砂效率曲線

由分離效率曲線可見，一體化三相分離旋流器Hy2分離水驅(qū)采出液時脫氣和除砂效果良好，脫氣效率基本在89.04%～94.71%范圍內(nèi)，除砂效率在86.60%～92.20%范圍內(nèi)。

2 分離三元驅(qū)與水驅(qū)采出液數(shù)值模擬對比分析

三元驅(qū)采出液由于較常規(guī)的水驅(qū)采出液增加了堿、表面活性劑及聚合物等成分，分離難度加大。為檢驗該旋流器設計結構是否能有效用于三元驅(qū)采出液的脫氣除砂處理，本研究開展了相應的數(shù)值模擬分析，對旋流器Hy2用于水驅(qū)采出液和三元復合驅(qū)采出液脫氣除砂一體化處理的效果進行了對比。

2.1脫氣效果對比

圖4為旋流器Hy2分離三元驅(qū)采出液與水驅(qū)采出液的氣相體積分數(shù)分布云圖對比。由對比圖可見整體上氣相分離效果較好，大量的氣相由溢流出口排出。旋流器Hy2分離水驅(qū)采出液脫氣分離效果基本與分離三元驅(qū)采出液時脫氣效果相似，均具有較為優(yōu)良的脫氣性能。

圖4 旋流器處理采出液的氣相體積分數(shù)分布云圖對比

圖5為旋流器Hy2分離三元驅(qū)采出液與水驅(qū)采出液情況下，溢流口氣相體積分數(shù)分布曲線對比?？梢娦髌髟谔幚韮煞N不同采出液時，在旋流器的氣相出口處，氣相體積分數(shù)均較高，接近1.0，但相對地，分離水驅(qū)采出液時溢流口的氣相體積分數(shù)較分離三元采出液時高。

圖5 旋流器溢流口氣相體積分數(shù)對比

2.2除砂效果對比

圖6為旋流器Hy2分離三元驅(qū)采出液與水驅(qū)采出液的固相體積分數(shù)分布云圖對比。由對比圖可見整體上固相分離效果良好，固相基本經(jīng)旋流腔分離沿分離器器壁流向排砂口而排出。旋流器Hy2分離水驅(qū)采出液與分離三元驅(qū)采出液除砂效果基本相似。

圖6 旋流器處理不同采出液時的固相體積分數(shù)分布云圖對比

圖7為旋流器Hy2分離三元驅(qū)采出液與水驅(qū)采出液情況下，排液口(位置-8～8mm)、排砂口(位置-12.5～8.0mm & 8.0～12.5mm)處含固相體積分數(shù)分布曲線對比，可見旋流器在處理兩種不同采出液時，在旋流器的排液口處，固相分布均很低，接近于零；旋流器的排砂口處，有較多的固相分布，分離水驅(qū)采出液或三元復合驅(qū)采出液的排砂口固相分布基本相同，二者均具有較為優(yōu)良的除砂效果。

圖7 排液口和排砂口處含固相體積分數(shù)分布曲線對比

圖8為模擬分析得出的處理三元驅(qū)與水驅(qū)采出液時，旋流器脫氣除砂分離效率對比圖。對比可見，在處理兩種不同采出液時，氣相和固相的分離效果均高于92.0%，分離效果良好，其中分離水驅(qū)氣相分離效率最高可達到98.50%，處理三元驅(qū)和水驅(qū)采出液的除砂效率分別為93.67%和93.50%。

數(shù)值模擬分析結果表明，筆者設計的單錐型同軸式氣液固一體化旋流分離器在處理水驅(qū)采出液和三元復合驅(qū)采出液時，脫氣和除砂效果均較為理想。

圖8 旋流器脫氣除砂效率對比

3 結論

3.1通過在旋流器底流口附近設計一個同軸的排液口，將常規(guī)軸向底流出口設計為切向，用于排砂，頂部溢流口排氣，由此實現(xiàn)了脫氣除砂一體化旋流分離，對于簡化油田地面處理工藝、減少設備壓力損耗具有一定的積極意義。

3.2優(yōu)化設計的旋流器Hy2在處理油田水驅(qū)采出液樣液時，脫氣除砂分離效果良好。最佳操作參數(shù)條件下，脫氣效率最高為94.71%，除砂效率最高可達到92.20%。

3.3數(shù)值模擬分析結果表明，旋流器處理三元驅(qū)與水驅(qū)兩種不同采出液時，分離效果良好，氣相和固相的分離效果均高于92.00%，其中分離水驅(qū)氣相分離效率最高可達到98.50%，處理三元驅(qū)和水驅(qū)采出液的除砂效率分別為93.67%和93.50%，總體上，該結構旋流器無論是處理三元驅(qū)還是水驅(qū)采出液均具有較為優(yōu)良的脫氣除砂性能。

[1] 蔣明虎，趙立新，李楓，等.旋流分離技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000.

[2] Colman D A，Thew M T，Corney D R.Hydrocyclones for Oil/Water Separation[C]. Proc Intl Conf on Hydrocyclones.Cranfield：BHRA，1980：143～166.

[3] Petty C A，Parks S M，Shao S M.The Use of Small Hydrocyclones for Downhole Separation of Oil and Water[C].Proc of Vortex Separation.Cranfield：BHRA，2000：225～235.

[4] 蔣明虎.旋流分離技術研究及其應用[J].大慶石油學院學報，2010，34(5)：101～109.

[5] 賀杰，蔣明虎.水力旋流器[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996.

[6] Zhao L X，Jiang M H，Xu B R，et al.Development of a New Type High-efficient Inner-cone Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90(12)：2129～2134.

[7] Zhao L X，Xu B R，Jiang M H，et al.Flow-field Distribution and Parametric-optimisation Analysis of Spiral-tube Separators[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90(8)：1011～1018.

[8] 趙立新，趙宇，徐保蕊，等.基于正交的二次分離旋流器結構優(yōu)選數(shù)值分析[J].流體機械，2015，43(5)：15～18，55.

[9] Bednarski S，Listewnik J.Hydrocyclones for Simultaneous Removal of Oil and Solid Particles from Ship’s Oily Waters[C]. Proc Intl Conf on Hydrocyclones.Cranfield：BHRA，1987：181～185.

[10] 鄭娟.用于氣-水-砂三相分離的水力旋流器的實驗研究[D].大連：大連理工大學，2005.

Produced-fluidTreatmentwithDe-gassingandDe-sandingIntegrativeHydrocyclone

LI Xiang-yu, ZHAO Li-xin, XU Bao-rui, WANG Yuan, JIANG Ming-hu

(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

The single-cone and co-axis gas-liquid-solid separation hydrocyclone was designed to integratively de-gas and de-sand the surface water in oilfields. Lab experiments verified its effect in processing the fluid produced by water driving method or three-component complex driving method. Numerical simulation analysis shows that, this separation hydrocyclone has a satisfied separation effect.

hydrocyclone, de-gassing and de-sanding, integrative treatment, produced-fluid treatment

*國家“863”計劃課題(2012AA061303)。

**李翔宇，男，1987年4月生，碩士研究生。黑龍江省大慶市，163318。

TQ051.8

A

0254-6094(2016)06-0724-04

2015-11-04，

2016-10-05)