內(nèi)錐直徑對(duì)脫氣除砂一體化旋流器影響研究

趙立新，李宜強(qiáng)，徐保蕊，王 羕，車 鑫，成慶林

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；3.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163414）

內(nèi)錐直徑對(duì)脫氣除砂一體化旋流器影響研究

趙立新1，2，李宜強(qiáng)1，徐保蕊2，王 羕2，車 鑫3，成慶林2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；3.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163414）

隨著油田開(kāi)發(fā)的深入，采出液的含砂量及伴生氣量逐漸增加，另外隨著聚合物驅(qū)油和三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)的推廣應(yīng)用，使油井采出液的分離難度加大。實(shí)現(xiàn)油田高效脫氣、除砂已成為急需解決的技術(shù)問(wèn)題。內(nèi)錐式脫氣除砂一體化三相介質(zhì)分離水力旋流器的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了油氣集輸處理工藝，分離效率高，并使能耗降低。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了旋流器的內(nèi)錐直徑對(duì)脫氣、除砂效果和壓力損失的影響，優(yōu)選內(nèi)錐直徑為30 mm，入口流量為1.1 m3／h，溢流分流比為60%。

旋流分離器；脫氣；除砂；試驗(yàn)研究

隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷深入，砂隨采出液產(chǎn)出［1］，原油中的溶解氣析出，這使得采出液的含砂量以及伴生氣量增加。隨著聚合物驅(qū)油及三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)的推廣應(yīng)用，采出液處理難度逐漸加大。因此，實(shí)現(xiàn)油田高效脫氣除砂已成為迫在眉睫的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。采用單一結(jié)構(gòu)設(shè)備實(shí)現(xiàn)脫氣除砂一體化處理，對(duì)于簡(jiǎn)化油田地面處理工藝及降低能量損耗都具有重要的意義［2］。相對(duì)于目前油田常用的重力沉降設(shè)備，旋流器是一種高效的離心分離設(shè)備，具有設(shè)備體積小、處理時(shí)間短、分離效率高等突出的特點(diǎn)［3-8］。

通過(guò)前期的數(shù)值模擬分析，初步確定了采出液脫氣除砂一體化內(nèi)錐式旋流器的主體結(jié)構(gòu)形式和主要操作參數(shù)。本文主要介紹在實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)展的在不同內(nèi)錐直徑條件下流量、分流比對(duì)旋流器脫氣除砂效果的影響。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以進(jìn)一步明確內(nèi)錐直徑對(duì)脫氣除砂旋流器分離性能和壓力特性的影響，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置及工藝流程

脫氣除砂一體化旋流器的室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)介質(zhì)直接采用油田三元復(fù)合驅(qū)原液，采用的循環(huán)儲(chǔ)水系統(tǒng)具有加熱及攪拌裝置，保持試驗(yàn)用樣液溫度及混合均勻，利用空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓注氣，從而最大程度使室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工況保持相近。圖1為室內(nèi)試驗(yàn)工藝系統(tǒng)及設(shè)計(jì)加工的試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物照片。

圖1 試驗(yàn)工藝流程及試驗(yàn)樣機(jī)

根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)采集的采出液混合介質(zhì)在水箱內(nèi)通過(guò)潛水泵攪拌，然后經(jīng)螺桿泵抽出，空氣由空氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入相應(yīng)的壓力和流量計(jì)量單元；旋流器出口排出的介質(zhì)首先經(jīng)過(guò)氣液緩沖罐進(jìn)行緩沖和氣液分離，進(jìn)行壓力和流量計(jì)量后，液、固介質(zhì)返回水箱，氣體排空。

圖2為旋流器樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。氣-液-固三相混合介質(zhì)從旋流器的切向入口高速流入，在離心力作用下使氣體分離，然后由頂部溢流口排出［6］；液-固混合介質(zhì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下行并進(jìn)一步發(fā)生離心分離，固體介質(zhì)主要聚集于邊壁附近，最終由底部側(cè)向出口排出；同時(shí)，液體介質(zhì)聚集在旋流器的內(nèi)錐面附近，通過(guò)排液孔進(jìn)入內(nèi)錐內(nèi)部，最終由底流管排出，由此實(shí)現(xiàn)氣-液-固三相介質(zhì)的一體化分離。

圖2 三相分離旋流器結(jié)構(gòu)示意

2 試驗(yàn)分析

分別進(jìn)行3種尺寸內(nèi)錐直徑的對(duì)比試驗(yàn)研究。脫氣試驗(yàn)研究包括壓力損失情況及氣體分離效率的研究。

除砂試驗(yàn)主要是研究不同的操作參數(shù)對(duì)除砂效率的影響情況。分析分離效率隨處理量、分流比的變化規(guī)律，分析各情況下的分離效率與處理量的關(guān)系以及分離效率與分流比的關(guān)系。

對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)3種不同內(nèi)錐直徑的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，3種直徑的內(nèi)錐結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于流量參數(shù)對(duì)于旋流器的影響是非常顯著的，因此在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)流量的變化也進(jìn)行了分析。

圖3 3種尺寸的旋流器內(nèi)錐結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)流量點(diǎn)選取0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 m3／h；從氣相分離、固相分離和壓力降大小等3方面考慮，優(yōu)選出較為理想的內(nèi)錐直徑參數(shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用單一因素對(duì)比分析的方式優(yōu)選確定合理結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 壓力損失

溢流分流比為60%、底流分流比為35%、側(cè)向分流比為5%的條件下，開(kāi)展了3種不同內(nèi)錐直徑條件下溢流、底流和側(cè)向壓力降在不同入口流量時(shí)的試驗(yàn)研究，結(jié)果如圖4所示。

可以看出，隨著流量的增加，各出口的壓降均呈增加的趨勢(shì)。在試驗(yàn)條件下，內(nèi)錐直徑30 mm樣機(jī)的壓力損失相對(duì)其他2種要大，內(nèi)錐直徑36 mm樣機(jī)的壓力損失相對(duì)最小。

圖5所示為壓力降隨溢流分流比的變化情況。溢流分流比分別為56%、58%、60%、62%、64%。可以看出，溢流壓力降、底流壓力降、側(cè)向壓力降基本表現(xiàn)出隨溢流分流比的增大而減小的趨勢(shì)。

圖4 壓力降隨流量變化對(duì)比曲線

圖5 壓力降隨溢流分流比變化情況

2.2 分離效率

開(kāi)展了不同入口流量時(shí)3種內(nèi)錐直徑參數(shù)下的脫氣、除砂效率的試驗(yàn)研究，圖6～7分別為脫氣、除砂效率的變化情況。

圖6 脫氣效率隨入口流量變化情況

圖7 除砂效率隨入口流量變化情況

旋流器的入口流量基本是由其主直徑大小決定的。對(duì)3種不同內(nèi)錐尺寸樣機(jī)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，試驗(yàn)樣機(jī)的脫氣效果很好，隨入口液體流量的升高，脫氣效率呈增大趨勢(shì)。由圖6可以看出，樣機(jī)內(nèi)錐直徑為30 mm時(shí)，脫氣效率相對(duì)要稍高于其他2種尺寸樣機(jī)，但總體差別不大。

由圖7可以看出，在入口流量1.1 m3／h條件下的除砂效率最高。內(nèi)錐直徑為25 mm時(shí)，除砂效率為65.2%；內(nèi)錐直徑為30 mm時(shí)，除砂效率為69.4%；內(nèi)錐直徑為36 mm時(shí)，除砂效率為60.9%。因此，直徑為30 mm的樣機(jī)在入口流量為1.1 m3／h時(shí)，除砂效率最高。

圖8所示為脫氣、除砂效率隨溢流分流比的變化情況。

圖8 脫氣及除砂效率隨分流比變化情況

由圖8可以看出：脫氣效率隨溢流分流比的加大呈上升趨勢(shì)；除砂效率在溢流分流比為60%時(shí)最高，可達(dá)85%以上。

綜合壓力降隨流量的變化和脫氣效率變化情況，最終優(yōu)選內(nèi)錐直徑為30 mm，最佳入口流量為1.1 m3／h，溢流分流比為60%。

3 結(jié)論

1） 本文針對(duì)脫氣除砂一體化旋流器開(kāi)展了試驗(yàn)研究，分析了該結(jié)構(gòu)旋流器的內(nèi)錐直徑對(duì)壓力損失、脫氣和除砂效率的影響。與此同時(shí)，也分析了流量與分流比的影響。

2） 在該試驗(yàn)研究條件下，優(yōu)選出旋流器內(nèi)錐直徑為30 mm，入口流量為1.1 m3／h，溢流分流比為60%。應(yīng)用此結(jié)構(gòu)旋流器處理三元采出液時(shí)，旋流器的脫氣、除砂效率相對(duì)較高，氣相分離效率為92.1%，固相分離效率最高為85.8%。

3） 旋流器通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩相介質(zhì)的分離處理。本文研究所針對(duì)的脫氣除砂一體化三相分離旋流器為自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式對(duì)于其他旋流器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)也會(huì)具有一定的指導(dǎo)意義。

4） 采用單一結(jié)構(gòu)設(shè)備實(shí)現(xiàn)脫氣除砂一體化處理，對(duì)于簡(jiǎn)化油田地面處理工藝、降低能量損耗都具有重要的意義。

5） 今后研究方向主要包括針對(duì)不同介質(zhì)條件、不同應(yīng)用，開(kāi)展其結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作運(yùn)行參數(shù)的細(xì)致優(yōu)化分析等。

［1］ 萬(wàn)仁溥.采油工程手冊(cè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000：385-390.

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Study on Effect of Inner-Cone Diameter to De-Gassing and De-Sanding Integrated Hydrocyclone

With the depending of oilfield exploitation，sand and gas contents in produced fluid increase continuously.Besides，with the application of polymer-flooding and ASP-flooding technologies，treating difficulty of produced fluids increases.Realizing high-efficient de-gassing and de-sanding has become a key issue to be solved in oilfields.Application of the inner-cone de-gassing and de-sanding integrated hydrocyclone would simplify oil and gas gathering and treating technical process.It has a higher separation efficiency and lower energy consumption.By laboratory experiments，effects of the inner-cone diameter of hydrocyclone on de-gassing and de-sanding efficiency and pressure drop were studied.A 30 mm inner-cone diameter was tested to be the optimum.Inlet flowrate was 1.1 m3／h，and overflow split ratio is 60%.

hydrocyclone separator；degassing；desanding；experimental study

TE931.1

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.007

1001-3482（2014）10-0031-04

2014-04-08

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2013M541147）資助；黑龍江省省院科技合作項(xiàng)目（HZ201205）資助

趙立新（1972-），男，黑龍江安達(dá)人，教授，博士，目前主要從事旋流分離技術(shù)及油田水處理技術(shù)研究，E-mail：Lx_ zhao＠126.com。