油田油水分離技術及設備研究進展

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(西安石油大學 機械學院， 陜西 西安 710065)

20世紀90年代以來,我國大部分油田進入中、高含水開采期，采出液含水量一般在80%～95%，這增加了油氣集輸工藝過程中油水分離的難度，傳統的油水分離處理設備已不能滿足生產發展的要求[1]。油水分離研究主要涉及原油脫水和污水脫油兩個方面，研究的方向主要包對對現有設備的優化和新型分離設備的開發[2-3]。文中對兩類目前最常用的重力式油水分離裝置和旋流式油水分離裝置的研究進展作了介紹。

1 重力式油水分離裝置

1.1 傳統分離設備概況

重力式分離裝置利用密度差實現不同介質的相分離。油水混合介質進入分離器后，在重力作用下密度大的水下沉，同時密度小的油上浮，達到平衡后形成清晰的油水界面，實現輕重兩相的分離。重力式分離裝置結構簡單、處理量大、流動過程中阻力較小、使用和維護費用低廉，這些優點使它成為油田最常用的分離設備。重力分離器的主要缺點是占地面積大，此外還存在嚴重的內部短路流和渦流、處理分散以及乳化油的效率偏低等問題。研究結果表明,消除重力式油水分離設備中的渦流和短路流, 相同條件下設備處理能力可提高至少4倍[4-6]。

1.2 新型分離設備研究

1.2.1功能結構

按照功能，重力式分離裝置構件通常分為4部分：①入口構件。其作用主要是吸收進入設備的高速液流的動能,減少入口射流對流場的沖擊和擾動，同時兼具預分離功能。②穩流構件。其作用是穩定流場,改進液流在設備中的流動特性。 ③聚結構件。主要為粗粒化結構件，有強化分離特性和改善流場流動特性功能。④集液構件。起到防止液流排出時形成短路或死區的作用。近年來圍繞這4部分展開的研究和優化設計很多[7]。

1.2.2組合性能

河南油田設計院采用粒子圖像技術(PIV)，對重力式分離裝置功能構件(入口、穩流、聚結及集液)的組合性能進行了研究。研究對象采用的功能構件見圖1。

經流場測試得出相對優化的結構組合為，入口選擇孔箱式或旋流式，穩流構件選擇填料箱式整流構件，聚結構件選擇多層平行板式或多層波紋板式，尾部集液區選擇雙向集液結構[8]。

圖1 典型新型重力式分離裝置

1.2.3入口結構影響

李巍[9]對采用內伸式入口形式以及半開管式入口形式的重力分離器內部的油氣水多相流體的流動進行數值模擬，分析了采用不同的入口形式時分離器內部油相的分布規律。數值模擬結果表明，對于內伸式入口模型，雖然內伸至液面以下的入口形式降低了來流對液面的沖擊，縮小了入口影響區的范圍，使得入口影響區后的油水分布較為均勻，但由于氣相的存在，反而影響了分離器的整體分離效果。因此，在將來流引入液面以下之前，應該對來流中的氣相加以預分離。對于半開管式入口模型，由于選用了開放式入口，因而擴大了入口的影響區域，使得分離器內有效的分離長度變短，不利于提高分離效率。設計人員應該不斷探尋優化入口形式的可能性。

1.2.4粗粒化技術

聚結構件可以提高重力分離器中分散油和乳化油的粒徑，促進分離進程，提高分離效果。北京石油化工大學侯健等[10-11]實驗研究了聚結構件對重力式油水分離器分離效果的影響，研究結果表明，平行蛇形板構件和平行波紋板構件更有利于油滴顆粒的碰撞聚結，可加速油滴上浮。華中科技大學王敏[12]對重力式分離器中的聚結結構進行了3個專項研究，①材料性能研究：親油疏水、耐腐蝕及耐高溫。最終采用經過改性處理的鍍鋅板。②多層傾斜式波紋板材(圖2)。③加設過濾組件。其中波紋板材的特點是親油而不粘油，當含油廢水通過聚結板堆時，不僅有利于細微油珠的聚結增大，而且泥渣可依靠重力下滑，板堆間隙不易堵塞，無需經常反洗。加設過濾組件可以去除廢水中的分散油和乳化油，將纖維球過濾組件加設在聚結結構后、出水前，可去除粒徑在5 μm以上的油珠，出水含油量小于5 mg/L。天津大學馬少華[13]和中國石油大學陳文征[14]等實驗研究了利用具有聚結作用的板、聚結材料等輔助油滴聚結以提高油水重力沉降效率。

圖2 聚結板除油漏渣示圖

采用剪切振動給體系施加能量也具有促進油珠聚結的作用[15]。施加到體系的能量產生的紊流能夠促使油珠聚結，同時可避免對油珠的剪切效應。胡盟明等[16]將剪切振動引入重力沉降油水分離器，對油水乳化液進行脫水處理。振動槽內裝有2組相互平行的平板，其中1組固定，另1組做往復運動，形成振動剪切。試驗結果表明，剪切振動可以在一定范圍內促進油水乳化液顆粒的合并。胡盟明等還研究了不同振動頻率下停留時間對含水率的影響(圖3)，結果表明在不同振動頻率下,當停留時間為2～ 9 min時,有振動的油樣含水率低于無振動的油樣含水率。有剪切振動條件下,油中的含水率并未隨停留時間增加持續降低，而是會達到一個下限值。說明剪切振動對小液滴合并的促進作用也是針對一定的液滴粒徑范圍的。

圖3 不同振動頻率下停留時間對含水率的影響

2 旋流式油水分離裝置

2.1 靜態旋流分離技術

旋流分離是通過流動或機械引起的轉動使離心力作用在不相溶的兩種介質上而使其分離。靜態旋流分離技術的研究進展以英國Southampton大學為代表。1978年，第一種液-液旋流分離芯管結構，即A型旋流管被提出并得到工業化應用[17]。經過多年的發展和完善，1985年后又創新了切向造旋的F型旋流管等結構[18]。靜態旋流分離技術應用于含油污水的分離設備和高含水原油的旋流預分離，提高了分離效率。靜態旋流分離技術應用于低含水原油的旋流脫水凈化過程的嘗試取得了技術上的進展。

由于低含水原油的黏度遠大于含油污水的黏度。根據Stocks沉降公式，水在連續相油中的沉降速度與原油黏度成反比，故水在油中的沉降速度遠小于油在水中的沉降速度。這樣,要獲得同樣的分離效果需要建立更強的離心力場,而維持如此強的離心力場會帶來能量損失的成倍增加，使技術變為現實遭遇巨大困難[19]，所以低含水原油的旋流脫水凈化一直是靜態旋流分離技術的瓶頸之一，期待新的研究進展。在此之后，國內外一直在靜態旋流器的結構優化等方面進行理論和實驗等的探索。

2.1.1雙錐單柱形分離管

河南油田工程設計院陸耀軍[20]對雙柱雙錐的F型單管分離粒徑60 μm旋流器(圖4)進行驗證和國產化研究，開發出新型即雙錐單柱形液-液旋流分離管，確定了優選結構。

圖4 F型旋流管結構示圖

雙錐單柱形分離管與常規雙錐雙柱形旋流管的區別主要是變柱形尾管為錐形尾管，改善了旋流管下游的流場分布條件，延長了液流在旋流管中的停留時間，降低了管內壓力損失，使相同條件下旋流管的臨界分離粒徑由后者的60 μm減少到30 μm,管內壓力損失由后者的0.30 MPa降低到0.20 MPa，突破了現有液-液旋流分離管的結構限制,同時在分離特性和壓力特性方面也有所改進。

2.1.2軸流式旋流分離器

中科院力學研究所研制的軸流式旋流分離器(Vane-Type Pipe Separator，簡稱 VTPS)[21]適合在井下使用，其結構(圖5)采用軸向式入口，來液由分離器入口進入，經由安裝在管道內的導流片部件，在管道內形成穩定的強旋流場，因而密度較小的相在管道軸心處形成核，密度較大的相在管道壁面周邊形成環狀，沿管的軸向方向開設有多組除水孔，達到兩相分離的目的。

圖5 VTPS結構示圖

該設備比切向入口結構緊湊，處理量大。河北油區現場應用顯示，單管處理量可達1 200 m3/ d，分離系統工藝流程簡單，應用前景廣闊。中海油王勝[22]應用數值軟件對其出水口開設方式、油相密度和粒度等結構參數和物性參數進行模擬研究，得出各參數對該分離器油水分離性能的影響。研究表明，最重要影響因素是分散相油滴的粒徑，其大小對分離性能的影響很大，該設備能分離油滴平均粒徑一般大于100 μm。設備最優長徑比約為 9，這種結構的油水分離器直徑適當增大，分離后壁面附近的水相所占區域比例增大，水中含油量更低。

2.1.3柱形旋流器

中科院史仕熒等[23]提出的柱形旋流器(圖6)為由水平切向入口、旋流器主體、溢流口和底流口所構成的管道式分離設備。油水兩相混合液經水平管道以切線方式進入旋流器內，產生高速旋轉運動，各相產生不同的離心力，完成油水兩相分離。

圖6 柱形旋流器結構示圖

進一步的結構研究表明，分流比是影響其油水分離性能的重要因素。該柱形分離器已經廣泛應用于遼河油田、勝利油田、南海海上采油平臺等生產現場或中試裝置，具有占地小、分離效率高、前景廣闊的特點。中科院力學所吳應湘等[24]將柱形旋流器和T型管道柱型管道相結合的高效管道式分離系統應用于遼河油田的稠油脫水。

2.1.4兩級串聯旋流器

東北石油大學蔣明虎等[25-28]對軸入式兩級串聯旋流器進行了一系列的研究。針對2個雙錐雙柱旋流器串聯，一級旋流器為軸向式入口，二級旋流器為切向式入口的兩級串聯旋流器，數值模擬和實驗研究表明，隨著處理量的增大，分離效率先升高后降低，并于處理量為4.80 m3/ h 時達到效率最大值，繼續增加進液量會加重乳化從而降低分離效率。一級分流比逐漸增大時，一級旋流器及二級旋流器分離效率均先增大后減小，一級分流比為 20% 時，總效率達到最大值。二級分流比逐漸增大時，一級旋流器效率逐漸降低，二級效率逐漸升高，當二級分流比為 15% 時，總效率達到最大值。

2.2 動態旋流分離技術

動態旋流分離技術的研究進展以法國NEYRTEC和TOTAL CEP為代表[29-30]。TOTAL型動態旋流分離技術及設備于1986年開發成功，用于含油污水的凈化處理。動態旋流器的特點有操作彈性大、進料壓力低。在操作彈性方面，動態旋流器依靠旋流筒的驅動力進行工作,其離心力場的強弱同來液流量無關，動態旋流器內的力場分布更加合理,更有利于分離過程的進行。在進料壓力方面，低壓力適于處理高黏介質，但是動態旋流器需輸入電能并且有高速旋轉(轉速在2 000～4 000 r/min)部件所帶來的動平衡與動密封問題,

設備結構相對復雜,可靠性也不如靜態旋流器的高。

2.2.1預旋流型動態旋流器

近年來以TOTAL型為基本思路，有一些新的結構形式出現。如大連理工大學趙宗昌[31]提出的預旋流型(圖7)，結構為轉動式外殼及一個預旋流進料裝置構成的動態旋流器，即靜態旋流器與動態旋流器串聯，先經過一個靜態旋流腔實現預旋流作用，后經過噴嘴切向進入動態旋流腔，由轉動的旋流腔帶動料液，產生離心力場實現分離，減小了能量消耗，并使其分離效率進一步提高。

圖7 預旋流型動態旋流器結構示圖

2.2.2復合型水力旋流器

王尊策等[32-33]綜合動態旋流器和靜態旋流的優點,提出復合式動態水力旋流器(圖8)，該旋流器的關鍵件是對進入轉筒內液體起預加速作用的旋轉柵。旋轉柵尾端設計導流錐和靜態旋轉體,使旋轉的液流充滿轉筒,且流動過渡平穩,可以避免產生較強的渦流。

復合型旋流器代表著水力旋流器的發展方向，

圖8 復合型水力旋流器結構

將成為以后研究的熱點。理論研究重點是旋流器內部流場的數值模擬和分離性能預測，可借助數值模擬軟件來進行。西南石油大學洪遠等[34]采用數值模擬的方法對動態旋流器的一些參數，如旋轉筒長度、旋轉柵葉片數、旋轉柵葉片長度及溢流口直徑等結構參數進行優化,為進一步研究提供了參考。

3 結語

重力式油水分離裝置與旋流式油水分離裝置各有特點。在應對和解決油田高含水采出液的油水分離問題上，重力式分離器的研究以結構改造為重點，旋流式分離器的研究以解決傳統分離技術的瓶頸為目標。兩大類油水分離器的結構優化圍繞提高分離效率、減小設備體積展開，在數值模擬和實驗的基礎上進行，取得了階段性的進步。未來原油脫水裝置需要高效、無污染的破乳方法，縮短破乳時間，精簡流程，降低能耗。含油污水處理裝置研究方向需要利用重力、離心、聚結、絮凝及氣浮等分離原理綜合開發，研發的設備應向節能、多功能和小型化方向發展。