渦流風(fēng)機(jī)在油田節(jié)能安全環(huán)保作業(yè)中的應(yīng)用及問(wèn)題分析

羅德兵（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

在目前的油田修井作業(yè)工藝條件下，井口無(wú)法實(shí)現(xiàn)全過(guò)程密閉。在作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)井口敞開(kāi)后一旦液柱壓力低于地層壓力，勢(shì)必造成井內(nèi)流體無(wú)控制地噴出[1]，因安全環(huán)保要求，需要將溢出的油水收集并合法處理，確保油水不落地。一種做法是采用吸污罐車，將井口接液池的油水通過(guò)吸污泵抽進(jìn)罐體，再運(yùn)到指定回收點(diǎn)進(jìn)行排放，這樣就需要長(zhǎng)時(shí)間占用1～2 臺(tái)罐車，存在使用效率低、生產(chǎn)成本高的問(wèn)題。現(xiàn)在正在逐步推廣使用的負(fù)壓吸液裝置，因其核心部件渦流風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕、噪音低、耗能小、性能穩(wěn)定、維修方便等特點(diǎn)[2]，受到油田修井作業(yè)安全環(huán)保管理部門(mén)大力關(guān)注。但經(jīng)過(guò)推廣應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該裝置存在風(fēng)機(jī)易過(guò)熱、風(fēng)道易進(jìn)油水等問(wèn)題，文中針對(duì)這些問(wèn)題分析產(chǎn)生的原因和可能導(dǎo)致的后果，并提出解決方案。

1 負(fù)壓吸液裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

負(fù)壓吸液裝置由吸液罐、吸液管、渦流風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)管、柱塞泵、外輸管等組成，油田井下修井作業(yè)環(huán)保裝置示意圖見(jiàn)圖1。

吸液罐作為暫時(shí)存儲(chǔ)油水的容器，設(shè)置有入孔、電加熱器、液位控制器、壓力表、防浪隔板等部件。

圖1 油田井下修井作業(yè)環(huán)保裝置示意圖

渦流風(fēng)機(jī)是一種新型的空氣壓力源的設(shè)備，選用高強(qiáng)度、抗疲勞優(yōu)質(zhì)鋁合金材料制造而成，其渦流風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。葉輪上有數(shù)十片葉片組成，當(dāng)渦流風(fēng)機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪葉片中間的空氣受到離心力的作用，朝著葉輪的邊緣運(yùn)動(dòng)，在那里空氣進(jìn)入泵體的環(huán)形空腔，然后又返回葉輪，重新從葉片的起點(diǎn)以同樣的方式又進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，由于空氣被均勻的加速，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力，使空氣以螺旋線的形式竄出，以極高的能量離開(kāi)泵體。

圖2 渦流風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

應(yīng)用真空度、有效功率與流量的特性曲線[3]公式：

式中：P為真空度；ψ為風(fēng)壓系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；U為葉輪外圓的圓周速度，m/s。

由式（1）可知，葉輪轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)機(jī)對(duì)罐體形成的真空度越大。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的渦流風(fēng)機(jī)最大壓力為46 kPa，是同轉(zhuǎn)速、同直徑離心風(fēng)機(jī)的12～17 倍，最大風(fēng)量可達(dá)到2 400 m3/h。

當(dāng)泵體出口接罐體容器，進(jìn)口敞開(kāi)，則給罐體加壓，實(shí)現(xiàn)罐體外排功能；當(dāng)泵體出口敞開(kāi)，進(jìn)口接罐體容器，則給罐體減壓，實(shí)現(xiàn)罐體吸入功能。

修井作業(yè)起下管柱前，在井口法蘭上安裝好集液池，用吸液管將集液池與吸液罐連接起來(lái)，渦流風(fēng)機(jī)與吸液罐之間用風(fēng)機(jī)管線固定連接，中間有換向閥和對(duì)應(yīng)管線。當(dāng)井內(nèi)流體向外溢出時(shí)，落進(jìn)集液池，啟動(dòng)渦流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)管為外排空氣模式，使吸液罐產(chǎn)生負(fù)壓，將集液池的油水吸進(jìn)罐體內(nèi)，從而保證了作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的油水不落地，實(shí)現(xiàn)油田修井作業(yè)清潔環(huán)保。

2 風(fēng)機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象問(wèn)題分析及解決方案

當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口或者出風(fēng)口全封閉的情況下，就能獲得此渦流風(fēng)機(jī)的最大負(fù)壓或者最大正壓。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)最大正壓或最大負(fù)壓時(shí)，由于泵體環(huán)形空腔的空氣被反復(fù)壓縮，空氣分子能量不斷升高，使空腔溫度升高，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重情況會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸燒毀，造成設(shè)備損壞等安全事故。

在修井作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)，井內(nèi)溢出的油水中含有硬蠟塊，或者是工人隨手丟棄的擦布麻繩等物，堵在吸液管口，負(fù)壓吸液罐吸不進(jìn)來(lái)，封閉了風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，就會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)過(guò)熱現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可采取以下辦法：

一是在超負(fù)壓情況下，需要安裝增壓閥將氣路中的壓力升高，保證風(fēng)機(jī)裝置的最低使用壓力，維持風(fēng)機(jī)的正常工作[4]。這里使用的增壓閥實(shí)際上是一種具有在線監(jiān)測(cè)與效驗(yàn)功能的彈簧式安全閥反向安裝，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)彈簧力的大小[5]。當(dāng)吸液管內(nèi)的壓力低于渦流風(fēng)機(jī)預(yù)先設(shè)置的壓力值的時(shí)候，增壓閥就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，將空氣中的壓力迅速導(dǎo)入吸液罐內(nèi)，這樣就能起到保護(hù)渦流風(fēng)機(jī)的作用。如果渦流風(fēng)機(jī)內(nèi)的壓力升高到安全值時(shí)，增壓閥門(mén)就會(huì)緩緩的關(guān)閉，保證吸液罐正常吸液工作。

二是調(diào)節(jié)渦流風(fēng)機(jī)進(jìn)出管線控制閘門(mén)。當(dāng)吸液管口被蠟塊、碎布或其他雜物堵住吸液口，即使采用增壓閥來(lái)保護(hù)風(fēng)機(jī)，但如果不能將堵塞物清理掉，吸液罐不能從集液池吸進(jìn)油水，影響裝置的工作效率。為此設(shè)計(jì)了渦流風(fēng)機(jī)可轉(zhuǎn)換模式控制管路，渦流風(fēng)機(jī)工作模式控制示意圖見(jiàn)圖3。當(dāng)增壓閥打開(kāi)，同時(shí)向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉閥1、閥2，打開(kāi)閥3、閥4，將渦流風(fēng)機(jī)原來(lái)的負(fù)壓模式轉(zhuǎn)為增壓模式，將吸液口的堵塞物吹開(kāi)。當(dāng)增壓閥關(guān)閉，控制系統(tǒng)自動(dòng)再打開(kāi)閥1、閥2，關(guān)閉閥3、閥4，使吸液罐進(jìn)行正常吸液工作。

圖3 渦流風(fēng)機(jī)工作模式控制示意圖

自 2018 年 10 月至 2019 年 8 月，在采油一廠共投入負(fù)壓吸液裝置20 套，進(jìn)行污油污水收集作業(yè)，完成1 300 井次，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，因風(fēng)機(jī)過(guò)熱燒壞軸承等配件而產(chǎn)生維修換件的次數(shù)累計(jì)為38 次，維修費(fèi)8.36 萬(wàn)元。2019 年9 月開(kāi)始，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行增壓閥和控制管路改進(jìn)，至2020 年6 月，共計(jì)完成1 200 井次，經(jīng)統(tǒng)計(jì)更換軸承的維修次數(shù)為10 次，維修費(fèi)2.2 萬(wàn)元，單井平均維修率下降了71.5%，合計(jì)節(jié)約維修費(fèi)6.16 萬(wàn)元。

3 風(fēng)道進(jìn)油水現(xiàn)象問(wèn)題分析及解決方案

在修井作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)，渦流風(fēng)機(jī)風(fēng)道進(jìn)油水，不僅對(duì)風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生沖擊破壞，而且污油污水從風(fēng)機(jī)出口排出，灑落在裝置和地面上，造成環(huán)境污染。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，一是吸液管、吸液罐里的空氣中本身含有的細(xì)小的油、水液滴；二是吸液罐液位計(jì)失靈，吸液罐液面超過(guò)警戒線，淹沒(méi)了風(fēng)機(jī)入口，污油污水被直接吸進(jìn)風(fēng)機(jī)。

早期人們?cè)陲L(fēng)道里安裝多孔過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾掉空氣中的液相組分，實(shí)現(xiàn)氣液分離，保證排出空氣的潔凈。但由于多孔過(guò)濾網(wǎng)減小了風(fēng)道的有效截面積，降低風(fēng)機(jī)的排風(fēng)效率，使用效果不理想。

后來(lái)又設(shè)計(jì)了環(huán)形過(guò)濾器，過(guò)濾器進(jìn)口與罐體連接，且進(jìn)口管安裝在容器內(nèi)壁切線方向，出口與風(fēng)機(jī)連接。氣流進(jìn)入過(guò)濾器以螺旋線形式運(yùn)動(dòng)，由器壁向中心形成運(yùn)動(dòng)方向一致的旋回流，在漩渦卷吸作用下產(chǎn)生負(fù)壓，旋回流中心處負(fù)壓最大，吸附力最強(qiáng)[6]，將比重輕的空氣組分集中在環(huán)形容器的中心，從設(shè)置在中心處的出風(fēng)口排出，比重較大的液相組分留在容器內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。該方法雖然不改變風(fēng)道的有效截面積，但由于氣液分離效果受氣流速度影響，在現(xiàn)場(chǎng)使用中過(guò)濾效果也不理想。

為此設(shè)計(jì)了渦流離心氣液分離器，該裝置安裝在吸液罐與渦流風(fēng)機(jī)之間，渦流離心氣液分離器示意圖見(jiàn)圖4。輸入管插入中心內(nèi)管，中心內(nèi)管底部有開(kāi)口，輸出管在輸出管安裝在中心外管外側(cè)，中心外管中間有開(kāi)口。它們的位置關(guān)系是：輸入管口低于中心內(nèi)管上沿，中心外管中間開(kāi)口低于內(nèi)管上沿，輸出管口高于中心外管中間開(kāi)口。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，氣流從輸入管進(jìn)入，在中心內(nèi)管作用下，流向發(fā)生改變，在拐彎處形成負(fù)壓渦流區(qū)域，吸引流體改變方向。多相流中由于流向改變產(chǎn)生的離心力，液相的比氣相的大[7]，當(dāng)離心力大于負(fù)壓渦流的吸引力時(shí)，液相會(huì)從流體中掙脫，在中心內(nèi)管的阻擋下沉降下來(lái)留在分離器內(nèi)，氣體從分離器出口流出，從而實(shí)現(xiàn)了氣液分離。

圖4 渦流離心氣液分離器示意圖

在分離器輸出口下端合適的位置安裝液位報(bào)警器[8]，液位報(bào)警器由液位計(jì)和報(bào)警控制器組成，報(bào)警控制器具有提示風(fēng)道進(jìn)油水達(dá)到警戒線的報(bào)警功能和立即停止風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制功能，實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量和泵的聯(lián)動(dòng)。液位計(jì)傳統(tǒng)的有連通器式、浮力式、電極式、吹泡式、差壓式、電容式等[9]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明，傳統(tǒng)的液位計(jì)存在液位探測(cè)不準(zhǔn)、轉(zhuǎn)動(dòng)部件卡死浮球失靈等問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了電導(dǎo)式液位計(jì)。電導(dǎo)液位測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量導(dǎo)電液體的電導(dǎo)而獲得液位的方法[10]，電導(dǎo)式液位計(jì)由兩片金屬導(dǎo)電環(huán)和電路組成，金屬環(huán)中間用絕緣材料隔開(kāi)，施以一定的電壓，開(kāi)始時(shí)整個(gè)電路處于開(kāi)路狀態(tài)，當(dāng)液位上升至上面的金屬環(huán)時(shí)，電路導(dǎo)通產(chǎn)生電流，以此來(lái)判斷水位信號(hào)，這些水位信號(hào)可用于控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，去調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，或者起動(dòng)或停止泵等設(shè)備，從而保護(hù)風(fēng)機(jī)不進(jìn)污油污水。該液位計(jì)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、不受液面泡沫段影響，具有較好的應(yīng)用效果。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)后的設(shè)備有效地控制了因吸液罐液面過(guò)高，污油污水從渦流風(fēng)機(jī)出口被排出，流入地面造成設(shè)備次生環(huán)境污染事件的發(fā)生。

4 結(jié)論

負(fù)壓吸液裝置能夠?qū)⑿蘧鳂I(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的油水實(shí)時(shí)地收集到吸液罐內(nèi)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)或輸入到輸油干線里，實(shí)現(xiàn)了油水不落地安全環(huán)保作業(yè)的目的。為了從技術(shù)上提高裝置的性能、使用壽命，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的，提出了采用增壓閥和進(jìn)出口可轉(zhuǎn)換管路設(shè)計(jì)，解決核心部件渦流風(fēng)機(jī)負(fù)載增大、過(guò)熱和能耗過(guò)大的問(wèn)題。同時(shí)，提出了采用渦流離心氣液分離器和電導(dǎo)式液位報(bào)警器，解決風(fēng)機(jī)進(jìn)油水問(wèn)題。