油田油水分離技術(shù)及設(shè)備研究進(jìn)展
行業(yè)動(dòng)態(tài)
20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)大部分油田進(jìn)入中、高含水開(kāi)采期，采出液含水量一般在80%～95%，這增加了油氣集輸工藝過(guò)程中油水分離的難度，傳統(tǒng)的油水分離處理設(shè)備已不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的要求。油水分離研究主要涉及原油脫水和污水脫油兩個(gè)方面。研究的方向主要包括對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)化和新型分離設(shè)備的開(kāi)發(fā)。文中對(duì)兩類(lèi)目前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(jìn)展作了介紹。
1 重力式油水分離裝置
1.1 傳統(tǒng)分離設(shè)備概況
重力式分離裝置利用密度差實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)的相分離。油水混合介質(zhì)進(jìn)入分離器后，在重力作用下密度大的水下沉，同時(shí)密度小的油上浮，達(dá)到平衡后形成清洗的油水界面，實(shí)現(xiàn)輕重兩相的分離。重力式分離裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理量大、流動(dòng)過(guò)程中阻力較小、使用和維護(hù)費(fèi)用低廉，這些優(yōu)點(diǎn)使它成為油田常用的分離設(shè)備。重力分離器的主要缺點(diǎn)是占地面積大，此外還存在嚴(yán)重的內(nèi)部短路流和渦流、處理分散以及乳化油的效率偏低等問(wèn)題。研究結(jié)果表明，消除重力式油水分離設(shè)備中的渦流和短路流，相同條件下設(shè)備處理能力可提高至少4倍。
1.2 新型分離設(shè)備研究
1.2.1 功能結(jié)構(gòu)
按照功能，重力式分離裝置構(gòu)件通常分為4部分：
（1）入口構(gòu)件。其作用主要是吸收進(jìn)入設(shè)備的高速液流的動(dòng)能，減少入口射流對(duì)流場(chǎng)的沖擊和擾動(dòng)，同時(shí)兼具預(yù)分離功能。
（2）穩(wěn)流構(gòu)件。其作用是穩(wěn)定流場(chǎng)，改進(jìn)液流在設(shè)備中的流動(dòng)特性。
（3）聚結(jié)構(gòu)件。主要為粗粒化結(jié)構(gòu)件，有強(qiáng)化分離特性和改善流場(chǎng)流動(dòng)特性功能。
（4）集液構(gòu)件。起到防止液流排出時(shí)形成短路或死區(qū)的作用。近年來(lái)圍繞這4部分展開(kāi)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)很多。
1.2.2 組合性能
河南油田設(shè)計(jì)院采用粒子圖像技術(shù)（PIV），對(duì)重力式分離裝置功能構(gòu)件（入口、穩(wěn)流、聚結(jié)及集液）的組合性能進(jìn)行了研究。經(jīng)流場(chǎng)測(cè)試得出相對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)組合為：入口選擇孔箱式或旋流式，穩(wěn)流構(gòu)件選擇填料箱式整流構(gòu)件，聚結(jié)構(gòu)件選擇多層平行板式或多層波紋板式，尾部集液區(qū)選擇雙向集液結(jié)構(gòu)。
1.2.3 入口結(jié)構(gòu)影響
李巍對(duì)采用內(nèi)伸式入口形式以及半開(kāi)管式入口形式的重力分離器內(nèi)部的油氣水多相流體的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了采用不同的入口形式時(shí)分離器內(nèi)部油相的分布規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)于內(nèi)伸式入口模型，雖然內(nèi)伸至液面以下的入口形式降低了來(lái)流對(duì)液面的沖擊，縮小了入口影響區(qū)的范圍，使得入口影響區(qū)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(lái)流引入液面以下之前，應(yīng)該對(duì)來(lái)流中的氣相加以預(yù)分離。對(duì)于半開(kāi)管式入口模型，由于選用了開(kāi)放式入口，因而擴(kuò)大了入口的影響區(qū)域，使得分離器內(nèi)有效的分離長(zhǎng)度變短，不利于提高分離效率。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該不斷探尋優(yōu)化入口形式的可能性。
1.2.4 粗?；夹g(shù)
聚結(jié)構(gòu)件可以提高重力分離器中分散油和乳化油的粒徑，促進(jìn)分離進(jìn)程，提高分離效果。北京石油化工大學(xué)侯健等實(shí)驗(yàn)研究了聚結(jié)構(gòu)件對(duì)重力式油水分離器分離效果的影響，研究結(jié)果表明，平行蛇形板構(gòu)件和平行波紋板構(gòu)件更有利于油滴顆粒的碰撞聚結(jié)，可加速油滴上浮。華中科技大學(xué)王敏對(duì)重力式分離器中的聚結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3個(gè)專(zhuān)項(xiàng)研究：
（1）材料性能研究：親油疏水、耐腐蝕及耐高溫。采用經(jīng)過(guò)改性處理的鍍鋅板。
（2）多層傾斜式波紋板材。
（3）加設(shè)過(guò)濾組件。
其中波紋板材的特點(diǎn)是親油而不粘油，當(dāng)含油廢水通過(guò)聚結(jié)板堆時(shí)，不僅有利于細(xì)微油珠的聚結(jié)增大，而且泥渣可依靠重力下滑，板堆間隙不易堵塞，無(wú)需經(jīng)常反洗。加設(shè)過(guò)濾組件可以去除廢水中的分散油和乳化油，將纖維球過(guò)濾組件加設(shè)在聚結(jié)結(jié)構(gòu)后、出水前，可去除粒徑在5μm以上的油珠，出水含油量小于5mg/L。
天津大學(xué)馬少華和中國(guó)石油大學(xué)陳文征等實(shí)驗(yàn)研究了利用具有聚結(jié)作用的板、聚結(jié)材料等輔助油滴聚結(jié)以提高油水重力沉降效率。
采用剪切振動(dòng)給體系施加能量也具有促進(jìn)油珠聚結(jié)的作用。施加到體系的能量產(chǎn)生的紊流能夠促使油珠聚結(jié)，同時(shí)可避免對(duì)油珠的剪切效應(yīng)。胡盟明等將剪切振動(dòng)引入重力沉降油水分離器，對(duì)油水乳化液進(jìn)行脫水處理。振動(dòng)槽內(nèi)裝有2組相互平行的平板，其中1組固定，另1組做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成振動(dòng)剪切。試驗(yàn)結(jié)果表明，剪切振動(dòng)可以在一定范圍內(nèi)促進(jìn)油水乳化液顆粒的合并。胡盟明等還研究了不同振動(dòng)頻率下停留時(shí)間對(duì)含水率的影響，結(jié)果表明在不同振動(dòng)頻率下，當(dāng)停留時(shí)間為2～9min時(shí)，有振動(dòng)的油樣含水率低于無(wú)振動(dòng)的油樣含水率。有剪切振動(dòng)條件下，油中的含水率并未隨停留時(shí)間增加持續(xù)降低，而是會(huì)達(dá)到一個(gè)下限值。說(shuō)明剪切振動(dòng)對(duì)小液滴合并的促進(jìn)作用也是針對(duì)一定的液滴粒徑范圍的。
2 旋流式油水分離裝置
2.1 靜態(tài)旋流分離技術(shù)
旋流分離是通過(guò)流動(dòng)或機(jī)械引起的轉(zhuǎn)動(dòng)使離心力作用在不相溶的兩種介質(zhì)上而使其分離。靜態(tài)旋流分離技術(shù)的研究進(jìn)展以英國(guó)Southampton大學(xué)為代表。1978年， 種液-液旋流分離芯管結(jié)構(gòu)，即A型旋流管被提出并得到工業(yè)化應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，1985年后又創(chuàng)新了切向造旋的F型旋流管等結(jié)果。靜態(tài)旋流分離技術(shù)應(yīng)用于含油污水的分離設(shè)備和高含水原油的旋流預(yù)分離，提高了分離效率。靜態(tài)旋流分離技術(shù)應(yīng)用于低含水原油的旋流脫水凈化過(guò)程的嘗試取得了技術(shù)上的進(jìn)展。
由于低含水原油的黏度遠(yuǎn)大于含油污水的黏度。根據(jù)Stocks沉降公式，水在連續(xù)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(yuǎn)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(qiáng)的離心力場(chǎng)，而維持如此強(qiáng)的離心力場(chǎng)會(huì)帶來(lái)能量損失的成倍增加，使技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)遭遇巨大困難，所以低含水原油的旋流脫水凈化一直是靜態(tài)旋流分離技術(shù)的瓶頸之一，期待新的研究進(jìn)展。在此之后，國(guó)內(nèi)外一直在靜態(tài)旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)等的探索。
2.1.1 雙錐單柱形分離管
河南油田工程設(shè)計(jì)院陸耀軍對(duì)雙柱雙錐的F型單管分離粒徑60μm旋流器進(jìn)行驗(yàn)證和國(guó)產(chǎn)化研究，開(kāi)發(fā)出新型即雙錐單柱形液-液旋流分離管，確定了優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
雙錐單柱形分離管與常規(guī)雙錐雙柱形旋流管的區(qū)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(chǎng)分布條件，延長(zhǎng)了液流在旋流管中的停留時(shí)間，降低了管內(nèi)壓力損失，使相同條件下旋流管的臨界分離粒徑由后者的60μm減少了30μm，管內(nèi)壓力損失由后者的0.30MPa降低到0.20MPa，突破了現(xiàn)有液-液旋流分離管的結(jié)構(gòu)限制，同時(shí)在分離特性和壓力特性方面也有所改進(jìn)。
2.1.2 軸流式旋流分離器
中科院力學(xué)研究所研制的軸流式旋流分離器（簡(jiǎn)稱(chēng)VTPS）適合在井下使用，其結(jié)構(gòu)采用軸向式入口，來(lái)液由分離器入口進(jìn)入，經(jīng)由安裝在管道內(nèi)的導(dǎo)流片部件，在管道內(nèi)形成穩(wěn)定的強(qiáng)旋流場(chǎng)，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(huán)狀，沿管的軸向方向開(kāi)設(shè)有多組除水孔，達(dá)到兩相分離的目的。
該設(shè)備比切向入口結(jié)構(gòu)緊湊，處理量大。河北油區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用顯示，單管處理量可達(dá)1200m3/d，分離系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景廣闊。中海油王勝應(yīng)用數(shù)值軟件對(duì)其出水口開(kāi)設(shè)方式、油相密度和粒度等結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)進(jìn)行模擬研究，得出各參數(shù)對(duì)該分離器油水分離性能的影響。研究表明，較重要影響因素是分散相油滴的粒徑，其大小對(duì)分離性能的影響很大，該設(shè)備能分離油滴平均粒徑一般大于100μm。設(shè)備長(zhǎng)徑比約為9，這種結(jié)構(gòu)的油水分離器直徑適當(dāng)增大，分離后壁面附近的水相所占區(qū)域比例增大，水中含油量更低。
2.1.3 柱形旋流器
中科院史仕熒等提出的柱形旋流器為由水平切向入口、旋流器主體、溢流口和底流口所構(gòu)成的管道式分離設(shè)備。油水兩相混合液經(jīng)水平管道以切線方式進(jìn)入旋流器內(nèi)，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，各相產(chǎn)生不同的離心力，完成油水兩相分離。
進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)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(jīng)廣泛應(yīng)用于遼河油田、勝利油田、南海海上采油平臺(tái)等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或中試裝置，具有占地小、分離效率高、前景廣闊的特點(diǎn)。中科院力學(xué)所吳應(yīng)湘等將柱形旋流器和T型管道柱型管道相結(jié)合的高效管道式分離系統(tǒng)應(yīng)用于遼河油田的稠油脫水。
2.1.4 兩級(jí)串聯(lián)旋流器
東北石油大學(xué)蔣明虎等對(duì)軸入式兩級(jí)串聯(lián)旋流器進(jìn)行了一系列的研究。針對(duì)2個(gè)雙錐雙柱旋流器串聯(lián)，一級(jí)旋流器為軸向式入口，二級(jí)旋流器為切向式入口的兩級(jí)串聯(lián)旋流器，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)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4.80m3/h時(shí)達(dá)到效率極大值，繼續(xù)增加進(jìn)液量會(huì)加重乳化從而降低分離效率。一級(jí)分流比逐漸增大時(shí)，一級(jí)旋流器及二級(jí)旋流器分離效率均先增大后減小，一級(jí)分流比為20%時(shí)，總效率達(dá)到極大值。二級(jí)分流比逐漸增大時(shí)，一級(jí)旋流器效率逐漸降低，二級(jí)效率逐漸升高，當(dāng)二級(jí)分流比為15%時(shí)，總效率達(dá)到極大值。
2.2 動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)
動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)的研究進(jìn)展以法國(guó)NEYRTEC和TOTAL CEP為代表。TOTAL型動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)及設(shè)備于1986年開(kāi)發(fā)成功，用于含油污水的凈化處理。動(dòng)態(tài)旋流器的特點(diǎn)有操作彈性大，進(jìn)料壓力低。在操作彈性方面，動(dòng)態(tài)旋流器依靠旋流筒的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行工作，其離心力場(chǎng)的強(qiáng)弱同來(lái)液流量無(wú)關(guān)，動(dòng)態(tài)旋流器內(nèi)的立場(chǎng)分布更加合理，更有利于分離過(guò)程的進(jìn)行。在進(jìn)料壓力方面，低壓力適于處理高黏介質(zhì)，但是動(dòng)態(tài)旋流器需輸入電能并且有高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速在2000～4000r/min）部件所帶來(lái)的動(dòng)平衡與動(dòng)密封問(wèn)題，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，可靠性也不如靜態(tài)旋流器的高。
2.2.1 預(yù)旋流型動(dòng)態(tài)旋流器
近年來(lái)以TOTAL型為基本思路，有一些新的結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。如大連理工大學(xué)趙宗昌提出的預(yù)旋流型，結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)動(dòng)式外殼及一個(gè)預(yù)旋流進(jìn)料裝置構(gòu)成的動(dòng)態(tài)旋流器，即靜態(tài)旋流器與動(dòng)態(tài)旋流器串聯(lián)，先經(jīng)過(guò)一個(gè)靜態(tài)旋流腔實(shí)現(xiàn)預(yù)旋流作用，后經(jīng)過(guò)噴嘴切向進(jìn)入動(dòng)態(tài)旋流腔，由轉(zhuǎn)動(dòng)的旋流腔帶動(dòng)料液，產(chǎn)生離心力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分離，減小了能量消耗，并使其分離效率進(jìn)一步提高。
2.2.2 復(fù)合型水力旋流器
王尊策等綜合動(dòng)態(tài)旋流器和靜態(tài)旋流的優(yōu)點(diǎn)，提出復(fù)合式動(dòng)態(tài)水力旋流器，該旋流器的關(guān)鍵件是對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體起預(yù)加速作用的旋轉(zhuǎn)柵。旋轉(zhuǎn)柵尾端設(shè)計(jì)導(dǎo)流錐和靜態(tài)旋轉(zhuǎn)體，使旋轉(zhuǎn)的液流充滿轉(zhuǎn)筒，且流動(dòng)過(guò)渡平穩(wěn)，可以避免產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流。
復(fù)合型旋流器代表著水力旋流器的發(fā)展方向，將成為以后研究的熱點(diǎn)。理論研究重點(diǎn)是旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬和分離性能預(yù)測(cè)，可借助數(shù)值模擬軟件來(lái)進(jìn)行。西南石油大學(xué)洪遠(yuǎn)等采用數(shù)值模擬的方法對(duì)動(dòng)態(tài)旋流器的一些參數(shù)，如旋轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度、旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)、旋轉(zhuǎn)柵葉片長(zhǎng)度及溢流口直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為進(jìn)一步研究提供了參考。
3 結(jié)語(yǔ)
重力式油水分離裝置與旋流式油水分離裝置各有特點(diǎn)。在應(yīng)對(duì)和解決油田高含水采出液的油水分離問(wèn)題上，重力式分離器的研究以結(jié)構(gòu)改造為重點(diǎn)，旋流式分離器的研究以解決傳統(tǒng)分離技術(shù)的瓶頸為目標(biāo)，兩大類(lèi)油水分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化圍繞提高分離效率、減小設(shè)備體積展開(kāi)，在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，取得了階段性的進(jìn)步。未來(lái)原油脫水裝置需要高效、無(wú)污染的破乳方法，縮短破乳時(shí)間，精簡(jiǎn)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(jié)、絮凝及氣浮等分離原理綜合開(kāi)發(fā)，研發(fā)的設(shè)備應(yīng)向節(jié)能、多功能和小型化方向發(fā)展。
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