李翔宇 趙立新 徐保蕊 王 圓 蔣明虎

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

脫氣除砂一體化旋流器采出液處理技術(shù)*

李翔宇**趙立新 徐保蕊 王 圓 蔣明虎

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

設(shè)計(jì)了單錐型同軸式脫氣除砂一體化三相分離旋流器，針對(duì)油田水驅(qū)采出液開展了室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)了其處理效果。對(duì)水驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)采出液的處理效果開展了數(shù)值模擬分析對(duì)比，結(jié)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(shí)，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(fù)荷日益加大，如何有效解決多相介質(zhì)的分離處理是當(dāng)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(shè)備可靠性高等突出的優(yōu)勢(shì)[2～4]。

通常旋流器一般用于兩相介質(zhì)的分離[5～8]，若要實(shí)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(shè)備成本高，且壓力損耗大。Bednarski S等國內(nèi)外學(xué)者對(duì)三相分離旋流器開展了相應(yīng)的研究，設(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)形式[9，10]。

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

1 分離水驅(qū)采出液試驗(yàn)研究

通過前期數(shù)值模擬分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)(圖1)，其主直徑為50mm。

該結(jié)構(gòu)旋流器在位于底流口附近設(shè)計(jì)了一個(gè)軸向的排液口和一個(gè)切向排砂口。氣液固三相混合介質(zhì)由切向入口高速進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(shí)集中于旋流器中心處的液體介質(zhì)則進(jìn)入軸向排液管，最終由排液口排出。以此原理實(shí)現(xiàn)了脫氣除砂三相一體化旋流分離。

圖1 旋流器Hy2結(jié)構(gòu)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)水驅(qū)采出液所取樣液進(jìn)行三相分離室內(nèi)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中將取來的實(shí)際水樣進(jìn)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(shí)通過實(shí)驗(yàn)室空氣壓縮機(jī)注氣，模擬含氣條件。試驗(yàn)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(duì)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(shí)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(duì)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(yàn)該旋流器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yīng)的數(shù)值模擬分析，對(duì)旋流器Hy2用于水驅(qū)采出液和三元復(fù)合驅(qū)采出液脫氣除砂一體化處理的效果進(jìn)行了對(duì)比。

2.1脫氣效果對(duì)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?jǐn)?shù)分布云圖對(duì)比。由對(duì)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(shí)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?jǐn)?shù)分布云圖對(duì)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?jǐn)?shù)分布曲線對(duì)比。可見旋流器在處理兩種不同采出液時(shí)，在旋流器的氣相出口處，氣相體積分?jǐn)?shù)均較高，接近1.0，但相對(duì)地，分離水驅(qū)采出液時(shí)溢流口的氣相體積分?jǐn)?shù)較分離三元采出液時(shí)高。

圖5 旋流器溢流口氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

2.2除砂效果對(duì)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?jǐn)?shù)分布云圖對(duì)比。由對(duì)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(shí)的固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖對(duì)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?jǐn)?shù)分布曲線對(duì)比，可見旋流器在處理兩種不同采出液時(shí)，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(fù)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?jǐn)?shù)分布曲線對(duì)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(shí)，旋流器脫氣除砂分離效率對(duì)比圖。對(duì)比可見，在處理兩種不同采出液時(shí)，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(dá)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(jié)果表明，筆者設(shè)計(jì)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(fù)合驅(qū)采出液時(shí)，脫氣和除砂效果均較為理想。

圖8 旋流器脫氣除砂效率對(duì)比

3 結(jié)論

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

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)的旋流器Hy2在處理油田水驅(qū)采出液樣液時(shí)，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(dá)到92.20%。

3.3數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，旋流器處理三元驅(qū)與水驅(qū)兩種不同采出液時(shí)，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(dá)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(jié)構(gòu)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。

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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(jì)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)