任永良 何樹威 高 勝 王 妍 侯瑞麟 祝洪偉

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

我國(guó)大多數(shù)油田已進(jìn)入高含水階段，采出的原油中平均含水率高達(dá)90%以上， 如何有效解決污水問題一直是油田開采面臨的難題［1～3］。傳統(tǒng)的油田污水處理方法具有一定的局限性，如生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)不能隨意更改、現(xiàn)場(chǎng)取樣困難及實(shí)際參數(shù)需要保密等［4～6］。 為此，筆者根據(jù)實(shí)際油田污水處理工藝，針對(duì)沉降這個(gè)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的物理模型，基于此模型，結(jié)合數(shù)值分析方法建立數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析軟件對(duì)不同參數(shù)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬，分析不同工藝參數(shù)對(duì)沉降結(jié)果的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真結(jié)果，進(jìn)而為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 沉降處理工藝

1.1 重力沉降罐

重力沉降罐也稱自然沉降罐，根據(jù)外形的不同，沉降罐分為立式和臥式兩種類型［7，8］。圖1是大慶某采油廠污水沉降處理用立式重力沉降罐，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有進(jìn)水管、配水裝置、集水集油裝置及排水管等，根據(jù)設(shè)備參數(shù)，整個(gè)罐體的體積約7 900 m3，配水與集水結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 立式重力沉降罐

圖2 沉降罐配水與集水結(jié)構(gòu)

在沉降罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，配水口和集水口方向相反，配水口開口朝上，集水口開口朝下，整個(gè)罐內(nèi)部共有8個(gè)配水總管和8個(gè)集水總管，另外罐內(nèi)還有其他一些結(jié)構(gòu)和輔助元件（如集油盤、油箱、加熱盤管、沖洗管、集泥坑及溢流管等）。 通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，此沉降罐內(nèi)部各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1。

表1 沉降罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

1.2 沉降除油工作原理

油田污水沉降處理利用油水物理屬性的不同，依靠重力的作用，借助沉降罐來(lái)進(jìn)行油水兩相物質(zhì)的分離［4，9］。其工作原理主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，分別是同種物質(zhì)相互聚結(jié)和油珠上升的過程。

如圖3所示， 油水混合物通過進(jìn)水管進(jìn)入到中心筒的內(nèi)部，經(jīng)過一段時(shí)間后，隨著液位的升高，中心筒中的混合液將進(jìn)入配水管，通過配水口后進(jìn)入罐的內(nèi)部空間；配水結(jié)構(gòu)整體位于罐體的上半部分，液體從配水口出來(lái)時(shí)具有一定的速度，此時(shí)混合物將會(huì)向上運(yùn)動(dòng)一定的距離，在這一段時(shí)間內(nèi)， 因?yàn)橛退畠上辔镔|(zhì)密度的差異，較小密度并且粒徑較大的油珠將上浮到集油區(qū)的下表面，而密度較大的水相將會(huì)攜帶粒徑較小的油滴往罐體的底部流動(dòng)；油水混合液在向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有兩個(gè)明顯的區(qū)域差別，首先在向中部區(qū)域流動(dòng)時(shí)，此階段油水混合液中的油相成分相對(duì)較多，水中的油滴就會(huì)有較高的碰撞幾率，碰撞的越多形成的油珠粒徑越大， 等到流動(dòng)穩(wěn)定之后，這些油珠將因?yàn)槊芏刃〉脑蛏仙郊蛥^(qū)中，并與油層混合，隨著油層的加厚，通過打開污油管處的閥門開關(guān)將集油區(qū)中的污油排到罐體外部；當(dāng)混合液繼續(xù)往罐底方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)含油量已經(jīng)很少，故難以聚結(jié)形成較大的油滴，最終將隨著水在罐內(nèi)壓力的作用下通過集水管進(jìn)入到中心集水管中，再由出水管流入到下一污水處理環(huán)節(jié)［5，6，10，11］。

圖3 沉降罐模型二維簡(jiǎn)圖

2 沉降仿真模型建立

2.1 沉降模型簡(jiǎn)化

實(shí)際沉降裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，附加的零部件很多。 為了方便分析并減少工作量，同時(shí)保證計(jì)算精度，需要在實(shí)際沉降結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體如下：

a. 忽略罐體中不影響分析結(jié)果的一些結(jié)構(gòu)和裝置，如支撐架、集油槽、加熱盤管、油箱、沖洗管、集泥坑及一些輔助結(jié)構(gòu)（如換氣閥、清掃孔）等；

b. 將罐體內(nèi)部的壓強(qiáng)視為常壓，不考慮周圍環(huán)境溫度的變化；

c. 假設(shè)罐內(nèi)只有油水兩相物質(zhì)，并且充滿整個(gè)罐體內(nèi)部；

d. 假設(shè)分散相物質(zhì)油滴的大小均一；

e. 假設(shè)入水管的流速穩(wěn)定，沒有波動(dòng)；

f. 假設(shè)裝置整體結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱形式， 那么其內(nèi)部的速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)的分布也以對(duì)稱的形式分布， 故取其結(jié)構(gòu)的八分之一進(jìn)行分析和研究，從而減少計(jì)算成本。 簡(jiǎn)化后的沉降罐模型如圖4所示。

圖4 沉降罐簡(jiǎn)化模型

2.2 物理場(chǎng)及數(shù)值模型的選取與建立

本研究對(duì)象是油水兩相混合物， 是典型的液-液兩相流問題，而一般求解多相流問題時(shí)，歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法是常用的計(jì)算求解方法。 根據(jù)研究對(duì)象的屬性，這兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，前者主要針對(duì)的是分散型介質(zhì)，后者是把各相均視為連續(xù)相。 考慮到本研究對(duì)象中各物質(zhì)所占比例及其研究目的， 最終選取歐拉-歐拉模型中的混合物模型作為數(shù)值計(jì)算方法。

混合物模型的基本控制方程包含以下3個(gè)。

2.3 兩相流數(shù)值模型

選取RNG k-ε混合物兩相流模型為物理場(chǎng)接口條件，進(jìn)行模擬分析研究，其表達(dá)式如下：

3 仿真模型求解

3.1 初始參數(shù)和邊界條件的設(shè)定

水的性質(zhì)：密度1 000 kg/m3，粘度1 mPa·s。

油的性質(zhì)：密度886 kg/m3，黏度0.027 6 Pa·s。原水含油量1%，油滴粒徑0.5 mm，沉降時(shí)間10 h。

湍流強(qiáng)度計(jì)算公式為：

設(shè)置入口為速度入口， 流體出口為壓力出口，除出口和入口外，整個(gè)模型的外部以及內(nèi)部只要不進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的都視為壁面，然后按照壁面邊界條件的情況進(jìn)行處理，將沉降罐的壁面視為無(wú)滑移邊界，即流體在壁面處的速度不為0。

3.2 網(wǎng)格劃分與質(zhì)量評(píng)價(jià)

劃分網(wǎng)格之前需對(duì)幾何域進(jìn)行拆分， 集水、配水等較為細(xì)小的部件選擇較細(xì)化的網(wǎng)格，罐體選擇較粗化的網(wǎng)格，中心集水管與中心配液管選擇常規(guī)網(wǎng)格， 然后生成網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。 網(wǎng)格劃分情況與網(wǎng)格質(zhì)量如圖5所示，劃分后的網(wǎng)格最小單元質(zhì)量為0.14， 大于計(jì)算所需的最小單元質(zhì)量0.10，平均單元質(zhì)量為0.64，網(wǎng)格總體積為8.937×1011mm3。

圖5 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)價(jià)

4 仿真結(jié)果分析

4.1 沉降罐內(nèi)速度場(chǎng)

圖6為沉降罐流場(chǎng)速度矢量圖。由圖6可以看出，沉降罐中部的速度場(chǎng)較為穩(wěn)定，有利于油水分離，所以沉降罐中部是油水重力分離的主要區(qū)域。 沉降罐上部的流場(chǎng)流速較大且不均勻，主要原因在于配水口處流速較大，帶動(dòng)周圍的流場(chǎng)不穩(wěn)定，極易形成局部渦流，影響沉降效果。沉降罐下部流場(chǎng)靠近出水口附近的區(qū)域速度也有一定的提高。

圖6 沉降罐流場(chǎng)速度矢量圖

圖7為沉降罐內(nèi)流線圖。 由圖7可以看出，油水混合物由配水口進(jìn)入沉降罐內(nèi)，由于本身具有初速度， 油水混合物會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)一小段距離，在配液噴頭附近流線密集且雜亂，對(duì)油水分離產(chǎn)生一定影響。 沉降罐中部的流場(chǎng)穩(wěn)定，流體的速度方向向下，沒有明顯的紊流和渦流，有利于油水分離。 沉降罐下部靠近集水口的位置流動(dòng)復(fù)雜， 這是由于當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)到沉降罐下部時(shí)，水和極少量的油在罐內(nèi)壓力的作用下流出沉降罐，而集水口表面積較小，導(dǎo)致該區(qū)域附近流場(chǎng)不穩(wěn)定。 由此可見，整體仿真結(jié)果與實(shí)際工況下的油水分離規(guī)律是一致的。

圖7 沉降罐內(nèi)流線圖

4.2 沉降罐內(nèi)濃度場(chǎng)

圖8為沉降3、6、8、10 h后沉降罐內(nèi)油的濃度分布圖。 由圖8可以看出，隨著沉降時(shí)間的增加，沉降罐內(nèi)的油液開始向頂部聚集，沉降罐內(nèi)出現(xiàn)油水分層，頂部油的濃度開始增加，超過8 h后，油水分離效果不再明顯，所以，沉降時(shí)間會(huì)影響沉降罐內(nèi)的油水分離效果， 但一味提高沉降時(shí)間，則會(huì)影響沉降罐的工作效率。

圖8 不同沉降時(shí)間下沉降罐內(nèi)油的濃度分布圖

為了能夠?qū)⒊两倒迌?nèi)濃度場(chǎng)變化更直觀地利用曲線圖表達(dá)出來(lái)， 選擇一條位于配水支管之間的垂線作為觀測(cè)線， 觀測(cè)線位置避開了配液口與集水口，流場(chǎng)穩(wěn)定，對(duì)整個(gè)沉降罐濃度分析具有代表性，觀測(cè)線的位置如圖9中紅色部分所示。

圖9 觀測(cè)線軸測(cè)圖與俯視圖

圖10為沉降3、6、8、10 h后觀測(cè)線不同高度下油的體積分?jǐn)?shù)。 由圖10可以看出，在沉降8 h后繼續(xù)增大沉降時(shí)間， 并不能改善油水分離效果。

圖10 不同沉降時(shí)間下觀測(cè)線上油的體積分?jǐn)?shù)變化

4.3 油滴粒徑對(duì)油水分離的影響

選擇0.1、0.5、1.0 mm3種不同粒徑的油滴進(jìn)行沉降分離實(shí)驗(yàn)，油滴除粒徑不同外，其余參數(shù)均一致。 為了減少計(jì)算工作量，設(shè)置仿真時(shí)間為3 h，得到沉降罐觀測(cè)線上油的體積分?jǐn)?shù)如圖11所示。

由圖11可以看出，隨著油滴粒徑的增加，沉降罐頂部含油量也隨之增加，也就是說，粒徑越大的油滴越容易從沉降罐中分離出來(lái)。 在實(shí)際油田污水處理過程中， 可以添加相應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，使小粒徑的油滴聚集，增大油滴粒徑，從而實(shí)現(xiàn)更高效的油水分離。

圖11 不同粒徑下觀測(cè)線上油的體積分?jǐn)?shù)變化

5 仿真結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，取樣大慶某采油污水處理廠一次沉降后的處理液樣品，利用實(shí)驗(yàn)室的濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量沉降后的油相濃度，繪制兩者的對(duì)比結(jié)果如圖12所示。 由圖12可以看出，利用COMSOL得到的仿真結(jié)果與實(shí)際污水處理沉降罐工作后的結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

圖12 實(shí)際油相濃度與仿真結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

沉降處理是油田采出液處理的重要一步，其處理結(jié)果影響著后續(xù)污水處理的質(zhì)量。 筆者通過分析油田污水沉降處理工藝過程，建立相應(yīng)的沉降物理模型與仿真數(shù)學(xué)模型，利用CFD方法，通過COMSOL物理場(chǎng)分析軟件， 對(duì)沉降罐內(nèi)的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，研究了沉降時(shí)間與油滴粒徑對(duì)分離效率的影響，對(duì)實(shí)際油田污水沉降處理具有一定的參考意義。