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(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)， 北京 102249； 2.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 新疆 克拉瑪依 834000)

技術(shù)綜述

臥式重力三相分離器分離效果影響因素

孫立強(qiáng)1，2，王迪1，2，朱紅波2，高翔2，魏耀東1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)， 北京 102249； 2.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 新疆 克拉瑪依 834000)

油井采出物通常是含有油、氣、水和一些雜質(zhì)的混合物，必須經(jīng)過(guò)分離后才能外輸。油、氣、水分離主要采用三相分離器完成初步分離，再進(jìn)行精密分離。三相分離器的分離效果直接影響外輸處理液的質(zhì)量。介紹了目前常用的臥式重力三相分離器的工作原理及液滴運(yùn)動(dòng)理論，討論了三相分離器的運(yùn)行參數(shù)、入口含氣量、入口含沙量、流場(chǎng)流型、聚結(jié)效應(yīng)以及停留時(shí)間等因素對(duì)三相分離器分離效果的影響，并提出了優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、改善三相分離器分離效果的建議，可為三相分離器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)。

三相分離器； 分離效果； 運(yùn)動(dòng)理論； 影響因素

目前我國(guó)大部分油田已進(jìn)入中、高含水開(kāi)發(fā)階段，油井采出液中的原油含水量正在逐年上升。通常注水開(kāi)發(fā)油田采出的地下原油到達(dá)地面后，不同程度含有油、氣、水三相物質(zhì)，同時(shí)含有部分泥沙[1]。目前油田的采出液綜合含水率已達(dá)到或超過(guò)80%，部分主力油田的綜合含水率已經(jīng)超過(guò)90%[2]。為了對(duì)原油進(jìn)行儲(chǔ)備、運(yùn)輸以及后期的石油加工，必須首先進(jìn)行油、氣、水三相的初期預(yù)分離處理，將水、氣、沙脫出，為下道工序提供合格的原料[3]。臥式重力三相分離器是油田中常用的油、氣、水分離設(shè)備，它是連接采油井和精密脫水裝置的中間環(huán)節(jié)，是原油外輸處理的重要設(shè)備[4]。文中在闡述了臥式重力三相分離器工作原理的基礎(chǔ)上，介紹了油、氣、水分離中液滴的運(yùn)動(dòng)理論，討論了影響臥式重力三相分離器分離效果的因素，對(duì)了解臥式重力三相分離器的分離機(jī)理以及如何提高分離效率具有一定的指導(dǎo)作用。

1 臥式重力三相分離器原理

重力分離法是一種最基本的油田采出物處理方法，利用不同相間的密度差實(shí)現(xiàn)分離[5]。臥式重力三相分離器就是借助重力分離法實(shí)現(xiàn)油、氣、水的分離，操作介質(zhì)為油、氣、水的混合物，氣相在密度差的作用下上浮，水相則在重力作用下下沉，形成一定比例的油、氣、水相，從而完成分離過(guò)程。

最初的臥式重力分離器主要用于油氣或油水兩相分離，基本上都是空筒結(jié)構(gòu)，而目前典型的臥式重力三相分離器則在其內(nèi)部添加了不同形式的內(nèi)構(gòu)件(圖1)，其功能區(qū)域主要包括入口預(yù)分流區(qū)、整流聚結(jié)區(qū)、重力沉降區(qū)、除霧器區(qū)和儲(chǔ)液區(qū)5個(gè)部分。

圖1 臥式重力三相分離器結(jié)構(gòu)示圖

油井采出液(油、氣、水混合液)進(jìn)入三相分離器，首先進(jìn)入入口預(yù)分離區(qū)，通過(guò)撞擊擋板或離心分離作用使采出液流動(dòng)量突然改變，實(shí)現(xiàn)氣液兩相的預(yù)分離。預(yù)分離后的油水混合物下降到分離器底部，進(jìn)行下一步油水分離，油水首先通過(guò)整流聚結(jié)區(qū)的整流、聚結(jié)裝置，促進(jìn)原油中的油滴和水滴的聚結(jié)。經(jīng)過(guò)聚結(jié)后的液體進(jìn)入到重力沉降區(qū)，重力沉降區(qū)提供充足的時(shí)間使油能聚集到上層而水沉降到底層。在經(jīng)過(guò)重力沉降區(qū)后，上層的油液溢過(guò)堰板進(jìn)入其后的油室，通過(guò)液位控制閥實(shí)時(shí)排出油液控制油室的油位。為保持油水界面的高度，下層的水相經(jīng)另一液位控制閥控制后由排水閥離開(kāi)分離器。預(yù)分離后的氣體在分離器的上部空間進(jìn)行進(jìn)一步的重力沉降分離，氣相中攜帶的較大液滴沉降后，較小液滴在除霧器區(qū)被捕捉，氣體排出量由壓力控制閥控制，保證分離器內(nèi)的壓力恒定，處理后的氣體最終經(jīng)氣出口排出。

2 臥式重力三相分離器液滴運(yùn)動(dòng)理論

重力分離器內(nèi)的流場(chǎng)是一種極為復(fù)雜的多相三維運(yùn)動(dòng)，至今仍無(wú)法準(zhǔn)確了解重力分離器內(nèi)的分離過(guò)程。前人通過(guò)對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，提出了重力分離器的相關(guān)基本理論。

2.1液滴沉降理論

在分離過(guò)程中，液滴在不同條件下的分離效果還沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)算方法，一般假設(shè)液滴是球形且液滴間沒(méi)有相互作用力。當(dāng)液滴所受重力和浮力的差值與液滴沉降(浮升)過(guò)程受到的阻力相等時(shí)，液滴做勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的速度即為終端沉降速度。以水滴在油相中的沉降為例，stokes沉降公式為[6]：

(1)

式中，ρw為水的密度，ρo為油的密度，kg/m3；vt為水滴在油相中的沉降速度，m/s；g為重力加速度，m/s；μo為油的動(dòng)力黏度，N·s/m2；dw為水滴直徑，m3。

由式(1)看出，油相中水滴的沉降速度與水滴直徑、油水的密度差以及油的黏度有關(guān)。增大水滴直徑、油水密度差或降低油相黏度，均可使水滴沉降速度加快。因此，提高重力分離器油水分離效率的措施主要有兩方面：①采用電場(chǎng)或聚結(jié)構(gòu)件提高小液滴聚結(jié)成大液滴的幾率。②對(duì)原油進(jìn)行加熱，降低原油黏度。綜合考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)和能耗等原因，一般優(yōu)先采用前者來(lái)加速分離過(guò)程。

2.2淺池理論

若將油水分離過(guò)程看作是理想狀態(tài)的球形水滴在重力作用下進(jìn)行沉降，則一定粒徑水滴的分離效率可以近似計(jì)算為：

(2)

式中，η為水滴分離效率；AT為沉降(浮升)面積，m2；qV為單位時(shí)間處理物質(zhì)的體積流量，m3/s；μ為連續(xù)相動(dòng)力黏度，N·s/m2。

由式(2)可以看出，一定粒徑的分散相液滴在連續(xù)相中沉降(浮升)的分離效率與兩相流體的密度差、沉降(浮升)面積成正比，與連續(xù)相流體的黏度、單位時(shí)間的處理量成反比，與浮升高度無(wú)關(guān)，該原理稱為淺池理論[7]。

淺池理論是油水重力分離過(guò)程中的基本原理之一，利用淺池理論提高分離器處理能力的有效途徑是增加沉降(浮升)面積。在油水重力分離器體積一定的情況下，可在容器內(nèi)設(shè)置多層隔板(斜板、波紋板、蛇形板等)以增大沉降(浮升)面積、提高分離效率。淺池理論已成為高效快速分離設(shè)備研制、開(kāi)發(fā)的重要理論依據(jù)。

2.3聚結(jié)理論

聚結(jié)理論原理是利用聚結(jié)材料的親油特性，使得小油滴碰撞、吸附于聚結(jié)材料表面，最終脫落上浮并達(dá)到加速兩相分離的目的[8]。張敏等研究認(rèn)為，選用的聚結(jié)材料的親油、親水性不同，油水分離中的油滴顆粒聚結(jié)形式存在差異，主要分為潤(rùn)濕聚結(jié)和碰撞聚結(jié)兩種[9]。

液滴聚結(jié)是實(shí)現(xiàn)重力分離器快速分離的重要途徑，液滴聚結(jié)后粒徑變大，沉降速度加快。對(duì)臥式重力三相分離器，合理選擇和布置聚結(jié)構(gòu)件，在重力分離的基礎(chǔ)上加入聚結(jié)分離技術(shù)，加速液滴聚結(jié)的同時(shí)減小設(shè)備尺寸，對(duì)于重力分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

3 臥式重力三相分離器分離效果影響因素

3.1運(yùn)行參數(shù)

3.1.1壓力

分離器的壓力和分離效果存在一定聯(lián)系。壓力太高會(huì)影響來(lái)油管線的回壓，還會(huì)使分離后的原油含氣率上升。壓力太低容易使天然氣管線跑油，分離器液面降不下去。為保證分離器的分離效果，要求分離器應(yīng)在一個(gè)較優(yōu)且穩(wěn)定的壓力下工作，以克服壓力不穩(wěn)造成的分離器液面波動(dòng)大、分離效果差的情況[10]。

3.1.2溫度

溫度對(duì)三相分離器分離效果的影響主要體現(xiàn)在兩方面，①溫度過(guò)低，原油黏度和界面張力較大，處理結(jié)果很難達(dá)到要求。隨著來(lái)液溫度的升高，原油的黏度和油水界面張力降低，有利于油水之間的分離。②在一定范圍內(nèi)，溫度的升高可以提高破乳劑破乳率，提高油水分離效率，但當(dāng)溫度升高到一定值后，由于黏度降低幅度減緩，過(guò)高的溫度使破乳劑破乳效果變差，造成處理結(jié)果不理想[11]。因此，要根據(jù)所處理采出液的實(shí)際情況和破乳劑的工作溫度綜合考慮三相分離器的適宜操作溫度。

3.1.3破乳劑濃度[11]

破乳劑的作用機(jī)理主要是破壞油水界面膜，減小液滴聚結(jié)阻力，適宜濃度的破乳劑可加快三相分離器內(nèi)油水分離，使出口水含油量和原油含水率均滿足要求。如果破乳劑濃度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致原油脫水不充分。而破乳劑濃度過(guò)高，不僅增加了成本，而且可能發(fā)生二次乳化作用，也達(dá)不到破乳目的。因此，根據(jù)所處理采出液情況，選擇適宜的破乳劑濃度對(duì)提高油水分離效果至關(guān)重要。

3.1.4油水界面

油水界面是臥式重力三相分離器運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，油水界面高度直接影響分離器的分離效果。油水界面過(guò)高或過(guò)低都可能導(dǎo)致油水混層，分離效果無(wú)法滿足要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果出口油中含水超標(biāo)，可適當(dāng)降低油水界面高度；如果水中含油超標(biāo)，可適當(dāng)提高油水界面高度。油堰高度或者水堰高度又影響著油水界面的高度，可以此來(lái)實(shí)現(xiàn)油水界面的調(diào)節(jié)[12]。三相分離器的液面控制對(duì)提高分離器的整體分離效果顯得尤為重要，在實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中要選擇合適的油水界面，并根據(jù)工況的變化適當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1.5處理量[13]

在設(shè)計(jì)臥式重力式三相分離器時(shí)考慮了設(shè)備的操作彈性，當(dāng)處理量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，分離效果會(huì)稍有下降，但可以滿足對(duì)采出液的處理要求。如果處理量超過(guò)三相分離器規(guī)定的最大處理能力，采出液得不到足夠的停留時(shí)間，會(huì)使原油脫水不充分，同時(shí)也容易導(dǎo)致油水界面紊亂，致使水中含油超標(biāo)。另外，處理量的波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致破乳劑投加濃度和加熱后的溫度不穩(wěn)定，影響脫水效果。因此，應(yīng)盡量保持三相分離器的處理量穩(wěn)定，以保證對(duì)油、氣、水具有較好的分離效果。

3.2入口含氣量和含沙量

有些油田采出液中含有大量氣體，會(huì)使分離器內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生混亂，還會(huì)占用一定的設(shè)備空間，導(dǎo)致設(shè)備分離效率極大降低。目前常用的降低含氣量較為有效的辦法是采用入口旋流預(yù)分離技術(shù)，該技術(shù)可消除入口流體動(dòng)能，抑制設(shè)備內(nèi)液面起浪和氣體對(duì)液體的二次夾帶，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液的初步分離，穩(wěn)定設(shè)備內(nèi)部氣、液流場(chǎng)[14]。

油田采出液中存在一定量的沙子和固態(tài)雜質(zhì)，臥式重力三相分離器運(yùn)行一段時(shí)間后，容器底部會(huì)有不同程度的泥沙堆積，沉降分離段積沙更為嚴(yán)重。積沙的存在造成容器有效體積變小，液體有效處理能力降低，沉降時(shí)間縮短，甚至還會(huì)阻礙液體的正常流動(dòng)，最終導(dǎo)致三相分離器無(wú)法正常運(yùn)行。因此，要根據(jù)采出液含沙量情況定期對(duì)三相分離器進(jìn)行合理的排沙處理。

3.3流場(chǎng)流型

當(dāng)介質(zhì)在分離器中的流動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)表現(xiàn)出良好的流動(dòng)特性。分散相在分離場(chǎng)中的分離過(guò)程可視為隨連續(xù)相以流場(chǎng)平均速度沿設(shè)備軸向運(yùn)動(dòng)與在重力場(chǎng)作用下相對(duì)于連續(xù)相以沉降速度向分離界面運(yùn)動(dòng)的合成。當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)速度分布不均、有較大的速度梯度時(shí)，由于液滴所受曳力不對(duì)稱，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，加之粘性效應(yīng)，流場(chǎng)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)溝流、短路流等不利于油水分離的現(xiàn)象。所以，在大多數(shù)臥式重力式三相分離器入口區(qū)域后部都設(shè)有不同形式的整流部件(豎板、橫板、田字格、孔板等)，以調(diào)整流場(chǎng)流型并抑制原油起泡，使來(lái)液流型盡快處于層流狀態(tài)，有助于油水分離[15]。

3.4聚結(jié)效應(yīng)

由液滴沉降理論和聚結(jié)機(jī)理可知，聚結(jié)效應(yīng)可顯著提高油水分離效果，選取適當(dāng)?shù)木劢Y(jié)構(gòu)件可增加油水乳狀液的粒徑、加快沉降速度，從而提高三相分離器的分離效果。聚結(jié)效應(yīng)對(duì)油水分離效果的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是油水混合物的性能，包括成分、密度、黏度以及分散相的尺寸等。另一方面是聚結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)對(duì)液滴的聚結(jié)沉降影響很大。所以，應(yīng)根據(jù)工況和處理?xiàng)l件合理選擇聚結(jié)構(gòu)件[16]。

3.5停留時(shí)間

目前三相分離器的設(shè)計(jì)主要是基于液滴沉降理論完成的。三相分離器的設(shè)計(jì)要滿足氣-液分離要求，同時(shí)滿足液-液分離要求。一般來(lái)說(shuō)停留時(shí)間越長(zhǎng)，分離效果越好。但停留時(shí)間變長(zhǎng)，必然帶來(lái)設(shè)備尺寸的增大。因此，選擇停留時(shí)間時(shí)必須綜合考慮，在滿足分離要求的前提下越短越好。

4 結(jié)語(yǔ)

文中闡述了油田中常用的油、氣、水分離設(shè)備——臥式重力三相分離器的工作原理以及油、氣、水分離中液滴的運(yùn)動(dòng)理論，討論了三相分離器運(yùn)行參數(shù)、入口含氣量、入口含沙量、流場(chǎng)流型、聚結(jié)效應(yīng)和停留時(shí)間等因素對(duì)分離器原油分離效果的影響，對(duì)如何提高三相分離器分離效果具有指導(dǎo)意義，為臥式重力三相分離器的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了一定的依據(jù)和參考。

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(張編)

FactorsAffectingofHorizontalGravityThree-phaseSeparator’sSeparationEffect

SUNLi-qiang1，2，WANGDi1，2，ZHUHong-bo2，GAOXiang2，WEIYao-dong1

(1.China University of Petroleum， Beijing 102249， China； 2.Karamay Vocational & Technical College， Karamay 834000， China)

The oil well production material is usually contain a mixture of oil，gas，water and some impurities，the production material must be separated before transporting to outward. Oil，gas and water preliminary separation process mainly adopts three-phase separator completed，and with more precise separation. Three-phase separator separation effect directly affects the quality of the transmission process fluid. The commonly used horizontal gravity principle of three-phase separator and droplet movement theory has been introduced，the operation parameters of separator，inlet air content and sediment concentration，flow field model，the coalescence effect，and residence time on the influence of the three-phase separator separation effect has been discussed，and reasonable suggestions to improve the separation effect of three-phase separator has been put forward，these content can provide a certain basis for three-phase separator design and operation.

three-phase separator； separation effect； migration theory； affecting factor

TQ051.8； TE868

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.007

1000-7466(2017)02-0034-05

2016-10-08

克拉瑪依市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Sk2015-31)

孫立強(qiáng)(1986-)，男，遼寧阜新人，講師，中國(guó)石油大學(xué)(北京)博士研究生，主要從事多相流動(dòng)理論與分離技術(shù)、化工設(shè)備無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究。