黃 柯,向水生

(中藍長化工程科技有限公司，湖南長沙 410116)

在鉆井水溶油墊對流工藝法中，不飽和度較高的淡鹵水往往匯集在溶腔液面的上部，加速頂板的上溶，不僅溶腔的形態(tài)不易控制，而且會造成礦層頂板的過早暴露和垮塌，實際生產中，在溶腔中注入一定量的柴油，使之在淡鹵水的液面和頂板之間形成一個隔離層，保護頂板。溶浸采出的鹵水中會混有少量的柴油，柴油的流失會導致生產成本的提高，還會造成后續(xù)加工工藝的難度和產出成品的純凈度，所以必須對鹵水中的柴油進行必要的分離和回收。

1 鉆井水溶行業(yè)油水分離現狀

目前國內鉆井水溶行業(yè)的分離技術基本還處于重力分離法的初級階段，利用鹵水在儲罐中的緩存時間，密度較小的柴油顆粒浮升至液面上層，再通過溢流的方式收集液面表層的柴油，儲罐必須有足夠大的容積才能保證鹵水的停留時間。儲罐中浮油層與鹵水的接觸面積大且停留時間長，極易在油鹵界面上形成大量的乳化液，給后續(xù)分離造成一定的難度，其次來自采區(qū)的鹵水在儲罐緩存過程中流態(tài)往往較難控制，小顆粒的油滴缺乏相互碰撞的條件，乳化油和溶解油難以形成大顆粒的油滴加速上浮。利用儲罐進行油水分離不僅設備占地面積大，而且分離效率較低。通過物理方式提升油水分離效率的方法主要有兩種，第一種是采用多層板結構增大油珠浮升的面積，第二種是采用聚結技術，小顆粒的油滴合并為大顆粒后增加上浮速度?；谏鲜鲈淼木劢Y板式油水分離器在發(fā)電廠、煉鋼廠和油田等行業(yè)使用較廣，但在鉆井水溶行業(yè)暫未推廣使用，主要基于以下幾個因素：

(1)鉆井水溶采出的鹵水量達數千立方米每小時，目前聚結板式油水分離器的處理量普遍偏小。

(2)采出的鹵水中往往會夾帶一定量的不溶物和泥沙，特別是在建槽階段，會混入未完全溶解的大顆粒鹽，聚結之前需要對鹵水進行沉砂處理。

(3)鹽類礦物的溶解度會隨著溫度區(qū)間的不同，溶解度呈非線性變化。受地溫影響采出的鹵水溶解度較高，在采集鹵管網輸送鹵水過程中，隨著熱量的散失，會有固體顆粒鹽析出。

根據鉆井水溶采出鹵水的性質、工況以及固、液、油分離的基本原理和特點，聚結板式油水分離器的結構需進一步的優(yōu)化和提升。

2 聚結板式油水分離器結構形式

目前，常用聚結板式油水分離器的結構有臥式和箱式兩種型式，臥式一般用于在線連續(xù)式帶壓生產，箱式一般用于大流量的污水處理。鉆井水溶油水分離更適宜用箱式結構，優(yōu)化后的設備結構見圖1。沿箱式結構的長度方向將箱體分為幾個功能區(qū)塊，分別為沉砂區(qū)、流體分布區(qū)、分離區(qū)、沖洗區(qū)、集鹵區(qū)，同時增加波紋板組清洗用起吊設備和沖砂系統(tǒng)。

圖1 鉆井水溶用聚結板式油水分離器Fig.1 Coalescing plate type oil-water separator for drilling water solution

2.1 入口構件的設計

沉砂區(qū)的作用是實現固、液、油預分離，同時消除一部分流體動能，穩(wěn)定流體流態(tài)。入口構件的結構型式對沉砂區(qū)內部流場具有重要影響。

入口構件的結構型式經過幾十年的發(fā)展，已經集合成多種功能，具有一定的液、油、氣三相預分離作用，同時還具有消能作用和對流態(tài)的低擾動性，近年來不斷發(fā)展的重力消能和水洗作用，使得預分離作用進一步加強。較具工程實用價值的結構型式有離心式構件、下孔箱式構件和上述兩種構件的整合使用三種方式。

離心式構件具有較強的預分離作用，采用多個并聯(lián)旋流管。密度較小的氣、油沿管中心的內旋流向上運動，從旋流管上部排出，其他水流通過旋流管底部小孔射流消能后進入沉砂室。離心式構件可充分利用返出鹵水的管網余壓形成旋流條件，并對物料中的溢出溶解氣和夾帶氣進行預分離。單一旋流管生產能力有限，故需采用多個旋流管并聯(lián)使用。

下孔箱式構件采用小孔向上射流的方式。向上射流的過程中，流體不僅要克服本身的重量，還需克服周邊流體的阻力，同時射出的流體會使周邊的流體形成旋流效果，增加了液滴直接碰撞和溶和的機率，水相結合程度更高。下孔箱式構件制作工藝簡單，工程實用性更強[1]。

鉆井水溶油水分離器從工程實用性的角度出發(fā)，參照下孔箱式的工作原理，采用“丨”或“H”的管式布液器，上玄面等間距布置射流孔。管式布液器具有耐壓、耐沖擊性強的優(yōu)點，同時底部預留一定的空間，易于形成返流條件和排砂。

2.2 沉砂區(qū)的設計

平流沉砂室應其結構簡單，適用性強，目前使用的較為普遍，但在實際應用方面，也存在一定的問題，如水流在斷面上的分布不均，局部短路，沉砂室底面坡度和錐形結構設計不合理。常規(guī)結構設計也是通過消能處理，局部斷面水流優(yōu)化等手段減少對沉淀效果的干擾，設計上再進行改進的效果不明顯。

鉆井水溶采出的鹵水中往往會夾帶一定量的不溶物和泥沙，沉砂室需有一定的容積才能滿足平流的分離要求；另一方面，為滿足采輸鹵管道的輸送要求，采鹵井和管網中的壓力一般都維持在數個兆帕，在加壓輸送過程中，會使得部分空氣溶入到注劑中，同時溶腔中也會溶入少量氣體。返出鹵水進入到沉砂室卸壓時，其中的溶解氣體會生成無數的微小氣泡，微小氣泡會迅速吸附鹵水中的懸浮油滴，降低了油滴的整體比重，從而創(chuàng)造相對有利的上浮條件。為滿足氣泡上浮的時間需求沉砂室也要求有一定的容積。

設計手段上首先采用FLUENT軟件進行流動特性的模擬，匹配入口構件的設計，使沉砂室底部夾帶泥沙的流體，盡量返流匯集到排泥點附近；其次根據生產工況，對于單點錐頂式難以有效匯集沉砂的情況，可采用多點錐頂式設計，降低錐頂段高度，節(jié)省設備整體架空的土建成本。

2.3 流體分布區(qū)

水流在進入聚結器之前需要對流態(tài)進行預控制，盡量使水流保持層流狀態(tài)。傳統(tǒng)的結構有柵格式和孔板式，后續(xù)發(fā)展的分布器結構也基本上是上述兩種結構的改型，如豎板、橫板分布器等。從流動特性分析，孔板式更能有效的消除紊流、短路、返流現象，結構也比較簡單，構件所占空間小。

布水結構一般采用單層或雙層布置，如采用雙層，則第一層用于沉砂室的防波，流體進行預分布；第二層使流體在斷面上的布液更加均勻，流速差異最小。鉆井水溶行業(yè)需考慮飽和鹵水的析鹽問題，需對流體分布區(qū)的構件進行設計優(yōu)化。

流體分布區(qū)的入口采用活動式柵欄，不僅可以防波，還能起到隔離雜物的作用，同時還可以根據析鹽情況，隨時吊運清洗；設置成液面下排入口，可以使沉砂室預分離的大顆粒油滴進行二次循環(huán)，提升下層流體中與微小油滴相互碰撞的機率，提高波紋板的使用效率，增加浮升速度；在排入口處設置導流堰板，規(guī)劃不同含油量流體的分層流動路徑，使流體在縱向斷面上分布更為合理。

2.4 分離區(qū)

聚結件是實現重力法油水分離的關鍵部件，聚結件設計選型的合理性直接關系到油水分離的效率和生產維護的便利性。目前主流聚結件為橫向進水的波紋板聚結件，其優(yōu)點是波紋板相對于平板，具有更大的表面積；水流在波紋板之間，產生“之”形波動的流態(tài)，更有利于油滴的碰撞和聚結。再者，通過對波紋板的選材和表面處理，使其下表面具有親油性，上表面具有親水性，通過上述手段，波紋板具有高效的分離效率[2]。

波紋板結構在輸送飽和鹵水時，流動條件對晶粒的形成、長大以及在過流面上固結都會有較大影響。根據飽和鹵水輸送經驗，器壁盡量平直，過流面外形沒有突變，表面光潔。雖然傾斜布置的波紋板能排出一部分的固體顆粒，但固結在表面的析鹽難以實現自動清理。設計手段上很難再去提升波紋板的分離效率，實際工程中從設備可靠性和維護便利性的角度出發(fā)，波紋板采用整裝的模塊化設計，空間上預留一組備用，及時置換。充分利用波紋板結構的分離高效性，同時也較好解決了析鹽、結垢等問題。

針對分離區(qū)的特點，設計采用管道多點式除砂系統(tǒng)，布置多路管道，管道上每隔一段距離設置細支管，支管的噴口方向根據沉淀物可能的形態(tài)進行設置，可在不停產的工況下進行沖洗除砂，極大地提高了設備運行的效率和可靠性。

2.5 沖洗區(qū)

在油水分離區(qū)合建一處沖洗區(qū)，當柵欄、波紋板結構有析鹽、結垢現象影響生產時，及時進行置換，清洗后備用。

3 結語

文章借鑒其他行業(yè)油水分離器的設計經驗和發(fā)展方向，探討波紋板聚結油水分離器在鉆井水溶行業(yè)的應用前景和設計優(yōu)化方案，尋求最合理的解決方式，對以后類似工程的設計有一定的參考價值。匹配生產工況的模塊化設計、多重物理分離技術的集合是下一步工作的思路。