魏 艷，孟 琦，郟志剛，張遠(yuǎn)弟，劉紅兵

(天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院 石油工程系，天津 301607)

目前，油田井下作業(yè)過程中常采用重力分離的方式實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離，或油氣水三相分離，以實(shí)現(xiàn)油氣水三相的計(jì)量，但還沒有專門用于油水兩相分離的設(shè)備[1-3]。旋流分離器依靠離心力實(shí)現(xiàn)不同密度的介質(zhì)分離，應(yīng)用廣泛[4-7]，但在油田井液分離領(lǐng)域應(yīng)用較少，主要使用的是井下軸流式旋流油水分離器[8-9]。受試驗(yàn)條件的限制，已有研究主要采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，研究旋流分離器的流場特點(diǎn)，據(jù)此優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)[10-12]。但是，在數(shù)值模擬過程中需要做諸多假設(shè)，且受到如網(wǎng)格質(zhì)量、計(jì)算條件等因素的影響，使數(shù)值模擬結(jié)果的可信度有待商榷[13]。針對(duì)地面的旋流油水分離器，郭鵬等[14]進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，但是未見適用于井下作業(yè)領(lǐng)域的油水分離器的相關(guān)報(bào)道[15]。本文將研究旋流油水分離器的影響因素，優(yōu)化其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，獲得最佳使用工況，以期為地面旋流油水分離器的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場應(yīng)用提供試驗(yàn)支撐。

1 油水分離試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

以切向流入式旋流分離器為研究對(duì)象，如圖1所示。油水兩相切向進(jìn)入分離器內(nèi)并形成強(qiáng)旋流流動(dòng)，在離心力作用下，水向被甩向內(nèi)壁面并由排水口排出，而油向在中心形成油核，并在排油口排出。

圖1 油水分離原理

試驗(yàn)加工的旋流油水分離器如圖2所示。油水分離試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要包括攪拌罐、柱塞泵、旋流油水分離器、流量計(jì)、壓力計(jì)、數(shù)據(jù)采集箱、儲(chǔ)水罐和儲(chǔ)油罐等。

圖2 旋流油水分離器照片

圖3 油水分離試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)中，分離器支撐腔內(nèi)可根據(jù)試驗(yàn)需求同時(shí)并聯(lián)放置多個(gè)旋流油水分離器，支撐腔的入口只有1個(gè)，在其內(nèi)部根據(jù)旋流油水分離器的個(gè)數(shù)平均分配流量。出口排油管線與旋流油水分離器直接相連，一一對(duì)應(yīng)，分別取樣。出口排水管線只有1條，保證試驗(yàn)條件一致性的同時(shí)，提高試驗(yàn)效率。例如，優(yōu)化旋流油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)的進(jìn)液口直徑時(shí)，加工不同進(jìn)液口直徑的旋流分離器，同時(shí)裝入分離器支撐腔內(nèi)，1次試驗(yàn)即可獲得相同試驗(yàn)條件下的對(duì)比數(shù)據(jù)。再比如考察工作壓力對(duì)分離效率的影響規(guī)律時(shí)，將3個(gè)相同結(jié)構(gòu)的旋流分離器裝入分離器支撐腔內(nèi)，1次試驗(yàn)即可獲得3組數(shù)據(jù)，求取均值，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過攪拌罐的攪拌，使油水混合均勻。試驗(yàn)過程中，柱塞泵1將油水混合流體增壓輸送至旋流油水分離器，進(jìn)行油水分離，分離出的原油進(jìn)入儲(chǔ)油罐，水進(jìn)入儲(chǔ)水罐。數(shù)據(jù)采集箱實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的壓力和流量，保證工作條件的穩(wěn)定性。試驗(yàn)后，柱塞泵2將儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)水罐內(nèi)的原油和水重新輸送至攪拌罐，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以油水分離效率作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)旋流油水分離器的分離性能。油水分離效率定義為單位時(shí)間內(nèi)排油口的出油量與進(jìn)液口的進(jìn)油量的比值[15]。測量方法是，在取樣口1取5 s油水分離前的液樣，在取樣口2取5 s油水分離后的液樣，分別測量2份液樣中的含油量Q1和Q2，求比值Q2/Q1即為油水分離效率。

單因素油水分離試驗(yàn)采用控制單一變量的試驗(yàn)方法進(jìn)行，具體步驟為：

1) 根據(jù)圖2連接試驗(yàn)設(shè)備，向攪拌罐內(nèi)加入一定比例的原油和水，打開電機(jī)，攪拌均勻，完成試驗(yàn)準(zhǔn)備。

2) 打開閥門1和柱塞泵1，調(diào)節(jié)工作壓力和排量，待數(shù)據(jù)采集箱監(jiān)測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，正式開始試驗(yàn)。

3) 打開閥門2，用量杯在取樣口1取5 s的液樣，打開閥門3(或閥門3’)，在取樣口2(或取樣口2’)取5 s的液樣，測量液樣中的含油量。

4) 試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉閥門1和柱塞泵1，打開閥門4、閥門5和柱塞泵2，將儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)水罐內(nèi)的原油和水重新輸送至攪拌罐。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

影響旋流油水分離器分離效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：進(jìn)液口直徑、排油口直徑、圓錐段角度和圓柱段長度[15]，如圖4所示。在研究結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律試驗(yàn)中，控制工作壓力為3 MPa，單個(gè)旋流分離器的排量為8 m3/d，油水比(原油和水的體積比)為15%、原油黏度為40 mPa·s。

圖4 旋流油水分離器的結(jié)構(gòu)示意

2.1.1 進(jìn)液口直徑和排油口直徑的影響

旋流油水分離器的進(jìn)液口為矩形入口，利用等效水力直徑的方法將矩形的長寬尺寸等效為圓形直徑，進(jìn)液口和排油口的尺寸及對(duì)應(yīng)的結(jié)果，如圖5所示。排油口直徑為3 mm時(shí)，試驗(yàn)后不同進(jìn)液口直徑所對(duì)應(yīng)的液樣對(duì)比如圖6所示。

圖5 進(jìn)液口直徑和排油口直徑的影響

圖6 試驗(yàn)后液樣的對(duì)比

由圖5～6可見，在進(jìn)液口直徑由小而大的過程中，分離效率先迅速上升至最高點(diǎn)，之后緩慢下降。在排油口增大的過程中，分離效率下降，分離效果變差。這是因?yàn)椋瑢?duì)于進(jìn)液口而言，直徑較小則流動(dòng)摩阻較大，而直徑較大則入口流速較低，均會(huì)使油水分離效率較低。對(duì)于排油口而言，直徑越小則越容易在中心油核處形成低壓區(qū)。但是，排油口直徑不能過低，否則又會(huì)增大油流的阻力，不利于分離出的原油的順利排出。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選進(jìn)液口的直徑為12 mm，排油口的直徑為3 mm。

2.1.2 圓錐段角度和圓柱段長度的影響

在試驗(yàn)時(shí)，分別設(shè)計(jì)加工圓錐段角度為5、8、11、14、17、20°，圓柱段長度為30、40、50、60、70 mm的旋流油水分離器，獲取不同試驗(yàn)條件下的油水分離效率，如圖7所示。

圖7 圓錐段角度和圓柱段長度的影響

由圖7可見，在圓錐段角度由小而大的過程中，分離效率上升至最高點(diǎn)后下降，上升與下降的趨勢基本一致，均較為緩慢。在圓柱段長度增大的過程中，分離效率上升，分離效果逐漸變好。分析認(rèn)為，對(duì)于圓錐段角度而言，當(dāng)角度較小時(shí)，形成的旋流強(qiáng)度較小，當(dāng)角度過大時(shí)，旋流強(qiáng)度太大，會(huì)使油滴破碎[16]。同時(shí)，錐角過大會(huì)使圓錐段過短，分離時(shí)間減小，均會(huì)導(dǎo)致分離效率下降。對(duì)于圓柱段長度而言，長度越大則流動(dòng)越趨于穩(wěn)定，越有利于油水分離，當(dāng)然也需考慮設(shè)備的尺寸，不能無限制的增長。在本研究條件下，優(yōu)選圓錐段角度為11°，圓柱段長度為70 mm。

2.2 工作參數(shù)的影響

影響旋流油水分離器分離性能的主要工作參數(shù)是工作壓力和排量，利用優(yōu)選的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合加工旋流油水分離器，通過試驗(yàn)獲得不同工作參數(shù)對(duì)其分離效率的影響規(guī)律，以分析其適用工況。

在研究工作參數(shù)的影響規(guī)律試驗(yàn)中，加工3個(gè)優(yōu)選尺寸的旋流油水分離器，并聯(lián)在分離器支撐腔內(nèi)，1次試驗(yàn)獲得3組數(shù)據(jù)，求取均值。試驗(yàn)中，油水比為15%、原油黏度為40 mPa·s。

2.2.1 工作壓力的影響

控制流量為8 m3/d，選取工作壓力為0.5～5.0 MPa進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取不同工作壓力條件下的油水分離效率，如圖8所示。

圖8 工作壓力的影響

由圖8可見，隨著工作壓力的增大，油水分離效率呈現(xiàn)出先迅速增大后相對(duì)穩(wěn)定最后迅速降低的規(guī)律，表明壓力的變化對(duì)分離效率的影響非常敏感。分析認(rèn)為，當(dāng)工作壓力較小時(shí)，流動(dòng)強(qiáng)度較低，油水未分離就直接由排水口流出。增大工作壓力，油水分離效率急劇變化，流體將獲得一定的速度，并在旋流分離器內(nèi)形成足夠強(qiáng)的旋流，使油水分離效率快速升高。繼續(xù)增大工作壓力，油水兩相流動(dòng)趨于穩(wěn)定，在該工作壓力范圍內(nèi)，水相穩(wěn)定地克服徑向運(yùn)動(dòng)阻力到達(dá)壁面，油相在中心聚集形成油核，分離效率達(dá)到最高并穩(wěn)定在較高的水平。但是，當(dāng)工作壓力超過該范圍時(shí)，由于流體的速度過快，又破壞了流動(dòng)的穩(wěn)定性，使得油水分離效率迅速下降。所以，本研究優(yōu)選最佳的工作壓力為1.5～4.0 MPa。在實(shí)際工作過程中，可通過調(diào)整放噴油嘴的尺寸，使工作壓力控制在最佳范圍內(nèi)。

2.2.2 排量的影響

控制工作壓力3 MPa，排量5～60 m3/d，獲取不同排量下的油水分離效率，如圖9所示。

圖9 排量的影響

由圖9可見，隨著排量的增加，油水分離效率基本持續(xù)穩(wěn)定在最優(yōu)值而后驟降，說明該旋流油水分離器存在一個(gè)工作排量的極限。分析認(rèn)為，在工作壓力確定時(shí)，可以給一定排量的流體提供足夠大的流動(dòng)動(dòng)力，從而使流體獲得足夠強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，保證最佳的油水分離效率。但是，當(dāng)排量過大時(shí)，又面臨流體旋流速度過大的問題，導(dǎo)致穩(wěn)定的油水分離過程遭到破壞，分離效率持續(xù)下降。由此可見，該旋流油水分離器的日處理量應(yīng)控制在45 m3以內(nèi)，才能保證最佳的油水分離效果。

在油田實(shí)際的試油求產(chǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)日產(chǎn)上百方液體的情況，單根的旋流油水分離器將無法滿足工況要求。因此，依據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，將多根分離器并聯(lián)使用，如圖10所示，在保證油水分離效率的同時(shí)，成倍提高油水分離設(shè)備的處理能力。

圖10 并聯(lián)油水分離器結(jié)構(gòu)

2.3 原油物性的影響

控制工作壓力為3 MPa，排量為8 m3/d，選取油水比為5%～40%，原油黏度為10～60 mPa·s進(jìn)行試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)前，固定水的體積不變，根據(jù)油水比量取原油體積，加入攪拌罐內(nèi)攪拌均勻，從而調(diào)整油水比的變化。試驗(yàn)獲取不同原油物性條件下的油水分離效率，如圖11所示。

由圖11可見，隨著油水比和原油黏度的增大，油水分離效率呈現(xiàn)出先緩慢下降而后迅速下降的規(guī)律。分析認(rèn)為，當(dāng)油水比和原油黏度較小時(shí)，對(duì)油水分離效率影響不大。在油水比低于20%、原油黏度低于40 mPa·s時(shí)，油水分離效率雖緩慢下降，但整體分離效率均在90%以上，能夠滿足工程上對(duì)出油量的測量需求。隨著油水比的增加，一定排量流體中的原油量增加，小部分油相未能進(jìn)入中心油核就被水相帶出排水口。當(dāng)油水比達(dá)20%以上時(shí)，油水分離效率快速下降，表明小直徑的旋流油水分離器只適用于低含油的工況。原油的黏度是影響其流動(dòng)性的關(guān)鍵因素，隨著原油黏度的增加，油相的流動(dòng)阻力增大，在工作壓力一定的情況下，流體的旋流運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，導(dǎo)致油水分離效率降低。由圖11可見，當(dāng)原油黏度超過40 mPa·s時(shí)，油水分離效率急劇下降，基本在90%以下，無法滿足工程測量的需要。由此可見，該旋流油水分離器適用于油水比低于20%、原油黏度低于40 mPa·s的工況。

3 結(jié)論

1) 隨著進(jìn)液口直徑的增大，分離效率先增大后減小，圓錐段角度表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。隨著排油口直徑的增大，分離效率逐漸的減小，圓柱段長度則表現(xiàn)出相反的規(guī)律。

2) 隨著工作壓力的增大，油水分離效率呈現(xiàn)出先迅速增大后相對(duì)穩(wěn)定最后迅速降低的規(guī)律。隨著排量的增加，呈現(xiàn)出基本穩(wěn)定在最優(yōu)值而后驟降的規(guī)律。

3) 油水分離效率隨著油水比和原油黏度的增大呈現(xiàn)出先緩慢下降而后迅速下降的規(guī)律。

4) 本試驗(yàn)條件下，旋流油水分離器最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為進(jìn)液口直徑12 mm，排油口直徑3 mm，圓錐段角度11°，圓柱段長度70 mm。

5) 優(yōu)化后的旋流油水分離器的最佳工作壓力為1.5～4.0 MPa，日處理量控制在45 m3以內(nèi)，適用于油水比低于20%、原油黏度低于40 mPa·s的工況。