仰角式油水分離器概述

魏旭夢(mèng) 郭 琳

(.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065)

關(guān)鍵字：仰角式；原理；結(jié)構(gòu)；優(yōu)越性；

目前，隨著油田不斷生產(chǎn)中，很多油田在在開采中后期伴隨著許多新問題的出現(xiàn)。大部分油井單井產(chǎn)量不僅逐漸降低而且單井采出液的含水率不斷升高，在后期處理上成本升高利潤降低，

而在使效率不變或者增高的情況下實(shí)現(xiàn)低成本高利潤成為研究分離器的關(guān)鍵任務(wù)[1]。重力沉降式分離器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、資金投入較少的優(yōu)點(diǎn)，但重力沉降式分離器有分離精度不高并占地面積較大不易撬裝，重力沉降式分離器設(shè)備通常應(yīng)用于分離介質(zhì)粒徑在100μm 以上的介質(zhì)；過濾式分離

器在分離精度上有較優(yōu)的結(jié)果，但其缺點(diǎn)是在實(shí)際應(yīng)用分離兩相或三相介質(zhì)過程中容易發(fā)生較大的機(jī)械損失，不定期的檢查濾芯或換濾網(wǎng)并需要不斷替換濾網(wǎng)或?yàn)V芯，這樣做便會(huì)增加了過濾式分離器更換的成本與維護(hù)的資金他，投入資金過大 [2-3]。

1 仰角式油水分離器分離原理

首先仰角式分離器與水平面呈有一定的角度，溶液介質(zhì)通常為油水混合物，大部分為從油井出來的采出液或進(jìn)行初分離后的油水混合物，本文主要以油水采出液為例。當(dāng)油井采出液進(jìn)入容器內(nèi)部時(shí)，因?yàn)橛退拿芏炔煌?，由于密度差油水兩相開始分開，上端為容器內(nèi)采出液中初分離的油相，下端為水相，中間為油水混合物，仰角式分離器主要是分離容器中的油水混合液。容器內(nèi)上端的油相形成主要是采出液中的油相由于浮力作用逐漸脫離出來，并滑動(dòng)到分離器的上端形成一層可以連續(xù)滑動(dòng)的油膜，混合液中的油相不斷脫離并且上浮到上端與油膜匯合；混合液中水相由于水的重力作用，逐漸向下流動(dòng)到分離器的下端，從下端的水出口流出。油水采出液不斷地進(jìn)入分離器，上端分離出的油相從上端出油口出去，下端分離后的水相的從出水口流出[5]。仰角式油水分離器設(shè)備主要應(yīng)用于高含水油井采出液中，油井采出液中的含水率高于75%，而容器中油水兩相水相是靠重力分離，油相是依據(jù)浮力分離，因?yàn)樗嗾紦?jù)溶液介質(zhì)的量較大，所以分離原理主要是重力分離[4]。

而仰角式分離器的沉降速度主要是根據(jù)淺池原理，淺池原理解釋如下：容器水平放置時(shí)，容器的長為L，高為H，容器中油相油滴的浮升面積為S=ΠRH，當(dāng)容器與水平地面呈有一定的角度α 時(shí)，容器中介質(zhì)水平流速為V，液滴沉降速度為U。水平放置時(shí)有如下關(guān)系L/H=V/U，當(dāng)容器角度為α 時(shí)H=Hcosα，保持L 和V 不變，這時(shí)關(guān)系式保持不變，改變傾斜角的角度，液滴沉降速度逐漸變小，這時(shí)容器中油相油滴的浮升面積為S=ΠRHcosα；在保持容器體積不變的情況下，在容器的高為1/3 處加入水平隔板，這時(shí)H=H/3，V 和U 保持不變，這時(shí)L=L/3，容器容積縮小但液滴沉降速度不變，分離效率保持不變；當(dāng)L 和U 保持不變，H=H/3 等式不變，這時(shí)入口流速V 變?yōu)樵瓉淼? 倍，這時(shí)容器的分離效率提升到原來的3 倍；假設(shè)容器放置n 個(gè)水平隔板，這時(shí)容器的高變?yōu)镠=H/n，根據(jù)等式這時(shí)容器中去除懸浮物的效率變?yōu)樵瓉淼膎 倍，如圖1 所示。

圖1 淺池原理結(jié)構(gòu)圖

2 仰角式分離器結(jié)構(gòu)

仰角式油水分離器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分離器主要由兩部分組成分別是支架和分離罐，支架上方放置傾斜放置分離罐分。分離器內(nèi)部主要由油出口、水出口、填料、布液口、油水界面儀和取樣口這幾部分組成。在分離器上端設(shè)置油水進(jìn)口，油水進(jìn)行分離時(shí)水相的的油滴凝聚到分離器的上部油出口，分離后的水相到達(dá)水出口。本文仰角分離器結(jié)構(gòu)設(shè)置為長徑比為20，直徑設(shè)為0.9m，與水平面呈12o，分離器的中部偏上部位裝置入口布液器與下端水相出口相距14m。分離器內(nèi)部裝置大約1m 長的波紋板組兩段構(gòu)成聚結(jié)填料，兩段間隔6m，第一段波紋板組在距離入液口3m 處，第二段在距離第一段波紋板組6m處，波紋板由陶瓷材料構(gòu)成板間距為20mm。

圖2 仰角式分離器結(jié)構(gòu)圖

3 分離效率

本文模擬采用的介質(zhì)為油水混合物中水相占混合物的90%，混合物中水相的密度：1 000 kg/m3，動(dòng)力黏度為：1 mPa·s；油相密度為：870 kg/m3，動(dòng)力黏度：51 mPa·s。設(shè)計(jì)壓力在0.4MPa，操作溫度50℃，最大進(jìn)液量為300m3/d，設(shè)備容積大小為1.18m3，仰角度數(shù)為12°。

通過模擬計(jì)算得出油水分離器的油水分離效率可達(dá)90.48%，在油出口端與水出口端的模擬數(shù)據(jù)顯示，水相的比例占油相的57.5%，油相的比例占水相的0.95%，通過數(shù)據(jù)可知仰角式分離器在同樣的油井采出液處理下與傳統(tǒng)的分離器相對(duì)比，分離效率提升了29.26%。這主要是因?yàn)橛退旌弦哼M(jìn)入分離器設(shè)備后油相通過浮力作用，水相通過重力作用，由于各相密度差的作用下開始油水分離。將分離器提升一定的高度意味著分離器內(nèi)的油水界面在進(jìn)行分離時(shí)，油水波動(dòng)面積增加，波動(dòng)程度提升，分離效果提升。

4 仰角式分離器優(yōu)越性

1）因?yàn)榉蛛x器與水平面具有一定的傾角，在地心引力的作用下，油水混合物在進(jìn)行油水分離時(shí)會(huì)自動(dòng)向水出口流動(dòng)，容器內(nèi)的容積增大，因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)只存在水堰板和油堰板，溶液在進(jìn)行分離時(shí)的阻礙空間降低，也就是所謂的“死區(qū)”，設(shè)備的容積被充分利用分離效率提升。

2）仰角的存在增大了油膜的滑動(dòng)速度，使得油膜厚度可以有效地降低，油相液滴聚結(jié)的時(shí)間降低，更快的達(dá)到分離的效果。同時(shí)油相液滴的聚并時(shí)間提升使得整個(gè)分離效率提升，這樣還可以增大入口流量使得處理量提升。

3）本文油水分離器設(shè)備采取的仰角設(shè)計(jì)，在容器內(nèi)部油水分界面覆蓋的面積比常規(guī)的分離器要大，更重要的是直徑小長度大，這種特性的結(jié)構(gòu)與常規(guī)分離器相比較，仰角式分離器容器中大部分的油相液滴遠(yuǎn)離出水端。這點(diǎn)尤為重要，因?yàn)樵诜蛛x器的容器中油水兩相界面相距水出端的距離越長，油相液滴從水相中分離的時(shí)間就越長，容器中出水水質(zhì)比常規(guī)分離器要好分離效率要高。

5 展望

在大部分高含水油井采出液中，臥式分離器和立式分離器都無法滿足生產(chǎn)的需要，而仰角式分離器可以專門針對(duì)高含水油田來進(jìn)行脫水處理，在相同工況下仰角式分離器解決了油田的高含水問題并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。仰角式分離器處理效率比常規(guī)分離器高，仰角式分離器處理效率高，脫除效果好，單位處理量造價(jià)低。仰角式分離器在處理量上沒有更好的優(yōu)化，在日后的研究中通過合理優(yōu)化分離器的結(jié)構(gòu)來提高分離器的處理量，在保持分離效率不變的情況下提升處理量。