陕西油田水力旋流器

一：除油水力旋流器技术现状 

水力旋流器自20世纪80年代末开始在国内出现,是一种离心分离装置，是利用不互溶介质间的密度差而进行离心分离的。目前，含油污泥的处理一直困扰着各大油田，研究出高效的细颗粒分离水力旋流器成为一种很有潜力的研究方向。将固-液分离用水力旋流器在油田现场推广应用，对提高油田开采的经济效益有很大意义。

在油田开发过程中，油井产出液中不但含有大量的水，而且还有一些固体杂质，其中一部分杂质是非常细小的颗粒(中值粒径100微米左右)，难于处理,若使其直接进入地面水处理系统中，将增大能量消耗，造成工艺管网的堵塞和腐蚀。这些沉淀物如不定期排出，设备处理能力势必下降，处理后的水质达不到指标要求，影响油田的正常生产，设备排出的污泥如果处理不当，又会对环境造成污染。目前油田地面工艺中对固体颗粒的处理的方法主要是采用重力沉降加过滤的方式[1]。但其处理时间长，工作效率较低，成本高。这种处理工艺已逐渐不适应油田开发的经济效益要求，因此快速有效地分离油井采出液中的固体杂质已成为亟待解决的重大技术课题。

同采矿业中的除砂工艺相比，油田含油污水中细颗粒的分离处理有以下几方面的特点：

(1)颗粒浓度通常很小，一般在0.01%～1%左右;

(2)颗粒直径非常小，一般只有几十微米左右;

(3)颗粒密度小，通常与水相差不多;

(4)细颗粒存在于含有油、气等成分的多相混合介质中，粘度大，混合介质的组成复杂;

(5)混合介质中气的存在又给分离过程增加了不稳定的因素。这些客观因素的存在都使细颗粒的分离难度加大。

地下采出的原油中一般都伴有大量的天然气和其它杂质(砂子、水、盐类、悬浮颗粒等)，这不仅会使输送困难，腐蚀输油管线，加剧设备的磨损，更主要的是会给炼油厂及化工厂的生产带来困难。因此，必须在石油矿场上对从井底采出的油气进行净化处理。长期以来，油田地面工程中的分离处理过程主要采用重力分离流程。这种常规生产流程普遍存在大型设备多、占地面积大、工程造**、流程不密闭、系统压力利用不充分等问题。此外，目前我国老油田的平均含水率已达到85%以上，而且随着油田的不断开发，含水还在不断上升。由此导致现有处理系统的负荷增大，技术改造连年不断，所用设备越来越多，流程日益复杂，规模日趋庞大，投资不断增多。

采用重力沉降的方法对固体颗粒杂质进行处理，不但时间长(通常需要几个小时)，而且工作效率较低，不能有效地降低细颗粒杂质的含量。工艺中不得不采用压力过滤等方式加以进一步处理。由于进入过滤设备的颗粒含量高，使其反冲洗频率加大，进一步增加了原油开采的成本。针对这一工程实际问题，国内各油田虽开展了一些研究工作，如“加药破乳—热洗—压滤—含油泥饼焚烧”等，为油田发展提供了一定的技术支持，但一直没有大的突破。

目前，各大油田相继进入高含水、高含砂阶段，导致现有的除砂、脱水处理系统负荷越来越大，技术改造连年不断、所用设备逐年增加、流程越来越复杂、规模越来越大，从而造成成本越来越高。针对这一实际情况，旋流分离必将作为重力分离的一项替代技术成为21世纪国际油田地面工程中的主体技术和重要装备。

进入20世纪80年代以来，油田地面分离技术进入重大技术发展时期。这类设备主要以静态水力旋流器和动态水力旋流器为典型代表，因其体积小、处理时间短，因而日益引起国际石油工程技术界的广泛关注。一方面各石油生产厂商竞相在工程中采用该技术，另一方面有关科研部门也在致力于这一技术的开发研究。十多年来的科学研究及工程实际应用结果表明，旋流分离技术作为一种高效分离技术[2]，由于其**的优势，适用场合并不仅仅局限于污水除油处理方面，如同重力分离技术一样，在原油脱气、脱水、除砂、除颗粒以及气体、原油、污水净化和污泥脱水等方面都存在着技术经济上的可行性和工程应用的广阔前景。




二：除油水力旋流器的发展 

回顾旋流技术的发展，其出现可以追溯到19世纪末，即1891年E.Bretney在美国获得的世界上**个旋流分离器**权[3]。20世纪50年代后旋流分离技术开始在世界各地得到推广，并出现一些综合性能较好、几何形状相对稳定的旋流器结构模型，同时，对旋流分离机理研究也逐步为人们所重视。此后，旋流分离技术的应用得到广泛发展，一项新的固液分离的革命正在席卷**。

国内在旋流分离器方面的研究起步较晚，较早开始于20世纪80年代末期，主要由石油大学、东北大学、大庆石油学院、四川联合大学、清华大学等高校和江汉石油机械研究所等科研部门相继开展了旋流分离技术的开发研究工作。在理论上，我国相继出版了该领域的相关学术专着，其中较具有代表性的是徐继润、罗栖着的《水力旋流器流场理论》和庞学诗编着的《水力旋流器工艺计算》。这两部专着的问世对我国水力旋流器的发展起了较大的推动作用。这些研究在很大程度上促进了我国水力旋流器技术的发展

从研究的内容上来看，在较近的10年，研究者们对水力旋流器的研究逐渐由流场基本理论研究转向了结构试验研究。一些学者围绕提高效率和降低能耗等问题进行的单因素物理样机试验，对旋流器机理与节能方面的一系列单因素物理样机试验和结构优化方面的研究等。另外，针对不同的应用环境提出了各种不同结构类型的水力旋流器，如充气式水力旋流器、注水旋流器、磁力旋流器、浮选旋流器、过滤式水力旋流器、环流旋流器等。所有的这些研究都在不同程度上满足了生产要求，促进了旋流器的发展。




三：除油水力旋流器的原理 

水力旋流器是一种应用非常广泛的非均相混合物分离设备。水力旋流器工作的基本原理是将具有一定密度差的液—液、液—固、液—气、气—固等两相或多相混合物以一定的压力(或初速度)有切向进料口进入水力旋流器内部，流体的压力能转为流体的动能在旋流器内部做高速的旋转运动，流体在运动过程中产生很强的离心力场，使混合物中密度(或直径)较大的组分(粗相)在离心力的作用下，在旋转运动的同时向下、向外运动，较终形成外旋流以底流的形式从底流口排出;而密度(或直径)较小的组分(轻相)在旋转运动的同时向内、向上运移，较终形成内旋流以溢流的形式经溢流口排出，从而完成分离任务。




四：除油水力旋流器的优点 

尽管水力旋流器的结构比较简单，但决定其压力特性及分离性能的却是旋流器内部复杂的流场，而流场内的流动机理则是至今仍未能很好解决的一大难题。水力旋流器之所以日益为更多的部门所重视，是因为它具有一般的分离装置所不具备的优点：

(1)功能多，分离效率高

水力旋流器可根据实际应用的需要在不同场合下使用。水力旋流器在应用中分离效率可达90%以上，用途十分广泛。

(2)结构简单

水力旋流器内部没有任何需要维修的运动件、易损件和支撑件，也*滤料。其结构与容器十分相似，管线连接、阀门控制可实时操作。成本低，在处理量相同时只相当于其他分离设备的几分之一，甚至几十分之一。

(3)占地面积小、安装方便、运行费用低。

与处理量相同的其他装置相比，水力旋流器的体积只有其他处理装置的十几分之一，重量只有三、四十分之一，这对于许多受空间限制的场合，如海洋平台等有着特殊的意义。同时，由于重量轻，不需要特殊的安装条件，只需简单的支撑及管线连接即可工作。另外，水力旋流器运行费用很低，如系统管路中有0.5MPa以上的压力，不需要其他动力设备水力旋流器即可正常运行。

(4)使用方便灵活。

水力旋流器可以单独使用，也可并联使用来加大处理量，或串联使用增加处理深度。同时还可以根据不同的处理要求改变其结构参数以达到更好的分离效果。此外，由于被处理的液体在水力旋流器内的存留时间仅为几秒钟，这样可以很方便地和其他分离装置联合使用，以达到各种深度的处理要求。

(5)工艺比较简单，运行参数确定后可长期稳定运行，管理方便，有着明显的社会效益和经济效益。特别值得指出的是，这种分离过程完全是在封闭的状态下进行的，净化后的液体和分离的介质均可由管道输送回收，实现了闭路循环，不产生二次污染。




五：除油水力旋流器的缺点 

当然，水力旋流器和其它装置一样也有其自身缺陷，主要表现在以下几方面：

(1)对运行条件要求高

虽然各种水力旋流器的结构相似、分离原理相同，但其应用都需根据处理介质的性质、进料浓度和流量等的不同而专门设计，并确定其操作条件。它们的分离特性在很大程度上受到进料的压力和混合物的性质等因素的影响。

(2)分离过程同样为不完全分离

水力旋流器和其它许多分离装置一样是不完全分离。同样是固-液分离，当颗粒直径过小时就很难分离，但只要合理确定切割值，完全可满足工艺规定的要求。

(3)水力旋流器内部的高速旋转运动会对分散相液滴产生剪切破碎而不利于分离水力旋流器中介质的分离是依靠液体在其内部高速旋转所产生的涡流的作用下实现的。液体在高速旋转运动时产生剪切力，这种剪切力会使絮凝体或聚结团块破裂，加大分离的难度。

(4)高速旋转对旋流器内壁会产生一定的磨损

在固-液水力旋流器中，固体颗粒在其内部高速旋转是，可能会对水力旋流器的内壁产生严重的磨损，影响分离效果及使用寿命。如在用水力旋流器处理钻井泥浆时，坚硬的岩屑会较大地损伤水力旋流器内壁，这曾是水力旋流器使用中的一大难题。当然，这一问题现在可以通过新型耐磨高硬度材料的研制而加以改善。




六：除油水力旋流器在原油处理中的意义及使用价值 

尽管水力旋流器有一定的缺点，其应用也受到某些条件的限制，但它仍不失为一种非常理想的分离设备。由于水力旋流器所具有的明显优势，其应用领域已从采矿工业发展到海上及陆上石油工业。中国石油天然气总公司(现中国石油天然气股份有限公司)曾将旋流分离技术的研究列为“九五”重点攻关项目，相应地也取得了一些可喜的研究成果。

目前，采用水力旋流技术分离油井产出液中细颗粒被认为是一种有效的方法。[4-6]国内外学者目前所完成的工作，都是对水力旋流器分离理论及分离特性研究的有益探索，对本课题开展有很高的参考价值。

近年来，我国许多油田也在积极进行水力旋流器的应用试验研究，并已显示出良好的前景，油水分离用水力旋流器已应用于生产实际，并取得了良好的效果。水力旋流器功能多、结构简单、占地面积小、安装方便、运行费用低、使用方便灵活、工艺比较简单，特别是分离过程实现闭路循环，不产生二次污染。尤其是水力旋流器中高速离心力产生的加速度为重力加速度g的几百倍甚至上千倍，对于固-液水力旋流器来说可较大地改善处理效果，减少进入后续工艺中的细颗粒杂质含量，降低后续工艺的处理难度。开展细颗粒分离用固-液水力旋流器的研究，其目的就是要快速有效地完成污水中固体颗粒(尤其是细小颗粒)的处理，减少设备投资，减小占地面积，简化工艺流程，降低运行成本。因此细颗粒分离用固-液水力旋流器的研制将会促进产出液分离技术水平的进一步提高，对降低原油采出成本有着较其重要的意义。