旋流分离技术研究及其应用

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第５期蒋明虎：旋流分离技术研究及其应用
左右，水中含油质量浓度降到２０００ｍｇ／Ｌ以下；水出口
再经一级旋流处理后，含油质量浓度可降到１０００
ｍｇ／Ｌ以下．同常规工艺流程相比，采用旋流分离设备实
现中转站提前放水，可节约一次性投资，并且每年可
节约耗电费用．同时，由于设备占地面积小及联合站处
理工艺的简化，还可节省土地资源，产生显著的经济效
益和社会效益［２９。

．该技术成果已在大庆油田的７座中
转站获得推广应用（见图２），每年处理采出液的规模达
１１５０万ｔ，累计可为油田创造经济效益６０００余万元．
在井下分离方面，如采用预分离旋流器与双流泵相图２水力旋流器在油田采出液预分离方面的应用
配合，可直接在井下对采出液进行处理，使其含水率由９０％以上降到５０％～８０％，在降低原油地面处理成本的同时，也简化了油田地面水处理工艺及设备［３１－３引．随着采出液含水率的不断提高，实施井下旋流分离及同井注采工艺将成为油田未来稳产的一个主要方向．
２．１．３相关配套技术
在研究中，探讨旋流分离技术在应用中需要注意和考虑的问题［３４｜，并对油田含油污水处理系统工艺及配套设备开展研究，包括聚结、增压方式、工艺方案设计及不同处理介质条件等［３５－４３］．增压方式的选择对旋流处理效果产生较强的影响．容积式泵对于避免油滴的二次乳化有很好的作用，有利于保证旋流分离的高效性，但是成本高、处理量相对较小，因此在满足处理指标的情况下，尽量采用离心泵等常规增压泵．其次，通过采用合理的聚结设备可在一定范围内适当加大油珠粒径，保证旋流分离效果．另外，旋流分离设备的高效应用还取决于与油田生产工艺的合理配合，包括处理介质的特性、前后工艺设备的衔接等．２．１．４含聚污水处理
在２０世纪９０年代，开展了针对聚合物驱油田含油污水旋流处理的前期研究工作［４４＿４６｜，为后期大庆油田三次采油中地面水处理工艺提供借鉴和技术支持．同时，针对含聚污水难处理等问题，加大了对其他类型旋流分离设备的研究力度，如动态旋流器Ｈ６－６引、复合式旋流器［６３．６们等．对这些新结构旋流器的研究，拓宽了研究思路和旋流器应用领域，为不同应用提供更多的选择．
２．１．５气携式旋流分离
为改善油水分离效果，开展气携式旋流分离技术研
究，即：将气体引入旋流器中，以一定的方式形成微小气
泡，小油滴通过与气泡的结合构成油／气复合体，使其“粒
径”增大、与水之间的密度差加大，以提高油水分离效率
（见图３）；研究气体对旋流设备压力特性的影响［７０＿７¨、
不同注气方式［７２＿７５３及微孔材料等［７６－８妇对油水旋流分离
效果的影响，并开展相应的现场试验研究［８２｜．研究结果
表明，通过合理的结构设计和操作运行参数的选取，气携
式旋流器可有效提高旋流分离效果．
２．１．６旋流分离机理及流场特性图３气携式水力旋流器实验在实验及现场试验过程中，通过理论分析及ＬＤＡ激光测速技术，研究了旋流器内部压力场［８３－９６］、速度场‘８７－９８３及其变化规律．采用计算流体动力学（ＣＦＤ）分析软件ＦＬＵＥＮＴ，对旋流器的压力分布、速度分布、相浓度分布等开展研究嘲＿１０５］，并有效地应用在旋流器结构优化设计和操作参数优化等方面．
２．２细颗粒处理旋流分离技术
随着油田开发的不断深入，同时某些地层胶结疏松，生产压差过大，导致采出液的含砂量逐年增加．采出液的大量含砂对地面集输设备造成极大的损害，在油田地面处理工艺中，通常采用重力沉降式装置进行除砂，这种工艺方式简单、可靠，但占地面积大、处理时间长．
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大庆石油学院学报第３４卷２０１０年
旋流器早期的研究和应用就是在固一液分离方面，但其处理介质的密度差和固体颗粒粒径比较大，用在油田除砂方面并不适合．同常规除砂处理相比，细颗粒的分离难度相对大得多．为此，开展针对细颗粒杂质旋流处理的研究工作Ｅ１０６－－１０８３．结合油田的实际特点，开发并设计相应的用于细颗粒杂质处理的水力旋流器结构．通过实验研究，对其结构参数和操作参数进行优选．与卧螺式离心机配合，实现油田污水处理系统中沉降（细颗粒）污泥杂质的旋流浓缩和离心脱水稠化［１０９＿１１３］．其研究成果已经在大庆油田的多座中转站获得推广应用（见图４），解决了油田生产中面临的实际问题．该研究为细颗粒分离水力旋流器在油田的推广应用奠定了基础．
（ａ）旋流污泥处理设备（ｂ）浓鲡及稠化后的污泥照片
图４用于细颗粒杂质处理的水力旋流器及应用
２．３气一液旋流分离技术
在油田采出液中存在压力变化
或溶解气，在地面处理工艺中进行
气液分离是一个重要的工艺环节．
通过采用常规旋流器结构及优化设
计的新型旋流器结构，开展关于气
液分离的理论分析与实验研
究［１１４－１２０｜，认为相对于油一水两相
分离，气体和液体之间的密度差比
较大，容易分离，但要实现高效分
离，需要在结构设计和运行参数优
化方面进行研究．在研究过程中，注
重旋流流场特性与分离性能相结
合，通过流场分析与结构优化，开发
出高效的气液旋流分离结构（见图
５），可实现气体的完全分离（即底流
图５气一液旋流分离器结构优化设计中的气相浓度分布云图
出液口中气体零排放）．此项技术已
在我国某项海洋工程现场试验中获得成功．
２．４其他方面
制造材料的选择是关系到旋流器的使用寿命及制造成本的重要因素之一［１２１｜．针对采用玻璃钢、聚胺酯、不锈钢、普通碳钢及工业陶瓷等材料加工旋流器的设计和制造问题，与相关厂家开展技术合作，开发出多种样机．目前聚胺酯和不锈钢水力旋流器已形成产品，技术也较为成熟．同时，对特殊结构入口流道的加工型式也做了较为深入的研究［１２２｜．
人们一般认为保持流量稳定性是保证旋流器高效分离的必要条件，认为流量的不稳定（如断续流、脉
动流等）将使旋流器的分离效率降低．通过研究，掌握了脉动流条件下旋流器的分离特性和能耗特性的变万方数据
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第５期蒋明虎：旋流分离技术研究及其应用
化规律及其特点［７８’１２３．１２４｜．结果发现，在一定的条件下，流量的脉动对
改善旋流分离效果有时还会起到一定的积极作用，同时其能耗增大的
幅度也有限．
为探索新型旋流器结构，对旋滤器［１２朝和尾管过滤式旋流器‘８２’１２６３
等开展相应的实验研究，同时也分析了可在油田及相关行业推广应用
的其他离心式分离器［１２７－１２８］，如螺旋管分离器等．
针对油田采出液的脱气和除砂，开发出脱气除砂一体化水力旋流
器（见图６），实验效果较为理想，但还需要通过现场试验进一步优化
其结构和参数，为简化油田工艺、降低地面工艺能耗提供借鉴．
通过近２０ａ的研究，东北石油大学对旋流分离技术研究有了更
为深入的认识，取得一些研究成果，也获得１０余项国家发明专利和实
用新型专利．
３结束语图６脱气除砂一体化三相分
离旋流器实验样机
随着化工设备向高效节能和多功能化的方向发展，开发出一机多能的化工新装置已成为２１世纪的技术发展方向［１２９－”引，水力旋流器也因此出现了一些新的结构形式．这些新型旋流器的设计开发对于拓宽思路、改进旋流分离性能、提高旋流分离技术水平将发挥积极的促进作用．
水力旋流器的结构虽然并不复杂，但其分离性能在很大程度上受所处理介质特性的影响，因此针对不同应用场合和条件，必须有针对性地开展研究．旋流分离技术虽然得以长足发展，但在其技术发展过程中有许多技术难题仍需加以解决．该项技术的主要研究方向：
（１）借助理论分析、ＣＦＤ模拟分析和实验研究手段，研究开发出高效低耗的旋流器产品，进一步扩大旋流器的应用范围，提高其经济效益；
（２）设计新型旋流器，进一步改善对低密度差细颗粒混合介质的处理能力，研究将旋流器用于高黏度介质处理的可行性；
（３）设计开发高效的脱气／除砂、脱气／除油或除砂／除油一体化三相分离旋流器，以减少投资，简化工艺、提高处理功效；
（４）突破水力旋流器用于井下采出液处理（油一水分离、气一液分离等）的相关设备及工艺技术难关，为高含水后期油田开发提供强有力的技术支持；
（５）进一步开展旋流处理配套工艺及其技术研究，包括破乳、聚结、低剪切增压及其工艺系统的反馈控制技术等；
（６）在旋流分离技术研究的基础上，开发设计其他离心式机械分离设备．
参考文献：
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旋流分离技术研究及其应用
作者：蒋明虎， JIANG Ming-hu
作者单位：东北石油大学,黑龙江,大庆,163318
刊名：
大庆石油学院学报
英文刊名：JOURNAL OF DAQING PETROLEUM INSTITUTE
年，卷(期)：2010,34(5)
本文链接：/Periodical_dqsyxyxb201005018.aspx。