孙晓丽，高东宇

（1.广西液化天然气工程项目部，广西北海536000；2.上海众一石化工程有限公司广西分公司，广西北海536000）

多杯等流型分离器物料优选实验研究

孙晓丽1，高东宇2

（1.广西液化天然气工程项目部，广西北海536000；2.上海众一石化工程有限公司广西分公司，广西北海536000）

利用多杯等流型分离器来提高油水分离效果的技术在其实际应用过程中，取得了一定的成果，在对其大量的研究过程中，我们发现分离器内部填充物料的类型会对其油水分离效果产生一定的影响。为了研究其影响程度，我们采用理论分析和室内实验相结合的方法，对沉降杯中所能添加的15种滤料，在不同含水率的油水混合液下进行了油水分离实验，并分析了产液量、分离器进液量、滤料直径等对油水分离效率的影响，为多杯等流型分离器的油水分离效果提供重要的实验依据。

油水分离；滤料颗粒；含水率；多杯等流分离器

鉴于我国油田采出液含水率逐年上升的整体趋势，专家学者们都在多方面努力探寻降低采出液含水率的方法。于是，油水分离效果的研究越来越引起人们的重视，很多专家致力于研发一款提高油水分离效果的仪器，多杯等流型油水分离器就这样渐渐进入人们的视野。它是建立在油气密度差的基础上，通过延长油井产出液在沉降杯中的滞留时间来提高脱气效率的新型重力式油水分离器。

在对多杯等流型分离器油水分离效果的大量实验研究中发现，其内部的填充物料可以进一步优选。为了提高此种分离器的油水分离效果，对此分离器其沉降杯中所能够添加的覆膜石英砂、压裂支撑陶粒、无烟煤、椰壳活性炭等15种滤料，在不同含水率的油水混合液下进行了油水分离实验。记录了进、出口油水混合液含水率以及出口流速等实验数据，分析了同种物料产液量、分离器进液量、滤料直径等对油水分离效率的影响，为多杯等流型分离器的油水分离效果提供重要的实验依据[1]。

1 过滤理论

1.1 过滤机理

过滤本身是一个包括表面化学、胶体化学和水流流场动力等共同作用的复杂过程。油滴在沉降杯中的聚结会受到其颗粒和滤料本身的物理化学性质、油水混合液的特性、滤混合液的进口流速以及多杯等流型分离器的运行方式等多种要素的共同影响[2]。经众多专家学者的不断的研究和分析，总结出物料除油机理必须包含油滴迁移过程和在物料的附着过程。Ives等研究人员认为沉降杯中油滴的迁移过程包括沉淀、扩散、惯性、阻截及水动力等5种作用过程。在连续相中处于分散相的油滴在范德华力、双电层力、Born斥力、化学键力和某些特殊的化学吸附力等的联合作用下吸附在滤料表面，这一过程反应了滤料的过滤能力。

1.2 过滤模型

Iwasaki等研究人员通过随大量的实验数据的系统性分析，提出了油滴颗粒在多孔介质中过滤的唯象理论。系统的描述了油滴浓度与过滤深度的关系，过滤深度与水中悬浮物浓度间的动力学关系：

式中C0、C：进、出口油水混合液中油滴颗粒浓度，kg·m-3；L：滤料深度，m；λ：过滤系数，m-1。

其中，代表滤料过滤能力的会随着过滤时间变化，是至关重要的一个数值。于是，Ives针对λ提出了如下的计算公式：

式中a、b、c：实验系数；σ：比体积沉积量，kg·m-3；σu：最大的比体积沉积量，kg·m-3；ε0：滤料的孔隙率。

Ohja等研究人员在上述研究成果的基础上，得出了受时间因素影响的唯象理论方程：

式中μ：表观过滤速度，m·h-1；t：滤料过滤时间，h；

唯象理论在实际应用过程中更加侧重于对实验数据的总结，并确立了油滴颗粒浓度、比体积沉积量、滤料过滤时间、滤料的深度之间的关系。它对于滤料过滤全过程模型化的优点符合实际状况，对于分离器物料优选的设计和实际操作具有积极的指导作用。

2 实验物料

实验装置主要包括储液罐、搅拌器、螺杆泵、分离器实验套管、多杯等流型油水分离器及流量计，实验介质采用清水和白油配制的油水混合液。

含滤料的多杯等流型油水分离器的工作原理，是混合液在通过含滤料的沉降杯时，滤料的添加延缓了混合液的液面下降速度，使得其中的油滴逐渐吸附在添加的滤料上，并与后来的油滴碰撞形成大油滴，大油滴加速上升，实现了油水分离[1]。本实验选取15种滤料，在不同含水率的油水混合液下进行油水分离实验。

选取其中的4种滤料，即石英砂、核桃壳活性炭、无烟煤和锰砂4种物料的表面结构、亲油亲水、表面自由能等性进行了总结分析。核桃壳活性炭和无烟煤微观表面排列较有规则，呈现出各向同性的特征，因此，二者的微观表面呈现出非极性特征，会对表面张力小、非极性的油滴产生良好的润湿性，表现出亲油性；石英砂和锰砂微观表面排列不规则，呈现出各向异性的特征，因此，二者对表面张力大、极性的水滴产生良好的润湿性，表现出亲水性[3]。

滤料颗粒的表面自由能是极其重要的物理化学参数，是其分子力的一种外在表现，其表面分子相比内部分子而言，相互作用力是不平衡的，因此产生一个附加的能量值，直接影响了固一液相之间的相互作用效果。对本次实验的物料优选研究产生重要影响。

3 数据分析

3.1 实验数据

本实验对多杯等流型油水分离器内部所能添加的15种滤料，计量油水混合液在不同含油量（2%、5%、10%和15%）及多种流量的条件下经过沉降杯分离后的含油率，据此分析物料、含油率及流量等因素对分离效果的影响。对添加各种滤料的多杯等流分离器进行不同含水率下的油水分离实验，实验结果见图1～3。

从图1～3中可以看出，在3种不同含水率下，分离效率由大到小的滤料依次为：覆膜石英砂、0.5～0.8mm压裂支撑陶粒、14mm覆膜石英砂、核桃壳、0.8～1.0mm压裂支撑陶粒、0.8～1.2mm无烟煤、椰壳活性炭、2～4mm无烟煤、果壳活性炭、活性氧化铝、1～2mm石英砂、锰砂、2～4mm石英砂、磁铁矿、海绵铁和鹅卵石。其原因是相比于其他滤料，覆膜石英砂和0.5～0.8mm压裂支撑陶粒的分选度和球度较好，有利于形成均匀的孔隙，加之二者的亲油性都较好，促进了油水分离。

图1 含水率80%时，分离器进液量与油水分离后含水率的关系Fig.1 The relationship between the amount the separator and the separation water content ratio after the oil-water separation when the moisture content is 80%

图2 含水率90%时，分离器进液量与油水分离后含水率的关系Fig.2 The relationship between the amount of liquid into of liquid into the separator and the separation water content ratio after the oil-water separation when the moisture content is 90%

图3 含水率95%时，分离器进液量与油水分离后含水率的关系Fig.3 The relationship between the amount of liquid into the separator and the separation water content ratio after the oil-water separation when the moisture content is 80%

为了分析滤料直径对分离效果的影响，将两种种不同直径的压裂支撑陶粒加入分离器，分析进液量与油水分离后含水率的关系，实验结果见图4～6。

图4 含水率80%时，分离器进液量与油水分离后含水率的关系Fig.4 The relationship between the amountthe separator and the separation water content ratio after the oil-water separation when the moisture content is 80%

图5 含水率90%时，分离器进液量与油水分离后含水率的关系Fig.5 The relationship between the amount of liquid into of liquid into the separator and the separation water content ratio after the oil-water separation when the moisture content is 90%

图6 含水率95%时，分离器进液量与油水分离后含水率的关系Fig.6 The relationship between the amount of liquid into the separator and the separation water content ratio after the oilwater separation when the moisture content is 80%

从图4～6中可以看出，在不同含水率的进液量情况下，小粒径的压裂支撑陶粒相较于大粒径的压裂支撑陶粒，具有更好的油水分离效果。这是由于滤料直径越小，滤料的孔隙直径就越小，越有利于延缓混合液的页面下降速度，越有利于实现油水分离。

为进一步说明各种物料的分离效果，研究了混合液在不同含水率下在分离器中的停留时间，实验结果见表1。

表1 不同含水率的混合液在分离器中的停留时间（s）Tab.1 Residence time in the separator of mixture at different moisture content（s）

现场用分离器长2m，装有34～38个沉降杯，一般为36个。根据实验数据，产量为70m3·d的油井，含油量为20mg·L-1时油水混合物在经过分离器时所需的过滤深度见表2。

表2 含油量为20mg·L-1时油滴的过滤深度Tab.2 The depth filter of the oil droplets when the oil content is 20mg·L-1

由表1、2可以看出，混合液在统一滤料不同含水率的情况下，在分离器中停留的时间不同；而混合液在含油率相同时经过不同滤料分离时分离器的过滤深度也不同。由此可知，物料种类和混合液的含水率都是影响油水分离效果的因素。相比于14mm覆膜石英砂滤料的分离器，覆膜石英砂滤料的分离效率可以提高5%左右，压裂支撑陶粒0.5～0.8mm的分离效率可以提高1%左右。

3.2 理论对比

表1、2体现出沉降杯中油滴过滤深度变化率与过滤时间的关系，设过滤油滴的沉积量；过滤时间；单位流体通过沉降杯后进出口油滴浓度的变化；沉降杯过滤深度；最小二乘法进行线性回归，得到：

由此可知，实验拟合结果与唯象理论模型形式基本吻合，验证了实验结果的可信性。

文献[3]给出了滤料-油珠-水体系的界面能变化，见表3。

表3 滤料-油珠-水体系的界面能变化Tab.3 The interfacial energy change during the filter-oil beads-water system

由表3可知，6种滤料与油滴和水体系间的界面能增量均为负值，说明水中油滴吸附在滤料表面的过程是自发的，即从热力学角度分析，6种滤料均具有捕集油珠的趋势，且这种趋势的大小依次是覆膜石英砂、压裂支撑陶粒、核桃壳、无烟煤、锰砂、石英砂，与其过滤除油效率顺序基本吻合。此外还可以看出，体系间总界面能增量的主要贡献者为界面的极性成分变化，从而主要归因于滤料的表面自由能极性成分，从另一方面验证了实验结果的准确性[3]。

4 结论

（1）混合液的油水分离效果随着分离器进液量的增大而逐渐变差；直径小的滤料油水分离效果要优于直径大的滤料；在分离器中的进液量小于4m3· d-1情况下，各种滤料的油水分离效果差异并不明显；而在分离器的进液量大于4m3·d-1，尤其是在大于6m3·d的情况下，分离器的分离效果存在明显的差异。

（2）分离效率由大到小的滤料分别为：覆膜石英砂、0.5～0.8mm压裂支撑陶粒、核桃壳、0.8～1.0mm压裂支撑陶粒、0.8～1.2mm无烟煤、椰壳活性炭、2～4mm无烟煤、果壳活性炭、活性氧化铝、1～2mm石英砂、锰砂、2～4mm石英砂、磁铁矿、海绵铁和鹅卵石。其原因是相比于其他种类的滤料，前两种滤料分选度和球度都较好，更利于形成均匀的孔隙，有利于油水分离，且这两种材料亲油性都较好，进一步促进了油水分离。

（3）添加覆膜石英砂滤料的多杯等流分离器油水分离效果最好，在油水分离后含油量为20mg·L-1时，在含水率为80%、90%、95%和98%的情况下，其最大进液量为5.18、5.22、5.19和5.29m3·d-1；在产量为70m3·d-1的油井中需要下入7.5m左右的分离器；其分离效率相比未添加覆膜石英砂滤料的分离器，可以提高5%。

［1］高东宇.多杯等流型分离器物料优选实验研究［D］.东北石油大学,2014.

［2］韩洪升,张艳娟,孙晓宝，等.多杯等流型气锚对气液分离的效果［J］.大庆石油学院学报,2006,30（5）:31-34.

［3］杨斌武.水处理滤料的表面性质及过滤除油性能研究［D］.兰州交通大学,2008.

Research the experiment on materials selection of combination flooding formula

SUN Xiao-li1，GAO Dong-yu2
（1.Guangxi Liquid Natural Gas Engineering Department,Beihai 536000,China；2.Guangxi Company Braneh,Shanghai Zhongyi Petrochemical Engineering Company,Beihai 536000,China）

The technology which multi-cup isoflux oil-water separator is used to improve the effect of oil-water separation in the process of its practical application,has obtained certain achievements.In the process of a lot of research,we found that the filling material type inside separator can produce certain effect on the oil-water separation efficiency.In order to study the influence degree,we adopt the method of combining theoretical analysis and laboratory experiments to study oil-water separation of the mixture through 15 kinds of filter material under the different moisture content，and analyze effect of the produced fluid volume,liquid separator into the quantity, diameter of filter material on oil-water separation efficiency,which can provide important experimental basis for oil-water separation in multi-cup isoflux oil-water separator.

oil-water separation；filter media；water content；multi-cup isoflux oil-water separator

TE868

A

1002-1124（2014）10-0021-05

2014-07-25

孙晓丽（1985-），女，助理工程师，2013年毕业于东北石油大学油气储运工程专业，硕士，主要从事天然气长输管道工程建设研究及管理工作。