李翔宇 赵立新 徐保蕊 王 圆 蒋明虎

(东北石油大学机械科学与工程学院)

脱气除砂一体化旋流器采出液处理技术*

李翔宇**赵立新 徐保蕊 王 圆 蒋明虎

(东北石油大学机械科学与工程学院)

设计了单锥型同轴式脱气除砂一体化三相分离旋流器，针对油田水驱采出液开展了室内模拟试验研究，检验了其处理效果。对水驱和三元复合驱采出液的处理效果开展了数值模拟分析对比，结果表明：该旋流器在用于水驱和三元驱采出液脱气除砂处理时，均表现出较为优良的分离性能。

旋流器 脱气除砂 一体化处理 采出液处理

随着油田的不断开发，采出液含水率逐步提高，油田地面水处理工作负荷日益加大，如何有效解决多相介质的分离处理是当前面临的主要问题之一[1]。多相介质分离处理的方法有许多，其中旋流分离是一种离心分离方法，具有处理过程连续、分离速度快及设备可靠性高等突出的优势[2～4]。

通常旋流器一般用于两相介质的分离[5～8]，若要实现气液固三相分离需要采用脱气旋流器和除砂旋流器两套工艺装置，设备成本高，且压力损耗大。Bednarski S等国内外学者对三相分离旋流器开展了相应的研究，设计了不同的结构形式[9，10]。

本研究开发设计了单锥型同轴式脱气除砂一体化三相分离旋流器，针对油田采出液处理，开展了旋流分离的模拟试验研究与数值分析。

1 分离水驱采出液试验研究

通过前期数值模拟分析与结构设计，确定了单锥型同轴式气液固一体化旋流分离器Hy2的主体结构(图1)，其主直径为50mm。

该结构旋流器在位于底流口附近设计了一个轴向的排液口和一个切向排砂口。气液固三相混合介质由切向入口高速进入旋流器后，在离心力的作用下，密度最小的气体介质首先被分离出并由顶部排气口排出，液固混合介质继续旋转向下运动，并在离心力作用下，较重的固体杂质被甩至旋流器内壁面附近，然后随部分液体介质由切向排砂口排出；同时集中于旋流器中心处的液体介质则进入轴向排液管，最终由排液口排出。以此原理实现了脱气除砂三相一体化旋流分离。

图1 旋流器Hy2结构示意图

在保持旋流器Hy2在最佳操作参数(处理量5.35m3/h，溢流口分流比59%、排砂口分流比6%)条件下，针对现场水驱采出液所取样液进行三相分离室内试验研究。试验中将取来的实际水样进行搅拌，确保沉淀的固体杂质能有效掺混于混合介质中；同时通过实验室空气压缩机注气，模拟含气条件。试验中，入口混合介质的含砂率为800mg/L左右。

得出的旋流器Hy2针对水驱采出液的脱气效率和除砂效率曲线分别如图2、3所示。

图2 旋流器分离水驱采出液脱气效率曲线

图3 旋流器分离水驱采出液除砂效率曲线

由分离效率曲线可见，一体化三相分离旋流器Hy2分离水驱采出液时脱气和除砂效果良好，脱气效率基本在89.04%～94.71%范围内，除砂效率在86.60%～92.20%范围内。

2 分离三元驱与水驱采出液数值模拟对比分析

三元驱采出液由于较常规的水驱采出液增加了碱、表面活性剂及聚合物等成分，分离难度加大。为检验该旋流器设计结构是否能有效用于三元驱采出液的脱气除砂处理，本研究开展了相应的数值模拟分析，对旋流器Hy2用于水驱采出液和三元复合驱采出液脱气除砂一体化处理的效果进行了对比。

2.1脱气效果对比

图4为旋流器Hy2分离三元驱采出液与水驱采出液的气相体积分数分布云图对比。由对比图可见整体上气相分离效果较好，大量的气相由溢流出口排出。旋流器Hy2分离水驱采出液脱气分离效果基本与分离三元驱采出液时脱气效果相似，均具有较为优良的脱气性能。

图4 旋流器处理采出液的气相体积分数分布云图对比

图5为旋流器Hy2分离三元驱采出液与水驱采出液情况下，溢流口气相体积分数分布曲线对比。可见旋流器在处理两种不同采出液时，在旋流器的气相出口处，气相体积分数均较高，接近1.0，但相对地，分离水驱采出液时溢流口的气相体积分数较分离三元采出液时高。

图5 旋流器溢流口气相体积分数对比

2.2除砂效果对比

图6为旋流器Hy2分离三元驱采出液与水驱采出液的固相体积分数分布云图对比。由对比图可见整体上固相分离效果良好，固相基本经旋流腔分离沿分离器器壁流向排砂口而排出。旋流器Hy2分离水驱采出液与分离三元驱采出液除砂效果基本相似。

图6 旋流器处理不同采出液时的固相体积分数分布云图对比

图7为旋流器Hy2分离三元驱采出液与水驱采出液情况下，排液口(位置-8～8mm)、排砂口(位置-12.5～8.0mm & 8.0～12.5mm)处含固相体积分数分布曲线对比，可见旋流器在处理两种不同采出液时，在旋流器的排液口处，固相分布均很低，接近于零；旋流器的排砂口处，有较多的固相分布，分离水驱采出液或三元复合驱采出液的排砂口固相分布基本相同，二者均具有较为优良的除砂效果。

图7 排液口和排砂口处含固相体积分数分布曲线对比

图8为模拟分析得出的处理三元驱与水驱采出液时，旋流器脱气除砂分离效率对比图。对比可见，在处理两种不同采出液时，气相和固相的分离效果均高于92.0%，分离效果良好，其中分离水驱气相分离效率最高可达到98.50%，处理三元驱和水驱采出液的除砂效率分别为93.67%和93.50%。

数值模拟分析结果表明，笔者设计的单锥型同轴式气液固一体化旋流分离器在处理水驱采出液和三元复合驱采出液时，脱气和除砂效果均较为理想。

图8 旋流器脱气除砂效率对比

3 结论

3.1通过在旋流器底流口附近设计一个同轴的排液口，将常规轴向底流出口设计为切向，用于排砂，顶部溢流口排气，由此实现了脱气除砂一体化旋流分离，对于简化油田地面处理工艺、减少设备压力损耗具有一定的积极意义。

3.2优化设计的旋流器Hy2在处理油田水驱采出液样液时，脱气除砂分离效果良好。最佳操作参数条件下，脱气效率最高为94.71%，除砂效率最高可达到92.20%。

3.3数值模拟分析结果表明，旋流器处理三元驱与水驱两种不同采出液时，分离效果良好，气相和固相的分离效果均高于92.00%，其中分离水驱气相分离效率最高可达到98.50%，处理三元驱和水驱采出液的除砂效率分别为93.67%和93.50%，总体上，该结构旋流器无论是处理三元驱还是水驱采出液均具有较为优良的脱气除砂性能。

[1] 蒋明虎，赵立新，李枫，等.旋流分离技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.

[2] Colman D A，Thew M T，Corney D R.Hydrocyclones for Oil/Water Separation[C]. Proc Intl Conf on Hydrocyclones.Cranfield：BHRA，1980：143～166.

[3] Petty C A，Parks S M，Shao S M.The Use of Small Hydrocyclones for Downhole Separation of Oil and Water[C].Proc of Vortex Separation.Cranfield：BHRA，2000：225～235.

[4] 蒋明虎.旋流分离技术研究及其应用[J].大庆石油学院学报，2010，34(5)：101～109.

[5] 贺杰，蒋明虎.水力旋流器[M].北京：石油工业出版社，1996.

[6] Zhao L X，Jiang M H，Xu B R，et al.Development of a New Type High-efficient Inner-cone Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90(12)：2129～2134.

[7] Zhao L X，Xu B R，Jiang M H，et al.Flow-field Distribution and Parametric-optimisation Analysis of Spiral-tube Separators[J].Chemical Engineering Research and Design，2012，90(8)：1011～1018.

[8] 赵立新，赵宇，徐保蕊，等.基于正交的二次分离旋流器结构优选数值分析[J].流体机械，2015，43(5)：15～18，55.

[9] Bednarski S，Listewnik J.Hydrocyclones for Simultaneous Removal of Oil and Solid Particles from Ship’s Oily Waters[C]. Proc Intl Conf on Hydrocyclones.Cranfield：BHRA，1987：181～185.

[10] 郑娟.用于气-水-砂三相分离的水力旋流器的实验研究[D].大连：大连理工大学，2005.

Produced-fluidTreatmentwithDe-gassingandDe-sandingIntegrativeHydrocyclone

LI Xiang-yu, ZHAO Li-xin, XU Bao-rui, WANG Yuan, JIANG Ming-hu

(CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

The single-cone and co-axis gas-liquid-solid separation hydrocyclone was designed to integratively de-gas and de-sand the surface water in oilfields. Lab experiments verified its effect in processing the fluid produced by water driving method or three-component complex driving method. Numerical simulation analysis shows that, this separation hydrocyclone has a satisfied separation effect.

hydrocyclone, de-gassing and de-sanding, integrative treatment, produced-fluid treatment

*国家“863”计划课题(2012AA061303)。

**李翔宇，男，1987年4月生，硕士研究生。黑龙江省大庆市，163318。

TQ051.8

A

0254-6094(2016)06-0724-04

2015-11-04，

2016-10-05)