多杯等流型分離器物料優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究

孫曉麗，高東宇

（1.廣西液化天然氣工程項(xiàng)目部，廣西北海536000；2.上海眾一石化工程有限公司廣西分公司，廣西北海536000）

多杯等流型分離器物料優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究

孫曉麗1，高東宇2

（1.廣西液化天然氣工程項(xiàng)目部，廣西北海536000；2.上海眾一石化工程有限公司廣西分公司，廣西北海536000）

利用多杯等流型分離器來提高油水分離效果的技術(shù)在其實(shí)際應(yīng)用過程中，取得了一定的成果，在對其大量的研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)分離器內(nèi)部填充物料的類型會對其油水分離效果產(chǎn)生一定的影響。為了研究其影響程度，我們采用理論分析和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對沉降杯中所能添加的15種濾料，在不同含水率的油水混合液下進(jìn)行了油水分離實(shí)驗(yàn)，并分析了產(chǎn)液量、分離器進(jìn)液量、濾料直徑等對油水分離效率的影響，為多杯等流型分離器的油水分離效果提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

油水分離；濾料顆粒；含水率；多杯等流分離器

鑒于我國油田采出液含水率逐年上升的整體趨勢，專家學(xué)者們都在多方面努力探尋降低采出液含水率的方法。于是，油水分離效果的研究越來越引起人們的重視，很多專家致力于研發(fā)一款提高油水分離效果的儀器，多杯等流型油水分離器就這樣漸漸進(jìn)入人們的視野。它是建立在油氣密度差的基礎(chǔ)上，通過延長油井產(chǎn)出液在沉降杯中的滯留時(shí)間來提高脫氣效率的新型重力式油水分離器。

在對多杯等流型分離器油水分離效果的大量實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部的填充物料可以進(jìn)一步優(yōu)選。為了提高此種分離器的油水分離效果，對此分離器其沉降杯中所能夠添加的覆膜石英砂、壓裂支撐陶粒、無煙煤、椰殼活性炭等15種濾料，在不同含水率的油水混合液下進(jìn)行了油水分離實(shí)驗(yàn)。記錄了進(jìn)、出口油水混合液含水率以及出口流速等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了同種物料產(chǎn)液量、分離器進(jìn)液量、濾料直徑等對油水分離效率的影響，為多杯等流型分離器的油水分離效果提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[1]。

1 過濾理論

1.1 過濾機(jī)理

過濾本身是一個包括表面化學(xué)、膠體化學(xué)和水流流場動力等共同作用的復(fù)雜過程。油滴在沉降杯中的聚結(jié)會受到其顆粒和濾料本身的物理化學(xué)性質(zhì)、油水混合液的特性、濾混合液的進(jìn)口流速以及多杯等流型分離器的運(yùn)行方式等多種要素的共同影響[2]。經(jīng)眾多專家學(xué)者的不斷的研究和分析，總結(jié)出物料除油機(jī)理必須包含油滴遷移過程和在物料的附著過程。Ives等研究人員認(rèn)為沉降杯中油滴的遷移過程包括沉淀、擴(kuò)散、慣性、阻截及水動力等5種作用過程。在連續(xù)相中處于分散相的油滴在范德華力、雙電層力、Born斥力、化學(xué)鍵力和某些特殊的化學(xué)吸附力等的聯(lián)合作用下吸附在濾料表面，這一過程反應(yīng)了濾料的過濾能力。

1.2 過濾模型

Iwasaki等研究人員通過隨大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析，提出了油滴顆粒在多孔介質(zhì)中過濾的唯象理論。系統(tǒng)的描述了油滴濃度與過濾深度的關(guān)系，過濾深度與水中懸浮物濃度間的動力學(xué)關(guān)系：

式中C0、C：進(jìn)、出口油水混合液中油滴顆粒濃度，kg·m-3；L：濾料深度，m；λ：過濾系數(shù)，m-1。

其中，代表濾料過濾能力的會隨著過濾時(shí)間變化，是至關(guān)重要的一個數(shù)值。于是，Ives針對λ提出了如下的計(jì)算公式：

式中a、b、c：實(shí)驗(yàn)系數(shù)；σ：比體積沉積量，kg·m-3；σu：最大的比體積沉積量，kg·m-3；ε0：濾料的孔隙率。

Ohja等研究人員在上述研究成果的基礎(chǔ)上，得出了受時(shí)間因素影響的唯象理論方程：

式中μ：表觀過濾速度，m·h-1；t：濾料過濾時(shí)間，h；

唯象理論在實(shí)際應(yīng)用過程中更加側(cè)重于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)，并確立了油滴顆粒濃度、比體積沉積量、濾料過濾時(shí)間、濾料的深度之間的關(guān)系。它對于濾料過濾全過程模型化的優(yōu)點(diǎn)符合實(shí)際狀況，對于分離器物料優(yōu)選的設(shè)計(jì)和實(shí)際操作具有積極的指導(dǎo)作用。

2 實(shí)驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括儲液罐、攪拌器、螺桿泵、分離器實(shí)驗(yàn)套管、多杯等流型油水分離器及流量計(jì)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用清水和白油配制的油水混合液。

含濾料的多杯等流型油水分離器的工作原理，是混合液在通過含濾料的沉降杯時(shí)，濾料的添加延緩了混合液的液面下降速度，使得其中的油滴逐漸吸附在添加的濾料上，并與后來的油滴碰撞形成大油滴，大油滴加速上升，實(shí)現(xiàn)了油水分離[1]。本實(shí)驗(yàn)選取15種濾料，在不同含水率的油水混合液下進(jìn)行油水分離實(shí)驗(yàn)。

選取其中的4種濾料，即石英砂、核桃殼活性炭、無煙煤和錳砂4種物料的表面結(jié)構(gòu)、親油親水、表面自由能等性進(jìn)行了總結(jié)分析。核桃殼活性炭和無煙煤微觀表面排列較有規(guī)則，呈現(xiàn)出各向同性的特征，因此，二者的微觀表面呈現(xiàn)出非極性特征，會對表面張力小、非極性的油滴產(chǎn)生良好的潤濕性，表現(xiàn)出親油性；石英砂和錳砂微觀表面排列不規(guī)則，呈現(xiàn)出各向異性的特征，因此，二者對表面張力大、極性的水滴產(chǎn)生良好的潤濕性，表現(xiàn)出親水性[3]。

濾料顆粒的表面自由能是極其重要的物理化學(xué)參數(shù)，是其分子力的一種外在表現(xiàn)，其表面分子相比內(nèi)部分子而言，相互作用力是不平衡的，因此產(chǎn)生一個附加的能量值，直接影響了固一液相之間的相互作用效果。對本次實(shí)驗(yàn)的物料優(yōu)選研究產(chǎn)生重要影響。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)對多杯等流型油水分離器內(nèi)部所能添加的15種濾料，計(jì)量油水混合液在不同含油量（2%、5%、10%和15%）及多種流量的條件下經(jīng)過沉降杯分離后的含油率，據(jù)此分析物料、含油率及流量等因素對分離效果的影響。對添加各種濾料的多杯等流分離器進(jìn)行不同含水率下的油水分離實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1～3。

從圖1～3中可以看出，在3種不同含水率下，分離效率由大到小的濾料依次為：覆膜石英砂、0.5～0.8mm壓裂支撐陶粒、14mm覆膜石英砂、核桃殼、0.8～1.0mm壓裂支撐陶粒、0.8～1.2mm無煙煤、椰殼活性炭、2～4mm無煙煤、果殼活性炭、活性氧化鋁、1～2mm石英砂、錳砂、2～4mm石英砂、磁鐵礦、海綿鐵和鵝卵石。其原因是相比于其他濾料，覆膜石英砂和0.5～0.8mm壓裂支撐陶粒的分選度和球度較好，有利于形成均勻的孔隙，加之二者的親油性都較好，促進(jìn)了油水分離。

圖1 含水率80%時(shí)，分離器進(jìn)液量與油水分離后含水率的關(guān)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%

圖2 含水率90%時(shí)，分離器進(jìn)液量與油水分離后含水率的關(guān)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%

圖3 含水率95%時(shí)，分離器進(jìn)液量與油水分離后含水率的關(guān)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%

為了分析濾料直徑對分離效果的影響，將兩種種不同直徑的壓裂支撐陶粒加入分離器，分析進(jìn)液量與油水分離后含水率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4～6。

圖4 含水率80%時(shí)，分離器進(jìn)液量與油水分離后含水率的關(guān)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%

圖5 含水率90%時(shí)，分離器進(jìn)液量與油水分離后含水率的關(guān)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%

圖6 含水率95%時(shí)，分離器進(jìn)液量與油水分離后含水率的關(guān)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%

從圖4～6中可以看出，在不同含水率的進(jìn)液量情況下，小粒徑的壓裂支撐陶粒相較于大粒徑的壓裂支撐陶粒，具有更好的油水分離效果。這是由于濾料直徑越小，濾料的孔隙直徑就越小，越有利于延緩混合液的頁面下降速度，越有利于實(shí)現(xiàn)油水分離。

為進(jìn)一步說明各種物料的分離效果，研究了混合液在不同含水率下在分離器中的停留時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同含水率的混合液在分離器中的停留時(shí)間（s）Tab.1 Residence time in the separator of mixture at different moisture content（s）

現(xiàn)場用分離器長2m，裝有34～38個沉降杯，一般為36個。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，產(chǎn)量為70m3·d的油井，含油量為20mg·L-1時(shí)油水混合物在經(jīng)過分離器時(shí)所需的過濾深度見表2。

表2 含油量為20mg·L-1時(shí)油滴的過濾深度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，混合液在統(tǒng)一濾料不同含水率的情況下，在分離器中停留的時(shí)間不同；而混合液在含油率相同時(shí)經(jīng)過不同濾料分離時(shí)分離器的過濾深度也不同。由此可知，物料種類和混合液的含水率都是影響油水分離效果的因素。相比于14mm覆膜石英砂濾料的分離器，覆膜石英砂濾料的分離效率可以提高5%左右，壓裂支撐陶粒0.5～0.8mm的分離效率可以提高1%左右。

3.2 理論對比

表1、2體現(xiàn)出沉降杯中油滴過濾深度變化率與過濾時(shí)間的關(guān)系，設(shè)過濾油滴的沉積量；過濾時(shí)間；單位流體通過沉降杯后進(jìn)出口油滴濃度的變化；沉降杯過濾深度；最小二乘法進(jìn)行線性回歸，得到：

由此可知，實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果與唯象理論模型形式基本吻合，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性。

文獻(xiàn)[3]給出了濾料-油珠-水體系的界面能變化，見表3。

表3 濾料-油珠-水體系的界面能變化Tab.3 The interfacial energy change during the filter-oil beads-water system

由表3可知，6種濾料與油滴和水體系間的界面能增量均為負(fù)值，說明水中油滴吸附在濾料表面的過程是自發(fā)的，即從熱力學(xué)角度分析，6種濾料均具有捕集油珠的趨勢，且這種趨勢的大小依次是覆膜石英砂、壓裂支撐陶粒、核桃殼、無煙煤、錳砂、石英砂，與其過濾除油效率順序基本吻合。此外還可以看出，體系間總界面能增量的主要貢獻(xiàn)者為界面的極性成分變化，從而主要?dú)w因于濾料的表面自由能極性成分，從另一方面驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

4 結(jié)論

（1）混合液的油水分離效果隨著分離器進(jìn)液量的增大而逐漸變差；直徑小的濾料油水分離效果要優(yōu)于直徑大的濾料；在分離器中的進(jìn)液量小于4m3· d-1情況下，各種濾料的油水分離效果差異并不明顯；而在分離器的進(jìn)液量大于4m3·d-1，尤其是在大于6m3·d的情況下，分離器的分離效果存在明顯的差異。

（2）分離效率由大到小的濾料分別為：覆膜石英砂、0.5～0.8mm壓裂支撐陶粒、核桃殼、0.8～1.0mm壓裂支撐陶粒、0.8～1.2mm無煙煤、椰殼活性炭、2～4mm無煙煤、果殼活性炭、活性氧化鋁、1～2mm石英砂、錳砂、2～4mm石英砂、磁鐵礦、海綿鐵和鵝卵石。其原因是相比于其他種類的濾料，前兩種濾料分選度和球度都較好，更利于形成均勻的孔隙，有利于油水分離，且這兩種材料親油性都較好，進(jìn)一步促進(jìn)了油水分離。

（3）添加覆膜石英砂濾料的多杯等流分離器油水分離效果最好，在油水分離后含油量為20mg·L-1時(shí)，在含水率為80%、90%、95%和98%的情況下，其最大進(jìn)液量為5.18、5.22、5.19和5.29m3·d-1；在產(chǎn)量為70m3·d-1的油井中需要下入7.5m左右的分離器；其分離效率相比未添加覆膜石英砂濾料的分離器，可以提高5%。

［1］高東宇.多杯等流型分離器物料優(yōu)選實(shí)驗(yàn)研究［D］.東北石油大學(xué),2014.

［2］韓洪升,張艷娟,孫曉寶，等.多杯等流型氣錨對氣液分離的效果［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2006,30（5）:31-34.

［3］楊斌武.水處理濾料的表面性質(zhì)及過濾除油性能研究［D］.蘭州交通大學(xué),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

孫曉麗（1985-），女，助理工程師，2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，碩士，主要從事天然氣長輸管道工程建設(shè)研究及管理工作。