渦流風(fēng)機在油田節(jié)能安全環(huán)保作業(yè)中的應(yīng)用及問題分析

羅德兵（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

在目前的油田修井作業(yè)工藝條件下，井口無法實現(xiàn)全過程密閉。在作業(yè)過程中，當(dāng)井口敞開后一旦液柱壓力低于地層壓力，勢必造成井內(nèi)流體無控制地噴出[1]，因安全環(huán)保要求，需要將溢出的油水收集并合法處理，確保油水不落地。一種做法是采用吸污罐車，將井口接液池的油水通過吸污泵抽進罐體，再運到指定回收點進行排放，這樣就需要長時間占用1～2 臺罐車，存在使用效率低、生產(chǎn)成本高的問題?，F(xiàn)在正在逐步推廣使用的負(fù)壓吸液裝置，因其核心部件渦流風(fēng)機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕、噪音低、耗能小、性能穩(wěn)定、維修方便等特點[2]，受到油田修井作業(yè)安全環(huán)保管理部門大力關(guān)注。但經(jīng)過推廣應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該裝置存在風(fēng)機易過熱、風(fēng)道易進油水等問題，文中針對這些問題分析產(chǎn)生的原因和可能導(dǎo)致的后果，并提出解決方案。

1 負(fù)壓吸液裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

負(fù)壓吸液裝置由吸液罐、吸液管、渦流風(fēng)機、風(fēng)機管、柱塞泵、外輸管等組成，油田井下修井作業(yè)環(huán)保裝置示意圖見圖1。

吸液罐作為暫時存儲油水的容器，設(shè)置有入孔、電加熱器、液位控制器、壓力表、防浪隔板等部件。

圖1 油田井下修井作業(yè)環(huán)保裝置示意圖

渦流風(fēng)機是一種新型的空氣壓力源的設(shè)備，選用高強度、抗疲勞優(yōu)質(zhì)鋁合金材料制造而成，其渦流風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。葉輪上有數(shù)十片葉片組成，當(dāng)渦流風(fēng)機的葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉輪葉片中間的空氣受到離心力的作用，朝著葉輪的邊緣運動，在那里空氣進入泵體的環(huán)形空腔，然后又返回葉輪，重新從葉片的起點以同樣的方式又進行循環(huán)運動，由于空氣被均勻的加速，葉輪旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力，使空氣以螺旋線的形式竄出，以極高的能量離開泵體。

圖2 渦流風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

應(yīng)用真空度、有效功率與流量的特性曲線[3]公式：

式中：P為真空度；ψ為風(fēng)壓系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；U為葉輪外圓的圓周速度，m/s。

由式（1）可知，葉輪轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)機對罐體形成的真空度越大。目前國內(nèi)市場的渦流風(fēng)機最大壓力為46 kPa，是同轉(zhuǎn)速、同直徑離心風(fēng)機的12～17 倍，最大風(fēng)量可達(dá)到2 400 m3/h。

當(dāng)泵體出口接罐體容器，進口敞開，則給罐體加壓，實現(xiàn)罐體外排功能；當(dāng)泵體出口敞開，進口接罐體容器，則給罐體減壓，實現(xiàn)罐體吸入功能。

修井作業(yè)起下管柱前，在井口法蘭上安裝好集液池，用吸液管將集液池與吸液罐連接起來，渦流風(fēng)機與吸液罐之間用風(fēng)機管線固定連接，中間有換向閥和對應(yīng)管線。當(dāng)井內(nèi)流體向外溢出時，落進集液池，啟動渦流風(fēng)機，風(fēng)機管為外排空氣模式，使吸液罐產(chǎn)生負(fù)壓，將集液池的油水吸進罐體內(nèi)，從而保證了作業(yè)過程中產(chǎn)生的油水不落地，實現(xiàn)油田修井作業(yè)清潔環(huán)保。

2 風(fēng)機過熱現(xiàn)象問題分析及解決方案

當(dāng)風(fēng)機進風(fēng)口或者出風(fēng)口全封閉的情況下，就能獲得此渦流風(fēng)機的最大負(fù)壓或者最大正壓。當(dāng)長時間出現(xiàn)最大正壓或最大負(fù)壓時，由于泵體環(huán)形空腔的空氣被反復(fù)壓縮，空氣分子能量不斷升高，使空腔溫度升高，從而導(dǎo)致風(fēng)機過熱現(xiàn)象，嚴(yán)重情況會出現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)軸燒毀，造成設(shè)備損壞等安全事故。

在修井作業(yè)施工現(xiàn)場，井內(nèi)溢出的油水中含有硬蠟塊，或者是工人隨手丟棄的擦布麻繩等物，堵在吸液管口，負(fù)壓吸液罐吸不進來，封閉了風(fēng)機進風(fēng)口，就會出現(xiàn)風(fēng)機過熱現(xiàn)象。針對這個問題，可采取以下辦法：

一是在超負(fù)壓情況下，需要安裝增壓閥將氣路中的壓力升高，保證風(fēng)機裝置的最低使用壓力，維持風(fēng)機的正常工作[4]。這里使用的增壓閥實際上是一種具有在線監(jiān)測與效驗功能的彈簧式安全閥反向安裝，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)彈簧力的大小[5]。當(dāng)吸液管內(nèi)的壓力低于渦流風(fēng)機預(yù)先設(shè)置的壓力值的時候，增壓閥就會自動打開，將空氣中的壓力迅速導(dǎo)入吸液罐內(nèi)，這樣就能起到保護渦流風(fēng)機的作用。如果渦流風(fēng)機內(nèi)的壓力升高到安全值時，增壓閥門就會緩緩的關(guān)閉，保證吸液罐正常吸液工作。

二是調(diào)節(jié)渦流風(fēng)機進出管線控制閘門。當(dāng)吸液管口被蠟塊、碎布或其他雜物堵住吸液口，即使采用增壓閥來保護風(fēng)機，但如果不能將堵塞物清理掉，吸液罐不能從集液池吸進油水，影響裝置的工作效率。為此設(shè)計了渦流風(fēng)機可轉(zhuǎn)換模式控制管路，渦流風(fēng)機工作模式控制示意圖見圖3。當(dāng)增壓閥打開，同時向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制系統(tǒng)自動關(guān)閉閥1、閥2，打開閥3、閥4，將渦流風(fēng)機原來的負(fù)壓模式轉(zhuǎn)為增壓模式，將吸液口的堵塞物吹開。當(dāng)增壓閥關(guān)閉，控制系統(tǒng)自動再打開閥1、閥2，關(guān)閉閥3、閥4，使吸液罐進行正常吸液工作。

圖3 渦流風(fēng)機工作模式控制示意圖

自 2018 年 10 月至 2019 年 8 月，在采油一廠共投入負(fù)壓吸液裝置20 套，進行污油污水收集作業(yè)，完成1 300 井次，經(jīng)統(tǒng)計，因風(fēng)機過熱燒壞軸承等配件而產(chǎn)生維修換件的次數(shù)累計為38 次，維修費8.36 萬元。2019 年9 月開始，對這些設(shè)備進行增壓閥和控制管路改進，至2020 年6 月，共計完成1 200 井次，經(jīng)統(tǒng)計更換軸承的維修次數(shù)為10 次，維修費2.2 萬元，單井平均維修率下降了71.5%，合計節(jié)約維修費6.16 萬元。

3 風(fēng)道進油水現(xiàn)象問題分析及解決方案

在修井作業(yè)施工現(xiàn)場，渦流風(fēng)機風(fēng)道進油水，不僅對風(fēng)機葉片產(chǎn)生沖擊破壞，而且污油污水從風(fēng)機出口排出，灑落在裝置和地面上，造成環(huán)境污染。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，一是吸液管、吸液罐里的空氣中本身含有的細(xì)小的油、水液滴；二是吸液罐液位計失靈，吸液罐液面超過警戒線，淹沒了風(fēng)機入口，污油污水被直接吸進風(fēng)機。

早期人們在風(fēng)道里安裝多孔過濾網(wǎng)，過濾掉空氣中的液相組分，實現(xiàn)氣液分離，保證排出空氣的潔凈。但由于多孔過濾網(wǎng)減小了風(fēng)道的有效截面積，降低風(fēng)機的排風(fēng)效率，使用效果不理想。

后來又設(shè)計了環(huán)形過濾器，過濾器進口與罐體連接，且進口管安裝在容器內(nèi)壁切線方向，出口與風(fēng)機連接。氣流進入過濾器以螺旋線形式運動，由器壁向中心形成運動方向一致的旋回流，在漩渦卷吸作用下產(chǎn)生負(fù)壓，旋回流中心處負(fù)壓最大，吸附力最強[6]，將比重輕的空氣組分集中在環(huán)形容器的中心，從設(shè)置在中心處的出風(fēng)口排出，比重較大的液相組分留在容器內(nèi)，從而實現(xiàn)氣液分離。該方法雖然不改變風(fēng)道的有效截面積，但由于氣液分離效果受氣流速度影響，在現(xiàn)場使用中過濾效果也不理想。

為此設(shè)計了渦流離心氣液分離器，該裝置安裝在吸液罐與渦流風(fēng)機之間，渦流離心氣液分離器示意圖見圖4。輸入管插入中心內(nèi)管，中心內(nèi)管底部有開口，輸出管在輸出管安裝在中心外管外側(cè)，中心外管中間有開口。它們的位置關(guān)系是：輸入管口低于中心內(nèi)管上沿，中心外管中間開口低于內(nèi)管上沿，輸出管口高于中心外管中間開口。風(fēng)機啟動后，氣流從輸入管進入，在中心內(nèi)管作用下，流向發(fā)生改變，在拐彎處形成負(fù)壓渦流區(qū)域，吸引流體改變方向。多相流中由于流向改變產(chǎn)生的離心力，液相的比氣相的大[7]，當(dāng)離心力大于負(fù)壓渦流的吸引力時，液相會從流體中掙脫，在中心內(nèi)管的阻擋下沉降下來留在分離器內(nèi)，氣體從分離器出口流出，從而實現(xiàn)了氣液分離。

圖4 渦流離心氣液分離器示意圖

在分離器輸出口下端合適的位置安裝液位報警器[8]，液位報警器由液位計和報警控制器組成，報警控制器具有提示風(fēng)道進油水達(dá)到警戒線的報警功能和立即停止風(fēng)機運轉(zhuǎn)的控制功能，實現(xiàn)液位測量和泵的聯(lián)動。液位計傳統(tǒng)的有連通器式、浮力式、電極式、吹泡式、差壓式、電容式等[9]。經(jīng)現(xiàn)場使用情況表明，傳統(tǒng)的液位計存在液位探測不準(zhǔn)、轉(zhuǎn)動部件卡死浮球失靈等問題，為此設(shè)計了電導(dǎo)式液位計。電導(dǎo)液位測量法是通過測量導(dǎo)電液體的電導(dǎo)而獲得液位的方法[10]，電導(dǎo)式液位計由兩片金屬導(dǎo)電環(huán)和電路組成，金屬環(huán)中間用絕緣材料隔開，施以一定的電壓，開始時整個電路處于開路狀態(tài)，當(dāng)液位上升至上面的金屬環(huán)時，電路導(dǎo)通產(chǎn)生電流，以此來判斷水位信號，這些水位信號可用于控制系統(tǒng)的輸入信號，去調(diào)節(jié)閥門的開度，或者起動或停止泵等設(shè)備，從而保護風(fēng)機不進污油污水。該液位計無轉(zhuǎn)動部件、不受液面泡沫段影響，具有較好的應(yīng)用效果。

經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，改進后的設(shè)備有效地控制了因吸液罐液面過高，污油污水從渦流風(fēng)機出口被排出，流入地面造成設(shè)備次生環(huán)境污染事件的發(fā)生。

4 結(jié)論

負(fù)壓吸液裝置能夠?qū)⑿蘧鳂I(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的油水實時地收集到吸液罐內(nèi)，再進行轉(zhuǎn)運或輸入到輸油干線里，實現(xiàn)了油水不落地安全環(huán)保作業(yè)的目的。為了從技術(shù)上提高裝置的性能、使用壽命，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的，提出了采用增壓閥和進出口可轉(zhuǎn)換管路設(shè)計，解決核心部件渦流風(fēng)機負(fù)載增大、過熱和能耗過大的問題。同時，提出了采用渦流離心氣液分離器和電導(dǎo)式液位報警器，解決風(fēng)機進油水問題。