渤海某油田水力旋流器測(cè)試數(shù)據(jù)分析

李海(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

水力旋流器的工作原理是在一定的壓差條件下，依靠?jī)煞N不相溶液體的比重差，利用含油污水在旋流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，將較重的水拋向外側(cè)，成螺旋狀從底流口排出，而較輕的油滴則在錐管中心低壓區(qū)形成油芯，并從溢流口排出，從而實(shí)現(xiàn)油水分離[1]。

某油氣田水力旋流器設(shè)計(jì)處理量7 200 m3/d，實(shí)際處理量5 400 m3/d，根據(jù)油田工藝流程特點(diǎn)，污水未進(jìn)行充分脫氣導(dǎo)致處理量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，如果在水利旋流器入口有污水緩沖罐，充分脫氣后再進(jìn)入旋流器，這樣除油效率會(huì)大大提高；但是目前油田沒(méi)有污水緩沖罐，導(dǎo)致該設(shè)備運(yùn)行效果不佳。

根據(jù)水力旋流器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)在線旋流管的個(gè)數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)水力旋流器的處理量，以便適應(yīng)油田不同生產(chǎn)時(shí)期的含油污水量，而不必增加其他設(shè)備或是升級(jí)改造，以此減少油田后期改造升級(jí)的生產(chǎn)成本。

1 水力旋流器的特殊性

1.1 水力旋流器結(jié)構(gòu)介紹

該油田的水力旋流器與其他油田的水力旋流器略有不同，其共有86根旋流管，將這86根旋流管分為三個(gè)區(qū)域，一區(qū)為18根旋流管，二區(qū)為34根旋流管，三區(qū)為34根旋流管。三個(gè)區(qū)域的旋流管共用一個(gè)入口(此處不能將三個(gè)區(qū)域分別隔離)，而在旋流管的溢流口(水力旋流器排油口)和旋流器的底流口(水力旋流器水相出口)分別將三個(gè)區(qū)域設(shè)置了閥門(mén)。為了滿足旋流管的處理量要求，生產(chǎn)人員可以根據(jù)油田產(chǎn)水量(處理水量)的需求，自由組合旋流管數(shù)量，進(jìn)而使每個(gè)投用的旋流管都能起到較好的分離旋流效果。

1.2 水力旋流器的性能參數(shù)簡(jiǎn)介

1.2.1 容器容量

當(dāng)有效壓力及對(duì)應(yīng)的最大流速確定后，就可計(jì)算液體－液體水力旋流器的尺寸。流速與壓力是有一定比例的，單個(gè)水力旋流器的容量可以計(jì)算為：

式中：Q代表流速。

最大流速是由進(jìn)口壓力決定的，當(dāng)流程流速低于最小流速后，水力旋流器建立不起所需的離心力，從而導(dǎo)致分離效率非常低。

1.2.2 分流比

為了維持較高的分離效率，分流比應(yīng)保持為進(jìn)口處理量的一個(gè)百分比。這個(gè)比率一般為1.5%～3.0%，具體應(yīng)在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)確定。如果分流比太小，部分油將從水相出口排除出，從而降低分離效率。但隨著分流比的增加，分離曲線將趨于平坦，在惡劣條件下，為防止油相進(jìn)入水相，可采用較高的分流比[2]。

1.2.3 差壓比

水力旋流器的操作應(yīng)有一個(gè)穩(wěn)定的引出率。引出率太小，降低分離效率；引出率太大，對(duì)排放系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。引出率控制油排出量并送油回流程處理，壓力比通過(guò)出口管線系統(tǒng)的控制閥設(shè)定背壓，從而控制引出率。該控制閥可調(diào)節(jié)，保持壓力比為一穩(wěn)定點(diǎn)，典型數(shù)值為1.7～2.0。

1.2.4 壓力控制閥的壓力設(shè)定值

壓力控制閥的設(shè)定應(yīng)根據(jù)流程條件確定，如果進(jìn)口壓力和排放管線壓力已知，可在1.7～2.0之間選擇差壓比(進(jìn)口含油濃度高的，壓差比可適當(dāng)選擇大的)。

2 水力旋流器除油率低的原因分析

通過(guò)啟動(dòng)P-2002泵將二級(jí)分離器的水轉(zhuǎn)入一級(jí)分離器，使一級(jí)分離器溫度提升至50～52 ℃后，現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)，如表1所示，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

現(xiàn)通過(guò)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了以下四個(gè)現(xiàn)象：

表1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄

現(xiàn)象一：從最后一欄的除油率中，可以明顯地看出：在三個(gè)分區(qū)86根旋流管全部投用工況下的除油率明顯優(yōu)于只投用部分分區(qū)工況下的除油率。

現(xiàn)象二：“旋流器的壓降一般與流量成正比”，但是表中部分?jǐn)?shù)據(jù)(表格中用A、B、C……表示)呈現(xiàn)反比關(guān)系，不符合水力旋流管的壓差規(guī)律。

A，使用18根旋流管顯示流量為37 m3，計(jì)算每根旋流管在2.05 m3的流量下壓差為152 kPa。

B，使用34根旋流管顯示流量為59 m3，計(jì)算每根旋流管在1.73 m3的流量下壓差為175 kPa。

C，使用86根旋流管顯示流量為107 m3，計(jì)算每根旋流管在1.24 m3的流量下壓差為234 kPa。

現(xiàn)象三：在表中D、E、F、C四組數(shù)據(jù)符合旋流管的壓差規(guī)律(旋流器的壓降一般與流量成正比)。

D，使用86 根旋流管顯示流量為85 m3，計(jì)算每根旋流管在0.98 m3的流量下壓差為143 kPa。

E，使用86根旋流管顯示流量為89 方，計(jì)算每根旋流管在1.03 m3的流量下壓差為167 kPa。

F，使用86根旋流管顯示流量為97 方，計(jì)算每根旋流管在1.13 m3的流量下壓差為198 kPa。

C，使用86根旋流管顯示流量為107 方，計(jì)算每根旋流管在1.24 m3的流量下壓差為234 kPa。

現(xiàn)象四：在表中序號(hào)12和序號(hào)19的兩組數(shù)據(jù)中在保持相同差壓比的情況下，一組數(shù)據(jù)為86根管處理89 m3液，油相閥開(kāi)為38%，而在第二組數(shù)據(jù)中18 根旋流管處理37 m3液，油相閥開(kāi)為48%。此現(xiàn)象說(shuō)明，在相同差壓比下處理小流量時(shí)的溢流量反而比處理大流量時(shí)的溢流量要大。

3 研究結(jié)論

(1)在三個(gè)分區(qū)共86根管全部投用時(shí)不存在內(nèi)漏問(wèn)題，這里解釋了現(xiàn)象一的合理性，就是在三個(gè)分區(qū)共86根旋流管全部投用工況下的除油效率明顯優(yōu)于只投用部分分區(qū)工況下的除油效率。

(2)根據(jù)設(shè)備原理分析現(xiàn)象二。在使用水力旋流器其中的18根管時(shí)，由于水相的分隔板內(nèi)漏，會(huì)有兩個(gè)區(qū)的共68根旋流管底流口的滲漏量，向一個(gè)區(qū)18根旋流管水出口處滲漏，導(dǎo)致整體流量高，水相壓力高，水相壓差小。在使用水力旋流器其中的34根管時(shí)，會(huì)有兩個(gè)區(qū)的52根旋流管底流口的滲漏量向一個(gè)區(qū)的34根旋流管水出口處滲漏，導(dǎo)致整體流量高，水相壓力高，水相壓差小，但比投用18根管時(shí)壓差要大。在使用水力旋流器其中的68根管時(shí)，會(huì)有一個(gè)區(qū)的18根旋流管底流口的滲漏量，向兩個(gè)區(qū)的68根旋流管水出口處滲漏，導(dǎo)致整體流量稍高，水相壓力稍高，水相壓差較小。在使用水力旋流器全部86根管時(shí)，無(wú)泄漏問(wèn)題，可高效運(yùn)行，單管1.2 m3流量就可達(dá)到 234 kPa的壓差。

(3)現(xiàn)象三充分證明了在無(wú)內(nèi)漏的情況下單管流量與壓差成正比的關(guān)系。

(4)現(xiàn)象四與現(xiàn)象二同理，說(shuō)明了油相與三個(gè)區(qū)域的內(nèi)漏問(wèn)題，當(dāng)只投用一個(gè)18根旋流管區(qū)域，有兩個(gè)區(qū)域68根排油孔的滲漏量向一個(gè)區(qū)域18根排油孔腔室滲漏時(shí)需要增大油相調(diào)節(jié)閥開(kāi)度才能將油相壓差降到設(shè)定差壓比。而86根旋流管投用后。全部旋流管的內(nèi)部液體旋流起來(lái)后，會(huì)使旋流管的排油口處內(nèi)部出現(xiàn)明顯壓降，這是86 根旋流管處理89 m3液，而油相閥開(kāi)只有38%的原因。沒(méi)投用區(qū)域的旋流管內(nèi)，由于流量沒(méi)有滿足廠家給出的0.68 m3/h的最低流量要求。所以旋流管內(nèi)的液體沒(méi)有旋流起來(lái)，沒(méi)有旋流也就沒(méi)有處理，正是這樣沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的混合液向油相和水相竄流，導(dǎo)致排油含水較高和水相含油高[3]。

4 影響水力旋流器除油效果的主要因素進(jìn)行分析

從調(diào)試數(shù)據(jù)來(lái)看，在86 根旋流管全投用的工況下除油效率只接近70%，此數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)除油效率80%～90%。目前平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)可以提高水力旋流器除油效果的因素：一是液體溫度，二是自由溶解氣。

4.1 液體溫度的高低直接影響旋流器的分離效率

目前一級(jí)分離器的溫度在44 ℃左右，主要受流程設(shè)計(jì)限制，在一級(jí)分離器入口沒(méi)有設(shè)計(jì)加熱器，導(dǎo)致WHPA平臺(tái)的48 ℃產(chǎn)出液，與WHPB平臺(tái)的42 ℃產(chǎn)出液混合進(jìn)入一級(jí)分離器后只有44 ℃。設(shè)計(jì)上一級(jí)分離器的升溫方法是將二級(jí)分離器的水轉(zhuǎn)入一級(jí)分離器，但由于二級(jí)分離器的水相泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程偏低，在轉(zhuǎn)二級(jí)分離器水時(shí)達(dá)不到額定排量，并且目前二級(jí)分離器產(chǎn)水較少，無(wú)法做到長(zhǎng)時(shí)間供水，在二級(jí)水少見(jiàn)油后不能滿足泵的工況要求，無(wú)法將油轉(zhuǎn)入一級(jí)分離器，給一級(jí)分離器升溫。待二級(jí)水泵改造換型后能夠滿足轉(zhuǎn)油的工況要求，可使一級(jí)分離器溫度進(jìn)一步提高，使小油滴聚結(jié)成大油滴并持續(xù)降低二級(jí)分離器的水位，即能改善一級(jí)分離器的水質(zhì)又能保證原油外輸含水合格。

4.2 過(guò)多的自由溶解氣大大降低旋流器的除油效果

旋流器一般可處理10%的自由溶解氣，而目前進(jìn)入水力旋流器的溶解氣遠(yuǎn)大于這一標(biāo)準(zhǔn)，原因是流程上設(shè)計(jì)一級(jí)分離器在1.8 MPa的生產(chǎn)水直接進(jìn)入水力旋流器，在此之間沒(méi)有一個(gè)脫氣緩沖罐使之充分降壓脫氣，使高壓高含氣的生產(chǎn)水在旋流管內(nèi)產(chǎn)生壓降時(shí)，有大量的氣體脫出，在旋流管內(nèi)出現(xiàn)氣柱，影響油向旋流管中心聚集，從而影響油線的產(chǎn)生[4]。此現(xiàn)象的出現(xiàn)與影響旋流管除油效率的因素相矛盾，提高液體在旋流管內(nèi)的流速可增大液體在旋流管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度，使之產(chǎn)生更大的離心力，有利于油水分離。但高流速也必然導(dǎo)致高壓差，在高壓差下的嚴(yán)重脫氣又影響油向旋流管中心聚集，所以必須在實(shí)踐中找到一個(gè)壓差與脫氣的平衡點(diǎn)，才能獲得一個(gè)較好的除油效果。

5 解決方案

5.1 對(duì)平臺(tái)流程進(jìn)行改造，使一級(jí)分離器的水在進(jìn)入水力旋流器前盡量脫氣

首先在水力旋流器頂部接排氣管線到閉排，將旋流器中的天然氣進(jìn)行排放；第二，將一級(jí)分離器水相出口進(jìn)行減壓，由1 730 kPa減壓到800 kPa，并連接6.7 cm排氣管線至三級(jí)分離器(操作壓力100 kPa)混合室進(jìn)行排氣，連入混合室的目的同時(shí)在于將因脫氣而攜帶出的污水再次進(jìn)行分離，以降低外輸含水。由于在某一階段污水產(chǎn)量較平穩(wěn)，故排氣截止閥開(kāi)度一般情況下為固定值，該開(kāi)度隨著水量的變化而改變。

5.2 合理控制水力旋流器的壓降，避免在旋流管內(nèi)過(guò)多地脫氣

合理控制水力旋流器的壓降，避免在旋流管內(nèi)過(guò)多地脫氣，根據(jù)旋流器的壓差與流量成正比的關(guān)系，要控制壓差就要控制流量或增減旋流管的數(shù)量。但是流量是不可控的，要根據(jù)產(chǎn)水量的變化合理控制一級(jí)分離器的水位及時(shí)排水，保證外輸含水合格。目前可以控制旋流管的數(shù)量，根據(jù)水量的變化合理投用旋流管數(shù)量能夠有效控制壓差。水力旋流器的三個(gè)分區(qū)可實(shí)現(xiàn)，18、34、52、68、86共五種組合；如果將平臺(tái)上現(xiàn)有的8根盲管封堵在其中一個(gè)34根管的區(qū)域會(huì)有18、26、34、44、52、60、78七種組合。在水量波動(dòng)時(shí)也可將壓差控制在合理范圍，從而減低旋流管內(nèi)的脫氣現(xiàn)象，同時(shí)合理的旋流管數(shù)量也可增加水在旋流管內(nèi)的滯留時(shí)間，提高分離效率。

5.3 優(yōu)化水力旋流器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加除油量，提高除油效率

目前的單進(jìn)口旋流管，水線從單一方向進(jìn)入，形成旋流的旋流力較小，旋流效果較弱，可以嘗試將單進(jìn)口更換為多進(jìn)口(4個(gè)或者8個(gè)進(jìn)口切向進(jìn)入)的旋流管，大液量進(jìn)入，形成多次旋流，提高旋流效果，嘗試提高除油率。

5.4 更換水力旋流器旋流管分區(qū)墊片，避免油相和水相互竄

對(duì)水力旋流器油水相兩側(cè)隔離密封區(qū)進(jìn)行測(cè)繪制作墊片，以實(shí)現(xiàn)各區(qū)的完全隔離，但可能是由于材質(zhì)為石墨墊片，有一定的脆性，導(dǎo)致隔離效果較差，油相排水量依然較高，下步計(jì)劃對(duì)水力旋流器兩側(cè)墊片進(jìn)行材質(zhì)換型為聚四氟乙烯墊片，觀察隔離效果[5]。

5.5 對(duì)一級(jí)分離器水相濾器進(jìn)行改造，降低固體含量

由于濾網(wǎng)清洗不便，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一級(jí)分離器水相濾網(wǎng)進(jìn)行改造換型，換型后，現(xiàn)場(chǎng)增加濾網(wǎng)清洗頻率，由之前的60 kPa進(jìn)行清洗，調(diào)整為40 kPa進(jìn)行清洗，避免了因固體顆粒對(duì)旋流效果造成的影響。

5.6 LV-3001控制閥對(duì)壓力調(diào)節(jié)的影響

不管是調(diào)試還是正常投用，設(shè)備處理水量的大小均是通過(guò)調(diào)整LV-3001的開(kāi)度大小來(lái)控制，進(jìn)而改變差壓比的大小，而實(shí)際情況是該調(diào)節(jié)閥位于水力旋流器的出口，這就產(chǎn)生下面的問(wèn)題：水量調(diào)節(jié)的同時(shí)，也變相地改變了出口管線的狀態(tài)，即：工況的變化不單單是流量變化，更影響了水相出口壓力的穩(wěn)定；后期建議：將LV-3001調(diào)整到水力旋流器的入口，同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水力旋流器入口流量的調(diào)節(jié)。

5.7 工況波動(dòng)以及段塞流對(duì)旋流器入口的影響

針對(duì)流量不穩(wěn)定的情況以及段塞流的影響，可以在旋流器前增加緩沖罐，含油污水先進(jìn)入緩沖罐V-3001穩(wěn)定再進(jìn)入水力旋流器，若想提高水力旋流器的入口壓力，可以在緩沖罐之后加增壓泵將污水泵入水力旋流器，這樣使得入口有穩(wěn)定的壓力[6]。

通過(guò)以上分析及相關(guān)措施建議，目前水力旋流器除油效率已初見(jiàn)效果，在處理水量為800 m3/d、入口1 000 mg/L左右的情況下，出口可以較為穩(wěn)定的達(dá)到200 mg/L左右，除油效果達(dá)到80%。