內錐直徑對脫氣除砂一體化旋流器影響研究

趙立新，李宜強，徐保蕊，王 羕，車 鑫，成慶林

（1.中國石油大學（北京），北京 102249；2.東北石油大學，黑龍江大慶 163318；3.大慶油田有限責任公司，黑龍江大慶 163414）

內錐直徑對脫氣除砂一體化旋流器影響研究

趙立新1，2，李宜強1，徐保蕊2，王 羕2，車 鑫3，成慶林2

（1.中國石油大學（北京），北京 102249；2.東北石油大學，黑龍江大慶 163318；3.大慶油田有限責任公司，黑龍江大慶 163414）

隨著油田開發的深入，采出液的含砂量及伴生氣量逐漸增加，另外隨著聚合物驅油和三元復合驅油技術的推廣應用，使油井采出液的分離難度加大。實現油田高效脫氣、除砂已成為急需解決的技術問題。內錐式脫氣除砂一體化三相介質分離水力旋流器的應用，簡化了油氣集輸處理工藝，分離效率高，并使能耗降低。通過室內試驗，研究了旋流器的內錐直徑對脫氣、除砂效果和壓力損失的影響，優選內錐直徑為30 mm，入口流量為1.1 m3／h，溢流分流比為60%。

旋流分離器；脫氣；除砂；試驗研究

隨著油田開發的不斷深入，砂隨采出液產出［1］，原油中的溶解氣析出，這使得采出液的含砂量以及伴生氣量增加。隨著聚合物驅油及三元復合驅油技術的推廣應用，采出液處理難度逐漸加大。因此，實現油田高效脫氣除砂已成為迫在眉睫的關鍵技術問題。采用單一結構設備實現脫氣除砂一體化處理，對于簡化油田地面處理工藝及降低能量損耗都具有重要的意義［2］。相對于目前油田常用的重力沉降設備，旋流器是一種高效的離心分離設備，具有設備體積小、處理時間短、分離效率高等突出的特點［3-8］。

通過前期的數值模擬分析，初步確定了采出液脫氣除砂一體化內錐式旋流器的主體結構形式和主要操作參數。本文主要介紹在實驗室所開展的在不同內錐直徑條件下流量、分流比對旋流器脫氣除砂效果的影響。通過數據分析，可以進一步明確內錐直徑對脫氣除砂旋流器分離性能和壓力特性的影響，為結構優化設計以及油田現場應用提供技術支持。

1 試驗裝置及工藝流程

脫氣除砂一體化旋流器的室內試驗過程中，試驗介質直接采用油田三元復合驅原液，采用的循環儲水系統具有加熱及攪拌裝置，保持試驗用樣液溫度及混合均勻，利用空壓機實現恒壓注氣，從而最大程度使室內試驗與現場工況保持相近。圖1為室內試驗工藝系統及設計加工的試驗樣機實物照片。

圖1 試驗工藝流程及試驗樣機

根據油田現場采集的采出液混合介質在水箱內通過潛水泵攪拌，然后經螺桿泵抽出，空氣由空氣壓縮機增壓后進入相應的壓力和流量計量單元；旋流器出口排出的介質首先經過氣液緩沖罐進行緩沖和氣液分離，進行壓力和流量計量后，液、固介質返回水箱，氣體排空。

圖2為旋流器樣機結構示意圖。氣-液-固三相混合介質從旋流器的切向入口高速流入，在離心力作用下使氣體分離，然后由頂部溢流口排出［6］；液-固混合介質繼續旋轉下行并進一步發生離心分離，固體介質主要聚集于邊壁附近，最終由底部側向出口排出；同時，液體介質聚集在旋流器的內錐面附近，通過排液孔進入內錐內部，最終由底流管排出，由此實現氣-液-固三相介質的一體化分離。

圖2 三相分離旋流器結構示意

2 試驗分析

分別進行3種尺寸內錐直徑的對比試驗研究。脫氣試驗研究包括壓力損失情況及氣體分離效率的研究。

除砂試驗主要是研究不同的操作參數對除砂效率的影響情況。分析分離效率隨處理量、分流比的變化規律，分析各情況下的分離效率與處理量的關系以及分離效率與分流比的關系。

對試驗樣機3種不同內錐直徑的試驗數據進行分析，3種直徑的內錐結構如圖3所示。由于流量參數對于旋流器的影響是非常顯著的，因此在試驗過程中對流量的變化也進行了分析。

圖3 3種尺寸的旋流器內錐結構

試驗流量點選取0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 m3／h；從氣相分離、固相分離和壓力降大小等3方面考慮，優選出較為理想的內錐直徑參數。在試驗過程中，采用單一因素對比分析的方式優選確定合理結構參數。

2.1 壓力損失

溢流分流比為60%、底流分流比為35%、側向分流比為5%的條件下，開展了3種不同內錐直徑條件下溢流、底流和側向壓力降在不同入口流量時的試驗研究，結果如圖4所示。

可以看出，隨著流量的增加，各出口的壓降均呈增加的趨勢。在試驗條件下，內錐直徑30 mm樣機的壓力損失相對其他2種要大，內錐直徑36 mm樣機的壓力損失相對最小。

圖5所示為壓力降隨溢流分流比的變化情況。溢流分流比分別為56%、58%、60%、62%、64%。可以看出，溢流壓力降、底流壓力降、側向壓力降基本表現出隨溢流分流比的增大而減小的趨勢。

圖4 壓力降隨流量變化對比曲線

圖5 壓力降隨溢流分流比變化情況

2.2 分離效率

開展了不同入口流量時3種內錐直徑參數下的脫氣、除砂效率的試驗研究，圖6～7分別為脫氣、除砂效率的變化情況。

圖6 脫氣效率隨入口流量變化情況

圖7 除砂效率隨入口流量變化情況

旋流器的入口流量基本是由其主直徑大小決定的。對3種不同內錐尺寸樣機的試驗研究結果表明，試驗樣機的脫氣效果很好，隨入口液體流量的升高，脫氣效率呈增大趨勢。由圖6可以看出，樣機內錐直徑為30 mm時，脫氣效率相對要稍高于其他2種尺寸樣機，但總體差別不大。

由圖7可以看出，在入口流量1.1 m3／h條件下的除砂效率最高。內錐直徑為25 mm時，除砂效率為65.2%；內錐直徑為30 mm時，除砂效率為69.4%；內錐直徑為36 mm時，除砂效率為60.9%。因此，直徑為30 mm的樣機在入口流量為1.1 m3／h時，除砂效率最高。

圖8所示為脫氣、除砂效率隨溢流分流比的變化情況。

圖8 脫氣及除砂效率隨分流比變化情況

由圖8可以看出：脫氣效率隨溢流分流比的加大呈上升趨勢；除砂效率在溢流分流比為60%時最高，可達85%以上。

綜合壓力降隨流量的變化和脫氣效率變化情況，最終優選內錐直徑為30 mm，最佳入口流量為1.1 m3／h，溢流分流比為60%。

3 結論

1） 本文針對脫氣除砂一體化旋流器開展了試驗研究，分析了該結構旋流器的內錐直徑對壓力損失、脫氣和除砂效率的影響。與此同時，也分析了流量與分流比的影響。

2） 在該試驗研究條件下，優選出旋流器內錐直徑為30 mm，入口流量為1.1 m3／h，溢流分流比為60%。應用此結構旋流器處理三元采出液時，旋流器的脫氣、除砂效率相對較高，氣相分離效率為92.1%，固相分離效率最高為85.8%。

3） 旋流器通常用來實現兩相介質的分離處理。本文研究所針對的脫氣除砂一體化三相分離旋流器為自主設計開發的結構，其結構形式對于其他旋流器的開發設計也會具有一定的指導意義。

4） 采用單一結構設備實現脫氣除砂一體化處理，對于簡化油田地面處理工藝、降低能量損耗都具有重要的意義。

5） 今后研究方向主要包括針對不同介質條件、不同應用，開展其結構形式、結構參數與操作運行參數的細致優化分析等。

［1］ 萬仁溥.采油工程手冊［M］.北京：石油工業出版社，2000：385-390.

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Study on Effect of Inner-Cone Diameter to De-Gassing and De-Sanding Integrated Hydrocyclone

With the depending of oilfield exploitation，sand and gas contents in produced fluid increase continuously.Besides，with the application of polymer-flooding and ASP-flooding technologies，treating difficulty of produced fluids increases.Realizing high-efficient de-gassing and de-sanding has become a key issue to be solved in oilfields.Application of the inner-cone de-gassing and de-sanding integrated hydrocyclone would simplify oil and gas gathering and treating technical process.It has a higher separation efficiency and lower energy consumption.By laboratory experiments，effects of the inner-cone diameter of hydrocyclone on de-gassing and de-sanding efficiency and pressure drop were studied.A 30 mm inner-cone diameter was tested to be the optimum.Inlet flowrate was 1.1 m3／h，and overflow split ratio is 60%.

hydrocyclone separator；degassing；desanding；experimental study

TE931.1

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.007

1001-3482（2014）10-0031-04

2014-04-08

中國博士后科學基金項目（2013M541147）資助；黑龍江省省院科技合作項目（HZ201205）資助

趙立新（1972-），男，黑龍江安達人，教授，博士，目前主要從事旋流分離技術及油田水處理技術研究，E-mail：Lx_ zhao＠126.com。