渦流風機在油田節能安全環保作業中的應用及問題分析

羅德兵（大慶油田有限責任公司第一采油廠）

在目前的油田修井作業工藝條件下，井口無法實現全過程密閉。在作業過程中，當井口敞開后一旦液柱壓力低于地層壓力，勢必造成井內流體無控制地噴出[1]，因安全環保要求，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、生產成本高的問題。現在正在逐步推廣使用的負壓吸液裝置，因其核心部件渦流風機具有結構簡單、體積小重量輕、噪音低、耗能小、性能穩定、維修方便等特點[2]，受到油田修井作業安全環保管理部門大力關注。但經過推廣應用，發現該裝置存在風機易過熱、風道易進油水等問題，文中針對這些問題分析產生的原因和可能導致的后果，并提出解決方案。

1 負壓吸液裝置結構組成及工作原理

負壓吸液裝置由吸液罐、吸液管、渦流風機、風機管、柱塞泵、外輸管等組成，油田井下修井作業環保裝置示意圖見圖1。

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

圖1 油田井下修井作業環保裝置示意圖

渦流風機是一種新型的空氣壓力源的設備，選用高強度、抗疲勞優質鋁合金材料制造而成，其渦流風機內部結構見圖2。葉輪上有數十片葉片組成，當渦流風機的葉輪旋轉時，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運動，由于空氣被均勻的加速，葉輪旋轉時所產生的離心力，使空氣以螺旋線的形式竄出，以極高的能量離開泵體。

圖2 渦流風機內部結構

應用真空度、有效功率與流量的特性曲線[3]公式：

式中：P為真空度；ψ為風壓系數；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，葉輪轉速越大，風機對罐體形成的真空度越大。目前國內市場的渦流風機最大壓力為46 kPa，是同轉速、同直徑離心風機的12～17 倍，最大風量可達到2 400 m3/h。

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

修井作業起下管柱前，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，渦流風機與吸液罐之間用風機管線固定連接，中間有換向閥和對應管線。當井內流體向外溢出時，落進集液池，啟動渦流風機，風機管為外排空氣模式，使吸液罐產生負壓，將集液池的油水吸進罐體內，從而保證了作業過程中產生的油水不落地，實現油田修井作業清潔環保。

2 風機過熱現象問題分析及解決方案

當風機進風口或者出風口全封閉的情況下，就能獲得此渦流風機的最大負壓或者最大正壓。當長時間出現最大正壓或最大負壓時，由于泵體環形空腔的空氣被反復壓縮，空氣分子能量不斷升高，使空腔溫度升高，從而導致風機過熱現象，嚴重情況會出現風機轉軸燒毀，造成設備損壞等安全事故。

在修井作業施工現場，井內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，負壓吸液罐吸不進來，封閉了風機進風口，就會出現風機過熱現象。針對這個問題，可采取以下辦法：

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

二是調節渦流風機進出管線控制閘門。當吸液管口被蠟塊、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。為此設計了渦流風機可轉換模式控制管路，渦流風機工作模式控制示意圖見圖3。當增壓閥打開，同時向控制系統發出信號，控制系統自動關閉閥1、閥2，打開閥3、閥4，將渦流風機原來的負壓模式轉為增壓模式，將吸液口的堵塞物吹開。當增壓閥關閉，控制系統自動再打開閥1、閥2，關閉閥3、閥4，使吸液罐進行正常吸液工作。

圖3 渦流風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壓吸液裝置20 套，進行污油污水收集作業，完成1 300 井次，經統計，因風機過熱燒壞軸承等配件而產生維修換件的次數累計為38 次，維修費8.36 萬元。2019 年9 月開始，對這些設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，經統計更換軸承的維修次數為10 次，維修費2.2 萬元，單井平均維修率下降了71.5%，合計節約維修費6.16 萬元。

3 風道進油水現象問題分析及解決方案

在修井作業施工現場，渦流風機風道進油水，不僅對風機葉片產生沖擊破壞，而且污油污水從風機出口排出，灑落在裝置和地面上，造成環境污染。

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

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

后來又設計了環形過濾器，過濾器進口與罐體連接，且進口管安裝在容器內壁切線方向，出口與風機連接。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生負壓，旋回流中心處負壓最大，吸附力最強[6]，將比重輕的空氣組分集中在環形容器的中心，從設置在中心處的出風口排出，比重較大的液相組分留在容器內，從而實現氣液分離。該方法雖然不改變風道的有效截面積，但由于氣液分離效果受氣流速度影響，在現場使用中過濾效果也不理想。

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

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道進油水達到警戒線的報警功能和立即停止風機運轉的控制功能，實現液位測量和泵的聯動。液位計傳統的有連通器式、浮力式、電極式、吹泡式、差壓式、電容式等[9]。經現場使用情況表明，傳統的液位計存在液位探測不準、轉動部件卡死浮球失靈等問題，為此設計了電導式液位計。電導液位測量法是通過測量導電液體的電導而獲得液位的方法[10]，電導式液位計由兩片金屬導電環和電路組成，金屬環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，當液位上升至上面的金屬環時，電路導通產生電流，以此來判斷水位信號，這些水位信號可用于控制系統的輸入信號，去調節閥門的開度，或者起動或停止泵等設備，從而保護風機不進污油污水。該液位計無轉動部件、不受液面泡沫段影響，具有較好的應用效果。

經現場應用結果表明，改進后的設備有效地控制了因吸液罐液面過高，污油污水從渦流風機出口被排出，流入地面造成設備次生環境污染事件的發生。

4 結論

負壓吸液裝置能夠將修井作業現場產生的油水實時地收集到吸液罐內，再進行轉運或輸入到輸油干線里，實現了油水不落地安全環保作業的目的。為了從技術上提高裝置的性能、使用壽命，并達到節能降耗的目的，提出了采用增壓閥和進出口可轉換管路設計，解決核心部件渦流風機負載增大、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式液位報警器，解決風機進油水問題。