渤海某油田水力旋流器測試數據分析

李海(中海石油(中國)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，依靠兩種不相溶液體的比重差，利用含油污水在旋流管內高速旋轉所產生的離心力，將較重的水拋向外側，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形成油芯，并從溢流口排出，從而實現油水分離[1]。

某油氣田水力旋流器設計處理量7 200 m3/d，實際處理量5 400 m3/d，根據油田工藝流程特點，污水未進行充分脫氣導致處理量達不到設計要求，如果在水利旋流器入口有污水緩沖罐，充分脫氣后再進入旋流器，這樣除油效率會大大提高；但是目前油田沒有污水緩沖罐，導致該設備運行效果不佳。

根據水力旋流器的結構特點，我們可以通過調節在線旋流管的個數，進而調節水力旋流器的處理量，以便適應油田不同生產時期的含油污水量，而不必增加其他設備或是升級改造，以此減少油田后期改造升級的生產成本。

1 水力旋流器的特殊性

1.1 水力旋流器結構介紹

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根旋流管分為三個區域，一區為18根旋流管，二區為34根旋流管，三區為34根旋流管。三個區域的旋流管共用一個入口(此處不能將三個區域分別隔離)，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)分別將三個區域設置了閥門。為了滿足旋流管的處理量要求，生產人員可以根據油田產水量(處理水量)的需求，自由組合旋流管數量，進而使每個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簡介

1.2.1 容器容量

當有效壓力及對應的最大流速確定后，就可計算液體－液體水力旋流器的尺寸。流速與壓力是有一定比例的，單個水力旋流器的容量可以計算為：

式中：Q代表流速。

最大流速是由進口壓力決定的，當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，分流比應保持為進口處理量的一個百分比。這個比率一般為1.5%～3.0%，具體應在調試現場確定。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有一個穩定的引出率。引出率太小，降低分離效率；引出率太大，對排放系統產生不利影響。引出率控制油排出量并送油回流程處理，壓力比通過出口管線系統的控制閥設定背壓，從而控制引出率。該控制閥可調節，保持壓力比為一穩定點，典型數值為1.7～2.0。

1.2.4 壓力控制閥的壓力設定值

壓力控制閥的設定應根據流程條件確定，如果進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(進口含油濃度高的，壓差比可適當選擇大的)。

2 水力旋流器除油率低的原因分析

通過啟動P-2002泵將二級分離器的水轉入一級分離器，使一級分離器溫度提升至50～52 ℃后，現場記錄數據，如表1所示，對該設備進行調試。

現通過表1進行數據分析，發現了以下四個現象：

表1 現場數據記錄

現象一：從最后一欄的除油率中，可以明顯地看出：在三個分區86根旋流管全部投用工況下的除油率明顯優于只投用部分分區工況下的除油率。

現象二：“旋流器的壓降一般與流量成正比”，但是表中部分數據(表格中用A、B、C……表示)呈現反比關系，不符合水力旋流管的壓差規律。

A，使用18根旋流管顯示流量為37 m3，計算每根旋流管在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，計算每根旋流管在1.24 m3的流量下壓差為234 kPa。

現象三：在表中D、E、F、C四組數據符合旋流管的壓差規律(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，計算每根旋流管在1.24 m3的流量下壓差為234 kPa。

現象四：在表中序號12和序號19的兩組數據中在保持相同差壓比的情況下，一組數據為86根管處理89 m3液，油相閥開為38%，而在第二組數據中18 根旋流管處理37 m3液，油相閥開為48%。此現象說明，在相同差壓比下處理小流量時的溢流量反而比處理大流量時的溢流量要大。

3 研究結論

(1)在三個分區共86根管全部投用時不存在內漏問題，這里解釋了現象一的合理性，就是在三個分區共86根旋流管全部投用工況下的除油效率明顯優于只投用部分分區工況下的除油效率。

(2)根據設備原理分析現象二。在使用水力旋流器其中的18根管時，由于水相的分隔板內漏，會有兩個區的共68根旋流管底流口的滲漏量，向一個區18根旋流管水出口處滲漏，導致整體流量高，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，會有兩個區的52根旋流管底流口的滲漏量向一個區的34根旋流管水出口處滲漏，導致整體流量高，水相壓力高，水相壓差小，但比投用18根管時壓差要大。在使用水力旋流器其中的68根管時，會有一個區的18根旋流管底流口的滲漏量，向兩個區的68根旋流管水出口處滲漏，導致整體流量稍高，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，無泄漏問題，可高效運行，單管1.2 m3流量就可達到 234 kPa的壓差。

(3)現象三充分證明了在無內漏的情況下單管流量與壓差成正比的關系。

(4)現象四與現象二同理，說明了油相與三個區域的內漏問題，當只投用一個18根旋流管區域，有兩個區域68根排油孔的滲漏量向一個區域18根排油孔腔室滲漏時需要增大油相調節閥開度才能將油相壓差降到設定差壓比。而86根旋流管投用后。全部旋流管的內部液體旋流起來后，會使旋流管的排油口處內部出現明顯壓降，這是86 根旋流管處理89 m3液，而油相閥開只有38%的原因。沒投用區域的旋流管內，由于流量沒有滿足廠家給出的0.68 m3/h的最低流量要求。所以旋流管內的液體沒有旋流起來，沒有旋流也就沒有處理，正是這樣沒有經過處理的混合液向油相和水相竄流，導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行分析

從調試數據來看，在86 根旋流管全投用的工況下除油效率只接近70%，此數據遠遠沒有達到設計除油效率80%～90%。目前平臺上發現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

目前一級分離器的溫度在44 ℃左右，主要受流程設計限制，在一級分離器入口沒有設計加熱器，導致WHPA平臺的48 ℃產出液，與WHPB平臺的42 ℃產出液混合進入一級分離器后只有44 ℃。設計上一級分離器的升溫方法是將二級分離器的水轉入一級分離器，但由于二級分離器的水相泵設計揚程偏低，在轉二級分離器水時達不到額定排量，并且目前二級分離器產水較少，無法做到長時間供水，在二級水少見油后不能滿足泵的工況要求，無法將油轉入一級分離器，給一級分離器升溫。待二級水泵改造換型后能夠滿足轉油的工況要求，可使一級分離器溫度進一步提高，使小油滴聚結成大油滴并持續降低二級分離器的水位，即能改善一級分離器的水質又能保證原油外輸含水合格。

4.2 過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，而目前進入水力旋流器的溶解氣遠大于這一標準，原因是流程上設計一級分離器在1.8 MPa的生產水直接進入水力旋流器，在此之間沒有一個脫氣緩沖罐使之充分降壓脫氣，使高壓高含氣的生產水在旋流管內產生壓降時，有大量的氣體脫出，在旋流管內出現氣柱，影響油向旋流管中心聚集，從而影響油線的產生[4]。此現象的出現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的流速可增大液體在旋流管內的旋轉速度，使之產生更大的離心力，有利于油水分離。但高流速也必然導致高壓差，在高壓差下的嚴重脫氣又影響油向旋流管中心聚集，所以必須在實踐中找到一個壓差與脫氣的平衡點，才能獲得一個較好的除油效果。

5 解決方案

5.1 對平臺流程進行改造，使一級分離器的水在進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行排放；第二，將一級分離器水相出口進行減壓，由1 730 kPa減壓到800 kPa，并連接6.7 cm排氣管線至三級分離器(操作壓力100 kPa)混合室進行排氣，連入混合室的目的同時在于將因脫氣而攜帶出的污水再次進行分離，以降低外輸含水。由于在某一階段污水產量較平穩，故排氣截止閥開度一般情況下為固定值，該開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，避免在旋流管內過多地脫氣

合理控制水力旋流器的壓降，避免在旋流管內過多地脫氣，根據旋流器的壓差與流量成正比的關系，要控制壓差就要控制流量或增減旋流管的數量。但是流量是不可控的，要根據產水量的變化合理控制一級分離器的水位及時排水，保證外輸含水合格。目前可以控制旋流管的數量，根據水量的變化合理投用旋流管數量能夠有效控制壓差。水力旋流器的三個分區可實現，18、34、52、68、86共五種組合；如果將平臺上現有的8根盲管封堵在其中一個34根管的區域會有18、26、34、44、52、60、78七種組合。在水量波動時也可將壓差控制在合理范圍，從而減低旋流管內的脫氣現象，同時合理的旋流管數量也可增加水在旋流管內的滯留時間，提高分離效率。

5.3 優化水力旋流器的內部結構，增加除油量，提高除油效率

目前的單進口旋流管，水線從單一方向進入，形成旋流的旋流力較小，旋流效果較弱，可以嘗試將單進口更換為多進口(4個或者8個進口切向進入)的旋流管，大液量進入，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墊片，避免油相和水相互竄

對水力旋流器油水相兩側隔離密封區進行測繪制作墊片，以實現各區的完全隔離，但可能是由于材質為石墨墊片，有一定的脆性，導致隔離效果較差，油相排水量依然較高，下步計劃對水力旋流器兩側墊片進行材質換型為聚四氟乙烯墊片，觀察隔離效果[5]。

5.5 對一級分離器水相濾器進行改造，降低固體含量

由于濾網清洗不便，現場對一級分離器水相濾網進行改造換型，換型后，現場增加濾網清洗頻率，由之前的60 kPa進行清洗，調整為40 kPa進行清洗，避免了因固體顆粒對旋流效果造成的影響。

5.6 LV-3001控制閥對壓力調節的影響

不管是調試還是正常投用，設備處理水量的大小均是通過調整LV-3001的開度大小來控制，進而改變差壓比的大小，而實際情況是該調節閥位于水力旋流器的出口，這就產生下面的問題：水量調節的同時，也變相地改變了出口管線的狀態，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定；后期建議：將LV-3001調整到水力旋流器的入口，同樣可以實現對水力旋流器入口流量的調節。

5.7 工況波動以及段塞流對旋流器入口的影響

針對流量不穩定的情況以及段塞流的影響，可以在旋流器前增加緩沖罐，含油污水先進入緩沖罐V-3001穩定再進入水力旋流器，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，這樣使得入口有穩定的壓力[6]。

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