油田三相分離器排泥在線旋流預(yù)處理工業(yè)試驗(yàn)

孫治謙 劉 越 王朝磊 王振波

（中國石油大學(xué)（華東）石大山能新能源學(xué)院）

國家“十四五”規(guī)劃文件對(duì)聯(lián)合站罐底油泥提出了更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)［1］，油泥處理已成為影響油田綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的瓶頸之一。現(xiàn)有油泥分離方法存在諸多不足，如熱解方法前期投資大、運(yùn)行成本高；溶劑處理方法溶劑損耗率較大；微波處理方法對(duì)設(shè)備密封性要求苛刻等，尚未得到推廣應(yīng)用。

旋流分離技術(shù)與其他分離方法相比具有流程密閉、處理時(shí)間短及運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此筆者提出一種基于油泥湍動(dòng)脫附、旋流聚結(jié)分離技術(shù)的罐底排泥在線處理系統(tǒng)，將湍動(dòng)脫附器與兩級(jí)旋流器串聯(lián)用于罐底排泥的在線預(yù)處理過程，湍動(dòng)脫附器內(nèi)部切向速度流場呈強(qiáng)湍流形式存在，附著在顆粒絮團(tuán)表面的橋接油、包覆油在強(qiáng)湍流產(chǎn)生的高剪切力作用下被轉(zhuǎn)換為游離態(tài)油［2］，游離態(tài)油在一級(jí)旋流器聚結(jié)作用下被收集形成較大液滴從而被分離開來，完成脫附后的泥砂顆粒則在二級(jí)旋流器作用下得以分離，進(jìn)而達(dá)到油泥在線分離、原油就地回收、污泥減量化的目的。室內(nèi)試驗(yàn)取得一系列成果后，于新疆油田采油二廠51#聯(lián)合站開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 工藝流程及原料物性

罐底排泥在線處理系統(tǒng)由增壓泵、控制柜、湍動(dòng)脫附器、兩級(jí)旋流分離器和原油緩沖罐組成。湍動(dòng)脫附器在切流式旋流器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，去除了原有的溢流管口結(jié)構(gòu)，增加了柱段長度且使用大錐度角使其更適用于脫附作業(yè)。兩級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，罐底油泥在線處理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 罐底油泥在線處理系統(tǒng)工藝流程圖

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)

進(jìn)行排泥作業(yè)時(shí)，上游來液通過增壓泵獲得足夠的壓力進(jìn)入湍動(dòng)脫附器，在三維強(qiáng)剪切流流場作用下，吸附在油泥砂上的原油被剝離轉(zhuǎn)換為游離態(tài)，進(jìn)入一級(jí)旋流器實(shí)現(xiàn)原油預(yù)分離；分離得到的原油進(jìn)入原油緩沖罐V01內(nèi)臨時(shí)儲(chǔ)存，隨后進(jìn)入原油處理系統(tǒng)；一級(jí)旋流器底流的低含油組分進(jìn)入二級(jí)旋流器，在二級(jí)旋流器內(nèi)進(jìn)行液固分離過程，二級(jí)溢流所得廢水根據(jù)現(xiàn)場情況和總體工藝設(shè)計(jì)返輸回站內(nèi)（混合返輸回原油進(jìn)站管線或沉降罐入口或分輸至原油處理系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)）；二級(jí)底流排出的低含油、低含水泥砂排放至泥砂池或密閉罐進(jìn)行下一步的無害化處置。

本次試驗(yàn)以新疆油田采油二廠51#聯(lián)合站三相分離器罐底油泥作為試驗(yàn)介質(zhì)，其物性如下：

原油比重（20 ℃）0.857 0 g/cm3

原油粘度（20 ℃）81.8 mPa·s

操作溫度 12～60 ℃

油相濃度 5%～15%

固相濃度 小于60%

油泥粒徑分布如圖2所示。

圖2 泥砂粒徑分布圖

1.2 湍動(dòng)脫附機(jī)理及分離指標(biāo)

旋流器可用于去除水中不溶性液體或固體顆粒［1，3］，混合相經(jīng)造旋結(jié)構(gòu)進(jìn)入旋流器后形成旋流場，重質(zhì)相向旋流器邊壁移動(dòng)隨下行流經(jīng)底流口排出；輕相流體則隨內(nèi)旋流向壓力較低的溢流口方向運(yùn)動(dòng)，直到從溢流口方向排出完成分離過程。

旋流器內(nèi)流場為三維強(qiáng)湍動(dòng)流場［4，5］，以強(qiáng)旋流流動(dòng)為主要流動(dòng)特征的切向速度場呈組合渦形式存在，這一典型流場特性是實(shí)現(xiàn)油泥湍動(dòng)脫附的基礎(chǔ)，基于此特征改進(jìn)得到了湍動(dòng)脫附器。

影響流場內(nèi)分散相聚并破碎的主要因素為時(shí)均速度梯度引起的黏性剪切力和湍流流動(dòng)引起的高剪切應(yīng)力和湍動(dòng)能。其中前者主要導(dǎo)致分散相（顆粒絮團(tuán)、油滴等）的變形，從而增加分散相之間的碰撞機(jī)會(huì)，后者則導(dǎo)致分散相（顆粒絮團(tuán)、油滴等）旋轉(zhuǎn)、變形和破碎［6～12］。因此對(duì)低壓損的切向旋流器進(jìn)行改進(jìn)后作為湍動(dòng)脫附器，脫附器采取較大直徑的柱段結(jié)構(gòu)用以增加處理量，較大錐段角度以縮短停留時(shí)間并取消溢流出口結(jié)構(gòu)。

旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（柱段直徑、錐段角度、尾管直徑等）和操作參數(shù)（溢流率、流量、加藥量等）均會(huì)在不同程度上影響分離效果。筆者在兩級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)與二級(jí)旋流器溢流比固定為5%的前提下研究入口流量和一級(jí)旋流器溢流率兩個(gè)主要因素對(duì)分離效果的影響規(guī)律，其中入口流量通過控制柜改變?cè)鰤罕妙l率進(jìn)行調(diào)節(jié)，一級(jí)旋流器溢流率通過調(diào)節(jié)一級(jí)旋流器底流口和溢流口下游的閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為考察湍動(dòng)脫附與旋流聚結(jié)的試驗(yàn)效果，提出污泥減排率、原油回收率與排泥含油率3個(gè)指標(biāo)。污泥減排率、原油回收率計(jì)算方法如下：

式中 C1入口——一級(jí)旋流器入口含油率，mg/L；

C2底流——二級(jí)旋流器底流含油率，mg/L；

Q1入口——一級(jí)旋流器入口流量，m3/h；

Q2底流——二級(jí)旋流器底流流量，m3/h。

排泥含油率由紅外分光法測量二級(jí)旋流器底流泥砂樣品含油濃度后換算得到［13］，二級(jí)旋流器底流泥砂樣品含水率由共沸蒸餾法［14］測定，上游來液高含水樣品含油率由可見光分光法測得。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 入口流量對(duì)分離效果的影響

污泥減排率、原油回收率和排泥含油率隨入口流量的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨入口流量的增加，原油回收率與污泥減排率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，排泥含油率則先減小后增大。在入口流量為8 m3/h時(shí)，原油回收率與污泥減排率分別達(dá)到最高值99.63%與96.72%，排泥含油率降低至2.16%。隨著入口流量的逐漸增大，湍動(dòng)脫附器中顆粒絮團(tuán)橋接油、間隙油所受剪切應(yīng)力隨之增大，旋流器中的較小油滴獲得足夠的向心浮力進(jìn)行分離，油相分離效率升高，原油回收率隨之升高，進(jìn)入二級(jí)旋流器的油相較少進(jìn)而排泥含油率降低。

圖3 流量對(duì)分離性能的影響

當(dāng)入口流量超過某一臨界值后，油相停留時(shí)間過短，即使旋流分離器提供了足夠的離心力，但油相無法在有限的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入中心油柱，導(dǎo)致油相回收率下降；而流量的增大同樣使切向速度增大，使切向速度沿徑向的變化加劇，進(jìn)而加劇旋流器內(nèi)流場湍流程度，水相所受到剪切力增加導(dǎo)致液滴破碎粒徑減小，隨油相通過溢流管流出進(jìn)而原油回收率降低，進(jìn)入二級(jí)旋流器的油相增加，導(dǎo)致排泥含油率增大；此外，流量的增大，流場內(nèi)湍動(dòng)能也會(huì)隨之增大，流體與旋流器邊壁、內(nèi)流場中的內(nèi)旋流與外旋流間的摩擦加劇，也會(huì)導(dǎo)致液滴破碎粒徑減小，進(jìn)而使原油回收率降低。

2.2 一級(jí)旋流器溢流率對(duì)分離效果的影響

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定入口流量為8 m3/h、降低一級(jí)旋流器溢流率至10%及以下時(shí)，流量在7.5～8.5 m3/h劇烈波動(dòng)；而固定入口流量為7.5 m3/h，不同溢流率條件下，流量基本穩(wěn)定在7.5～7.6 m3/h。為有效控制入口流量波動(dòng)對(duì)分離效果產(chǎn)生的影響，本試驗(yàn)入口流量確定為7.5 m3/h。污泥減排率、原油回收率和排泥含油率隨一級(jí)旋流器溢流率的變化曲線如圖4所示。

圖4 溢流率對(duì)分離性能的影響

污泥減排率與原油回收率隨著溢流率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，排泥含油率則先減小后增大。當(dāng)溢流率為10%時(shí)，原油回收率達(dá)到峰值99.30%、污泥減排量高達(dá)96.60%、排泥含油率低至2.04%。

在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)條件下，溢流率的變化會(huì)影響到旋流腔內(nèi)上行流的流動(dòng)方向，尤其是溢流口周圍的流場。當(dāng)溢流率較小時(shí)，一級(jí)旋流器中部分油相組分無法及時(shí)通過溢流口流出，從而進(jìn)入二級(jí)旋流器導(dǎo)致原油回收率與污泥減排率低下，與之對(duì)應(yīng)的排泥含油率隨之較高。反之，過大的溢流率會(huì)使溢流流量增加，在溢流口通流截面積固定的情況下，必然會(huì)導(dǎo)致溢流口附近軸向速度的增加，造成油水兩相“競相”，一級(jí)旋流器中由入口進(jìn)入的混合介質(zhì)還未進(jìn)入錐段結(jié)構(gòu)參與分離過程便在壓力梯度作用下由溢流口流出，致使進(jìn)入二級(jí)旋流器的介質(zhì)中固相顆粒濃度降低，污泥減排率與原油回收率隨之降低，與之對(duì)應(yīng)的排泥含油率升高。此外，軸向速度的增加也會(huì)降低流場穩(wěn)定性，降低原油回收率。

在上述條件下，溢流率對(duì)旋流器內(nèi)切向速度分布的影響不大，但是會(huì)增加最大切向速度的數(shù)值，使離心力增加，同時(shí)也會(huì)增大流體微團(tuán)所受的剪切力。因此在溢流率過大時(shí)，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致液滴破碎，降低原油回收率。

3 結(jié)論

3.1 在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)條件下，隨入口流量增加，原油回收率與污泥減排率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，排泥含油率則先減小后增大。在入口流量為8 m3/h時(shí)，原油回收率與污泥減排率分別達(dá)到最高值99.63%與96.72%，排泥含油率降低至2.16%。

3.2 污泥減排率與原油回收率隨著一級(jí)旋流器溢流率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，排泥含油率則先減小后增大。當(dāng)溢流率為10%時(shí)，原油回收率達(dá)到峰值99.30%、污泥減排量高達(dá)96.60%、排泥含油率低至2.04%。

3.3 現(xiàn)場試驗(yàn)表明，基于湍動(dòng)脫附技術(shù)與旋流聚結(jié)分離技術(shù)的試驗(yàn)方案可有效應(yīng)用于新疆油田罐底油泥在線減量化領(lǐng)域。后期可通過藥劑復(fù)選使泥砂中含油率降至2%以下，進(jìn)而達(dá)到直接排放的標(biāo)準(zhǔn)；且可將人工手動(dòng)排放升級(jí)為電氣閥門自動(dòng)排放，從而進(jìn)一步推進(jìn)聯(lián)合站密閉化進(jìn)程。