国内外液-液水力旋流分离器研究进展

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国内外液一液水力旋流分离器研究进展刘洪郭清胡攀峰朱愚王锐4陈锦华4陈辛4,,,,,, ( 1重庆科技学院 2西南石油大学 3西南油气田分公司重庆气矿 4四川石油管理局 )

刘摘

洪等.国内外液一液水力旋流分离器研究进展.钻采工艺，0 73 ( ) 7 2 0,0 3:8—8,7 18要：首先从液一液水力旋流器结构与工作原理出发，综述了液一液水力旋流分离器的国内外研究进展，

重点对液一液水力旋流分离器的试验模拟技术研究现状、一液液水力旋流分离器数值模拟研究概况以及液一液水力旋流器在油田的发展状况等进行了详细介绍。最后对液一液水力旋流器的数值模拟技术提出了几点认识和建议。

关键词：水力旋流器；数值模拟；油水分离器；究进展研中图分类号：T 1. 6 E9 2 0文献标识码：A 文章编号： 10 7 8 2 0 )3~ 0 8一o 06— 6 X(0 7 0 0 7 4

九十年代以来，我国东部大部分油田都进入中、高含水开采期，出液含水量高达 8%一9%以采 0 0上，油气集输工艺过程中必然需要油水的预分离在

来料入口

溢流

和含油污水的净化，传统的水处理设备已不能满足现阶段生产发展的要求。二十世纪八十年代以来， M. . hw等人首次将旋流技术应用在石油工 T Te业的液一液分离领域，创了油田地面分离技术的开

底流口

l入口段收缩段

分离段

出口 段

图 1液一液水力旋流器原理图

新篇章。一液液分离水力旋流器作为一种新型的油田含油污水处理设备，受到了石油工业的青眯，多年来的科研和现场应用结果表明，旋流分离技术应用于油水分离领域存在着技术上的可行性、济上的经必要性以及工程应用的广阔前景。一

液体混合物从入口沿切向流进入口段后，产生高速旋转。由于混合物中轻重组分的密度不同，在离心力的作用下，重组分将向旋流器回转壁面处运动，在壁面附近浓集，旋转过程中，渐向底流并在逐

出口运动，最终排出旋流器。与此同时，

轻组分将向旋流器中心轴处运动，形成中心核，向入口方向流并动，溢流出口排出。这样就实现了轻重组分的分从离。

、

液一液水力旋流器结构与工作原理液一液水力旋流器是依靠流体的旋转产生离心

力来达到分离不同物质的目的，构如图 1所示。结

用于油水分离的旋流器分预分和除油两种，两者均处理以水为连续相的油水混合物，离机理相分

旋流器主体是由入口段、收缩段、分离段和出口段四个回转体顺序连接而成。在入口段有一个或多个切

同，都是在离心力场内依靠油水密度差实现油水分离。预分旋流器一般应用于高含水原油预分离及井下油水预分离系统中，目的是为尽量减少原油含水率，同时得到允许含油浓度范围内的污水，分流比一般控制在 1%以内。除油旋流器一般应用于油田 0 各环节含油污水的处理，由于含油污水只含有几百至几千 m/的原油，流比较小，为 1~%。 gl分常% 3

向入口，以输入待分离的液体混合物。入口段的用 顶面上有一个溢流出口，以排出较轻的组分。出用口段的尾部是底流出口，用于排出较重的组分。 液一液水力旋流器的工作原理包括三个部分： 首先，籍切向输入流体的静压力产生旋转运动；继而，在该旋转运动中完成待分离物料的空间规律性分布；最后，经特殊的结构设计完成分离。收稿日期：2 0 0 6—1 2—1 4

基金项目：重庆市自然科学基金项目“合集成化的油气井压裂智能决策研究”综。

作者简介：刘洪 (9 2, 17一)博士，03年毕业于西南石油学院；事油气田开采理论与方法等方面的科研教学工作。地址：4 04 ) 20现从 ( 00 2重庆市渝中区石油路 1号重庆科技学院石油工程学院，电话：2 0 3—8 0 24 8 0 2 7 E—m i l be@v .i .o 9 95 0、9 9 85, al i rt i s a tm:u t p n

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二、内外液一液水力旋流器国技术研究概况旋流分离技术在工业部门的应用已有 10多年 0

长圆柱几何结构相比，锥管结构可以给出稳定

的、直径细小的反向流核芯，而且允许在极小的溢流孔径下工作。实验所得到的最好结果是在没有涡流探测管 ( o e n e) V￣ xf dr的情况下。长的圆柱尾管是构成 i

的历史，但对于液一液分离领域的开发研究工作则是从 16英格兰海南岸的“ oryC no”轮 9 7年 Tr ayn海 e

旋流器整体所必须的部件，圆柱尾管里小粒径的在液滴移向轴线上的反向核芯。 发展的步伐逐渐加快。18 9 3年 C la om n和 T e hw

遇难事件后才开始的。在 7 0年代英国 Su a p n ot m t h o大学的 M. .hw首先将研制的水力旋流器应用于 TTe油一水分离，从 18并 9 0年的国际旋流器会议开始， 陆续公布他们的研究成果。此后，hw的研究成果 Te

发表文章公布了一些概括出的关系式和级效率曲线 (粒径测试采用库尔特计数器， oleC ut )尽 Cut one, r r管这篇文献中优化的斯托克斯数 S( tksN m— t Soe u br和雷诺数 ( enlsN m e)间的关系式 e) R yo u br之 d被后来发现是错误的。液一液水力旋流器装置的工

转让给 B oo公司，公司生产出了具有 WN V r i tl该 V r i色的旋流管组合模块而开始商业性应 otl特 o用-。到 8年代末， 3 J 0其他人又在 T e hw的旋流器基础上对旋流器的操作性能、流场分布、结构优化等方面进行大量的研究， Cnc如 ooo和 A oo m c等公司。 从此水力旋流器逐渐成为工业应用的新型设备。 1 .液一液水力旋流器试验模拟技术研究尽管在理论分析方面和计算流体力学( F ) C D方面水力旋流器研究稳步向前发展，水力旋流器研但

作可采用计算机控制，例如，一个 3段式水力旋流器装置采用计算机在线控制，果超声探针探测到人如口有一油流段塞，自动控制将油流切换到污油罐可

去。尽管计算机控制在操作上是令人满意的，但在旋流器本身仍没有被验证的情况下，应用被油田该所接受还需要很长时间。 ‘

究基本上仍以实验为基础。L A的出现使稳态和 D紊流情况下高涡旋速度场的无侵入式测量成为可能，而且该技术已从 7 0年代早期的一维测量发展到

今天的三维测量。实验架设计的关键因素是独立控

八十年代中期以后，流场测试的结果开始出现。 然而，由于对实验室中的模拟感到怀疑，其是对界尤面的化学和物理性质感到怀疑，来的工作变得迟后

缓了。然而，对旋流器几何尺寸的影响的深入研究， 尤其是对人口旋涡的检验，认了斯托克斯数与欧否拉数乘积( )&眈为常数的说法，认为这很有可能是由于液滴的变形或破碎造成的，近的一项实验/最 理论研究证实尾直管是必须的。这项研究还计算了液滴的轨迹，而表明最近提出的除油水力旋流器进理论分析模型需要改正，个模型显示尾直管内的这液滴没有经反向流到达溢流。 对于油中分散水进行处理的水力旋流器取得的

制流量和液滴粒径，结合利用等动量取样进行进出口液滴粒径测量。尽管在线激光衰减散射法在含油

浓度测量的精度上不如传统的溶解萃取红外线法， 但激光在线法却远比萃取法方便得多。虽然 L A D是单点测量，当使用染色剂或盐示踪剂时，留时但停间的确定可以给出合成的图像，尽管只是针对连续相成份。尽管 Km e和 T e ibr hw用圆筒形水力旋流器分出

了大约 9%的油， 0但这是不适合于商业应用的。在研究中，他们很看重多人口的重要性，认为多个人口 可实现油核的线性，使油核具有最小的回旋。他们还发现在底流端具有轴向出口而不是切向出口情况下具有最低的紊流强度。然而，芯向出口的流动油

成功较少。一篇较早的论文采用了传统的几何结构，验从水为连续相延续到油为连续相，实而且实验采用的也是塑料颗粒，以免乳化。实验没有得出合

理的分离结果，即使是采用水一煤油混合液。但是实验也的确给出结论认为壁面的润湿性是显著的。对全锥角为 6和具有低剪切扩大人口的旋流器进。

对轴向出口设在人口端及底流端的两种情况都不能令人满意。前者得不到稳定的反向流动的核芯，而后者会出现导致油被捕获的周期性的不稳定性，或者说已分开的油和水会发生片刻的混合。 (小的细聚丙烯粉用来模拟油滴，具有更高的摄像可视性，避免偶合和破碎现象。 )C la o n和 T e m hw发现增加非常小的锥角，小如

行水/煤油实验的结果全面总结，揭示出分流比和人口含水量对分离压降的影响，以及仅以水为介质时

对轴向速度分布的影响。一个关键参数是比值 n J c(,分流比与含水量之比)这个比值的理想值为当，水刚刚发生突破进入溢流时的值 1实验中最小值，为 11 .。对水滴的破碎情况与固体颗粒和类比液滴在同一旋流器内的结果进行了检查对比。 从油中分离水 (或盐水 )当油的粘度接近水的， 5倍时，明显没有什么成功的先例，很当然界面的自

到1一。。 2全锥角，导致径向流动的不同，会特别是当为了降低剪切和压降而显著扩大人口截面时。与

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然性质也是极为重要。最近的研究表明正确匹配的

时均性质，此，程上往往采用各种紊流模型因工模拟相关问题。 18 94年，eil u人"对旋流器内单相流 Pr e s等 co

破乳剂可改善分离效率 3%, 0这主要是增强了液滴的聚结。这项研究也暗示了应当对几何尺寸进行修正，以便正确确定停留时问，表面活性剂充分发挥使作用，而且由于两个排出口停留时间分布 ( T是 R D)不同的，因此也包括对分流比的调整。一

场的数值预报进行了有益的尝试，并认为标准的 k 应作修正才能适用于旋流器的流场计算。一

Hi s h和 Rjm n采用涡一流函数法对Ⅳ一J方程 e a ai a s

篇关于 C D的论文展现了与实验对比的结 F

果，特别是关于除油旋流器的情况。文章表明这项工作还有很长的路要走。 我国在液一液旋流分离技术研究方面起步较

进行求解，这是由于在轴对称假设的前提下，绕轴的 同一周向速度无变化，这种运动具有二维性质，以可用流函数表示和求解，计算结果与实测值吻合较好； 他们还根据颗粒的受力分析，用代数逼近法得出颗粒的滑移速度和运动轨迹，以及级效率曲线。D g u— g s Fi i和 rh采用修正的 I s n c i湍流对强旋转流进行}一了模拟。该模型是对标准 k 湍流模型的改进，一即不同方向的湍动粘性采用分

别处理的办法。径向和轴向的雷诺切应力的湍动粘性由标准 k一湍流 模型来计算，而切向的雷诺切应力的湍动粘性则由以下混合长度模型计算：

晚。8年代末， 0国内有关科研单位开始正式成立旋流器科研课题进行研究。他们在引进成套旋流器的同时，根据国外文献资料中提供的液一液旋流器模型尺寸比例，结合自己的设计经验，设计出适合我国 油田实际情况的液一液旋流器。其中江汉石油机械研究所设计的 X L一1液一液旋流分离器， 0型 油田现场试验的分离效率为 0 9; .4大庆油田设计院

于 19年设计的双锥型旋流器的除油效率基本达 92到了国外同类产品的指标；胜利油田勘探设计院同 沈阳新阳机器制造公司合作开发的预分离旋流器和污水处理旋流器的分离效率分别在 8%以上， 0但在现场应用中性能还不稳定。 此外，油大学 (东 )气集输教研室在开展石华油

:r一I p2孚 CI o E 该模型引入湍流各向异性的特性，较为准确地描述了湍流及其扩散，使流动的描述更为精确。但是，对于湍动粘性张量只考虑了雷诺切应力方向 的影响，而忽略了旋转流动对雷诺正应力的影响，未完全考虑湍流的各项异性特性，故有待进一步完善。 H r ev和 S vs r ar e ga iet采用代数应力模型， l e对液一液分离用旋流器的除油分离操作作了实测和数值研究，预报结果与实测比较吻合，同时也考察了紊流脉动对除油率的影响。D ao si和 Wii s采用 k ykwk la lm一

液一液旋流分离技术研究以来，先后在结构选型试验研究、旋流管外特性研究、旋流管流场数值模拟方面取得了很大的进展卜。开发出了 3 m、 8 5 m 2m和 2 m高效、 m 0m低耗系列油水预分、水除油旋污

流管，压降小于 0 3 M a时，在 . P处理量分别为 6 2 . m/、. m/、. h h4 1 h2 2m/。其中除油旋流管底流出 口水中含油指标达到国外同类旋流器的性能指标。并且开发出的部分旋流管已经推广应用到胜利油田

湍流模型和雷诺应力分量的 6个代数方程联立

求解，是一种较为简单的雷诺应力代数模型，亦称扩展k 8一模型_。模型中考虑了湍流粘性的各向异

8 j性特征以及平均涡量与平均应变率之间的非线形关系。此模型是迄今为止较为完善的水力旋流器流体流动模型，但模型中雷诺应力代数式的精确性有待进一步深入探讨。M. .L C D S A K等人采用雷诺应力湍流模型和大涡模型对旋流器的单相流场进行模拟，用二维激光多普勒测速仪进行了实测验证，并实

和大港油田，目前正着手把初步的研究成果转向产品化。2 .液一旋流分离技术数值模拟研究概况液

研究液一液水力旋流器内流动规律和分离机理

最为活跃和有效的方法还是流场的紊流数值模拟。 由于大容量高速计算机的广泛应用和数值分析的发展，使得人们对于各种与工程有关的湍流流动进行数值模拟成为现实，有力地推动了水力旋流器内流体流动数值计算研究的发展。 水力旋流器内的运动为复杂的两相紊流运动，

测结果与计算值吻合。贾志刚根据贴体坐标下的有限体积法，采用涡

粘系数修正后的各向异性模型，对油水分离的水力旋流器流场进行数值模拟，计算结果较好地反映了 流动特征。B y n等人用代数应力模型和随机轨 os a道模型对旋风分离器中的两相湍流作了数值计算， 并预测了分级效率曲线，其研究思想和计算方法对水力旋流器的两相流场数值模拟有重要参考价值。

仅水相而言，对三维螺旋流动现象的精确描述应是一

组三维椭圆型偏微分方程组，Ⅳ一J即 s方程。当

前，复杂流场的紊流直接模拟 ( N ) D S还有待各种技术的进一步发展。然而，们主要关心的是紊流的人

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戴光清、建明等人分别采用修正模型系数的模型李

构件的扰动问题。

和各向异性模型，对不同工况下水力旋流器 ( 8 D= 0 m的三维液相速度场和压力场进行了数值模拟； m) 并用二维激光多普勒测速仪进行了实测验证，实测结果与计算值基本一致。说明在三维条件下对旋流器流场进行数值计算，与二维条件下相比，计算结果将大有改善。 近来，陆耀军、周力行等人 _“采用标准 k 0。、—模型、 N —模型和雷诺应力模式 R M模型 R Gk S

对液一液旋流管中的单相强旋湍流进行了数值模拟。结果表明 3种模型中以 R M模型的预报结果 S

将水力旋流器与其它现有和计划中的分离装置进行了对比，认为水力旋流器投资和运行成本在离心机、过滤器、聚结器和 I F G等所有列出的分离方法中成本是最低的。 在某些场合，作者的经验已经超过了十年之操

久。旋流器采用了硬质合金材料，如钨铬钴合金，很少有磨蚀的问题。因而，根据 C o的报道单个旋流 hi器的寿命已经超过了 5年。该作者还指出，有几仅个毫米直径的溢流孔并没有频繁地发生堵塞，是但一

旦发生就需要对整个系统进行维护。

最为合理，不仅对切向速度分布的 R n i涡结构 ak e n和轴向速度分布的近轴回流区作出合理预报，而且揭示了雷诺应力的各向异性特性。他们还在不考虑相间相互作用的条件下，水相采用 I k湍流模对/ i S型，油相采用随机轨道模型，拟了两组不同粒径的模

陆上油田储层压力通常较低，需要用泵进行操作，这样每口井的流量就比较低，以减少投资额。但除油水力旋流器也还是被引进到陆上油田使用，尽

管发展速度比海上慢得多。除油旋流器采用类型合适的低剪切泵，结果是完全令人满意的。

油滴群在两种典型液一液旋流分离管中的运动轨

迹，揭示了不同粒径油滴在旋流管中的分离过程。液一液水力旋流器的紊流数值模拟是一项正在发展的研究课题，最终目标是建立一种能够预测其水力旋流器分离性能的可靠计算方法，使得旋流器的优化设计和性能预报等工作无需实验或只需少量实验就能在计算机上实现。而真正实现这一目的， 尚需进一步的深入研究。 3 .液一液水力旋流器在油田的发展液一液水力旋流器的油田现场实验始于 18 93~

三、论和认识结() 1旋流器的原理和结构都十分简单，但影响其性能的因素多达十几种，且其内部的流场相当复杂。要想真正深入研究水力旋流器，实验和理论就必须同步进行、互相促进。实验研究一方面可以检验理论分析结果的正确性；另一方面可以得到一些经验或半经验的计算式，以满足生产实践的需要；而理论研究可以指导着实验的开展，实验工作更具使目的性，带动实验研究更快发

展。同时，理论研究可

18, 8 94年 1 5年第一批永久装置在北海和巴斯海 9

以获得对水力旋流器内部流动机理的正确认识以及对其性能进行合理预报。唯由此，才能筛选出更优的旋流器结构来，大限度地满足实际生产和工程最应用的需要。

峡。到 18年末， 95北海的一套有 4 2根旋流管的装置成功处理量将近 1 ri。尽管海上现场测量 5m/ n a是非常困难的，但是 18年一份关于巴斯海峡的旋 95流分离器工作性能的报告显示，除了在非常高的流量下性能骤降的严重事故之外，工作情况是非常令人鼓舞的。关于性能下降最初归因于液滴的破碎或气体在涡流核释出，但后来发现是由于分流比下降到了临界分流比 Fr以下所引起的。将同样结构 ci t旋流器的实验室和现场测得的级效率曲线进行对比，两者吻合的很好。同时也发现在扰动期间，高含油情况下有较大的油滴粒径，因此仍可维持分离的进行。18年， e rm创新性的贡献再次表明了 97 M l u d 在大流量时分离效率下降，以及在低流量、低旋转时分离也失效。他也论及了在入口含油达到 1%时泵送操作的情况 (要求充分分离 )以及基于两个出口 压降比、D P R的控制策略。 液滴粒径测量作为改善现场分离效果的助手最终被采纳，论这一问题的文章也给出了管道系统讨

() 2尽管液一液水力旋流器的结构比较简单，

但进行数值模拟计算时，它存在许多特殊性：①液一 液水力旋流器的长径比大、圆柱段直径和底流口直径比大，这使得网格划分较为困难；②液一液水力旋流器有进料口、流口和底流口，溢边界条件的设定较为困难；③旋流器内的流体流动复杂，存在内旋流、 外旋流、短路流等，要准确的捕捉这些流动现象，必须采取有效的处理措施。

() 3利用数值模拟技术，以得到旋流器流动可的普遍规律，同时用于旋流器的结构选型和尺寸优化，但数值模拟计算得到的结果与实际的结果可能存在偏差，因为在数值模拟时很难考虑到实际流体

的复杂物性和粒径分布等参数，这些偏差并不影响在结构优化中的应用。(下转第 8 ) 7页

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实际试验证明，温度区间控制在 1OE~10E范围 l￣ 4q

内较为理想。温度过低，将使油污清除困难；温度过高，使油污中胶质成分结炭，响清洗质量，限将影极温度一般不超过 10C。 5￣1 .工艺性突破

五、论结将电磁感应加热技术用于高含蜡油管清洗工艺，取消了锅炉，改善了工作环境；提高了设备运行可靠性和安全系数；以金属弹性体 (钢丝刷 )做为油管内外表面的主要清洗介质，提高了清洗质量，降低了清洗成本；实现了油管无蒸汽、低压射流、常温清洗；高了设备使用的安全系数。提2 .技术性突破

四、际应用及效果实20 0 5年 1至 20 1月 06年 1月，工艺技术进入该生产试运行阶段。试验清洗了 0 08(径 5.外6 . mm, 03内径 5 m) 0 3内径 6 m ) 0m和 7 ( 2m两种规

格的油管。试运行期间累计清洗油管 80 0根无 0余

故障，平均单班清洗油管 4 0以上。清洗质量稳 0根定，到内外壁及螺纹、做管箍处无油污、无结蜡、结无垢。满足了后续油管修复工艺要求。 20 06年 2月该工艺装备进入生产运行，已连现

() 1用碰撞模型分析了以金属弹性体 (钢丝刷) 作为油管内外表面的主要清洗介质时，清洗介质与污染物的微观动力学规律，得了以金属弹性体取 (钢丝刷)作为油管内外表面的主要清洗介质时的工业性技术参数。 ( )制成功动力型高速、 2研超长轴，轴长 1. 28

续生产 9个月，累计清洗油管 5余万米。运行成本 0比原来锅炉碱液浸泡方式降低 6%以上， 0且油管清洗质量得到保障。 图1是剖开后的清洗样件照片。照片左侧一段是没有被清洗的油管内表面部分，中部和右侧为清洗过的效果。

m,出转速 300~ 0 mn传递功率 1 3输 0 600r i,/ 5~ 0 k设计寿命大于 1 0。 W, 000h() 3取得了油管恒温(2 c~ 5 c ) 10I 10=高效电磁= I感应加热的工业性数据。参考文献

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(接第 8页 )上 1

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()一 4液液水力旋流器的数值模拟是一项复杂技术，随着湍流理论和数值模拟计算的不断发展，在流场模拟和粒子跟踪方面还会有更大的发展。 () 5加强液一液水力旋流器进料口中的油滴粒径和底流口处油滴粒径分布的检测手段研究，别特

加强对井下油水分离系统中分离效率的测试手段研究。

[ 7] Pe eu ri osK A.M￣e ai i ua o fH doy d a m t M Sm lt n O yrc- e i coe[] P .MahMoeig V l1 18 .. l s J .A P n t dl, ol, 7 8 n 9 [] D ao si n la s .Moei ub l t lw 8 ykw k TadWii A lm R dl gT rue o n nFWi i ma tnaS l h l—D a e r H doy ln J . C e im￣ y rcco e『] h m.

() 6加强对液一液水力旋流器结构以及分离性能等对入口来料油水物性、油滴粒径分布等的依赖

E g c. 4 ( ) 19 . n .Si, 8 6, 93

性，从而进一步加强旋流器的现场应用技术研究。参考文献[] T e .Hyr yl er einf q i iudsp 1 hw M T do co d s r i d—l i e- c n e g o lu q aao[] h hm clE gne,18 7 8:7— rtn J .T eC e ia nier 96(/ ) 1 i23.

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