卧式重力三相分离器分离效果影响因素

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(1.中国石油大学(北京)， 北京 102249； 2.克拉玛依职业技术学院， 新疆 克拉玛依 834000)

技术综述

卧式重力三相分离器分离效果影响因素

孙立强1，2，王迪1，2，朱红波2，高翔2，魏耀东1

(1.中国石油大学(北京)， 北京 102249； 2.克拉玛依职业技术学院， 新疆 克拉玛依 834000)

油井采出物通常是含有油、气、水和一些杂质的混合物，必须经过分离后才能外输。油、气、水分离主要采用三相分离器完成初步分离，再进行精密分离。三相分离器的分离效果直接影响外输处理液的质量。介绍了目前常用的卧式重力三相分离器的工作原理及液滴运动理论，讨论了三相分离器的运行参数、入口含气量、入口含沙量、流场流型、聚结效应以及停留时间等因素对三相分离器分离效果的影响，并提出了优化运行参数、改善三相分离器分离效果的建议，可为三相分离器的设计和运行提供指导。

三相分离器； 分离效果； 运动理论； 影响因素

目前我国大部分油田已进入中、高含水开发阶段，油井采出液中的原油含水量正在逐年上升。通常注水开发油田采出的地下原油到达地面后，不同程度含有油、气、水三相物质，同时含有部分泥沙[1]。目前油田的采出液综合含水率已达到或超过80%，部分主力油田的综合含水率已经超过90%[2]。为了对原油进行储备、运输以及后期的石油加工，必须首先进行油、气、水三相的初期预分离处理，将水、气、沙脱出，为下道工序提供合格的原料[3]。卧式重力三相分离器是油田中常用的油、气、水分离设备，它是连接采油井和精密脱水装置的中间环节，是原油外输处理的重要设备[4]。文中在阐述了卧式重力三相分离器工作原理的基础上，介绍了油、气、水分离中液滴的运动理论，讨论了影响卧式重力三相分离器分离效果的因素，对了解卧式重力三相分离器的分离机理以及如何提高分离效率具有一定的指导作用。

1 卧式重力三相分离器原理

重力分离法是一种最基本的油田采出物处理方法，利用不同相间的密度差实现分离[5]。卧式重力三相分离器就是借助重力分离法实现油、气、水的分离，操作介质为油、气、水的混合物，气相在密度差的作用下上浮，水相则在重力作用下下沉，形成一定比例的油、气、水相，从而完成分离过程。

最初的卧式重力分离器主要用于油气或油水两相分离，基本上都是空筒结构，而目前典型的卧式重力三相分离器则在其内部添加了不同形式的内构件(图1)，其功能区域主要包括入口预分流区、整流聚结区、重力沉降区、除雾器区和储液区5个部分。

图1 卧式重力三相分离器结构示图

油井采出液(油、气、水混合液)进入三相分离器，首先进入入口预分离区，通过撞击挡板或离心分离作用使采出液流动量突然改变，实现气液两相的预分离。预分离后的油水混合物下降到分离器底部，进行下一步油水分离，油水首先通过整流聚结区的整流、聚结装置，促进原油中的油滴和水滴的聚结。经过聚结后的液体进入到重力沉降区，重力沉降区提供充足的时间使油能聚集到上层而水沉降到底层。在经过重力沉降区后，上层的油液溢过堰板进入其后的油室，通过液位控制阀实时排出油液控制油室的油位。为保持油水界面的高度，下层的水相经另一液位控制阀控制后由排水阀离开分离器。预分离后的气体在分离器的上部空间进行进一步的重力沉降分离，气相中携带的较大液滴沉降后，较小液滴在除雾器区被捕捉，气体排出量由压力控制阀控制，保证分离器内的压力恒定，处理后的气体最终经气出口排出。

2 卧式重力三相分离器液滴运动理论

重力分离器内的流场是一种极为复杂的多相三维运动，至今仍无法准确了解重力分离器内的分离过程。前人通过对分离过程进行适当的假设，提出了重力分离器的相关基本理论。

2.1液滴沉降理论

在分离过程中，液滴在不同条件下的分离效果还没有准确的计算方法，一般假设液滴是球形且液滴间没有相互作用力。当液滴所受重力和浮力的差值与液滴沉降(浮升)过程受到的阻力相等时，液滴做匀速运动，此时的速度即为终端沉降速度。以水滴在油相中的沉降为例，stokes沉降公式为[6]：

(1)

式中，ρw为水的密度，ρo为油的密度，kg/m3；vt为水滴在油相中的沉降速度，m/s；g为重力加速度，m/s；μo为油的动力黏度，N·s/m2；dw为水滴直径，m3。

由式(1)看出，油相中水滴的沉降速度与水滴直径、油水的密度差以及油的黏度有关。增大水滴直径、油水密度差或降低油相黏度，均可使水滴沉降速度加快。因此，提高重力分离器油水分离效率的措施主要有两方面：①采用电场或聚结构件提高小液滴聚结成大液滴的几率。②对原油进行加热，降低原油黏度。综合考虑设备结构和能耗等原因，一般优先采用前者来加速分离过程。

2.2浅池理论

若将油水分离过程看作是理想状态的球形水滴在重力作用下进行沉降，则一定粒径水滴的分离效率可以近似计算为：

(2)

式中，η为水滴分离效率；AT为沉降(浮升)面积，m2；qV为单位时间处理物质的体积流量，m3/s；μ为连续相动力黏度，N·s/m2。

由式(2)可以看出，一定粒径的分散相液滴在连续相中沉降(浮升)的分离效率与两相流体的密度差、沉降(浮升)面积成正比，与连续相流体的黏度、单位时间的处理量成反比，与浮升高度无关，该原理称为浅池理论[7]。

浅池理论是油水重力分离过程中的基本原理之一，利用浅池理论提高分离器处理能力的有效途径是增加沉降(浮升)面积。在油水重力分离器体积一定的情况下，可在容器内设置多层隔板(斜板、波纹板、蛇形板等)以增大沉降(浮升)面积、提高分离效率。浅池理论已成为高效快速分离设备研制、开发的重要理论依据。

2.3聚结理论

聚结理论原理是利用聚结材料的亲油特性，使得小油滴碰撞、吸附于聚结材料表面，最终脱落上浮并达到加速两相分离的目的[8]。张敏等研究认为，选用的聚结材料的亲油、亲水性不同，油水分离中的油滴颗粒聚结形式存在差异，主要分为润湿聚结和碰撞聚结两种[9]。

液滴聚结是实现重力分离器快速分离的重要途径，液滴聚结后粒径变大，沉降速度加快。对卧式重力三相分离器，合理选择和布置聚结构件，在重力分离的基础上加入聚结分离技术，加速液滴聚结的同时减小设备尺寸，对于重力分离器结构优化具有重要意义。

3 卧式重力三相分离器分离效果影响因素

3.1运行参数

3.1.1压力

分离器的压力和分离效果存在一定联系。压力太高会影响来油管线的回压，还会使分离后的原油含气率上升。压力太低容易使天然气管线跑油，分离器液面降不下去。为保证分离器的分离效果，要求分离器应在一个较优且稳定的压力下工作，以克服压力不稳造成的分离器液面波动大、分离效果差的情况[10]。

3.1.2温度

温度对三相分离器分离效果的影响主要体现在两方面，①温度过低，原油黏度和界面张力较大，处理结果很难达到要求。随着来液温度的升高，原油的黏度和油水界面张力降低，有利于油水之间的分离。②在一定范围内，温度的升高可以提高破乳剂破乳率，提高油水分离效率，但当温度升高到一定值后，由于黏度降低幅度减缓，过高的温度使破乳剂破乳效果变差，造成处理结果不理想[11]。因此，要根据所处理采出液的实际情况和破乳剂的工作温度综合考虑三相分离器的适宜操作温度。

3.1.3破乳剂浓度[11]

破乳剂的作用机理主要是破坏油水界面膜，减小液滴聚结阻力，适宜浓度的破乳剂可加快三相分离器内油水分离，使出口水含油量和原油含水率均满足要求。如果破乳剂浓度过低，会导致原油脱水不充分。而破乳剂浓度过高，不仅增加了成本，而且可能发生二次乳化作用，也达不到破乳目的。因此，根据所处理采出液情况，选择适宜的破乳剂浓度对提高油水分离效果至关重要。

3.1.4油水界面

油水界面是卧式重力三相分离器运行的一个重要参数，油水界面高度直接影响分离器的分离效果。油水界面过高或过低都可能导致油水混层，分离效果无法满足要求。根据经验，如果出口油中含水超标，可适当降低油水界面高度；如果水中含油超标，可适当提高油水界面高度。油堰高度或者水堰高度又影响着油水界面的高度，可以此来实现油水界面的调节[12]。三相分离器的液面控制对提高分离器的整体分离效果显得尤为重要，在实际设计和运行过程中要选择合适的油水界面，并根据工况的变化适当进行调节。

3.1.5处理量[13]

在设计卧式重力式三相分离器时考虑了设备的操作弹性，当处理量在一定范围内波动时，分离效果会稍有下降，但可以满足对采出液的处理要求。如果处理量超过三相分离器规定的最大处理能力，采出液得不到足够的停留时间，会使原油脱水不充分，同时也容易导致油水界面紊乱，致使水中含油超标。另外，处理量的波动也会导致破乳剂投加浓度和加热后的温度不稳定，影响脱水效果。因此，应尽量保持三相分离器的处理量稳定，以保证对油、气、水具有较好的分离效果。

3.2入口含气量和含沙量

有些油田采出液中含有大量气体，会使分离器内流场发生混乱，还会占用一定的设备空间，导致设备分离效率极大降低。目前常用的降低含气量较为有效的办法是采用入口旋流预分离技术，该技术可消除入口流体动能，抑制设备内液面起浪和气体对液体的二次夹带，实现对气液的初步分离，稳定设备内部气、液流场[14]。

油田采出液中存在一定量的沙子和固态杂质，卧式重力三相分离器运行一段时间后，容器底部会有不同程度的泥沙堆积，沉降分离段积沙更为严重。积沙的存在造成容器有效体积变小，液体有效处理能力降低，沉降时间缩短，甚至还会阻碍液体的正常流动，最终导致三相分离器无法正常运行。因此，要根据采出液含沙量情况定期对三相分离器进行合理的排沙处理。

3.3流场流型

当介质在分离器中的流动处于层流状态时，介质表现出良好的流动特性。分散相在分离场中的分离过程可视为随连续相以流场平均速度沿设备轴向运动与在重力场作用下相对于连续相以沉降速度向分离界面运动的合成。当流场内速度分布不均、有较大的速度梯度时，由于液滴所受曳力不对称，就会产生旋转，加之粘性效应，流场区域会出现沟流、短路流等不利于油水分离的现象。所以，在大多数卧式重力式三相分离器入口区域后部都设有不同形式的整流部件(竖板、横板、田字格、孔板等)，以调整流场流型并抑制原油起泡，使来液流型尽快处于层流状态，有助于油水分离[15]。

3.4聚结效应

由液滴沉降理论和聚结机理可知，聚结效应可显著提高油水分离效果，选取适当的聚结构件可增加油水乳状液的粒径、加快沉降速度，从而提高三相分离器的分离效果。聚结效应对油水分离效果的影响主要体现在两个方面，一方面是油水混合物的性能，包括成分、密度、黏度以及分散相的尺寸等。另一方面是聚结构件的结构和材质对液滴的聚结沉降影响很大。所以，应根据工况和处理条件合理选择聚结构件[16]。

3.5停留时间

目前三相分离器的设计主要是基于液滴沉降理论完成的。三相分离器的设计要满足气-液分离要求，同时满足液-液分离要求。一般来说停留时间越长，分离效果越好。但停留时间变长，必然带来设备尺寸的增大。因此，选择停留时间时必须综合考虑，在满足分离要求的前提下越短越好。

4 结语

文中阐述了油田中常用的油、气、水分离设备——卧式重力三相分离器的工作原理以及油、气、水分离中液滴的运动理论，讨论了三相分离器运行参数、入口含气量、入口含沙量、流场流型、聚结效应和停留时间等因素对分离器原油分离效果的影响，对如何提高三相分离器分离效果具有指导意义，为卧式重力三相分离器的设计和现场应用提供了一定的依据和参考。

[1] Ahmadun Fakhru'l-Razi，Alireza Pendashteh，Luqman Chuah Abdullah，et al. Review of Technologies for Oil and Gas Produced Water Treatment[J].Journal of Hazardous Materials，2009，170(2-3)：530-551.

[2] 童巍.三相分离技术在青海油田油水处理中的应用[J].油气田地面工程，2013，32(8)：61-62.

(TONG Wei. Application of Three Phase Separation Technology for Water Treatment in Qinghai Oil Field Oil[J].Oil-gas Field Surface Engineering，2013，32(8)：61-62.)

[3] Fontes E，Bosender P.Modeling and Simulation of Separation Process[J].Filtration and Separation，2000，37(9)：24-26.

[4] 蔡飞超，马涛，赵小奎.重力式油水分离器分层流动数值模拟[J].石油矿场机械，2009，38(11)：72-75.

(CAI Fei-chao，MA Tao，ZHAO Xiao-kui. Numerical Simulation of Oil-water Stratified Flow in Gravity Separator[J].Oil Field Equipment，2009，38(11)：72-75.)

[5] 冯叔初，郭揆常.油气集输与矿场加工[M].东营：中国石油大学出版社，2006.

(FENG Shu-chu，GUO Kui-chang. Oil and Gas Gathering and Mining Processing[M].Dongying： China University of Petroleum Press，2006.)

[6] 王澎，朱云，范海峰.卧式过滤分离器设计[J].天然气与石油，2012，30(6)：73-75.

(WANG Peng，ZHU Yun，FAN Hai-feng.Design of Horizontal Filter Separator[J]. Natural Gas and Oil，2012，30(6)：73-75.)

[7] 曹建树，李卫清，郑远扬.新型波纹板油水分离器结构性能研究[J].流体机械，2002，30(7)：11-13.

(CAO Jian-shu, LI Wei-qing, ZHENG Yuan-yang. Study on the Structural Performance of New Oil-water Separator with Corrugated Plates Packing[J]. Fluid Machinery，2002，30(7)：11-13.)

[8] 吕宇玲，何利民，王国栋，等.含不同构件的重力式分离器内流场数值模拟[J].石油机械，2008，36(2)：12-16.

(LÜ Yu-ling，HE Li-min，WANG Guo-dong，et al. The Numerical Simulation of Flow Field in the Gravity Separator Contain Different Component[J].China Petroleum Machinery，2008，36(2)：12-16.)

[9] 张敏，袁惠新.聚结分离过程的机理、方法及应用[J].过滤与分离，2003，13(1)：44-46.

(ZHANG Min，YUANG Hui-xin. The Mechanism，Method and Application of Coalescence Separation Process[J]. Journal of Filtration & Separation，2003，13(1)：44-46.)

[10] 王冬林，闫凯，韩新利，等.三相分离器运行参数对分离效果的影响[J].有色金属工程，2015，5(5)：38-42.

(WANG Dong-lin，YAN Kai，HAN Xin-li，et al. Effect of Operation Parameters on Separation Results of Three-phase Separator[J].Nonferrous Metals Engineering，2015，5(5)：38-42.)

[11] 朱 军，李孝英.影响三相分离器分离效果的原因分析及对策[J].中国石油和化工标准与质量，2012，5(5)：232.

(ZHU Jun，LI Xiao-ying. Analysis of Three-phase Separator Operation Effection and Countermeasures[J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2012，5(5)：232.)

[12] 黄波，孙莉娜.Hxs三相分离器运行影响因素分析[J].硅谷，2013，134(14)：73-74.

(HUANG Bo，SUN Li-na. Analysis of Hxs Three-Phase Separator Operation Effection[J].Silicon Valley，2013，134(14)：73-74.)

[13] 赵莉，崔建军，关克明，等.影响三相分离器运行效果的因素分析[J].石油化工应用，2013，32(2)：112-115.

(ZHAO Li，CUI Jian-jun，GUAN Ke-ming，et al. Analysis of Three-phase Separator Operation Effection[J]. Petrochemical Industry Application，2013，32(2)：112-115.)

[14] Chin R W. Increasing Separation Capacity with New and Proven Technologies[C]//Society of Petroleum Engineers.SPE Annual Technical Conference and Exhibition.San Antonio，Texas，2002：153-158.

[15] Ping Yu，Shilei Liu，Yaohua Wang，et al. Study on Internal Flow Field of the Three-phase Separator with Different Entrance Components[J]. Procedia Engineering，2012，31(9)：145-149.

[16] 高智芳，刘进立，王笃金，等.聚结分离技术在油水分离中的应用[J].过滤与分离，2014，25(1)：21-24.

(GAO Zhi-fang， LIU Jin-li， WANG Du-jin，et al. Application of Coalescence Separation Technique in Oil/Water Separation[J]. Journal of Filtration & Separation，2014，25(1)：21-24.)

(张编)

FactorsAffectingofHorizontalGravityThree-phaseSeparator’sSeparationEffect

SUNLi-qiang1，2，WANGDi1，2，ZHUHong-bo2，GAOXiang2，WEIYao-dong1

(1.China University of Petroleum， Beijing 102249， China； 2.Karamay Vocational & Technical College， Karamay 834000， China)

The oil well production material is usually contain a mixture of oil，gas，water and some impurities，the production material must be separated before transporting to outward. Oil，gas and water preliminary separation process mainly adopts three-phase separator completed，and with more precise separation. Three-phase separator separation effect directly affects the quality of the transmission process fluid. The commonly used horizontal gravity principle of three-phase separator and droplet movement theory has been introduced，the operation parameters of separator，inlet air content and sediment concentration，flow field model，the coalescence effect，and residence time on the influence of the three-phase separator separation effect has been discussed，and reasonable suggestions to improve the separation effect of three-phase separator has been put forward，these content can provide a certain basis for three-phase separator design and operation.

three-phase separator； separation effect； migration theory； affecting factor

TQ051.8； TE868

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.007

1000-7466(2017)02-0034-05

2016-10-08

克拉玛依市科技计划项目(Sk2015-31)

孙立强(1986-)，男，辽宁阜新人，讲师，中国石油大学(北京)博士研究生，主要从事多相流动理论与分离技术、化工设备无损检测技术研究。