浅谈聚结板油水分离器在钻井水溶行业的应用

2020-09-23向水生

盐科学与化工 2020年9期

黄柯,向水生

(中蓝长化工程科技有限公司，湖南长沙 410116)

在钻井水溶油垫对流工艺法中，不饱和度较高的淡卤水往往汇集在溶腔液面的上部，加速顶板的上溶，不仅溶腔的形态不易控制，而且会造成矿层顶板的过早暴露和垮塌，实际生产中，在溶腔中注入一定量的柴油，使之在淡卤水的液面和顶板之间形成一个隔离层，保护顶板。溶浸采出的卤水中会混有少量的柴油，柴油的流失会导致生产成本的提高，还会造成后续加工工艺的难度和产出成品的纯净度，所以必须对卤水中的柴油进行必要的分离和回收。

1 钻井水溶行业油水分离现状

目前国内钻井水溶行业的分离技术基本还处于重力分离法的初级阶段，利用卤水在储罐中的缓存时间，密度较小的柴油颗粒浮升至液面上层，再通过溢流的方式收集液面表层的柴油，储罐必须有足够大的容积才能保证卤水的停留时间。储罐中浮油层与卤水的接触面积大且停留时间长，极易在油卤界面上形成大量的乳化液，给后续分离造成一定的难度，其次来自采区的卤水在储罐缓存过程中流态往往较难控制，小颗粒的油滴缺乏相互碰撞的条件，乳化油和溶解油难以形成大颗粒的油滴加速上浮。利用储罐进行油水分离不仅设备占地面积大，而且分离效率较低。通过物理方式提升油水分离效率的方法主要有两种，第一种是采用多层板结构增大油珠浮升的面积，第二种是采用聚结技术，小颗粒的油滴合并为大颗粒后增加上浮速度。基于上述原理的聚结板式油水分离器在发电厂、炼钢厂和油田等行业使用较广，但在钻井水溶行业暂未推广使用，主要基于以下几个因素：

(1)钻井水溶采出的卤水量达数千立方米每小时，目前聚结板式油水分离器的处理量普遍偏小。

(2)采出的卤水中往往会夹带一定量的不溶物和泥沙，特别是在建槽阶段，会混入未完全溶解的大颗粒盐，聚结之前需要对卤水进行沉砂处理。

(3)盐类矿物的溶解度会随着温度区间的不同，溶解度呈非线性变化。受地温影响采出的卤水溶解度较高，在采集卤管网输送卤水过程中，随着热量的散失，会有固体颗粒盐析出。

根据钻井水溶采出卤水的性质、工况以及固、液、油分离的基本原理和特点，聚结板式油水分离器的结构需进一步的优化和提升。

2 聚结板式油水分离器结构形式

目前，常用聚结板式油水分离器的结构有卧式和箱式两种型式，卧式一般用于在线连续式带压生产，箱式一般用于大流量的污水处理。钻井水溶油水分离更适宜用箱式结构，优化后的设备结构见图1。沿箱式结构的长度方向将箱体分为几个功能区块，分别为沉砂区、流体分布区、分离区、冲洗区、集卤区，同时增加波纹板组清洗用起吊设备和冲砂系统。

图1 钻井水溶用聚结板式油水分离器Fig.1 Coalescing plate type oil-water separator for drilling water solution

2.1 入口构件的设计

沉砂区的作用是实现固、液、油预分离，同时消除一部分流体动能，稳定流体流态。入口构件的结构型式对沉砂区内部流场具有重要影响。

入口构件的结构型式经过几十年的发展，已经集合成多种功能，具有一定的液、油、气三相预分离作用，同时还具有消能作用和对流态的低扰动性，近年来不断发展的重力消能和水洗作用，使得预分离作用进一步加强。较具工程实用价值的结构型式有离心式构件、下孔箱式构件和上述两种构件的整合使用三种方式。

离心式构件具有较强的预分离作用，采用多个并联旋流管。密度较小的气、油沿管中心的内旋流向上运动，从旋流管上部排出，其他水流通过旋流管底部小孔射流消能后进入沉砂室。离心式构件可充分利用返出卤水的管网余压形成旋流条件，并对物料中的溢出溶解气和夹带气进行预分离。单一旋流管生产能力有限，故需采用多个旋流管并联使用。

下孔箱式构件采用小孔向上射流的方式。向上射流的过程中，流体不仅要克服本身的重量，还需克服周边流体的阻力，同时射出的流体会使周边的流体形成旋流效果，增加了液滴直接碰撞和溶和的机率，水相结合程度更高。下孔箱式构件制作工艺简单，工程实用性更强[1]。

钻井水溶油水分离器从工程实用性的角度出发，参照下孔箱式的工作原理，采用“丨”或“H”的管式布液器，上玄面等间距布置射流孔。管式布液器具有耐压、耐冲击性强的优点，同时底部预留一定的空间，易于形成返流条件和排砂。

2.2 沉砂区的设计

平流沉砂室应其结构简单，适用性强，目前使用的较为普遍，但在实际应用方面，也存在一定的问题，如水流在断面上的分布不均，局部短路，沉砂室底面坡度和锥形结构设计不合理。常规结构设计也是通过消能处理，局部断面水流优化等手段减少对沉淀效果的干扰，设计上再进行改进的效果不明显。

钻井水溶采出的卤水中往往会夹带一定量的不溶物和泥沙，沉砂室需有一定的容积才能满足平流的分离要求；另一方面，为满足采输卤管道的输送要求，采卤井和管网中的压力一般都维持在数个兆帕，在加压输送过程中，会使得部分空气溶入到注剂中，同时溶腔中也会溶入少量气体。返出卤水进入到沉砂室卸压时，其中的溶解气体会生成无数的微小气泡，微小气泡会迅速吸附卤水中的悬浮油滴，降低了油滴的整体比重，从而创造相对有利的上浮条件。为满足气泡上浮的时间需求沉砂室也要求有一定的容积。

设计手段上首先采用FLUENT软件进行流动特性的模拟，匹配入口构件的设计，使沉砂室底部夹带泥沙的流体，尽量返流汇集到排泥点附近；其次根据生产工况，对于单点锥顶式难以有效汇集沉砂的情况，可采用多点锥顶式设计，降低锥顶段高度，节省设备整体架空的土建成本。

2.3 流体分布区

水流在进入聚结器之前需要对流态进行预控制，尽量使水流保持层流状态。传统的结构有栅格式和孔板式，后续发展的分布器结构也基本上是上述两种结构的改型，如竖板、横板分布器等。从流动特性分析，孔板式更能有效的消除紊流、短路、返流现象，结构也比较简单，构件所占空间小。

布水结构一般采用单层或双层布置，如采用双层，则第一层用于沉砂室的防波，流体进行预分布；第二层使流体在断面上的布液更加均匀，流速差异最小。钻井水溶行业需考虑饱和卤水的析盐问题，需对流体分布区的构件进行设计优化。

流体分布区的入口采用活动式栅栏，不仅可以防波，还能起到隔离杂物的作用，同时还可以根据析盐情况，随时吊运清洗；设置成液面下排入口，可以使沉砂室预分离的大颗粒油滴进行二次循环，提升下层流体中与微小油滴相互碰撞的机率，提高波纹板的使用效率，增加浮升速度；在排入口处设置导流堰板，规划不同含油量流体的分层流动路径，使流体在纵向断面上分布更为合理。

2.4 分离区

聚结件是实现重力法油水分离的关键部件，聚结件设计选型的合理性直接关系到油水分离的效率和生产维护的便利性。目前主流聚结件为横向进水的波纹板聚结件，其优点是波纹板相对于平板，具有更大的表面积；水流在波纹板之间，产生“之”形波动的流态，更有利于油滴的碰撞和聚结。再者，通过对波纹板的选材和表面处理，使其下表面具有亲油性，上表面具有亲水性，通过上述手段，波纹板具有高效的分离效率[2]。

波纹板结构在输送饱和卤水时，流动条件对晶粒的形成、长大以及在过流面上固结都会有较大影响。根据饱和卤水输送经验，器壁尽量平直，过流面外形没有突变，表面光洁。虽然倾斜布置的波纹板能排出一部分的固体颗粒，但固结在表面的析盐难以实现自动清理。设计手段上很难再去提升波纹板的分离效率，实际工程中从设备可靠性和维护便利性的角度出发，波纹板采用整装的模块化设计，空间上预留一组备用，及时置换。充分利用波纹板结构的分离高效性，同时也较好解决了析盐、结垢等问题。

针对分离区的特点，设计采用管道多点式除砂系统，布置多路管道，管道上每隔一段距离设置细支管，支管的喷口方向根据沉淀物可能的形态进行设置，可在不停产的工况下进行冲洗除砂，极大地提高了设备运行的效率和可靠性。