CN101773742A - 多层等流型聚并油水分离器及分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层等流型聚并油水分离器及分离方法。该多层等流型聚并油水分离器包括中心管(1)，中心管(1)的外壁从上至下安装有一组沉降杯(2)，沉降杯(2)与沉降杯(2)之间有间隙，沉降杯(2)的杯体底面(5)为瓦棱状，沉降杯(2)的杯体与中心管(1)之间有环形空间且环形空间对应的中心管(1)开有一组进液孔(4)，进液孔(4)下方的每个沉降杯(2)的杯腔内放置环形滤料容器(3)，滤料容器(3)套在中心管(1)上。该分离器有效地解决油田地面及井下油、水分离难问题，成倍提高油水分离效率，从而减少污水处理装置数量、大小以及延长高含水油井的寿命，同时采出液含水率也将降低，节省生产成本，提高效益。

Description

多层等流型聚并油水分离器及分离方法

技术领域：

本发明涉及油田采油领域一种采出液处理装置，具体地说是一种多层等流型聚并油水分离器及分离方法。

背景技术：

目前油田污水系统中油珠的直径是非常小的，99％以上的油珠直径处于微米级，根据斯托克定律可知，油珠在液体中的上升速度与油珠的直径的平方成正比，因此污水中的油、水分离相对而言难度更大。目前油田采取增加挡板及过滤的传统油、水分离方法存在挡板不等流及过滤器堵塞导致分离效率不理想问题，尽管采取各种改进措施，但在提高分离效率上已经达到了极限，无法满足日益增加的污水处理量的要求，导致污水处理站污水沉降罐多、管汇繁杂，占地面积大，这对今后污水的处理量需求是一个很大的制约。例如统计大庆油田一个采油厂2008年污水处理量为1×10⁸m³多，污水处理站44座，污水沉降罐共计119个，污水过滤罐共计590个，占地面积达52×10⁴m²。同时由于现在大庆油田处于高含水期，油井含水率较高，若能通过在井下安装油水分离器，来实现油水分离，并将分离后的水注入其它地层(即同井注采工艺)，可以减少地面污水处理系统负荷，同时采出液含水率也将降低，从而延长油井关闭时间，节省生产成本，提高效益。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种多层等流型聚并油水分离器及分离方法，该分离器有效地解决油田地面及井下油、水分离难问题，成倍提高油水分离效率，从而减少污水处理装置数量、大小以及延长高含水油井的寿命，可以减少地面污水处理系统负荷，同时采出液含水率也将降低，节省生产成本，提高效益。

本发明所采用的技术方案内容是：该多层等流型聚并油水分离器包括中心管，中心管的外壁从上至下等距安装有一组沉降杯，沉降杯与沉降杯之间有间隙，沉降杯的杯体底面为多棱面状，沉降杯的杯体中部为空心圆柱状，沉降杯的杯体最上沿为锯齿形，沉降杯的杯体与中心管之间有环形空间且环形空间对应的中心管开有一组进液孔，进液孔下方的每个沉降杯的杯腔内放置环形滤料容器，滤料容器套在中心管上。

上述的杯体底面相邻两棱面所形成的凸棱与水平方向夹角为30°，沉降杯的上端为与沉降杯的杯体底面棱状相配合的齿形，沉降杯的杯座套在中心管上，杯座上开有条形缺口，杯座的两侧分别固定有限位柱，杯座的上端有与限位柱相配合的限位孔。

所述中心管在靠近每个沉降杯内侧底部的位置上开进液孔，个数为4-10个，孔径0.9mm-1.2mm。

上述的滤料容器内装有弱亲油性核桃壳滤料，料滤层厚度在10-100mm之间，滤层渗透率为10-100μm²，核桃壳滤料的直径在0.5-3mm之间。

上述的中心管上套有上定位套，上定位套的下端与最上面的沉降杯的限位孔插接后由螺钉与中心管相固定，最下面的沉降杯的杯座上套有下定位套，下定位套由螺钉与中心管相固定。

地面及井下油水分离方法：是在沉降分离罐内或抽油泵下放置多组通过串、并联方式组合而成的多层等流型聚并油水分离器；油水混合液先流经分离器中心管上的每个沉降杯，并与沉降杯下部多个棱状表面接触，沉降杯表面具有亲油憎水特性，沉降杯底部外两瓦棱状表面夹角棱线表面具有轻微亲油特性；油水混合液中分离出的油珠在浮力和亲油特性的表面材料作用下沿棱形面倾角聚集并加速上升，并在棱线部位碰撞聚并、聚集形成更大直径油珠后再沿沉降杯上部的外壁聚集上升溢出沉降杯；油水混合液再流经分离器沉降杯内底部放置的滤料，沉降杯中的滤料也具有轻微亲油特性；油水混合液中的小油珠在流经滤层时被吸附、聚集到滤料颗粒表面而形成大油膜，大油膜在克服吸附力和重力的情况下上浮出滤层；分离后的混合液通过中心管上的进液孔流入中心管被排出；沉降分离器所有进液孔的总处理量应使所有沉降杯中的液体在杯中的停留时间满足现场的实际需要，且中心管上所有进液孔的进液量应近似相等。

上述的沉降分离过程中，沉降分离器所有进液孔的总处理量应使所有沉降杯中的液体在杯中的停留时间满足现场的实际需要，且中心管上所有进液孔的进液量应近似相等(即等流)，可通过改变进液孔的过流面积、每个沉降杯内侧底部的位置上开有的进液孔的个数及沉降杯的个数来实现，从而使中心管最上面沉降杯的单个孔口流量与最下面沉降杯的单个孔口流量相对差值小于5％，即近似相等。

本发明的有益效果是：1、多沉降杯把油水混合液分成若干份，利用具有选择性且呈棱面状上升型的底部外轮廓，使分离后的油珠迅速聚集、上升，达到有效分离油珠的目的。2、所有进液孔的总处理量可以使所有沉降杯中的液体在杯中有足够长的停留时间，且中心管上所有进液孔的进液量应近似相等，从而保证了油珠在沉降杯中进行充分有效的分离。3、沉降杯内放置有环形弱亲油性核桃壳滤料层，利用油藏理论，油水混合液中的小油珠在流经滤层时被吸附、聚集到弱亲油性滤层颗粒表面而形成大油膜，大油膜再在克服吸附力和重力的情况下上浮出滤层，保证了油水混合液中一次分离不出的油珠再次分离出来。4、克服了现有各类油、水分离方法存在的缺陷，特别是能解决传统分离方法中不等流问题，使在相同时间内处理的液流中油的含量降到最低，达到提高分离效率、增加处理能力及节能降耗的目的。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是附图1中沉降杯的结构示意图；

图3是本发明的局部结构示意图；

图4是本发明的局部结构示意图。

图中：1-中心管，2-沉降杯，3-滤料容器，4-进液孔，5-杯体底面，6-杯座，7-条形缺口，8-限位孔，9-限位柱，10-上定位套，11-下定位套，12-未处理液体，13-处理后液体。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

该多层等流型聚并油水分离器是由多组中心管1、沉降杯2、滤料容器3及核桃壳滤料构成；沉降罐内并、串联安装多组中心管1，中心管1上等间距安装多个沉降杯2，沉降杯2与沉降杯2之间有间隙，沉降杯2的杯体底面5为多棱面状，棱面及棱线部位能够使油珠碰撞聚并、聚集形成更大直径油珠，沉降杯2的杯体与中心管1之间有环形空间且环形空间对应的中心管1开有一组等径的进液孔4，每个沉降杯2对应的中心管1上开有的进液孔4的个数为4-10个，进液孔4的过流面积在0.2mm²-7mm²之间，能够保证液体在杯中的停留时间有利于分离，进液孔4下方的每个沉降杯2的杯腔内放置环形滤料容器3，滤料容器3内放置有弱亲油性滤料，滤料容器3套在中心管1上。

杯体底面5相邻两瓦棱面所形成的凸棱与水平方向夹角为30°，实验结果显示，凸棱与水平方向夹角为30°时，油珠沿斜面上升速度最快、聚并最充分，油水分离效果最好，沉降杯2的杯体中部为空心圆柱状，沉降杯2的上沿为与沉降杯2的杯体底面5瓦棱状相配合的锯齿形，沉降杯2的杯座6套在中心管1上，杯座6上开有条形缺口7，杯座6的两侧分别固定有限位柱9，杯座6的上端有与限位柱9相配合的限位孔8，上一个沉降杯2杯座6上的限位柱9插入到下一个沉降杯2杯座6内的限位孔8内，实现了沉降杯之间的连接，这种连接方式稳固有利油水分离。

滤料容器3内装有弱亲油性核桃壳滤料，料滤层厚度在10-100mm之间，滤层渗透率为10-100μm²，核桃壳滤料的直径在0.5-3mm之间。滤料对经沉降杯2分离过的混合液二次分离，使液流中油的含量降到最低，提离了分离效率。

在上述方案中中心管1上安装有一组等距的沉降杯2，根据短距离运移原理：当液流速度、油珠直径一定时，油珠分离出来所运移的垂直距离直接影响油水分离效果。如果油珠从底部开始到分离出来所运移的垂直距离为10m，现在将10m垂直距离用隔板等分成100等份，则油珠分离出来的所运移的垂直距离变为只有0.1m，在速度不变的情况下所用时间下降了100倍，分离效率提高了100倍。因此在聚并分离器每根中心管上等间距安装多个沉降杯，减少油珠分离运移距离，从而提高分离效率。

本发明采用等流原理：分离器工作时，污水只有先进入沉降杯2，而后通过中心管1上的进液孔才能进入中心管1被排出，而等流的关键在于分离器工作时保持污水流经每个沉降杯2和进液孔的流量相等。因此需要对进液孔的孔径设计进行理论计算。

进液孔的大小根据污水处理量精确计算，使得每个杯进入油水分离器中心管的液量相等，因此在每个沉降杯中液流下降速度为：

式中：n——为沉降杯的个数

      q——为单个沉降杯中的液量

      F_环——油水分离器中心管与沉降杯外径之间的的环形面积

对于油水混合物而言，由于存在密度差，因此二者要分离的话应保证V_下＜V_浮，V_浮是油水分离的速度。

由式(1)可以看出，液体流经油水分离器时液流下降的速度V_下减少了n倍(实验用190个杯子，现场一般用好几千个杯子)，这样就比较容易实现V_浮＜V_上。同时通过改变进液孔的孔径和沉降杯的个数，让不同处理量的沉降罐每次处理的液体总量Q占所有沉降杯总容量的比例不能过大，使得油水混合物有足够的时间分离。

本发明采用聚并原理：

若想油水分离效果好，必须使V_下＜V_浮(其中V _下为液体向下流动的速度；V_浮为油珠在液体中的上升速度)。

用斯托克定律建立V_浮表达式：

从斯托克定律可以看出，油珠的直径越大，V_浮越大，油珠越容易上浮分离出来。因此增大污水中油珠直径可以有效提高油水分离效果。通过分离器沉降杯形状设计来使油珠聚并：当无数微小油珠聚集在一个狭窄的空间里，则油珠相互之间碰撞、聚并的几率将会大大增加；同时，通过阻挡的方式使狭窄的空间内的油珠有足够的时间碰撞、聚并成足够大的油滴。为此，设计了沉降杯底部结构为倾斜的凸凹棱状体，棱数12个，斜面24个。两个斜面夹角内凹部分形成一个有利于油珠碰撞、聚并的狭窄空间，同时两个斜面及内凹夹角线形成半封闭的阻挡区域，从而使油珠有较多的碰撞、聚并时间。

本发明利用油藏理论使油珠被吸附在滤料表面形成大油膜：

根据油藏理论，在一定渗透率的亲油岩层通道中，小油珠会粘附在亲油通道壁上，与后面来的小油珠碰触聚并在一起，随着不断碰触聚并，小油珠逐渐变大形成较大的油膜。根据压力梯度ΔP/L与流量Q的关系：

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{L}=\frac{\mathrm{\μQ}}{\mathrm{AK}}$

其中，K是渗透率；A是截面积；L是液柱长度；μ是液体的粘度。

当流量Q的值使得压力梯度ΔP/L≤0.0016MPa/m时，油膜很容易上浮被带出通道。因此在分离器沉降杯内底部增加1.2cm厚的滤料层，在污水通过亲油滤层时，小油珠聚集在亲油颗粒表面形成油膜，通过调整处理量，使向下抽汲力小于油膜的上浮力，这样油膜可以通过滤层孔隙通道上浮出滤层而被分离出来。

中心管1上套有上定位套10，上定位套10的下端与最上面的沉降杯2的限位孔8插接后由螺钉与中心管1相固定，上定位套10将最上面的沉降杯2与中心管1相固定，最下面的沉降杯2的杯座6上套有下定位套11，下定位套11由螺钉与中心管1相固定，下定位套11将最下面的一个沉降杯2与中心管1相固定。

上述沉降杯2表面喷涂有具有亲油憎水特性的表面性质材料，有利于水油分离。

多层等流型聚并油水分离器安装在沉降罐内或抽油泵下，沉降罐内或抽油泵下并、串联安装多组分离器。油水混合液先流经分离器中心管1上的每个由两部分形态组成的沉降杯1，油水混合液中分离出的油珠沿沉降杯1下部棱形面倾角加速上升，并在棱线部位碰撞聚并、聚集形成更大直径油珠后再沿沉降杯2上部的外壁聚集上升溢出沉降杯2；沉降杯2内的经过初次分离后液体再通过杯子内底部放置的滤料，滤料颗粒表面吸附、聚集小油珠使之形成大油膜上浮出滤层，最后分离液再通过进液孔4流入中心管1；中心管1上所有进液孔4的进液量应近似相等即等流，目的是使所有沉降杯2中的液体在杯中有足够长的停留时间，从而保证油珠在沉降杯1中进行充分有效的分离。可通过改变进液孔4的过流面积、进液孔4的个数及沉降杯2的个数来实现液体在杯中的停留时间满足现场的实际需要。

本发明可以适用于除油田以外的其它领域的油、水分离，实现油、水分离，提高分离效率。

Claims (7)

1.一种多层等流型聚并油水分离器，包括中心管(1)、沉降杯(2)、滤料容器(3)及核桃壳滤料，其特征在于：中心管(1)的外壁从上至下等距安装有一组沉降杯(2)，沉降杯(2)与沉降杯(2)之间有间隙，沉降杯(2)的杯体底面(5)为多棱面状，沉降杯(2)的杯体中部为空心圆柱状，沉降杯(2)的杯体最上沿为与杯底棱面形状对应的锯齿形，沉降杯(2)的杯体与中心管(1)之间有环形空间且环形空间对应的中心管(1)开有一组进液孔(4)，进液孔(4)下方的每个沉降杯(2)的杯腔内放置环形滤料容器(3)，滤料容器(3)套在中心管(1)上。

2.根据权利要求1所述的多层等流型聚并油水分离器，其特征在于：杯体底部(5)相邻两棱面所形成的凸棱与水平方向夹角为30°，沉降杯(2)的上端为与沉降杯(2)的杯体底面(5)棱状相配合的齿形，沉降杯(2)的杯座(6)套在中心管(1)上，杯座(6)上开有条形缺口(7)，杯座(6)的两侧分别固定有限位柱(9)，杯座(6)的上端有与限位柱(9)相配合的限位孔(8)。

3.如权利要求1或2所述的多层等流型聚并油水分离器，其特征在于：所述中心管(1)在靠近每个沉降杯(2)内侧底部的位置上开进液孔(4)，个数为4-10个，孔径0.9mm-1.2mm。

4.根据权利要求1所述的多层等流型聚并油水分离器，其特征在于：滤料容器(3)内装有弱亲油性核桃壳滤料，料滤层厚度在10-100mm之间，滤层渗透率为10-100μm²，核桃壳滤料的直径在0.5-3mm之间。

5.根据权利要求1所述的多层等流型聚并油水分离器，其特征在于：中心管(1)上套有上定位套(10)，上定位套(10)的下端与最上面的沉降杯(2)的限位孔(8)插接后由螺钉与中心管(1)相固定，最下面的沉降杯(2)的杯座(6)上套有下定位套(11)，下定位套(11)由螺钉与中心管(1)相固定。

6.一种地面及井下油水分离方法，其特征在于：是在沉降分离罐内或抽油泵下放置多组通过串、并联方式组合而成的权利要求1或2所述的多层等流型聚并油水分离器；油水混合液先流经分离器中心管(1)上的每个沉降杯(2)，并与沉降杯(2)下部多个棱状表面接触，沉降杯(2)表面具有亲油憎水特性，沉降杯(2)底部外两瓦棱状表面夹角棱线表面具有轻微亲油特性；油水混合液中分离出的油珠在浮力和亲油特性的表面材料作用下沿棱形面倾角聚集并加速上升，并在棱线部位碰撞聚并、聚集形成更大直径油珠后再沿沉降杯(2)上部的外壁聚集上升溢出沉降杯(2)；油水混合液再流经分离器沉降杯(2)内底部放置的滤料，沉降杯(2)中的滤料也具有轻微亲油特性；油水混合液中的小油珠在流经滤层时被吸附、聚集到滤料颗粒表面而形成大油膜，大油膜在克服吸附力和重力的情况下上浮出滤层；分离后的混合液通过中心管(1)上的进液孔(4)流入中心管(1)被排出；沉降分离器所有进液孔(4)的总处理量应使所有沉降杯(2)中的液体在杯中的停留时间满足现场的实际需要，且中心管(1)上所有进液孔(4)的进液量应近似相等。

7.如权利要求6所述的地面及井下油水分离方法，其特征在于：上述的沉降分离过程中，沉降分离器所有进液孔(4)的总处理量应使所有沉降杯(2)中的液体在杯中的停留时间满足现场的实际需要，且中心管(1)上所有进液孔(4)的进液量应近似相等(即等流)，可通过改变进液孔(4)的过流面积、每个沉降杯(2)内侧底部的位置上开有的进液孔(4)的个数及沉降杯(2)的个数来实现，从而使中心管(1)最上面沉降杯(2)的单个孔口流量与最下面沉降杯(2)的单个孔口流量相对差值小于5％，即近似相等。

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