仰角式油水分离器概述

目前，随着油田不断生产中，很多油田在在开采中后期伴随着许多新问题的出现。大部分油井单井产量不仅逐渐降低而且单井采出液的含水率不断升高，在后期处理上成本升高利润降低，

而在使效率不变或者增高的情况下实现低成本高利润成为研究分离器的关键任务 [1]。重力沉降式分离器有结构简易、资金投入较少的优点，但重力沉降式分离器有分离精度不高并占地面积较大不易撬装，重力沉降式分离器设备通常应用于分离介质粒径在100μm 以上的介质；过滤式分离

器在分离精度上有较优的结果，但其缺点是在实际应用分离两相或三相介质过程中容易发生较大的机械损失，不定期的检查滤芯或换滤网并需要不断替换滤网或滤芯，这样做便会增加了过滤式分离器更换的成本与维护的资金他，投入资金过大 [2-3]。

1 仰角式油水分离器分离原理

首先仰角式分离器与水平面呈有一定的角度，溶液介质通常为油水混合物，大部分为从油井出来的采出液或进行初分离后的油水混合物，本文主要以油水采出液为例。当油井采出液进入容器内部时，因为油水的密度不同，由于密度差油水两相开始分开，上端为容器内采出液中初分离的油相，下端为水相，中间为油水混合物，仰角式分离器主要是分离容器中的油水混合液。容器内上端的油相形成主要是采出液中的油相由于浮力作用逐渐脱离出来，并滑动到分离器的上端形成一层可以连续滑动的油膜，混合液中的油相不断脱离并且上浮到上端与油膜汇合；混合液中水相由于水的重力作用，逐渐向下流动到分离器的下端，从下端的水出口流出。油水采出液不断地进入分离器，上端分离出的油相从上端出油口出去，下端分离后的水相的从出水口流出 [5]。仰角式油水分离器设备主要应用于高含水油井采出液中，油井采出液中的含水率高于75%，而容器中油水两相水相是靠重力分离，油相是依据浮力分离，因为水相占据溶液介质的量较大，所以分离原理主要是重力分离 [4]。

而仰角式分离器的沉降速度主要是根据浅池原理，浅池原理解释如下：容器水平放置时，容器的长为L，高为H，容器中油相油滴的浮升面积为S=ΠRH，当容器与水平地面呈有一定的角度α 时，容器中介质水平流速为V，液滴沉降速度为U。水平放置时有如下关系L/H=V/U，当容器角度为α 时H=Hcosα，保持L 和V 不变，这时关系式保持不变，改变倾斜角的角度，液滴沉降速度逐渐变小，这时容器中油相油滴的浮升面积为S=ΠRHcosα；在保持容器体积不变的情况下，在容器的高为1/3 处加入水平隔板，这时H=H/3，V 和U 保持不变，这时L=L/3，容器容积缩小但液滴沉降速度不变，分离效率保持不变；当L 和U 保持不变，H=H/3 等式不变，这时入口流速V 变为原来的3 倍，这时容器的分离效率提升到原来的3 倍；假设容器放置n 个水平隔板，这时容器的高变为H=H/n，根据等式这时容器中去除悬浮物的效率变为原来的n 倍，如图1 所示。

图1 浅池原理结构图

2 仰角式分离器结构

仰角式油水分离器的结构如图1 所示，分离器主要由两部分组成分别是支架和分离罐，支架上方放置倾斜放置分离罐分。分离器内部主要由油出口、水出口、填料、布液口、油水界面仪和取样口这几部分组成。在分离器上端设置油水进口，油水进行分离时水相的的油滴凝聚到分离器的上部油出口，分离后的水相到达水出口。本文仰角分离器结构设置为长径比为20，直径设为0.9m，与水平面呈12o，分离器的中部偏上部位装置入口布液器与下端水相出口相距14m。分离器内部装置大约1m 长的波纹板组两段构成聚结填料，两段间隔6m，第一段波纹板组在距离入液口3m 处，第二段在距离第一段波纹板组6m处，波纹板由陶瓷材料构成板间距为20mm。

图2 仰角式分离器结构图

1.出水口；2.填料；3.布液口；4.油水界面仪；5.取样口；6.出油口

3 分离效率

本文模拟采用的介质为油水混合物中水相占混合物的90%，混合物中水相的密度：1 000 kg/m3，动力黏度为：1 mPa·s；油相密度为：870 kg/m3，动力黏度：51 mPa·s。设计压力在0.4MPa，操作温度50℃，最大进液量为300m3/d，设备容积大小为1.18m3，仰角度数为12°。

通过模拟计算得出油水分离器的油水分离效率可达90.48%，在油出口端与水出口端的模拟数据显示，水相的比例占油相的57.5%，油相的比例占水相的0.95%，通过数据可知仰角式分离器在同样的油井采出液处理下与传统的分离器相对比，分离效率提升了29.26%。这主要是因为油水混合液进入分离器设备后油相通过浮力作用，水相通过重力作用，由于各相密度差的作用下开始油水分离。将分离器提升一定的高度意味着分离器内的油水界面在进行分离时，油水波动面积增加，波动程度提升，分离效果提升。

4 仰角式分离器优越性

1）因为分离器与水平面具有一定的倾角，在地心引力的作用下，油水混合物在进行油水分离时会自动向水出口流动，容器内的容积增大，因为设备内只存在水堰板和油堰板，溶液在进行分离时的阻碍空间降低，也就是所谓的“死区”，设备的容积被充分利用分离效率提升。

2）仰角的存在增大了油膜的滑动速度，使得油膜厚度可以有效地降低，油相液滴聚结的时间降低，更快的达到分离的效果。同时油相液滴的聚并时间提升使得整个分离效率提升，这样还可以增大入口流量使得处理量提升。

3）本文油水分离器设备采取的仰角设计，在容器内部油水分界面覆盖的面积比常规的分离器要大，更重要的是直径小长度大，这种特性的结构与常规分离器相比较，仰角式分离器容器中大部分的油相液滴远离出水端。这点尤为重要，因为在分离器的容器中油水两相界面相距水出端的距离越长，油相液滴从水相中分离的时间就越长，容器中出水水质比常规分离器要好分离效率要高。

5 展望

在大部分高含水油井采出液中，卧式分离器和立式分离器都无法满足生产的需要，而仰角式分离器可以专门针对高含水油田来进行脱水处理，在相同工况下仰角式分离器解决了油田的高含水问题并且结构简单。仰角式分离器处理效率比常规分离器高，仰角式分离器处理效率高，脱除效果好，单位处理量造价低。仰角式分离器在处理量上没有更好的优化，在日后的研究中通过合理优化分离器的结构来提高分离器的处理量，在保持分离效率不变的情况下提升处理量。