某油田稠油采出液生產(chǎn)分離器 機械消泡技術(shù)研究

趙海燕，張侃毅，謝旗，馬兵，聶如煜，李自力

（1.中油（新疆）石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆油田分公司開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油大學(xué)（華東） 儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

隨著溫室效應(yīng)的不斷加劇，CO2的合理回收利用對保護環(huán)境具有越來越重要的意義[1]。研究表明，CO2用于驅(qū)油可顯著提高原油采收率[2-5]。CO2驅(qū)油因其環(huán)保特性和成本優(yōu)勢，已成為三次采油中的研究熱點，具有較大發(fā)展?jié)摿?，我國的CO2驅(qū)開采技術(shù)也在不斷探索和實踐中日趨成熟。但利用CO2驅(qū)進行稠油開采后，在油田集輸系統(tǒng)中，特別是在進入分離器之后，CO2會隨著壓力的降低而逸出。由于原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等表面活性物質(zhì)的作用，采出液會因CO2的逸出而產(chǎn)生大量泡沫，對于發(fā)泡性強的原油，分離器內(nèi)的泡沫可能堆積形成較厚的泡沫層[6]。這些泡沫會給油田地面集輸工程帶來多方面的危害：泡沫層的存在會影響液位控制，降低計量精度；同時易造成氣中帶液現(xiàn)象，對下游壓縮機等氣體處理設(shè)備造成影響；嚴重時甚至?xí)诜蛛x后的常壓罐儲存過程中發(fā)生“冒罐”事故[7]。

目前可選擇的消泡方法有多種，如加熱消泡法、超聲波消泡法、機械消泡法、消泡劑消泡法等[8-11]。相對于其他消泡方式而言，機械消泡法成本較低，操作簡便，通過消泡構(gòu)件來進行消泡不會引入外來雜質(zhì)，且能夠達到較好的消泡效果，成為廣泛應(yīng)用的消泡方法。Rooker[12]指出，合理地布置分離器內(nèi)部構(gòu)件有助于加速原油泡沫的消亡。Laurence[13]介紹了防泡折流板、金屬絲網(wǎng)、離心分離器、平行板等應(yīng)用于油氣分離器的機械消泡構(gòu)件。寧雯宇[14]以動態(tài)噴射發(fā)泡的方式，通過實驗對比分析了幾種不同機械消泡構(gòu)件的作用機理，評價了其機械消泡效果。有研究表明，采出液消泡效果與稠油的性質(zhì)、組分密切相關(guān)[7,15-18]，因此，現(xiàn)有研究結(jié)果對本油田稠油的消泡并不適用。其次，金屬規(guī)整填料具有通量大、能夠改善兩相流體分布、提高分離效率等特點，因而在化工行業(yè)中應(yīng)用廣泛，但其作為機械消泡構(gòu)件的研究甚少。

文中針對某油田稠油采出液發(fā)泡問題，通過數(shù)值模擬進行分離器入口導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計。采用實驗方法對金屬規(guī)整填料進行消泡效果測試，并與化學(xué)消泡劑消泡方法進行對比，所得結(jié)論能夠為發(fā)泡原油分離器內(nèi)消泡構(gòu)件的合理布置提供借鑒。

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置包括高壓溶氣系統(tǒng)和消泡測試系統(tǒng)兩部分，其中高壓溶氣系統(tǒng)用于制備飽和CO2原油以及動態(tài)解吸噴射發(fā)泡，消泡測試系統(tǒng)用于機械消泡實驗，實驗裝置如圖1所示。高壓溶氣釜容積為2 L，最高工作壓力為10 MPa，最高工作溫度為150 ℃。釜蓋上連接有進氣管、出液管、排空閥及釜內(nèi)測溫管，釜蓋中安裝機械驅(qū)動攪拌器，最高轉(zhuǎn)速為450 r/min。消泡測試系統(tǒng)包括底部噴射量筒和玻璃恒溫水浴，玻璃恒溫水浴溫控范圍為室溫至180 ℃。

圖1 消泡實驗裝置 Fig.1 Defoaming experimental device: a) connection of experimental device; b) defoaming test system

實驗選擇孔板波紋填料、刺孔板波紋填料和絲網(wǎng)波紋填料作為機械消泡構(gòu)件進行測試（見圖2）。采用金屬規(guī)整填料作為消泡構(gòu)件，具有安裝簡單、易于實施、填料的壓降低、分離效率高的優(yōu)點[19]。在氣液分離器中，孔板或絲網(wǎng)類的消泡構(gòu)件具有獨特的優(yōu)勢，是分離器中常用的消泡構(gòu)件之一。實驗測試填料的性能參數(shù)及價格見表1，填料直徑為6 cm，長度分別為4、6、8、10、12 cm。

表1 金屬規(guī)整消泡填料性能參數(shù)及價格 Tab.1 Performance parameters and price of metal structured packing

圖2 不同金屬規(guī)整消泡填料俯視圖 Fig.2 Top views of different metal structured packing

1.2 實驗方法

數(shù)值模擬中所用稠油物性參數(shù)需進行實驗測量，包括稠油的密度、黏度及氣液相間表面張力。根據(jù)現(xiàn)場工況，模擬中設(shè)定分離器溫度為80 ℃，測得該溫度下各項物性參數(shù)見表2。其中，原油密度依照GB/T 1884—2000《原油和液體石油產(chǎn)品密度實驗室測定法（密度計法）》，測得20 ℃下的密度進行換算；黏度按照SY/T 0520—2008《原油黏度測定—旋轉(zhuǎn)黏度計平衡法》測定；表面張力測定依照SY/T 5370—2018《表面及界面張力測定方法》進行。

表2 原油物性參數(shù) Tab.2 Physical parameters of crude oil

在原油開采及油氣分離過程中形成的原油泡沫，是由于降壓形成的。為更好地還原產(chǎn)生原油泡沫的類型，實驗采用動態(tài)解析法發(fā)泡方式。將加熱至指定溫度的原油注入預(yù)熱好的高壓溶氣釜中，溫度恒定后，向高壓溶氣釜中通入CO2，排凈油面上部空氣后，關(guān)閉排氣閥，繼續(xù)通入CO2至指定壓力并穩(wěn)定。根據(jù)油田現(xiàn)場工況，選擇溶氣壓力為2.5 MPa，實驗溫度為80 ℃。之后打開出油閥門，溶氣原油隨導(dǎo)管進入量筒中，由于降壓過程和機械擾動的作用，產(chǎn)生原油泡沫，進入量筒中的泡沫原油體積為500 mL。打開強光手電筒，利用秒表和固定在量筒側(cè)方的刻度條，將用連桿連接好的消泡填料按照10 mm/s的下網(wǎng)速度緩慢下降，直到消泡填料到達量筒底部即完成填料的消泡過程，此時立即記錄量筒內(nèi)泡沫液位，并計算消泡率。化學(xué)消泡劑消泡實驗時，在溶氣階段向原油中加入一定濃度的消泡劑，記錄通入量筒5 min后泡沫液位變化，并計算消泡率。其中，所測試消泡劑A為礦物油高效消泡劑，消泡劑B為有機硅聚醚接枝共聚消泡劑。機械消泡構(gòu)件與化學(xué)消泡劑組合實驗中，在溶氣階段加入消泡劑，泡沫原油進入量筒后進行填料的消泡過程，記錄消泡填料剛到達量筒底部時及5 min后的泡沫液位。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

以油田處理泡沫原油采用的臥式生產(chǎn)分離器構(gòu)建物理模型，入口分流器選用泡沫原油最為普遍使用的離心式入口分流器，主要結(jié)構(gòu)有入口管、柱錐段結(jié)

2.2 網(wǎng)格劃分

2.2.1 分離效果模擬

該部分模擬分離器包含混相入口、離心式入口分流器、導(dǎo)流板、氣相出口、液相出口等，其內(nèi)部子結(jié)構(gòu)較多，而且其為不規(guī)則幾何形狀，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式難以處理。因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式進行空間離散，為了更好地捕捉流場信息，在流場變化劇烈的入口、離心式入口分離器、導(dǎo)流板、氣相出口、液相出口處進行局部網(wǎng)格加密。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行數(shù)值模擬時，一般要求網(wǎng)格的最小質(zhì)量大于0.2[20]，該實驗劃分的整體網(wǎng)格中最小質(zhì)量為0.3，因此可滿足計算要求。

2.2.2 泡沫變化模擬

網(wǎng)格劃分與分離效果模擬模型類似，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行數(shù)值模擬時，一般要求網(wǎng)格的最小質(zhì)量大于0.2。該模擬劃分的整體網(wǎng)格中最小質(zhì)量為0.3，因此可滿足計算要求。該部分模擬采用PBM模型（Population Balance Model，群體平衡模型）與Fluent CFD多相流模型進行相互耦合計算，利用Fluent對氣液泡三相在不同導(dǎo)流板參數(shù)情況下分離器模型中構(gòu)、溢流管、底流管。根據(jù)SY/T 0515—2014《油氣分離器規(guī)范》，選定一典型分離器模型尺寸：公稱直徑為1600 mm，筒體長度為3048 mm，入口直徑、氣相出口直徑及液相出口直徑均為140 mm。入口分離器尺寸：入口管直徑為140 mm，柱段直徑為560 mm，柱體高度為560 mm，底流管直徑為280 mm，溢流管插入深度為280 mm。導(dǎo)流板垂直投影大小為480 mm，導(dǎo)流板距底流管距離為270、320 mm，導(dǎo)流板角度為30°、45°、60°。模擬氣液分離效果的分離器三維幾何模型如圖3所示。

圖3 分離器三維幾何模型(導(dǎo)流板45°) Fig.3 3D model of separator(Guide plate at 45°)

當(dāng)模擬泡沫變化情況時，F(xiàn)luent PBM模型不能描述氣泡破碎變?yōu)橐旱闻c氣體的過程。如果采用圖3所示模型，氣泡累計最終將會從氣體出口冒出，與實際情況不相符。因此，將模型中分離器出口改為直徑1600 mm的開放出口，分離器長度改為5000 mm，如圖4所示。 對氣泡的破碎與凝聚現(xiàn)象進行模擬來反映不同導(dǎo)流板參數(shù)下的泡沫變化規(guī)律。

圖4 修改后分離器模型(導(dǎo)流板45°) Fig.4 Model of separator after modification(Guide plate at 45°)

2.3 參數(shù)設(shè)置

2.3.1 物性參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場分離器工作溫度和工作壓力，設(shè)置操作環(huán)境溫度為80 ℃，壓力為0.3 MPa。原油物性參數(shù)根據(jù)實驗測得的稠油物性參數(shù)設(shè)置，原油動態(tài)油黏度為235 mPa·s，密度為889.2 kg/m3，比熱容為1.933 J/(g·K)。定義相：主相為氣相，第二相為液相，入口處液相的體積分數(shù)設(shè)定為50%。對泡沫變化情況的模擬還需設(shè)定表面張力為13.90 mN/m；定義相：主相為氣相，第二相為液相，第三相為氣泡相，入口處液相的體積分數(shù)設(shè)定為40%，氣泡相的體積分數(shù)設(shè)定為20%。

2.3.2 邊界條件

對分離器分離效果的模擬中，邊界條件設(shè)定：混相入口為速度入口，氣相速度為5 m/s，液相速度為1 m/s，入口分流器及導(dǎo)流板均為無滑移壁面，液相出口及氣相出口均為壓力出口，壓力設(shè)為0 MPa。

對分離器泡沫變化情況的模擬中，邊界條件設(shè)定：混相入口為速度入口，氣相速度為5 m/s，液相速度為1 m/s，氣泡速度為1 m/s；入口分流器及導(dǎo)流板均為無滑移壁面；液相出口及氣相出口均為壓力出口，壓力設(shè)為0 MPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 入口導(dǎo)流板最優(yōu)設(shè)計參數(shù)

3.1.1 入口導(dǎo)流板設(shè)計對氣液分離效果的影響

不同參數(shù)下X-Y截面的液相分布見圖5。可以看出，混合流體從入口進入分離器后，受到入口分流器作用，進行初步分離，大部分氣體從溢流管流出，剩余氣體與液體從底流管進入分離器，與導(dǎo)流板碰撞， 進行進一步分離。對比不同條件下分離器分布云圖可 以看出，不同條件下液相分布規(guī)律類似，液相含量均隨著高度上升而下降，其區(qū)別主要在于氣相聚集區(qū)域的液體含量變化。從云圖中不能分辨導(dǎo)流板距離變化對分離效果的影響，影響液相分布的主要是導(dǎo)流板安裝角度。隨著導(dǎo)流板安裝角度的增大，氣相聚集區(qū)域的液體含量相應(yīng)減小，但是相比于在30°～45°的變化，在45°～60°的變化不是很明顯。原因是導(dǎo)流板對氣液分離效果的影響是由氣體與液體的密度差引起的，氣液混合流動時，若遇到導(dǎo)流板阻擋，氣體會折流而走，而液體由于慣性繼續(xù)前進，達到氣液分離效果，當(dāng)導(dǎo)流板角度增大時，這種分離效果會增強。

圖5 不同參數(shù)條件下X-Y截面處液相分布云圖 Fig.5 Cloud chart of liquid phase distribution at X-Y section under different parameters

統(tǒng)計不同導(dǎo)流板參數(shù)條件下氣體出口含液率，結(jié)果見表3。從表3中可以看出，導(dǎo)流板距離增大，氣體出口的含液率相應(yīng)下降，但是變化很小，并不是影響分離效率的主要因素。隨著導(dǎo)流板角度的增大，氣相出口的含液率也相應(yīng)下降，導(dǎo)流板角度從30°增加到45°時含液率的變化量比從45°增加到60°時的變化量大。

表3 不同導(dǎo)流板參數(shù)下計算結(jié)果 Tab.3 Calculation results under different deflector parameters

3.1.2 入口導(dǎo)流板設(shè)計對氣液泡沫變化的影響

氣泡在流動過程中受表面張力及流場等因素作用，氣泡粒徑逐步增大，當(dāng)增大至一定程度時，會破碎變?yōu)闅怏w和液體[21]。由于PBM模型不能描述氣泡破碎狀態(tài)，因此主要關(guān)注發(fā)生聚并的大粒徑氣泡（粒徑>7.5 mm）的含量，因為粒徑聚并至一定程度會破碎為氣體和液體。在流場內(nèi)氣泡分布穩(wěn)定后，粒徑分布云圖如圖6所示。可以看出，各導(dǎo)流板參數(shù)改變時，泡沫粒徑分布趨勢相似，大粒徑氣泡主要分布于分離器頂部、入口分流器內(nèi)部及導(dǎo)流板上部。這是由于流向突然改變，機械碰撞作用使得小粒徑氣泡聚并為大粒徑氣泡，最終到達分離器頂部。

圖6 不同導(dǎo)流板參數(shù)條件下X-Y截面處粒徑分布云圖 Fig.6 Cloud chart of particle size distribution at X-Y section under different parameters

統(tǒng)計不同導(dǎo)流板參數(shù)條件下的氣泡粒徑分布情況，結(jié)果見表4。導(dǎo)流板放置角度為45°時，粒徑大于7.11 mm的氣泡比30°和60°條件下的含量多8%～ 10%，說明45°條件下更加有利于氣泡的聚并和消泡。導(dǎo)流板距離從270 mm增長到320 mm時，粒徑大于7.11 mm的氣泡含量減少均未超過5%，變化并不明顯。

表4 不同導(dǎo)流板參數(shù)下粒徑分布情況 Tab.4 Particle size distribution under different guide plate %

3.1.3 導(dǎo)流板最優(yōu)設(shè)計參數(shù)

從氣液分離效果來看，雖然大角度導(dǎo)流板有利于氣液的分離，但是導(dǎo)流板45°放置時，氣相出口的含液率與60°時相差不大。另一方面，導(dǎo)流板角度越大，流體與導(dǎo)流板的可接觸面積越小，這樣會在導(dǎo)流板局部產(chǎn)生較大的沖擊壓力，使導(dǎo)流板的使用穩(wěn)定性變差及使用壽命變短。因此，綜合各方面因素，導(dǎo)流板放置角度為45°較為合理。從泡沫變化情況來看，45°條件下泡沫聚并效果最好。

綜合模擬結(jié)果，導(dǎo)流板放置角度為45°時，分離效率和泡沫聚并效果均比較好，因此導(dǎo)流板最優(yōu)放置角度為45°。導(dǎo)流板放置距離對于分離效率和消泡作用均影響不大。

3.2 機械消泡構(gòu)件消泡效果分析

3.2.1 機械消泡構(gòu)件優(yōu)選

對不同型號及高度的金屬規(guī)整填料在80 ℃下的消泡率進行分析（見圖7），消泡率η通過式（1）計算。

圖7 金屬規(guī)整填料消泡情況 Fig.7 Defoaming of metal structured packing

式中：V排水為規(guī)整金屬填料的排水體積，mL；V剩余為加入規(guī)整金屬填料后量筒內(nèi)泡沫最高液面刻度體積，mL；V泡沫為相同條件下不加金屬填料時進入量筒的泡沫原油中泡沫所占的體積，mL。

可以看出，不論是哪種型號和規(guī)格的金屬規(guī)整消泡填料，隨著消泡填料的高度增加，消泡效果隨之增加。此外，不同型號的消泡填料各高度的消泡率都呈現(xiàn)同一規(guī)律，即消泡效果從好到差的填料依次是絲網(wǎng)波紋填料CY700、絲網(wǎng)波紋填料BX500、刺孔波紋填料CB500X、孔板波紋填料SM250、刺孔波紋填料CB250Y、孔板波紋填料SM125。所測試的填料消泡原理均為強迫泡沫經(jīng)過比其更小的孔洞，利用擠壓及剪切作用使液膜發(fā)生變形，促進液膜排液過程，使得液膜逐漸減薄，直至氣泡破滅。從填料高度來看，高度更大的填料能夠更加反復(fù)地對經(jīng)過的泡沫進行剪切作用，加強其排液過程，從而達到改善消泡效果的目的?？紫堵试叫?、比表面積越大時，填料的消泡效果越好。這是由于孔隙率比較小時，粒徑更小的泡沫在通過消泡填料時也會受到剪切和擠壓作用而被機械破碎，因而能夠獲得較好的消泡效果。

總體來看，絲網(wǎng)波紋填料的消泡效果最好，12 cm的絲網(wǎng)波紋填料CY700消泡率可達到66%，但絲網(wǎng)波紋填料結(jié)構(gòu)緊湊，不適于處理黏度大、易聚合或有懸浮物的物料，容易發(fā)生堵塞，且其壓降較大，在實際生產(chǎn)中不適用于本油田稠油的處理。在其他類型的填料中，選擇消泡效果最好的刺孔波紋填料CB500X及孔板波紋填料SM250進行比較，二者在各填料高度下的消泡率相差不大，但刺孔波紋填料CB500X價格昂貴，單位體積價格約為孔板波紋填料SM250的1.8倍，因此將孔板波紋填料SM250作為優(yōu)選的消泡填料型號。對于孔板波紋填料SM250，填料的高度從4 cm增加到12 cm時，消泡率增加了32.4%，基本呈線性趨勢增加，且對于同種填料，隨著高度增加，有效利用體積增大。為達到更好的消泡效果，同時提高分離器內(nèi)的空間利用率，選擇孔板波紋填料SM250*12 cm作為優(yōu)選的機械消泡構(gòu)件。

3.2.2 化學(xué)消泡劑消泡效果

不同含量下兩種消泡劑的消泡情況見表5。對比兩種不同類型的消泡劑，消泡劑B對測試稠油的消泡效果更佳，可達到90%左右。同種消泡劑，含量越高，消泡效果越好，但達到一定濃度后，消泡效果的增長變化緩慢，因此可結(jié)合經(jīng)濟因素選擇合適的消泡劑濃度。

表5 化學(xué)消泡劑消泡情況 Tab.5 Defoaming of defoamers

3.2.3 機械與化學(xué)方式組合消泡效果

對優(yōu)選出的孔板波紋填料SM250*12 cm機械消泡構(gòu)件及消泡效果和經(jīng)濟性均較好的0.3%消泡劑B進行組合消泡實驗，得到填料的消泡過程剛完成時的消泡率為53.3%，5 min后的消泡率為89.7%。對比只采用機械消泡時消泡率提高了5.2%，而相較只進行化學(xué)消泡時5 min后的消泡率僅僅提高了0.2%?？梢钥闯觯?dāng)機械消泡與化學(xué)消泡組合使用時，在短時間內(nèi)比僅采用機械消泡效果更好，而一段時間后的消泡效果與只添加化學(xué)消泡劑差別不大。

3.2.4 消泡方式對比

綜合對比機械消泡方法與消泡劑消泡方法，機械消泡方法在滿足消泡需求的同時，具有環(huán)保特性，不會在原油中引入雜質(zhì)，且更換周期長，投資小。對于化學(xué)消泡劑方法，當(dāng)化學(xué)消泡劑的種類、濃度選用得當(dāng)時，能夠達到很好的消泡效果，不足之處為引入雜質(zhì)會對原油性質(zhì)造成改變，且需要持續(xù)添加，部分化學(xué)消泡劑價格昂貴，會增加投資成本。當(dāng)機械消泡與化學(xué)消泡組合使用時，能夠提高只采用機械消泡方式的消泡效果，而對僅添加化學(xué)消泡劑時的消泡效果并無明顯提升作用。實際生產(chǎn)中，一般采用機械消泡方法即可滿足消泡需求，若要追求更好的消泡效果，可將兩種消泡方式結(jié)合使用。

4 結(jié)論

1）分離器入口導(dǎo)流板最佳放置角度為45°，導(dǎo)流板放置距離對于分離效率和消泡作用均影響不大。

2）金屬規(guī)整填料適用于分離器中，為優(yōu)選的機械消泡構(gòu)件。隨著消泡填料高度的增加，消泡效果隨之增加。綜合考慮消泡效果及經(jīng)濟因素，選擇孔板波紋填料SM250*12 cm作為優(yōu)選的機械消泡構(gòu)件。

3）在實際生產(chǎn)中，一般采用機械消泡方法即可滿足消泡需求，若要追求更好的消泡效果，可將機械消泡和化學(xué)消泡劑消泡結(jié)合使用。