一种新型多级分离沉砂装置设计研究

张永辉+张乾

（1国家采油装备工程技术研究中心；2胜利油田高原石油装备有限责任公司）

摘 要：针对应用目前处理装置及方法，无法将含泥砂原油样品中泥砂彻底脱除干净进而准确测定原油物性参数的实际，通过对多种清砂方法的分析比较，选用重力沉降和离心分离分级除砂方法，设计了一种新型多级分离沉砂装置。对该装置的工艺流程进行了较为详细的介绍。试验表明，该装置除砂效果显著，除砂率达90%以上。

关键词：原油除砂；离心分离；重力沉降；旋流分离器；工艺设计

引 言

目前含泥砂原油样品，利用已有的原油除砂处理装置及方法，无法将原油中泥砂彻底脱除干净，导致无法准确测定原油的密度、粘度等关键物性参数，影响了勘探过程中的储量评价以及开发过程中对流体性质的动态监测，为了就解决前期勘探和后期开发过程中存在的含泥砂原油脱砂问题，为储量评价和勘探开发地质研究提供准确的基础物性，有必要建立新的原油除砂方法。目前已有的除砂方法主要集中在现场除砂，而对室内脱除泥砂的方法报道很少，已有的报道主要集中在除砂剂的筛选方面，该方法由于引入除砂剂，不适合以原油物性分析为目的的除砂。室内除砂装置和方法的目的主要是获得不含泥砂的原油样品，获得准确的原油物性数据，所有的方法均不能对原油的组成产生影响。目前常用的分离设备包括重力沉砂、离心分离等，分离设备功能单一，难以实现高效率分离，不满足实验室的分离要求。针对现有技术存在的缺陷，设计一种多级分离沉砂装置，有效降低原油中泥砂石的含量，提高分离的效果。

1除砂方法优选

基于离心分离的水力旋流分离技术以分离效率高、结构简单等优点得到了广泛应用。通过对重力沉降、离心分离和过滤等除砂方法[1] 进行比较，认为采用旋流分离器（离心分离）作为原油除砂的主体设备较为适宜，它可和重力沉降一起完成对试验样品的除砂任务。

1.1重力沉降

重力沉降是利用固液两相的密度差在重力场中进行固液分离的过程[2]。固体颗粒在液体中的沉降速度可用Stocks公式计算：

（1）

式中，w为球形颗粒的自由沉降速度，m/s；d为固体颗粒的直径，m；ρs为固体颗粒的密度，kg/m3

ρl为流体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

为提高固液分离效率， 可采用水洗技术，即让夹带砂粒的油水混合物通过活性水层。由于水的表面张力较大，有利于油水界面膜的破裂，从而加速了油滴的上升，水滴则聚结沉降， 降低了原油乳状液的粘度，更有利于砂粒的沉降。另外，在重力沉降前常对油水混合物加热，减少液体粘度，以加速固体颗粒的沉降。

1.2离心分离

离心分离是把悬浮液置于离心力场中使得固液分离的过程[2] 。离心沉降设备有旋流分离器和离心机。这里采用旋流分离器，又称水力旋流器， 由圆筒部分和锥筒部分组成。被处理的液体从进料口高速进入旋流器， 固体和液体所受的离心力不同， 密度大的固体颗粒被甩向内壁，沿着旋流器内壁螺旋式向下运动， 最后由底流排出；密度小的液体携带少量的细小固相颗粒则运动到旋流器中心，由溢流排出，从而达到固液分离的目的。由于在离心力场中可以获得很大的惯性力， 因此可以实现诸如细微颗粒的悬浮液和准稳态乳状液的分离[3-5]。

2结构简介

本产品技术方案是：箱体、螺旋输送器、垂直螺旋桨、涡轮增压器、溢流管、旋流分离器、涡轮转盘、出油管。箱体包括重力沉砂槽、集油槽、上水槽，箱体的一侧连接分离腔室，分离腔室的内部设有螺旋输送器，螺旋输送器的两侧设有垂直螺旋桨，螺旋输送器的中间设有螺旋叶片，螺旋输送器的上部连接涡轮增压器，分离腔室通过溢流管连接旋流分离器，旋流分离器内部固定三组涡轮转盘，涡轮转盘通过旋流分离器出口连接出油管；同时箱体的底部设有连通旋流分离器的清砂管，垂直螺旋桨包括螺旋叶片和垂直叶片（图1-3）。

3工艺流程设计

含砂原油通过箱体1内的重力沉砂槽1.1、集油槽1.2、上水槽1.3进行初步分离，将重力大的砂石沉积，分离后的原油进入螺旋输送器2进行进一步分离，分离液在螺旋输送器2内螺旋叶片3.1和输送器内部的垂直螺旋桨10分离，分离液在离心力的作用下分离，轻质油通过溢流管5进入旋流分离器6内分离，旋流分离器6内部的涡轮转盘7转动，使分离液在压力的作用下沿涡轮转盘的切线方向运动，液体产生旋转运动，将砂子通过清砂管9甩出，清油通过出油管8流出，实现清砂步骤，提高分离效率和分离效果，保证脱砂程度。

4结论

基于离心分离的水力旋流分离技术，通过重力沉降和离心分离分级除砂方法相结合，采用多級分离除砂工艺，有效降低原油中砂石的含量，分离效果较好，除砂率达90%以上，提高了工作效率。

参考文献：

[1] 寇杰.油田地面除砂技术[J].油气田地面工程， 2001，20（5）：36～37.

[2] 《英汉石油大辞典》编委会.英汉石油大辞典[Z].北京：石油工业出版社， 2001.

[3] 王玉敏.旋流分离器在高寒地区的应用与探讨[J].油气田地面工程，2005，24（10）：49.

[4] 雷兰祥，陈新欣，苏岩.高含砂稠稀油混合污水处理配套技术与设备[J].石油机械，2005，33（6）：62～63.

[5] 韩洪升，李霄峰等.沉砂对聚并等流分离器的油水分离效果试验研究[J].石油矿场机械，2012，41（3）：51～54.