G100020124刘传礼环保除沙作业车及工艺研究最终版01

1、 题目题目环保除砂作业车及工艺研究环保除砂作业车及工艺研究工程领域工程领域石油与天然气工程石油与天然气工程研究方向研究方向油气田开发工程油气田开发工程工程硕士生工程硕士生刘传礼刘传礼指导教师指导教师檀朝东（副教授）檀朝东（副教授）现场导师现场导师郝世勤（高级工程师）郝世勤（高级工程师）入学时间：2010 年 3 月 论文完成时间：2012 年单位代码：单位代码：1141411414学学 号：号：G100020124工程硕士学位论文独创性声明工程硕士学位论文独创性声明本人郑重声明：本工程硕士学位论文是我个人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不

2、包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明产生的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 工程硕士学位论文版权使用授权书工程硕士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论

3、文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文属于保密范围，保密期限 年，解密后适用本授权书。作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 摘 要摘 要目前，油田绝大部分油水井有大修或者小修在施工作业中都需要进行洗井冲砂，传统的洗井冲砂作业主要由清水罐车、洗井泵车、污水罐车等一起配合来完成。在洗井冲砂过程中流到地面上的污水均含有大量原油和泥砂，直接排放会造成严重的环境污染和资源浪费；移运到指定地点统一排放，如果排出液体未经处理，会造成环境污染和资源浪费，同时增加作业成本。针对冲砂施工中对环境造成的污染及从经济实用角度考虑，我们决定开展环保除砂作业车及工艺研究。国外利用水力旋流器这种成熟的原理，

4、开发出除砂和洗砂新工艺，特别适用于采出砂处理难度大的油田。旋流除旋流器是靠固体与液体的密度差来进行固液分离的，我们利用现有资源通过研究旋流除旋流器，油水分离器制作环保除砂作业车，经过一系列模拟实验，能够成功开发出适用的产品来提高生产效率，保护环境，减少成本。关键词： 冲砂工艺 环保除砂作业车 水力旋流器 旋流除旋流器ABSTRACT Environmental protection except sand car and process research workABSTRACTAt present, Most of the oil Wells big oil field constructi

5、on work need to wash minor repairs well blasting technology. Traditional well-flushing blasting assignment by car wash well pump, the ShuiGuanChe, sewage tank trucks cooperate to complete, etc. Wash well when the blasting to return to the ground of the sewage contains a lot of crude oil and clay san

6、d, direct discharge can cause severe environmental pollution and waste of resources; Move to the designated place unified emissions, if untreated drain fluid, can cause environmental pollution and waste of resources, but also increase the homework cost. According to blasting construction of the envi

7、ronmental pollution from economic and practical Angle and consideration, we decided to environmental except sand car and process research work.Foreign use hydrocyclone such mature theory, developed except sand and wash the sand new technology, particularly applicable to recovery sand treatment is di

8、fficult to oil field. Hydrocyclone except the vortex is on solid and liquid density difference to solid-liquid separation, we utilize existing resources through the cycle flow except hydrocyclone device, the oil-water separator environmental protection except sand making homework car, after a series

9、 of simulation experiment, can successfully developed applicable products to improve the production efficiency, protect the environment, to reduce costs.Keywords: The blasting technology environmental protection except sand working truck hydrocyclone hydrocyclone except hydrocyclone device目 录目 录工程硕士

10、学位论文独创性声明 .工程硕士学位论文版权使用授权书 .摘 要 .ABSTRACT .第第 1 1 章章 引引 言言.11.1.1.1.研究的目的和意义.11.2.1.2.研究现状.2第第 2 2 章章 环保除砂作业车的结构及工作原理环保除砂作业车的结构及工作原理.42.12.1环保除砂作业车的结构.42.22.2环保除砂作业车的工作原理 .5第第 3 3 章章 旋流除砂器的研究设计旋流除砂器的研究设计.63.13.1旋流除砂器的结构及工作原理 .63.2.1旋流除砂器的结构.63.2.2旋流除砂器的工作原理 .63.23.2影响水力旋流除砂器性能主要因素 .93.2.1泥浆特性对水力旋流除砂

11、器工作性能的影响.103.2.2几点认识.133.33.3旋流除砂器的工艺优化设计 .153.3.1旋流除砂器的结构设计 .153.3.2锥角选择.153.3.3新型旋流出砂器.163.43.4旋流除砂器的效果模拟.173.4.1湍流数学模型.173.4.2数值模拟计算.18第第 4 4 章章 油水分离器的研究设计油水分离器的研究设计.224.14.1油水分离技术的基本概况.224.1.1含油污水的性质.22目 录4.1.2含油污水的处理方法.224.24.2斜板沉降器的分离特性及实验研究 .254.2.1斜板沉降器聚结分离机理 .264.2.2流动形式.264.2.3斜板间流场数学模型.27

12、4.2.4油滴运动轨迹数值模拟计算 .284.2.5分离特性实验.314.34.3逆向流斜板沉降器.374.3.1逆向流斜板沉降器的设计制造 .374.3.2逆向流斜板沉降器性能研究 .394.44.4小结.42第第 5 5 章章 环保除砂工艺研究应用环保除砂工艺研究应用.435.15.1除砂作业车及冲砂工艺的现状 .435.25.2连续冲砂工艺的研究.435.35.3油、水、砂分离工艺研究.44第第 6 6 章章 环保除砂作业车的试制及效果验证环保除砂作业车的试制及效果验证.456.16.1设计任务书.456.1.1设计依据.456.1.2设计原则.456.1.3试制过程简介.456.1.4

13、样机试制与试验.466.26.2效益分析报告.466.2.1经济效益分析.466.2.2社会效益.476.36.3产品质量分析报告.476.3.1检验产品质量的依据.476.3.2对产品质量的控制方法 .476.3.3综合分析.47目 录6.3.4分析结论.486.46.4产品工艺分析报告.486.4.1工艺方案分析报告.486.4.2工艺性审查报告.486.4.3工艺审查结论.496.56.5标准化审查报告.496.5.1产品概况.496.5.2产品图样和技术文件的质量水平 .496.5.3产品标准化和通用化程度 .496.5.4标准化审查结论.50第第 7 7 章章 结论结论.51参考文献

14、参考文献.52致 谢 .55个人简历 .56中国石油大学（北京）工程硕士学位论文1第 1 章 引 言1.1.1.1.研究的目的和意义随着社会经济的发展，人类正不断遭受来自各种环境污染的侵害。幸运的是，我们已认识到用环境污染换取经济发展对全社会及子孙后代所产生的负面影响，“保护环境，保护地球”的呼声日趋高涨。因此，从环保角度考虑，人们不断改进生产工艺，在发展经济的同时，保护好我们的地球。健康、安全与环境保护管理体系简称 HSE 管理体系，它主要指各类组织通过经常以及规范化的管理措施，实现健康、安全与环境管理的最终目标。旨在指导各类组织有效建立和维护一个满足要求的健康、安全与环境管理体系，再经过持

15、续不断的评价、评审以及体系审核，进而推动体系的有效运行，促使健康、安全与环境管理水平不断提高。随着经济的快速发展，与生产密切相关的 HSE 管理已经受到人们的普遍重视。HSE 管理体系已经成为目前国际石油石化工业通用的一种管理模式。在环保部公布的废气、废水污染源国家重点监控企业中，石油和化工企业占到了 43%。胜利油田自身环保减排的成效如何，在一定程度上影响着我国政府环保减排承诺的实现。胜利油田作为国有大型企业，在绿色环保施工的大环境影响下，极力推行 HSE 管理，不断投入大量资金，用以保护改善我们的生存环境。尤其是野外施工作业的前线队伍，增强环保意识，使用环保设备不仅是对自身及周围环境的保护

16、，而且对参与国际市场的激烈竞争，增添了重要砝码。按照环保与开发“一体化”原则，胜利油田自 09 年以来强力推进采油污水减排，共间断关停高含水井 289 口；优化注水，消化多余污水。自主研发采油污水治理技术，陆续建成外排污水处理工程，形成 8 万吨/天的污水外排处理能力，陆地采油污水全部实现达标排放。自主研发出油泥砂无害化治理技术，对采油新产生的油泥砂全部做到了安全储存、及时转运、无害化治理、综合利用。近年来，胜利油田把节约用地作为建设生态绿色油田的重要举措，优化设计、压缩井场，每年可节约用地 775 亩；近 5 年来利用新技术、新工艺，累计在存量土地上打侧钻井 707 口，增油 300 多万吨

17、，减少新增用地 2681 亩，实现了土地与产量效益双增长。针对二氧化碳减排这一世界级难题，胜利油田研究的二氧化碳捕集纯化技术取得重大突破。有关装置投入运行后，每天生产液态 CO2 100 余吨，全年能够捕引 言2集、液化 CO2 3 至 4 万吨，成为目前国内最大的燃煤电厂烟气 CO?捕集纯化装置。捕集处理后的 CO2 纯度达百分之 99.5%以上，可全部应用于目前胜利油田正在开展的“低渗透油藏二氧化碳驱油”重大先导试验。为减少胜利油田自备电厂生产中二氧化硫的排放，油田投资建设二氧化硫处理设备。2009 年，胜利发电厂烟气脱硫工程全部通过山东省环保局验收，年可减排二氧化硫约 6 万吨。同时，油

18、田还将燃煤电厂的粉煤灰“变废为宝”，用于生产水泥、固井、河海筑堤、水库建坝、公路修筑等领域，避免产生扬尘，污染大气和水体，同时创造了一定的经济效益。利用电厂供热系统实行热电联供，目前供热面积已达 960 万平方米，取代了 100 多台燃油锅炉，取得了节约燃油与改善城市大气质量的双重功效。胜利油田树立“环保与开发同等重要”等理念，2009 年生产原油 2783.5 万吨，采油污水全年减排 306 万吨，全年完成计划的 108%；采油污水外排量以及COD 排放量和上年相比较分别减少 12.1%和 22.9%，并且油泥砂以及废弃泥浆全部进行了无害化的处理，提前 1 年达到了“十一五”的计划减排指标，

19、有效防止了破坏性环境污染和水体严重污染事故的产生，最终做到了实生产与环境的和谐发展。在此背景下，我们充分调研石油作业施工市场，发现胜利油田绝大部分油水井无大修或者小修在施工作业中都需要进行洗井冲砂，目前每口井施工都需要洗井泵车和多台油水罐车配合施工。采用 15 方池子作为出井液存放池，多余液体外排土池子中，出砂不便于清理，对环境造成污染，也损失了大量的原油。同时仅利用沉淀法去除出井液砂粒效果不佳。 传统的洗井冲砂作业主要由清水罐车、洗井泵车、污水罐车等一起配合来完成。在洗井冲砂过程中流到地面上的污水均含有大量原油和泥砂，直接排放会造成严重的环境污染和资源浪费；移运到指定地点统一排放，如果排出液

20、体未经处理，会造成环境污染和资源浪费，同时增加作业成本。针对冲砂施工中对环境造成的污染及从经济实用角度考虑，我们决定开展环保除砂作业车及工艺研究。1.2.1.2.研究现状在原油生产过程中，采出砂处理一直是一个棘手的问题。采出砂对诸如管网和阀门具有冲蚀作用，它会使重力式分离器的分离效率下降。随着油井开采时间的延长，或高粘原油的不断采出，油井产液含砂愈来愈严重，甚至有些油井从投产时起就存在严重的产液含砂间题。目前对油井产液含砂中国石油大学（北京）工程硕士学位论文3的地面处理主要是在大罐中自然沉降，其缺点是清砂困难，周期长，且一次性投资大，占地面积大。这种方法已不能适应油井产液量逐年上升、产液含砂量

21、逐年增加对除砂的要求，迫切需要更新除砂装置。按传统作法，沉积在储油罐和分离器底部的砂一直由人工清除或用水力冲砂，然后堆放在陆地积砂场或排入海洋。这种清砂作业既不安全，又给环境带来危害，还扰乱了原油生产的正常进行。从系统中清除出来的砂含一定量的污油，若含油采出砂未经处理就在陆地堆放，会使砂干化而造成空气污染。由于采出水还存在着结垢和析出钙盐、钡盐和银盐的问题，结垢物中可能含有如镭 226 等放射性同位素，这些同位素可能会沉淀在砂粒上，随同砂一起排出。因此，对采出砂排放的要求标准很高，须按 1960 年放射性物质法1(RADIOACTIVE SUBSTANCES ACT 1960)予以授权许可才能

22、外排。这些放射性物质也会给现场工作者带来极大的危害。出于自身安全的考虑，也极力避免人工清砂和与排出的砂、垢接触2，因此，设置采出砂处理系统和防止砂、垢干化而造成空气污染是极为重要的。国外利用水力旋流器这种成熟的原理，开发出除砂和洗砂新工艺，特别适用于采出砂处理难度大的油田。采出砂的粒径一般为 25250um，密度为 2400 2500kg/m3，温度 7595，采出砂的油密度通常为 750950kg/m3，若属重质油类，则砂中除油难度更大。旋流器内液体复杂的运动状态很难用数学公式来确切地描述。不同油井产液的处理要求不同，旋流器的几何参数和水力参数也不一样。因此，旋流器的设计必须建立在试验的基础

23、上。针对油并产液除砂的要求，进行了旋流器除砂试验，为把旋流器用于油井产液除砂提供了试验依据。第 2 章 环保除砂作业车的结构及工作原理4第 2 章 环保除砂作业车的结构及工作原理2.12.1环保除砂作业车的结构装置主要包括装载底盘，台上主要配置双级沉降罐、旋流除砂器、油水分离器、水箱、集油罐、集砂罐、三缸柱塞泵和输油泵。其基本机构如图 2-1 所示：1 一装载底盘；一装载底盘；2储油罐；储油罐；3分动箱；分动箱；4 一三缸柱塞泵；一三缸柱塞泵；5 一浮油收集系统；一浮油收集系统；6 一旋流除砂器一旋流除砂器图图 2-12-1 环保除砂作业车结构图环保除砂作业车结构图其工作流程如图 2-2 所示

24、：图图 2-12-1 环保除砂作业车工作流程图环保除砂作业车工作流程图 中国石油大学（北京）工程硕士学位论文52.22.2 环保除砂作业车的工作原理该装置采用旋流形成的离心力分离砂粒原理，配合四级沉淀，过滤分离不同粒径的砂粒及原油。作业车首先将冲砂液中大颗粒的砂粒过滤在第一级沉降器内，略小的砂粒进入旋流器通过旋流分离砂粒。之后进入三级分离池进行分离，井内带出的原油通过斜板除油器和水分离，可通过泵注入主油管路或井内，处理后水再循环冲砂，从而达到理想的除砂隔油效果。与传统洗净车相比，环保除砂作业车车具有以下优点：a)选用了先进的油水处理工艺，可以使得水处理装置的结构更加紧凑合理，处理效果更好。只需

25、要 1 台车就可完成每次洗井作业。b)洗井过程易于操作，人工劳动强度较低，只需 3 人（含司机）就可以做好全部的洗井作业。c)由于洗井工艺流程均是超越滤罐的，这样就能起到保护滤料、降低作业成本的效果。d)洗井液的处理装置具有反冲洗功能，并且自动化程度很高，主要的阀件使用的是气动蝶阀，设计合理，反冲洗使用水量很小，无需太频繁的更换滤料以及拆装洗井设备。e)洗井车出入口与井口采用高压软管联接，管口均为由壬接头，快捷方便。该车可通过选用大功率发动机底盘和高压泵及管汇等相关部件进一步提高洗井压力。洗井除砂车能在洗井的同时处理洗井水不外排问题，既利于环保更能节约水资源。洗井除砂车投资比罐车小，根据不同井

26、况选择洗井除砂车和罐车洗井，节约洗井投资。可引进电机带动水龙带的洗井除砂车，以便减轻劳动强度。洗井除砂车的水龙带、卡扣手柄和快速接头易损坏，水龙带的密封圈易老化。是导致洗井除砂车损坏的主要原因。对目前的洗井装置还需要进一步完善，提高易损坏、易老化部件的性能，使该车使用率提高，减少投资。 第 3 章 旋流除砂器的研究设计6第 3 章 旋流除砂器的研究设计在矿物工程、石油化工、环保、食品加工、医疗卫生等许多领域水力旋流器均得到了广泛的应用，它的工作原理是利用旋转流体自身产生的离心力进而使各项密度不同的流体进行分离的装置。由于受到了实验条件和环境的一定限制，单单通过实验来探索旋流器的性能实验周期较长

27、、实验费用昂贵，而且水力旋流器内存在内、外旋流、循环流以及短路流，流动情况也较为复杂。随着水力旋流器在各种领域应用的不断扩大，对旋流器的实验探索也逐渐深入。经过研究表明，假如辅助理论分析计算以及流场模拟实验等方法来对旋流器内部流体流动规律进行研究，以及其在结构尺寸的变化对分离性能和压力特性的影响等，那么就可以减短研究周期时间和实验成本。3.13.1旋流除砂器的结构及工作原理3.2.1 旋流除砂器的结构水力旋流除砂器自 1891 年 Bretney 首次获得专利起至今已有 100 多年历史3它是一种结构、原理简单但内部流体运动规律很复杂的装置。水力旋流除砂器为圆锥体结构，其内角为 1020（见图

28、 3-1）。旋流器的首段设有一个或多个能使流体高速旋转而产生自由涡流的切向进口。当流体进入旋流器的圆锥段时开始加速形成强离心力，迫使固体颗粒向旋流器内壁移动，经底部出口排出；而液相则移向产生涡流的芯部并逆行经溢流口排出。由于伴随着自由涡流的角动量守恒，所以，加速度与 r-(2n+1)成正比，其中 r为半径，n 为正数（通常为 0.510），因此，随着在最大切线速度位置处半径的缩小，加速度增大。这样，水力旋流除砂器按流量和直径进行设计，以此满足规定的分离要求。其结构示意图如图 3-2。3.2.2 旋流除砂器的工作原理旋流除旋流器是靠固体与液体的密度差来进行固液分离的，其工作原理是4：被处理的固液

29、两相混合液以高速经旋流器的进液管进入旋流器的圆筒体，因进液管是沿筒体横截面切向设置的，液流在旋流器内产生很高的角速度，在同一角速度下，固体与液体因密度差而产生不同的离心力，密度大的固体因产生较大的离心力而被甩向旋流器内壁，密度小的液体因产生较小的离心力而靠近旋流器中心。固体颗粒在被甩向旋流器内壁的同时，还沿内壁螺旋式向下运动，最后由底流口中国石油大学（北京）工程硕士学位论文7排出。旋流器中心部位因液体高速旋转而形成低压的螺旋形上升液流，大部分液体及少量小颗粒固相随此上升液流由溢流口排出，最后流回贮液池。图图 3-1 旋流除砂器内流线图旋流除砂器内流线图最初的应用是清除产出水中的喷砂射流作业中的

30、固体颗粒。在小尺寸旋流分离器研究过程中得出的结论是，能够将粘附在固体颗粒表面的油样除掉。旋流分离器在产生较高的重力作用的工艺过程中，还会产生较高的剪切力场。在实际应用中的防砂效果为：使井口的含砂量从 16%降为 1%以下。随着在小尺寸陶瓷旋流分离器基础上，对井口除砂装置的研究与应用，该领域内取得了不断的技术进步。其中包括将多个旋流分离器组装在一起，使之能够抵御较高的设计压力，以及能够适应于分离器处的井液流体和节流器处的井液流束的多变性。它是把多个旋流分离器装在设计成标准的，特种金属材料制成的一个压力容器中。井液被引入到压力容器的增压段，并且只可借助旋流分离器方可排出。分离出的固相颗粒，进入到分

31、出物储存室中，从而可以根据需要对分出物进行处理。液体则通过溢流出口进入到分离器中。第 3 章旋流除砂器的研究应用8水力旋流除砂器的典型分离效率曲线见图 3-3。旋流除砂器的分离效率一般是指“中切点”，即旋流器清除固体颗粒溢流和底流各占 50%之点，用 D50（颗粒粒径 m）来表示，在除砂操作中一般要求 D50小于 15m。为了有效地清除砂上的污油，应在砂表面形成强剪力。采矿业习惯用各种混合器和洗涤装置产生这种剪力。水力旋流除砂器同样能产生极强的剪力。图图 3-2 旋流除砂器结构示意图旋流除砂器结构示意图中国石油大学（北京）工程硕士学位论文9图图 3-3 典型的水力旋流除砂器分离效率曲线典型的水

32、力旋流除砂器分离效率曲线3.23.2 影响水力旋流除砂器性能主要因素目前水力旋流除砂器巳成为清除泥浆中钻屑，控制其固相成分及含量，确保快速、优质、安全钻井不可缺少的净化设备之一。但是，由于净化装置不配套，加之设备的结构尚存在不少问题，因此，现场使用效果不甚显著，没有发挥应有的作用。影响除砂器推广使用的原因，概括起来有以下几方面。（1）跑泥集严重，除砂效率低砂器在矿场使用中，由于不能根据泥浆性能(粘度、含砂量、比重)的变化及时调节除砂器，造成底流大量跑泥浆，除砂效率低。（2）除砂器易堵塞，操作不使因配备振动筛网目太粗（20 目，其孔径为 0.84 毫米），也就是说经过振动筛只能筛除大于 0.84

33、 毫米的钻屑。据资料统计，在钻屑中大于 0.84 毫米的仅占 5%左右，那么所余 95%的钻屑都要经过除砂器清除，因而增大了除砂器处理钻屑的粒度范围，加重了除砂器工作负担，必然会造成除砂器工作过载，出现排砂口堵塞现象。操作时需经常疏通旋流器排砂口，严重时要专人不停地疏通，操作麻烦。第 3 章旋流除砂器的研究应用10（3）除砂器无防凉保沮设施，冬季使用不便（4）砂泵现场维修困难现用除砂器所配备的 2 PS 型砂泵的水套密封不好，容易损坏，造成漏气，影响砂泵上水，使除砂器工作性能变坏。而更换水套时，需将砂泵液力端全部拆掉，操作十分不便。（5）电力不足目前井队所配两台 55 千瓦东方红发电机组，当用

34、电高峰时，发电机功率就显得不足了。特别是起动除砂器 17 千瓦电机是较困难的。粗略计算，一台发电机发出额定电流约为 150 安培，17 千瓦电机工作额定电流为 32 安培，而起动电流为额定电流的 57 倍，即 160224 安培，超过发电机输出电流值。即使安装补偿器，起动也是较困难的，如果有几台电机同时使用，电力就更显得不足了。3.2.1 泥浆特性对水力旋流除砂器工作性能的影响据国外有关资料论述，影响水力旋流除砂器工作性能的主要因素共分两大类：除砂器结构尺寸和泥浆特性。（1）给料压力（除砂公工作压力）的影响给料压力是分级的重要因素。在旋流器公称直径相同时，压力的增大或减小直接影响液流旋转离心力

35、的大小，从而影响分级临界粒度（固体颗粒在工作的旋流器中处于悬浮状态下的粒度）和分级效率。如果其它条件不变，单纯增加给料压力，除砂器的处理量增加，溢流粒度变细，底流浓度增加。旋流器每个斗的处理量 （3-gHDDKQ01）式中，K产量系数(试验测得)，D 一一旋流器公称直径，Do溢流口直径，H给料压力，g重力加速度。从公式中可以看出，当压力 H 增加，其处理量 Q 增加。但压力增大到一定限度，分级效果并不好，反而增加砂泵和除砂器的磨损，消耗动力。表 1 列出最佳工作压力范围和推荐工作压力范围。临界粒度 （3-eiskHDVrrgd002. 12）中国石油大学（北京）工程硕士学位论文11式中，Vi给

36、料速度，泥浆粘度，（rsr）岩屑与液体比重差，He旋流器分离有效高度（溢流管下端与斗锥面交点之间的高度），g重力加速度。式中只有 He和 D0不受限制， 其中 D0与液体 需要量密切相关，只能进行微调。因此只有 He可以有较大的变动，而锥角决定着 He的大 小。由此可见锥角的变化对旋流器的分离能力有着直接影响。 锥角 增大 He缩小、d k增大；锥角 缩小、 则 He增大、d k缩小。 要提高分离能力、缩小 d k，那么，缩小锥角 是一条有效途径。从上式可以看出：当进口压力增高，即提高了进口速度 Vi，使 dk变小，就是说临界粒度变细（大于 dk的颗粒从排砂口排除，小于 dk的颗粒从溢流口排出

37、），因此，溢流中粒度变细，相应地底流中细粒级含量也增加，使底流浓度增加。从试验取得的数据也可以看出，随井口压力增高，底流含砂量增大（见图 3-4)。沉砂中细粒级含量增多，沉砂浓度增加（见表 3-1）。图图 3-4 压力对底流含沙量的影响压力对底流含沙量的影响（2）给料粘度降低泥浆粘度可以提高分级效率。从临界粒度理论计算公式还可以看出，当粘度越大，dk值越大。即是是说粘度越大，临界粒度越大。只有大于 dk的颗粒才能分离出来。所以底流含砂量减少，溢流中含砂量增加。除砂效果变坏。根据试验数据绘制的粘度与底流含砂量关系曲线也可得出这样的结论（见图 3-5）。第 3 章旋流除砂器的研究应用12当除砂器工

38、作压力在 1 kg/cm2时，泥浆粘度从 23 秒提高到 60 秒，则底流含砂量由 78%下降到 23%，下降幅度很大。同样当压力为 2 或 3kg/cm2时，随着粘度增加，底流含砂量也有下降的趋势。只不过由于进口压力较高，提高了泥浆在除砂器中的旋流速度，增大了离心力，使底流含砂量下降的幅度很小。表表 3-1 压力与底流含沙粒度的关系压力与底流含沙粒度的关系各种固相颗粒占底流的百分比压力（公斤/厘米2）底流含沙量（%）1毫米)60 目(0.28毫米)150 目(0.1毫米)200 目(0.071毫米)240 目(0.063毫米)360 目(0.04毫米)360 目(0.04毫米)1.2721.

39、1211.60.420.140.160.071.5801.1693.31.30.250.180.082750.326741.30.240.130.073.2921.770(0.13)(0.043)(0.01)(0.01)(0.01)3.8571.8181150.980.50.2注：由于测量误差，括号内数据偏低，粘度约 50 秒。（3）给料浓度给料浓度影响底流浓度和底流中固相的粒度。当给料浓度增大，钻屑颗粒在旋流器内运动时，颗粒间相互碰撞机会增多，因而使颗粒运动阻力增大。在其它条件不变情况下，只有较大颗粒的钻屑在离心力作用下才能克服阻力从泥浆中分离出来，也就是增大了临界粒度，所以底流和溢流粒度变

40、大，分离效果降低。从图 3-6 可以看出，随着给料含砂量增加（即给料浓度增加），底流含砂量也增加。图图 3-5 粘度和压力与底流含沙量关系曲线粘度和压力与底流含沙量关系曲线中国石油大学（北京）工程硕士学位论文13图图 3-6 给料含沙量对底流的影响给料含沙量对底流的影响3.2.2 几点认识理论和实践都已说明了，给料压力、粘度和浓度都是影响旋流除砂器工作性能的主要因素，通过室内试验发现，这些因素并非孤立，而是相互制约的。（1）粘度和压力与底流的关系除砂器在实际使用中，若想得到比较理想的除砂效果，给料压力的选择不是越高越好，而应根据不同的泥浆性能选择适当的工作压力，既能保证除砂效果，又能节约动力，

41、减少设备磨损。除砂器的工作压力固然是影响其工作性能的主要因素，但不是孤立的，而是与泥浆性能、旋流器的结构尺寸等因素相互制约的。随着某一个因素的变化，除砂器理想工作压力也是变化的，不能一味追求高压力。（2）底流形状底流形状能直观反映除砂效果。过去已有的资料都认为底流形状呈“伞”状或“绳”状好。经过试验我们认为旋流器用在净化钻井泥浆时，底流呈“柱”状好。底流形状呈“伞”状，则排砂口大量跑泥浆。实测四个斗跑泥浆量为0.96m3/min，其底流含砂量仅占 13%。而“柱”状时，排砂口很少跑泥浆，底流含砂最都在 7595%左右。第 3 章旋流除砂器的研究应用14从理论上分析，为使旋流器能正常工作，必须在

42、其中心部分保持一定的真空度，其范围是从零到旋流器高度的水柱之值，并且要保持恒定。若真空度降低，底流将会跑泥浆。但真空度过大，会引起部分沉砂被反卷到溢流中去。 “伞”状底流是排砂口直径相当大或进口压力低时的底流状态。此时沉砂沿着排砂口壁排出，沉砂流束有中空部分，通过它可以吸入空气，使真空度降低。因此呈“伞”状排砂会有大量泥浆流失。“柱”状底流（实体底流）。当提高进口压力（或减少排砂口直径）时，会使沉砂数量增加和排砂口内空气柱的横断而减小或消失。因此，经排砂口吸入的空气减少，从而提高了真空度。故沉砂呈“柱”状排出，泥浆很少流失。“绳”状底流则说明除砂器工作过载，虽然底流含砂量较高，但此时排砂口极易

43、堵塞，而且会造成大量积砂反卷到溢流中，降低除砂效率。有些资料认为“伞”状或绳”状底流好，原因在于旋流器所用的地方不同。其索取产品不同，取舍对象各异，因而要求底流形状不同。比如用于选矿，素取对象是矿石，因而不惜矿液（水）的流失。而钻井中除砂器用于净化泥浆，索取对象是泥浆，清除的是钻屑，故而珍惜泥浆的流失。这一取一舍截然不同，因此，选矿中底流呈“伞”状好的理论是针对选矿的特殊条件而言的，对于净化泥浆来说，自当别论。因为石油矿场上现用的大多数旋流除砂器都没有底流泥浆回收装置，因此，保持相对浓度的底流。减少泥浆损失是主要的。（3）防止溢流产生背压，提离除砂效率除砂器正常工作时，溢流中几乎无压力，如果溢

44、流管设计不合理或管中进入空气。形成一定的背压，将会缩小无液空气柱直径，降低真空度，使排砂口大量泄漏泥浆。空气可以通过溢流导管和排砂口两个渠道进入。因为导管的断面时而被泥浆充满，时而不完全充满。当处于后一种工作状态时，空气就会进入导管，使旋流器真空度降低，排砂口泄漏泥浆时，空气又从排砂口进入旋流器。当沉砂增加到一定数量，堵塞了空气进入排砂口的渠道，真空度重新开始增加，上返溢流的流量变大，导管又被泥浆充满，真空度增高，底流沉砂浓度增加。根据除砂器这种周期性的变化规律，试验中将溢流导管淹没于泥浆池中，避免空气进入导管，保持恒定的真空度，底流沉砂效果显著变好。例如当泥浆粘度为 24 秒时，压力从 1

45、降至 0.6 公斤/厘米名，呈“伞”状底流，当把导管插入泥浆池液面以下时，底流变为“柱”状，含砂量达 66%。因此，采取淹没溢流导管中国石油大学（北京）工程硕士学位论文15的办法可以提高除砂效率。导管末端应低于旋流除砂器排砂口，但不能超过旋流器高度的一半，否则会造成虹吸，使沉砂大量被吸入溢流中。3.33.3旋流除砂器的工艺优化设计3.3.1旋流除砂器的结构设计用于砂中除油的水力旋流器须能经受强烈的冲蚀以及高含盐、高温（接近100）采出水的腐蚀5。为了达到上述分离效果，要求旋流管的直径小，其单管处理能力仅为34m3/h，因此，大多数均采用多根旋流管。同时，为精巧起见，多根旋流管被组装在较大的压力

46、容器内。图 3 为一台典型的旋流除砂器。其内旋流管呈圆形排列安装在 2 个隔板之间，主进口和油水出口位于圆筒体段相对的位置，净砂出口设在锥体的底部，由此自由排出或交替进入集砂罐，等待二级处理。在旋流除砂器的锥体段还设有冲砂口，以此强化洗砂，并在必要时提供冲砂水。容器的选材范围可从碳钢到钦金属，并可附加耐冲蚀内衬。3.3.2 锥角选择从分析旋流器结构参数对旋流器性能的影响入手，对旋流器锥角进行重点选择和实验，从而找出提高分离能力的锥角最佳值和相应的其他结构参数。所研究的高效旋流除砂器可以提高分离能力 30%50%，既除砂又除泥，在不增加其他分离设备的情况下，实现了净化出井液的目的。采用钢质外壳和

47、聚胺脂橡胶衬里的双层结构，可以提高除砂器的使用寿命。使用新型底流口调节装置，是寿命长、直观、操作简便。以往的旋流器 ，尤其仿制国外的旋流器，除砂能力较差。当砂砾细小时 旋流器的底流口通常大量吸入空气， 而不向外排砂 失去除砂能力。高效旋流除砂器的目的就是要使其在深井段 改变这种状况 ， 能起到既除砂又除泥的作用。锥角试件分别为 10、12、14、16。根据钻速相同，含砂量相同，而出现旋流器底流的含砂量和排量均大的现象，说明旋流器分离能力强的道理，在测试吐只从底流取样，分别测出含砂量 fu和排量 Q，并对其进行综合分析。底流排量大、浓度低、损失泥浆多；浓度高、排量小、虽烈训员失泥浆少，但钻屑没有

48、被排出，也没起到除砂的作用。因此，研讨底流时既要考虑含砂量的大小，又第 3 章旋流除砂器的研究应用16要考虑排量。只有这两项指标匹配合理，才能评定旋流器性能的优劣。由图 3-7可以看出，16和 10锥角时的 fu都较低，最低时 fu= 25% 。12和 14锥角的含砂量较高，尤其 12锥角时，含砂量高达 85%。图图 3-7 不同锥角对底流含砂量的影响不同锥角对底流含砂量的影响(60010000m 井段井段)3.3.3 新型旋流出砂器老式除砂设备未考虑除砂过程的连续性，只是在旋流器下端增加了一个储砂罐，需要人工对其定期进行排放，这就使得除砂工艺不能够持续进行，并且操作人员不易操作，不易管理。水

49、力除砂器的最根本机理是依靠离心力作用进行分离，而不是靠重力作用沉降，当沉砂罐下端被关闭后，除砂旋流器实际上就是比较特殊的一段管线，流来的液体短暂停滞随后就被排走，这导致细小的砂粒沉下很难，所以说老式除砂装置在效率上得不到提高。旧式旋流除砂器有时仅仅使用刚到半年就会出现腐蚀而穿孔，针对出现的问题，新型除砂装置采取的预防措施主要有 3 项：（一）改善旋流除砂器内腔的喷涂工艺，采用镍-钴-铁合金，提高其表面的硬度；二是使用 H87 防腐涂料，对槽线以及沉砂池等严格按照涂敷的工艺进行处理；三是出砂口的喷涂采用镍一钻硬质合金，这种工艺使得其较耐磨性、耐腐蚀性得到大大提高。中国石油大学（北京）工程硕士学位

50、论文17新型水力旋流除砂器采用撬装结构，它是由除气旋流器、除砂旋流器、沉砂池、液下泵、洗砂器构成，可根据来液（采出液）的具体情况对其进行不同的组合，另外该站来液中含有定量的伴生气体，所以除气旋流器、除砂旋流器的组合，能够满足含气来液的除砂要求6。利用天然气密度极低的这一特性，在重力和离心力双重作用下，在采出液经过干线直接进入到除气旋流器后，对天然气和液体进行有效分离，被分离的天然气会顺着管芯向上移、外输。不再含有气的液体会下沉然后经过旋流器的下部进入到旋流除砂器的上端。液体会以 5-10m/s 左右。的速度进入到旋流腔，形成了旋流状。在离心力的作用下，水中的砂粒会逐步从水中向外位移，直至被抛到

51、旋流腔的内壁上，此时会在旋流腔形成大、中、小颗粒的三种含砂层。在压力的作用下水沿锥壁向下移时，由于旋流腔为锥形体，锥体会不断的缩径，进而造成水流速度的加快、离心力的加大，导致水中的砂粒很多会聚集在旋流锥体的下端，进而形成了含砂的水柱体冲出，进入到沉砂池。砂液混合物在进入沉砂池后经汇合自动流入到污泥的储存池处理。含油液体在旋流腔内则逆势而上行，经过旋流出口会与先前脱出的天然气混合后沿着管线流入到三相分离器。在对整个的工艺过程进行调整后根本不需要人员看护，只需要定期的观测一下压力表，对出砂情况进行观察即可。3.43.4旋流除砂器的效果模拟水力旋流器湍流模拟的基础环节是单相流场的数值模拟，它是两相流

52、场模拟的重要前提。采用 RNGK- 模型在单相流场模拟中对旋流器进行分析，流体流动的速度方向和流动的轨迹都能够正确而且形象具体地反映出来，这说明旋流器内外螺旋的螺旋方向是具有一致性的。同时显示了旋流流场的内部湍流度和相对湍流度对于湍流场流动分布、湍流脉动和分离介质产生的影响程度。另外褚良银选择了能反映湍流各向异性的代数应力模型(ASM)，得到湍动能与湍动能耗散率的分布均呈两边高中间低的不对称鞍形的结论，验证了所建数学模型和数值计算方法的可靠性和适用性。本文用 FLUENT 软件对旋流除砂器的内部流体的单相流场进行数值模拟，以预测旋流除砂器流体的旋转提高情况及除砂效果。3.4.1湍流数学模型第

53、3 章旋流除砂器的研究应用18旋流器内的流动规律比较复杂是因为其流动是湍流，目前用来表述湍流的流动规律的数学模型还不十分成熟。其中比较起来影响较大的湍流模式有：单方程模型、双方程模型、零方程模型、雷诺应力模型、代数应力模型以及其他多方程模型7。在这些模型中其中应用较多较普遍的是双方程模型。前期研究实验结果表明了代数应力模型和雷诺应力模型最优，但是这就对计算机性能要求比较高并且不易于求解，而K 的模型是双方程模型，求解起来相对来说容易。湍流模型实际上就是将湍流粘性系数t与湍流时均量串联起来的一种关系式。而K K-方程在湍流模型中的应用是较为广泛的 8，它是用紊动能K和紊动能耗散率表示t ，K方程

54、和方程可分别表示为式（1）和式（2）。K方程： （3-kkkSr1z1KrrrKzrrKzKeerz3）其中，-SGk （3-222222-2rrzzrrrzGrtrrzrrzr4）由紊动能 K 以及紊动能耗散率 的定义可得出2rKC 方程： （3-Srrrrzzrrzzeerz115）其中 21CGCKS上面 K- 模型是在各项同性假设时推导得得来的，即认为 t 是作为一个标量，在流场中每确定的一个点处相对应着确定的一个涡粘性，其数值和方向没有关系，这类模型被称为标准的 K- 模型。经过大量湍流计算表明：K- 模型具有较好的计算稳定性、经济性和计算结果的准确9。中国石油大学（北京）工程硕士学

55、位论文193.4.2数值的模拟计算采用 K- 模型，对该旋流除砂设备进行数值计算，充分利用 Fluent 数值模拟软件，主要模拟的是速度场。考虑到高度差距过大将失去实际的意义，所以最大高度差距设为 110 cm，每间隔 15 cm 采取一组数值进行模拟，并且保持其他的边界条件不发生变化，对应的流量就可以分别使用式（3-6）和式（3-7）来进行计算。 （3-2gh26） （3-AG7）Fluent 是用来计算传热问题和流体流动的一种程序，伴随着计算机的高速发展，由于 Fluent 适用性较强、应用性较广、方便、价格低等特点被迅速的发展起来。本研究是针对速度场采用三维模型通过 Fluent 软件进

56、行了数值模拟计算10。根据原来实际的设计图形，将主要的工作部分来考虑，通过 Gambit 建立了一个物理性模型如图 3-8 所示，内圆环的半径 10 cm，入口的角度为 30。在流场数值模拟过程中网格的划分起着极其重要的作用，数值求解结果和计算精度取决于其品质的好坏11。本文所利用的模型整体进行网格划分是通过TGrid 程序对其划分的，它采用了四面体的网格，并且对网格划分情况进行了检查是通过 EXAMINEMESH 命令来进行的。第 3 章旋流除砂器的研究应用20图图 3-8 CFD 仿真物理模型图仿真物理模型图 （1）进出口参数设定分别针对进口、出口的边界类型及条件进行了相关设定，同时确定了

57、单位和内部流体的材料属性12。出口面积确定为 60 mm 60 mm，在进口处设置的高度差分别为 35 cm、50 cm、65 cm、 80 cm、95 cm、110 cm，同时考虑到无压的工作情况，假如设置重力加速度是 9.8 m2/s，内部的材料是 fluid-water，环境的压力80 000 Pa。（2）利用 FLUENT 3D 的求解器进行求解FLUENT 在计算开始后，在平均迭代 220 次以后，计算就开始收敛。针对关键工作面的圆心处速度通过后处理进行相应的分析，通过对旋转中心面进行截取，分别读取 x、y 方向和轴心的平均速度数值，结果如表 3-2、图 3-9 和图 3-10 所示

58、，在 80cm 高度差的环境下速度场的 Z 面剖视图如图 3-11 所示13。表表 3-2旋转中心处的平均速度数值旋转中心处的平均速度数值高差/cmx 方向速度/ms-1y 方向速度/ms-1轴心速度/ms-1350.120.140.13500.160.170.17650.200.200.20800.280.310.29950.230.160.211100.120.140.13中国石油大学（北京）工程硕士学位论文21图图 3-9 旋转中心处旋转中心处 x、y 速度值速度值 图图 3-10 旋转中心处速度均值旋转中心处速度均值通过上面模拟的结果能够清晰地看出来，伴随着进口处高度差距的不断增大，除

59、砂的效率先是呈现出正比的规律，当达到 80 cm 高度差距处出现最大峰值；但是随后就随着高度差的增 da 开始出现反比的规律。同时，通过对旋转中心和圆心位置的对比可以清楚发现，80 cm 时前后两者的数值基本上是重合的，如图 3-11 所示。根据上述结果可以初步的分析判断出在长、宽、高、圆环直径以及入口角度、进（出）水口位置等任何几何数据都不发生变化的前提下，当高度差距达到 80 cm 时就可以获得相对比较大的除砂效率。旋流除砂器的结构和原理虽然相对来说较为简单，但其应用是非常的广泛，对其除砂效率产生影响的因素也很多，内部的流场情况较为复杂14-15。因此，在很多方面还有待于进一步研究。第 3

60、 章旋流除砂器的研究应用22图图 3-11 80cm 高差条件下速度场高差条件下速度场 Z 面剖面图面剖面图第 4 章 油水分离器的研究设计23第 4 章 油水分离器的研究设计4.14.1油水分离技术的基本概况目前钻井、侧钻和大修作业过程中产生大量含油污水，据统计每年单钻井产生的污水每年打约 640104t，采油产生的污水每年大约炼油污水年排放量2460104t，由于缺乏污水处理手段，或者处理成本昂贵，绝大部分污水未经处理，直接排放，造成了环境的严重污染。因此，含油污水的处理和再利用技术是一项事关环境保护，和节约水资源的关键、重要课题。而油水分离技术是治理含油污水的关键技术之一16-18。根据