超声破乳油气水分离器及分离方法与流程

本发明属于石油开采技术领域，具体涉及一种超声破乳油气水分离器及分离方法。

背景技术：

随着我国很多油田进入二、三次采油，原油品质变差，化学成分和油水乳状结构变得更为复杂，油田采出的原油大都是以乳状液的形式存在的，乳状液分散结构十分复杂，有水包油型（o/w）、油包水型（w/o）、油包水再包油(o/w/o)、水包油再包水（w/o/w），二次采油以油包水型（w/o）为主，三次采油以水包油型（o/w）为主。原油中盐类杂质和水分，会严重影响原油的加工生产过程，还会增加运输成本、增加能量消耗、严重者会造成生产事故。例如电脱盐设备经常跳闸，导致催化剂中毒，严重影响正常生产，同时造成巨大的浪费。

油田集输管线结垢的原因分析，首先，在油田水中含有较高浓度的容易结垢的盐离子，在开采过程中温度和压力不断下降，原来的物质平衡状态被打破，导致结垢；其次，当把两种或多种不相容的水混合，不相容水中的不相容的离子发生化学反应而生成垢；最后，开采原油时，无论开采出了何种物质，原油中原来的物质平衡状态会被打破，也很容易结垢。不同种类的油田，上述三种原因哪种起主要作用有所区别，一般情况当出现结垢后，沉积的物质都是具有反常溶解度的微溶盐类或难溶的盐类，它们都有固定的晶格，同时单体的水垢密度较高且十分坚硬，盐类的饱和程度以及盐类结晶的各个过程都是会受到所生成的水垢的影响。

结垢对油田集输管线的影响，油田集输管线有结垢问题时，会带来一定的危害，首先，结垢造成集输管线的截面积不断减小，增加输送阻力，增大输油泵电耗；其次，结垢就有垢下腐蚀问题，甚至会发生集输管线穿孔的问题；如果是换热设备结垢，传热效果就会受到影响，设备的能耗增加；最后，在压力不断提高的过程中，结垢后所产生的物质就会腐蚀并堵塞管道，甚至造成爆裂等严重后果。

通过上述分析可知，油田集输管线系统结垢问题不可避免，如果处理不好还会带来严重后果。

常用的加热法、重量沉降法只能处理直径较大的油滴和水滴，对乳状液分离效果不好；破乳剂法破乳不仅容易引起环境污染，而且专一性太强。另外，集输管线和油水分离设备的结垢现象也是常见问题，不仅增大输送阻力，而且严重影响分离设备的油水分离效果。由于采用加热、重量沉降和破乳剂的常规脱盐脱水方法将愈来愈难以达到油水分离标准的要求。申请号为201510474087.0的中国专利公开了一种管道式油气水分离设备和分离方法，采取等腰三角形构造，进液管在三角形的上端顶点位置，进液管的另一侧是油相出口；水相出口管在三角形的下端顶点位置；进液管和水相出口管有若干斜立管连接。为了增加油水气分离效果，利用“浅池效应”原理在水相出口管和斜立管里设置了若干层斜板。该专利从理论上讲油水气实现了三次分离，分离效果较好。但从该专利的附图来看，水相出口管里面多层斜板是和管道紧密连接的，这种构造将管道完全隔离成了多个细小空间，不利用上部油的富集及下部水的富集；另外，斜板沉降技术只是在单位体积内增大了“流道的水平投影面积”，而对原油的乳状液的破乳功能非常微弱，只是对较大的油滴和水滴的分离效果较好；更关键的是该专利技术的实施无法避免结垢问题的困扰，结垢是油田集输管线常见的问题，尤其是目前的三次采油阶段结垢问题更加严重，管道中的斜板虽然增加了油水气的分离效果，但也增大了结垢的几率，斜板上结垢就破坏了油滴和水滴的运行通道，影响分离效果，严重时会造成通道阻碍，不但破坏油水气分离，而且会造成停产事故。

因此，有必要提供一种能够防止结垢影响、能够充分破乳、投资少、占地面积小、安装使用方便、免维护、节能高效且连续稳定运行的油水气分离设备。实现原油在管路输送过程中仅依靠物理的方法即可实现采出液流动状态下高效率的油水气分离。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的油水分离效率不高，油气水分离管道结垢严重等缺点，本发明的目的是提供一种超声破乳油气水分离器及分离方法，用于提高油气水分离效率和石油产品的质量，减少管道结垢，降低运输成本及分离成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种超声破乳油气水分离器，包括相互平行的进液管、油相管、气相管，斜板支撑杆及超声波传振环，所述进液管通过第一斜立管和第二斜立管与其成40°～50°与设置在其上方的油相管连接，所述气相管通过两根与气相管垂直的集气管组与油相管连接，所述进液管内设有与径向成40°～50°的进液管斜板板束，其通过斜板支撑杆与进液管管壁相连，所述第一斜立管和第二斜立管内还设有分别与斜立管所在方向平行的第一斜板板束和第二斜板板束，所述第一斜板板束和第二斜板板束分别通过斜板支撑杆与第一斜立管和第二斜立管连接，所述油相管内还设有油相管斜板板束，所述油相管斜板板束通过斜板支撑杆与油相管管壁连接，所述超声波传振环设置在进液管上、第一斜立管与第二斜立管之间，所述超声波传振环上设有超声波换能器，所述进液管一端设有原液进液口、另一端设有水相出口，所述油相管一端设有油相出口，所述气相管一端设有气相出口。

优选地，所述第一斜板板束的上端成5°～10°角度设计。

优选地，所述第二斜板板束的下端成5°～10°角度设计。

优选地，所述进液管、油相管及气相管的两端均设有法兰。

优选地，所述进液管斜板板束中斜板与斜板间距为10-20mm、每块斜板的厚度为1mm。

优选地，所述多个超声破乳油气水分离器可组合使用。

一种利用超声破乳油气水分离器的分离方法，包括如下步骤，

步骤一，开启超声波换能器，将油气水原液混合液通过进液管的原液进液口送入至超声破乳油气水分离器，在进液管斜板板束上较大的油滴和水相因重力作用而自然分层，超声波换能器分离或使上浮的乳化液破乳分离，一方面加速已经粘附在每个进液管斜板的下表面油滴聚合，油相上浮到斜管的上部并汇集在第一斜板板束上，水相下沉到进液管斜板板束的下部并汇集在管道中由水相出口流出，气相由第一斜板板束上升；

步骤二，一次分离后的混合油液沿第一斜板板束上缓慢上升，超声破乳，较大的油滴破乳分成油滴和水滴，油滴上浮并汇集沿第一斜板板束继续上升至油相管，水滴沿第一斜板板束汇集下落至进液管中，气相由第一斜板板束上升至油相管；

步骤三，二次分离后的混合油液在上升到油相管内，混合液在油相管斜板板束和功率超声能量的作用下继续油水气分离，分离出来的气体通过集气管组汇集到气相管并排出，其它混合液继续向前流动，此时油滴、水滴和乳化液再次分离；

步骤四，当原油混合液在进液管中遇到第一个第二斜立管时，在前段管道中已初步分离的富油相的混合液通过节流的方式沿着液体流动方向向上浮动，再次进行步骤一至步骤三过程的油气水分离。

本发明具有积极进步的有益效果：

（1）第一斜板板束末端与油相管管道轴线成5°～10°角度设置目的是将已经在前段管道中初步分离的富水相的混合液通过节流的方式沿着液体流动方向向下流动，有利于油相管富水相的分离；第二斜板板束下端并不是和进液管管道轴线平行设置，而是有5°～10°的倾角，目的是将已经在前段管道中初步分离的富油相的混合液通过节流的方式沿着液体流动方向向上流动，这样有利于进液管富油相的分离，

（2）在水平管道中设置了和径向成40°～50°夹角的斜板束，油水气分离效果好；

（3）在管道和斜板束上施加了大功率长脉冲变频移相超声波能量，超声场强辐射均匀，可调参数多，不会造成复乳化问题，破乳除垢效果好；

（4）分离设备是积木式模块化设计，数量和结构形式可以任意组装，可以任意扩大体积，现场适应性强，大规模的生产扩大不受到限制；

（5）占地面积小，现场安装简单方便，运行中免维护，杜绝系统结垢的影响，能够保证长期稳定运行效果。

（6）油水气分离生产效率明显提高，缩短时间、提高石油原油的质量、减少石油原油的流失、增加破乳剂的破乳效率、减少使用量、降低对环境的要求。

（7）在较低温度下，实现很好的油水气分离，可以改善或改变油田原有油水气分离系统，可以应用于多种石油石化工艺中。

（8）利用超声波作用重复破乳除垢，提高分离效率和产品质量，延长了管道使用寿命，降低成本。

附图说明

图1为超声破乳油气水分离器结构示意图。

图2为超声破乳油气水分离器结构左视图。

图3为第一斜板板束上端与油相管连接的结构示意图。

图4为第二斜板板束下端与进液管连接的结构示意图。

图5为多组超声破乳油气水分离器组合的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图5所示，本发明在实际运行中是有多个图1所示的油水气分离模块组成的如图5所示的油水气分离机组，具体的组成数量主要由现场的原油来液的特点确定，同时考虑现场其它油水分离的设备的配备情况，总之，油水气分离机组中的油水气分离模块越多，分离效果越好。

如图1-3所示，本发明公开了一种超声破乳油气水分离器，包括相互平行的进液管1、油相管2、气相管3，斜板支撑杆12及超声波传振环15，所述进液管1通过第一斜立管7和第二斜立管8与其成40°～50°与设置在其上方的油相管2连接，所述气相管3通过两根与气相管3垂直的集气管组9与油相管2连接，所述进液管1内设有与径向成40°～50°的进液管斜板板束17，其通过斜板支撑杆12与进液管1管壁相连，所述第一斜立管7和第二斜立管8内还设有分别与斜立管所在方向平行的第一斜板板束10和第二斜板板束11，所述第一斜板板束10和第二斜板板束11分别通过斜板支撑杆12与第一斜立管7和第二斜立管8连接，所述油相管2内还设有油相管斜板板束18，所述油相管斜板板束18通过斜板支撑杆12与油相管2管壁连接，所述超声波传振环15设置在进液管1上、第一斜立管7与第二斜立管8之间，所述超声波传振环15上设有超声波换能器16，所述进液管1一端设有原液进液口、另一端设有水相出口4，所述油相管2一端设有油相出口5，所述气相管3一端设有气相出口。

第一斜板板束10的上端与油相管2连接处的第一斜板板束上端13不是水平设计，而是有5°～10°的角度，如图3所示。

第二斜板板束11的下端与进液管1连接处的第二斜板板束下端14不是水平设计，而是有5°～10°的角度，如图4所示。

工作过程和原理

如图1和图5所示，是由4组油水气分离模块组成的机组，原油来液从进液管1的左侧进入，沿着该管道向前流动，直到水相出口4流出到下一工序。在该进液管1里面布置了和径向水平面成40°～50°的进液管斜板板束17，该斜板束的间距设置在10mm-20mm、每个斜板的厚度在1mm，进液管斜板板束17被斜板支撑杆12连接固定并和管道紧密连接，斜板束和支撑杆不仅要满足防腐要求，还要有很好的弹性特点。

在每个模块进液管1上，位于第一斜立管7和第二斜立管8中间设置了超声波传振环15，所述超声波换能器16通过超声波传振环15与进液管1连接，在运行时超声波传振环15能够把超声波换能器16输出的功率超声波能量均匀的传递到进液管1上、以及与它紧密连接的金属设备上面产生功率超声能量。由于进液管斜板板束17通过斜板支撑杆12和进液管1紧密连接，那么管道上的功率超声能量就通过斜板支撑杆12传递到了进液管斜板板束17上面，即板束在正常工作时具有一定的功率超声能量。管道和管道内的板束都具有了功率超声能量，会有很好的防垢除垢、加速破乳等一系列的优点，具体机理如下：

油水混合液在流动过程中因受功率超声能量的斜板作用实现破乳和防垢，在斜板环境下受重力作用而自然分层，密度较大的水相下沉到斜板的下部并汇集在管道中，密度较小的油相上浮到斜管的上部并汇集在管道中，最后形成油水两相的分层流动，原油来液中的气相继续上升到最上面的气相管道，最终实现油气水的高效快速分离。

超声破乳原理

（1）为什么需要超声技术破乳

原油中的天然乳化剂和开采时加入的表面活性剂吸附在油－水界面，形成具有一定强度的黏弹性膜，增大了油－水界面能，所以油田采出的原油大都是以乳状液的形式存在的，乳状液分散结构十分复杂，随着我国很多油田进入二、三次采油，原油品质变差，化学成分和油水乳状结构变得更为复杂，给分散水滴的聚并造成了动力学障碍。尤其是对于重质原油，粘度高、密度大，其破乳脱水比稀质油更困难。常规的重力分离法只能分离较大的水滴和油滴组成的混合液，例如对水包油型（o/w）、油包水型（w/o）、油包水再包油(o/w/o)、水包油再包水（w/o/w）等复杂的乳状液就无能为力。研究发现，难以用常规方法破乳脱盐脱水的原油，功率超声辅助法可用于此类油的脱盐脱水，且具有较好的结果。

（2）超声波破乳机理和优势

超声波破乳主要是利用超声波的机械振动、剪切和热作用，强化油中水滴的碰撞与聚并，从而加速油、水两相分离。

超声波的机械振动作用促使油滴或水滴凝聚，例如当超声波通过有悬浮水“粒子”的原油介质时，造成悬浮水“粒子”与原油介质一起振动。由于大小不同的水“粒子”具有不同的相对振动速度，水“粒子”将相互碰撞、粘合，使粒子的体积和重量均增大，最后沉降分离。

超声波的剪切作用可降低油－水界面膜强度，或直径破坏界面膜，加速液膜排液过程，从而促进水滴或油滴的聚并而分离。

超声波的热作用降低油一水界面膜强度和原油粘度，一方面，边界摩擦使油一水分界处温度升高，有利于界面膜的破裂，另一方面，原油吸收部分声能转化成热能，可降低原油的粘度，有利于水“粒子”的油--水重力沉降分离。研究发现超声波辐射能促进污油乳状液中水滴的聚并。相比传统连续式超声辐射，脉冲式超声波辐射能取得更好的水滴聚并效果。

(3)斜板油水分离原理和存在的问题

油水分离效果一般情况取决于聚结元件材料的特性和分离设备内部构件结构特点，斜板的“浅池原理”已成为油水分离技术中不可或缺的方法，该法具有耗能低，分离效率高，可操作性强，环保无二次污染等特点，已经广泛应用于各大油田的工业生产。

根据“浅池原理”在管道中设置斜板束，不仅增大了隔油池的有效分离面积，缩短了油珠垂直上升距离，而且提高了整流效果。其作用机理是通过降低斜板中流体的流动速度，延长流体在管道中的停留时间，从而增加离散相油滴在斜板中发生碰撞和聚结的概率，促使油水两相在密度差的作用下发生相向运动，为离散相油滴在混合相中的浮升与分离提供了有利条件，增加小油滴碰撞的几率来提高油水分离效率，从而达到油水分离的一种物理的油水分离技术。

实验发现，由于不锈钢具有良好的亲油性，在没有超声波作用时当不同粒径的油滴颗粒到达不锈钢制成的斜板之后，很快便粘附在斜板的下表面，进而覆盖整个斜板式聚结板；由于受表面张力的作用相邻的油滴之间并没有迅速融合，而形成连续油膜，而是以颗粒的形式紧密排列在一起。随着分散相油滴的不断融入，分布于聚结板表面的部分油滴颗粒不断增大，当油滴聚并到足够大时，便会与上侧邻近的油滴连续合并，然后随机地形成一条流道，将油相输送到斜板顶端，流道消失后的板面又回到初始状态。分散相油滴又重新在该区域粘附，如此不断循环，从而实现分散相的聚结与分离。

由于油田的集输系统结垢问题非常普遍，常规情况下斜板板束间及易结垢，甚至堵塞，严重影响分离效果。通过上述分离过程分析发现，常规的斜板聚结分离技术的分离效率不高，更关键的是单靠油滴和水滴的自身重力无法对乳化液进行分离，或者是分离效果非常不好。

（4）本发明对上述原理的实施和存在问题的解决

如图1所示，油相管2和气相管3的左端密封，本发明设备在正常工作时，超声波换能器16首先启动，超声波能量通过超声波传振环15将功率超声波能量耦合到进液管1的管道上，并依次传递至进液管斜板板束17、第一斜板板束10、第二斜板板束11、油相管2及油相管斜板板束18上。其中，进液管斜板板束17通过斜板支撑杆12和进液管1紧密连接，第一斜板板束10及第二斜板板束11通过斜板支撑杆12和第一斜立管7和第二斜立管8紧密连接，油相管斜板板束18通过斜板支撑杆12和油相管2紧密连接，由此说明功率超声波能量能够有效的传递到各个斜板板束上，即斜板板束和管道在正常工作时始终具有功率超声波能量。

本发明中使用的超声波技术能够实现变频、扫频、长脉冲等功能，能够将超声能量控制在空化之前的最佳状态，以实现最佳的破乳和防垢功能。

油气水分离多级分离过程：

原油来液从1进液管左端进入本发明设备后首先经过进液管斜板板束17的聚结分离处理，首先较大的油滴在重力差的作用下上浮粘附在每个进液管斜板板束17的下表面，水滴下沉（水的密度大于油的密度），此时，进液管斜板板束17发出的功率超声能量具有很好机械振动、剪切和热作用，一方面加速管道板束间还没有分离或上浮的乳化液破乳分离，另一方面加速已经粘附在每个斜板的下表面油滴聚合，并形成和保持油路的上升通道，从而提高油水气的分离效率。

如图2所示，进液管1和油相管2中的斜板板束和管道之间留有一定的空隙，其目的一是给油滴、水滴和气留有聚合的空间，二是通过管道内壁再将超声波能量有效的辐射到液体里面，以便更好的破乳和防垢。

当原油混合液在进液管1中遇到第一个第一斜立管7时，已经分离出来的油相液和气相以及部分原油来液沿着第一斜立管7上升，在该斜立管内也设置了第一斜板板束10，第一斜板板束10沿管道的轴线方向和水平面成40°～50°设置，第一斜立管7和第一斜板板束10的长度设置在800mm左右，板束之间平行设置，板间距根据来液特点设置为10mm-20mm。已经得到初步分离的原油来液在第一斜板板束10板束之间缓慢上升，此时油滴、水滴和乳化液分离的原理和上述一致，不同的是第一斜板板束10距离长，分离的效果会更好。

如图3所示，第一斜板板束上端13并不是和管道轴线平行设置，而是有5°～10°倾角，目的是将已经在前段管道中初步分离的富水相的混合液通过节流的方式沿着液体流动方向向下流动，这样有利于油相管2富水相的分离。

此时，上升到油相管2内的混合液在油相管斜板板束18和功率超声能量的作用下继续油水气分离，分离出来的气体通过集气管9汇集到气相管3中并排出，其它混合液继续向前流动并分离。

如图4所示，当原油混合液在进液管1中遇到第一个第二斜立管8时，第二斜立板板束下端14并不是和管道轴线平行设置，而是有5°～10°倾角，目的是将已经在前段管道中初步分离的富油相的混合液通过节流的方式沿着液体流动方向向上流动，这样有利于进液管1富油相的分离，混合液在第二斜立管8和第二斜板板束11中的分离原理和上述相同。

上述是一个分离模块的工作过程，在实际生产过程中需要将多个如图1的模块组成如图5的油水气分离机组。图5是由4个模块组成的机组，根据原油来液的特点可以灵活机动的掌握组成机组的木块数量。模块之间可以用法兰19连接，也可以用焊接等方式连接。在每个模块之间，水平管道中的斜板束之间设置了一定的空隙，这个空隙是为了给每个模块来的混合液再次重新分配混合的机会，这样有利于在下一模块中进行高效分离。这样通过多个油水气分离模块的分离，最后分离出来的水、油、气从水相出口4、油相出口5、气相出口6排出，分离的效果完全可以满足后续工序要求。

另外，本发明的油气水分离设备在正常工作过程中，不论是管道还是斜板聚结板束都始终有功率超声波能量，该能量能够持续保持管道和板束具有很好的剪切力，该剪切力能够有效的防止和清除结垢，杜绝结垢给设备带来的任何不利影响，从而长期高效的保持油田采出液的油气水分离效果。在一定温度下可以降低原油的粘度，更有利于油水气的分离。所以本发明设备设置在加热炉的后续流程中，也可以单独设置加热系统，而取代原有的加热炉系统。如果在本发明设备的入口端设置破乳剂的加入口，将会取得更好的油水气分离效果。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。