1.基于新型立式三相分离器+轴向涡流分离器的高效预分水技术

　　2010-2012年，在中国石化中原油田勘察设计研究院的支持下，本研究团队配合该油田油气集输前置处理工艺，设计研发了高效二级预脱水技术(初级三相分离预脱水设备+二级轴向涡流分离器)。

　　（1）主体单元设备描述

　　初级三相立式分离器的外观类似于传统的立式三相分离器，但在内部的离心分离结构方面有较大的改进创新。油气水混合物进入初级三相立式分离器下部的旋流聚结器，将液体压力能量转变为旋转能量。从旋流聚结器出口旋转溢出后，自下而上形成了主体水相区、油水乳化区、主体油相区、泡沫浮渣区和气相区。主体油相溢流进入分离器中心的集油斗，收集后外排，集油斗液面由油出口调节阀控制。主体水相在重力沉降过程中，继续排出夹带的气泡、油滴也会继续上浮；净化后的水从底部折返排入由挡水堰板构成的集水室，油水界面通过集水室的水液面进行控制。气体携带着部分液滴经过丝网除雾器净化后从顶部排出分离器，系统压力由排气管线的调节阀进行控制。与传统的立式三相分离器相比，具有设备操作弹性较大、油水分离效率高等优点。

　　轴向涡流分离器的设计理念由美国Enviro Voraxial Technology(EVTN)公司率先提出并研发。2004年在墨西哥湾海洋平台上对Voraxial 2000型分离器进行了两个月的液-液、液-固分离试验，2011年在墨西哥湾泄油事件中引人关注。2017年该技术出现在美国Schlumberger公司网站上，冠以Voraxial Impeller-Induced Cyclonics的名字列在水处理服务与产品目录之下；EVTN公司则更名为Enviro Technologies Inc.，相应的产品更名为V-inline Separator，但相关技术细节迄今对国内处于保密状态。本团队自2009年以来，首次在国内系统开展了轴向涡流分离技术的相关研究，自主提出了系统结构设计方案和橇装样机的布局方案。从结构来看，轴向涡流分离器是基于管式、高效轴向涡流技术而研制的油水紧凑型分离设备，涡发生器为转鼓及焊接在其内壁上的一对中空的螺旋叶片，工作时转鼓连同螺旋叶片高速旋转，含有污染物微粒(如油滴或其它微细悬浮颗粒)的污水沿轴向进入分离器，在涡发生器作用下形成轴向涡流。轴向涡流产生的强大离心力场(离心力加速度约1000g)使待分离混合液中的重相以一定的径向速度向外运移，轻相则向中心汇聚。在离心力和螺旋型叶片泵送的双重作用下，叶片的中空区域产生弱回流，避免了分离死区，提高了分离效率。转鼓直接驱动分离元件，设备的传动和密封结构简单、体积小、造价低。研究分析结果表明，①轴向涡流分离器与“入口增压泵+常规静态水力旋流器”的组合相比，具有入口压力要求低、分离效率更高的优势；②与常规动态水力旋流器相比，具有加工制造更为简单、运行更为平稳的优势；既可用于高含水采出液预分水，也可用于采油污水除油。

　　（2）基于新型立式三相分离器+轴向涡流分离器的预分水现场中试

　　2012年02月07日～2012年02月17日，本研究团队在中原油田采油一厂五区79块计量站进行了两级脱水工程样机分离性能的现场试验。井口来液经软管进入初级三相立式分离器中进行油、气、水三相分离，在出油口管线和出水口管线上定时取样分析。出水口管线支线与轴向涡流分离器相连，部分含油污水经减压、计量后进入轴向涡流分离器进行油、水分离，并在轴向涡流分离器的出油口管线和出水口管线定时取样分析其含水率和含油率。二级分离后的油、气、水三相再汇集到初级三相立式分离器出水口管线上外输至油田联合站。

　　中原油田采油一厂五区79块计量站存在来液流量/压力均较低、气液比较高等现象，根据现场实际情况，三相分离入口流量稳定为280方/天，入口温度为80℃，压力为0.2MPa。为期10天的运行测试表明，采出液的平均含水量为95.8%。三相分离器出油口的含水率可降至30%以下，分水率可达70%以上。对于二级轴向涡流分离器而言，当入口污水的含油量在2000~4000mg/L、处理量在1~7 m³/h之间波动时，出水口的含油量可降至300mg/L以下，除油率在60.8%~90%之间，平均除油率可达80%。

　　（3）针对新型立式三相分离器+轴向涡流分离器的持续改进研究

　　在首次大气液比采出液二级联动预分水现场试验取得成功之后，本研究团队继续对新型立式三相分离器和轴向涡流分离器进行了改进研究。对于新型立式三相分离器而言，基于计算流体动力学（CFD）数值模拟手段，基于集群平衡模型(PBM)和VOF多相流模型，考虑油相颗粒的聚结效应，对旋流聚结器这一核心内部结构件进行了结构优化设计。对于轴向涡流分离器而言，不仅对传动结构和机筒进行了改进设计，而且借助理论解析分析和CFD数值模拟等手段，建立了较为完整的设计体系（包括相应理论分析模型的建立和基于BP神经网络的关键结构参数优选），具备产品化和系列化设计能力。工程样机分别于2012年9月-10月在中海油QHD32-6油田渤海世纪号FPSO上进行现场试验、2013年3月在中海油深圳分公司流花11-1 (LH11-1)油田南海胜利号FPSO上进行现场试验。基于继续改进研究工作，在2015年10月第二届“杰瑞杯”中国研究生石油装备创新设计大赛中，团队作品“一种新型动态水力旋流器 —— 轴向涡流分离器”荣获一等奖。

　　在中国石油化工股份有限公司总部科研项目的支持下，团队目前正与胜利石油工程技术研究院合作，研究将轴向涡流分离器和立管离心分离机移植应用于高含水油井采出液的预分水。

　　2.基于管式紧凑型气旋浮的高效预分水技术

　　本研究团队认为，在低油价、新常态的背景下，为了油气集输处理真正实现走效益开发、低成本开发之路，就应该努力着眼点于以下两个关键点：第一，针对接转站“三就地工程”中的“就地分水”和“就地处理”环节，研制开发高效紧凑型油水分离设备和采油污水达标处理设备，在提高设备分离处理工作效率的同时降低占地面积和一次性建设投资，最好采用管式结构而非容器式结构以降低运行维护管理成本；第二，将“三就地工程”从接转站继续前移到距离井口更近的计量站，借助高效紧凑型多相分离技术和设备，在计量站完成油气水三相分离、采油污水达标处理等环节，将计量站的污水通过处理后全部回注到本区块，减少单井拉油工作量及污水集中处理量，节约单井拉油费用及污水集中处理费用。为此团队开展了如下研究工作：（1）主体管段外径不大于Ф400mm的高效紧凑型管式气旋浮污水净化器的结构设计和数值模拟研究；（2）主体管段外径不大于Ф400mm的高效紧凑型管式多相分离器结构设计和数值模拟研究；（3）主体管段外径不大于Ф400mm的高效紧凑型管式气旋浮污水净化器原理样机工作性能室内和现场实验研究；（4）高效紧凑型管式气旋浮污水净化器工程样机的系统设计研究。目前正在等待进行现场中试实验，希望达到的技术指标如下：（1）装置来液处理能力为1000方/天，入口污水含油量＜1000mg/L，固体悬浮物含量＜50mg/L。（2）污水进入分离罐内释气量体积比大于7%时，单级装置压降不大于0.06MPa；污水进入分离罐内释气量体积比较小，需要独立注气时，单级装置压降不大于0.2MPa；污水处理后：污水中含油量＜100mg/L，固体悬浮物含量＜30mg/L。

　　3.静态水力旋流预分水

　　针对接转站“三就地工程”中的“就地分水”环节，团队研制开发了基于静态水力旋流分离技术的高含水原油采出液预分水设备，具体工作包括：（1）开展了圆柱段外径为Ф40mm、处理量不小于1m³/h的管式旋流预分水设备的结构设计、室内试验以及流场数值模拟，建立了理论设计方法；（2）基于相似放大理论，开展了管式旋流预分水设备的放大设计研究，建立了尺寸设计准则，掌握产品系列化设计方法；（3）开展了处理量30m³/h工程样机设计的系统设计和现场实验研究；（4）开展了含气条件下管式旋流预分水设备的适应特性和结构改进研究；（5）开展了强化分离的梯级旋流分离系统研发。室内试验和现场试验结果表明：（1）管式旋流预分水设备在来液含水率不低于60%的条件下，可以达到预分水效率不低于50%、出水含油浓度不高于1200mg/L的分离性能；（2）标准管式旋流预分水设备对气体的容纳能力可达10%，带排气结构的管式旋流预分水设备对气体的容纳能力可达20%，且可使出水含油浓度降低约23.8%；（3）梯级旋流分离系统在占地几乎不变的条件下，可以使分水效率提高20%左右。

　　　4.科研立项及工程应用

　　自2005年以来，本团队陆续开展了与预先分水直接和间接相关的技术研发工作，不仅实现了基于新型立式三相分离器+轴向涡流分离器的高效预分水技术成功中试，而且已经围绕紧凑型气旋浮装置(CFU)、管式脱气器、管式脱液器、管式相分离器、管式预分水器、管式电场破乳器(CEC)、管式电场破乳分离器(CES)、电场强化三相分离器等高效单体分离设备开展了卓有成效的理论和实验研究，为集成创新，自主推出高效紧凑的采出液预分水橇装奠定了坚实基础。