油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器及其分析方法与流程

本发明涉及一种油田采出水气浮处理装置，尤其涉及一种油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器及其分析方法。

背景技术：

石油开采过程中必然会相伴产生大量的采出水，尤其目前国内外多数主力油田处于开采的中后期，油井采出液中的含水率甚至高达90％以上。无论是达标排放，还是回注地层，或者是回用做锅炉补给水，这些采出水都必须经过处理，而去除其中的油分和悬浮固体(SS)是处理的主要内容和目标。

虽然由于各油田采出水的理化特性不同，相应的处理工艺流程和配套设备也略有不同，但从单元处理技术上来讲，不外乎有重力沉降、离心分离、气浮、粗粒化、过滤、活性炭吸附、膜分离等。其中气浮是一种应用较为普遍的单元处理技术，具有工艺成熟、成本低廉、处理量大等诸多特点，在很多油田的采出水处理工艺流程中得到了广泛应用。例如，辽河油田的“斜板→浮选→过滤”流程，大港油田的“聚结分离→浮选→过滤”流程等，气浮都是其中的关键性单元处理技术。

气浮技术是通过某种方法产生大量的微细气泡，并使其与污水中密度接近于水的固体悬浮物(SS)或液体污染物微粒相粘附，形成密度小于水的多相复合体，然后在浮力作用下上浮至水面形成浮渣层，最后通过去除浮渣层而实现固-液或液-液分离。应用气浮技术的前提条件是产生数量足够、粒径大小符合要求的微细气泡，目前的产生方式有溶气析出气泡、引气制造气泡、微孔发泡、剪切接触发泡和电解析出气泡等几种。

由于油田采出水的来源和性质较为复杂，往往含有大量的固体悬浮物(SS)或机械杂质，容易使溶气析出气泡配套使用的填料式压力溶气罐或饱和溶气罐(Saturator)发生堵塞而影响正常工作，此外还存在操作复杂和运行维护成本较高等不足，因此与溶气析出气泡相比，引气制造气泡在油田采出水处理中应用相对更为广泛，相应的处理设备包括叶轮旋切气浮设备和射流气浮设备等，前者如Tridair Hydraulic^TM诱导气浮系统、(Induced Static Flotation)系统、IGF分离器等都属于此类产品，后者如Tridair^TM Mechanical IGF系统、气浮系统、IGF系统等。令人遗憾的是，叶轮旋切气浮设备和射流气浮设备的最大缺点是所产生的气泡粒径较大，难以将除油效率提升到一个新的高度。因此，就油田采出水气浮处理技术而言，迫切需要结构简单、操作方便和运行维护成本较低且所产生气泡粒径较小的新型微细气泡发生技术。

众所周知，由于油田采出水来自地下数百米甚至数千米的地层深处，其中必然含有一些伴生气的溶解组分，到达地面后在经过油气分离器或三相分离器等集输处理设备实施油、气、水多相分离的过程中，虽然大部分溶解的伴生气会随着环境压力的逐渐降低而以微细气泡的形式析出，但到达采出水达标处理环节时其中仍然会残存相当一部分溶解的伴生气。如果能够研制开发一种设备，对该环节的采出水施以剧烈的震荡消能，就可以使残存的这部分低饱和度溶解伴生气在短时间内以微细气泡的形式从采出水中析出。同时，这些微细气泡自采出水中上浮时会携带油粒、固体悬浮颗粒(SS)等并一起浮升至水面，这样就可以化不利因素为有利条件，大大简化采出水的净化处理工艺流程。这种通过对采出水施以剧烈的震荡消能产生微细气泡的方案构思，可以借助传统加压溶气气浮工艺中溶气释放器的结构理念来实现。溶气释放器作为常规加压溶气气浮工艺中的重要设备，通过将填料式压力溶气罐或饱和溶气罐(Saturator)中的溶气水降压消能，使溶解在水中的气体析出，并以微细气泡的形式释放出来。显然，溶气释放器降压消能效果的好坏将直接影响到所产生气泡的微细度和疏密度，进而影响气浮处理效果。

最早的溶气释放器采用简单锥阀结构，存在降压消能效果差、生成微细气泡数量少、微细度差等问题，因此新型溶气释放器的研制开发率先受到国外关注，并研制出了多种型号的系列化产品，如英国的WRC型和瑞典的AKA型等加压溶气气浮用喷嘴。国内对于溶气释放器的研究起步较晚，但发展较快，目前体系最成熟、市场占有率最高的溶气释放器为同济大学研制的TV型、TJ型和TS型系列。但客观分析不难发现，这些溶气释放器的适用条件大多需要较高的溶气过饱和度和较高的进水压力，而且容易受机械杂质堵塞的影响。

对于油田采出水而言，当其中溶解伴生气的饱和度较低(略高于常温常压时的饱和蒸汽压)、进水压力也较低时，采用常规溶气释放器显然难以释放所期望的大量微细气泡，而且其中必然含有的较多机械杂质也容易堵塞常规溶气释放器，因此迫切需要进一步改进提高目前主流溶气释放器的工作性能。专利CN 102491442A中所提出的物理激发器实质上就是一种溶气释放器，主要由进水管、进水节流孔板、激流反射环、反射激荡器、固定承插座、盖板和外壁筒等组成，水流在各部分形成的流道内进行消能降压。发明人声称该物理激发器与常规溶气释放器相比有较大的升级改进，能够在较低进水压力和较低溶解过饱和度情况下获得较好的溶气释放效果，虽然进行了油田现场试验，但迄今为止缺乏油田现场工程应用的案例。另外，受设计能力和分析方法所限，该物理激发器在结构设计上存在诸多不足：首先，内部流道过于简单，水流冲击反射孔经流道直接进入稳流区(流向仅改变一次)，降压消能不够彻底，很难实现残存溶解气的完全析出；其次，在正常工作过程中，反射激荡器与盖板之间的缝隙大小始终固定不变，无法实现缝隙大小在不同流量下的自动调节，进而无法保证气泡的均匀析出，造成设备的适应性较差。

基于以上原因，有必要研制一款新型的溶气释放式微气泡发生器，并相应建立科学合理的现代设计分析方法，真正实现油田采出水中较低溶解饱和度伴生气的完全释放，生成满足气浮处理工艺要求的微细气泡。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器及其分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器，包括进水管、上盖板、外壁筒、下盖板、芯体、弹簧支撑座、压缩弹簧、锁紧螺母；

所述外壁筒为圆筒状结构，与所述上盖板通过螺纹连接，与所述下盖板焊接，外壁筒下部沿径向方向均匀布置多个出水孔(推荐为12个)，所述芯体置于所述外壁筒、上盖板与下盖板围成的空间中；

所述上盖板的下部为内环台阶状结构，中心开有节流孔，所述芯体的上部结构与所述上盖板的下部结构相对应，形成多次直角转向的宽流道，在所述芯体上部开有反射孔，并以该反射孔为中心向外开有圆周阵列的多条弧形分流槽(推荐为4条)，所述节流孔为通孔，所述反射孔为盲孔，所述上盖板的上部对应所述节流孔的部位设置所述进水管；

所述压缩弹簧外套在所述弹簧支撑座的上端，并与所述芯体下端的盲孔底面压紧，所述弹簧支撑座的下部旋入所述下盖板的螺纹孔中，且所述弹簧支撑座的下端穿过所述螺纹孔后固定有所述锁紧螺母。

本发明的上述的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器的分析方法，其工作性能的分析评估和结构合理化设计基于计算流体动力学(CFD)数值模拟来进行，通过分析流场压力降、湍动能，预测新型微气泡发生器的工作特性和释气效果，并通过与同类微气泡发生器的CFD数值模拟对比验证所述油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器的技术优越性，同时还用于其他各类微气泡发生器的研制开发。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器及其分析方法，具有结构简单、运行维护方便、不易堵塞、能有效释放污水中的低饱和度溶解伴生气等优点，可以方便地安装应用于油田采出水气浮净化处理等场所。

附图说明

图1为本发明实施例提供的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器的结构示意图。

图2a、图2b、图2c分别为本发明实施例提供的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器在y＝0平面上的静压分布云图、速度云图和湍动能分布云图。

图3为本发明实施例提供的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器与现有技术中主流溶气释放器的压降和最大湍动能对比折线图。

图中各标记如下：1-进水管；2-上盖板；3-外壁筒；4-下盖板；5-锁紧螺母；6-弹簧支撑座；7-内环；8-出水孔；9-压缩弹簧；10-芯体；11-反射孔；12-节流孔

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器，其较佳的具体实施方式是：

包括进水管、上盖板、外壁筒、下盖板、芯体、弹簧支撑座、压缩弹簧、锁紧螺母；

所述外壁筒为圆筒状结构，与所述上盖板通过螺纹连接，与所述下盖板焊接，外壁筒下部沿径向方向均匀布置多个出水孔(推荐为12个)，所述芯体置于所述外壁筒、上盖板与下盖板围成的空间中；

所述上盖板的下部为内环台阶状结构，中心开有节流孔，所述芯体的上部结构与所述上盖板的下部结构相对应，形成多次直角转向的宽流道，在所述芯体上部开有反射孔，并以该反射孔为中心向外开有圆周阵列的多条弧形分流槽(推荐为4条)，所述节流孔为通孔，所述反射孔为盲孔，所述上盖板的上部对应所述节流孔的部位设置所述进水管；

所述压缩弹簧外套在所述弹簧支撑座的上端，并与所述芯体下端的盲孔底面压紧，所述弹簧支撑座的下部旋入所述下盖板的螺纹孔中，且所述弹簧支撑座的下端穿过所述螺纹孔后固定有所述锁紧螺母。

所述进水管、上盖板和芯体之间的通道构成该微气泡发生器的消能降压流道，所述芯体、外壁筒、上盖板和下盖板之间的空间形成该微气泡发生器的稳流空间，所述弹簧支撑座、压缩弹簧、锁紧螺母和芯体构成该微气泡发生器的调节机构。

本发明的上述的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器的分析方法，其较佳的具体实施方式是：

其工作性能的分析评估和结构合理化设计基于计算流体动力学(CFD)数值模拟来进行，通过分析流场压力降、湍动能，预测新型微气泡发生器的工作特性和释气效果，并通过与同类微气泡发生器的CFD数值模拟对比验证所述油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器的技术优越性，同时还用于其他各类微气泡发生器的研制开发。

本发明的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器，结构简单、运行维护方便、不易堵塞，即使在低溶解饱和度下也能有效释放出油田采出水中的溶解伴生气而形成大量微细气泡，进而助力后续的气浮净化处理。

在设计方案和设计理念上，现有技术中常规溶气释放器多通过减小平行平板间缝隙、流道内设置阻流体等方式进行消能降压，该方式在高饱和溶气水释气时具有较好效果，但压降小、湍流强度弱、流道易堵塞、处理量低等缺点使其难以实现低饱和度溶气水的完全释放。本发明通过宽流道和弧形分流槽的结构设计，水流经反射孔初次消能后，主体水流从圆周分布的弧形分流槽流出，弧形分流槽显著增加了水流的湍能强度和压力损失，随后从分流槽流出的水流形成整体旋流，水流在旋流、撞击和返混作用下进一步消能降压，本设计理念不仅解决了流道易堵塞的问题，而且消能降压效果显著增强。从结构上看，本发明的新型微气泡发生器由进水管、上盖板、外壁筒、下盖板、芯体、弹簧支撑座、压缩弹簧和锁紧螺母构成。水流在内部流道经节流孔收缩、反射孔反弹、差速混合、整体旋流、直角转向等作用下产生强烈的湍流和显著降压效应，使得溶解在水中的低饱和度伴生气有效析出。同时，压缩弹簧在水流的冲击下产生低幅高频震荡，使得低饱和度溶解伴生气的析出更加充分。

在设计方法上，现有技术中的微气泡发生器的结构设计大多依据经验进行，粗放地确定结构参数，并且在实验测试前无法预测所设计结构的可行性，设计预期与实际效果之间往往存在较大差距，从而耗费了大量的财力物力，且延长了设计研发周期。本发明革新了微气泡发生器的设计方法，运用计算流体动力学(CFD)软件对微气泡发生器的内部流场进行数值模拟计算，通过压降、湍动能等参数验证设计的可行性，并且可以与同类主流产品的工作性能进行直观对比。

本发明实施例提供的油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器，具有结构简单、运行维护方便、不易堵塞、能有效释放污水中的低饱和度溶解伴生气等优点，可以方便地安装应用于油田采出水气浮净化处理等场所。

与现有的各种溶气释放器相比，本发明具有如下优点：

1、采用宽流道的整体布局，配合创新设计的弧形分流槽结构形式，不仅从根本上解决常规溶气释放器流道较窄易堵塞的问题，而且整体水流通过分流撞击、旋流、反混等新型消能降压手段，助力低饱和度溶解伴生气的有效释放。

2、采取了台阶状上盖板、“弧形分流槽+芯体”、压缩弹簧等的局部细节设计，使湍流耗散和降压消能效果更加显著。

3、采用计算流体动力学(CFD)数值模拟的设计方法，能够有效预测微气泡的发生效率，更加合理地选定结构参数。

具体实施例：

如图1所示，包括进水管1、上盖板2、外壁筒3、下盖板4、芯体10、弹簧支撑座6、压缩弹簧9和锁紧螺母5。其中，进水管1、上盖板2和芯体10组成微气泡发生器的消能降压流道；芯体10、外壁筒3、上盖板2和下盖板4形成微气泡发生器的稳流空间；弹簧支撑座6、压缩弹簧9、锁紧螺母5和芯体10构成微气泡发生器的调节机构；消能降压流道为宽流道形式，由进水管1、内环台阶状上盖板2和芯体10组成。上盖板2为内环台阶状结构，凸台位置由两条不同直径的内环组成，圆心位置开有节流孔12(通孔)。芯体10结构分为上、下两部分，上部为凸台结构，与上盖板内环对应构成多次直角转向的宽流道，凸台顶部开有反射孔11(盲孔)与节流孔12同轴布置，并以该孔为中心向外开有圆周方向上均匀分布的多条弧形分流槽(推荐为4条)；芯体10下部为圆柱结构，底部开有盲孔，与调节机构配合。稳流空间为芯体10、外壁筒3、上盖板2和下盖板4形成的环形空间，外壁筒3为圆筒状结构，在其下部沿径向方向均匀布置多个圆形出水孔(8)(推荐为12个)，这使得气泡的流动路程短、聚并概率降低，且布水扩散均匀。调节机构为由弹簧支撑座6、压缩弹簧9和锁紧螺母5构成的组合机构，弹簧支撑座6为圆柱状结构，整体分为上、下两部分，上部圆柱与压缩弹簧9配合，安装位置位于芯体10下端盲孔中；下部圆柱开有外螺纹与下盖板4中心螺纹孔相配合，其作用是通过旋转锁紧螺母5，调整弹簧支撑座6的伸缩量，进而调整芯体10与上盖板2台阶内表面间的距离。压缩弹簧9外套于弹簧支撑座6的上端圆柱，一方面起维持芯体10上表面与上盖板2台阶内表面间缝隙宽度基本恒定的作用，另一方面水流撞击芯体10上部的反射孔11使压缩弹簧9产生高频低幅振荡，加速溶解伴生气的析出。

工作过程中，溶解有低饱和度伴生气的油田采出水经进水管1进入到微气泡发生器，水流流经节流孔12后，截面积减小，根据流体力学伯努利方程，相应的水流速度提高而压力降低；随后，水流撞击芯体10上端的反射孔11，折回进入较大空间，主体水流通过弧形分流槽分流，并在圆环流道内形成旋流，少部分水流经芯体10与上盖板2之间的缝隙排出，两股水流以不同的速度和压力撞击上盖板2台阶状内环，并进行剧烈返混、碰撞。随后，水流经过上盖板2台阶内环与芯体10中部形成的缝隙，经两次直角转向流出，进入外壁筒3与芯体10和下盖板4形成的稳流空间中，最后经圆形出水孔8排出。

本发明基于溶气释放的微气泡发生方法，无需外加能源和配套设备，仅通过剧烈的消能降压过程，将溶解在油田采出水中的低饱和度伴生气释放出来，即可产生满足气浮处理工艺要求的微气泡，从而实现水质净化。

溶气释放式微气泡发生器的结构形式多种多样，至今未形成一套设计理论和方法，结构设计主要依靠经验数据或设计人员的个人感觉，主观性较强。所设计微气泡发生器的发泡性能只有在样机加工完成后通过实验测试才能得到验证，此时不仅发泡性能有可能达不到设计预期，并且无法进行有针对性的结构改进，从而延长了产品研发周期，造成大量的人力物力浪费。为在微气泡发生器设计阶段便可预测其发泡效果，本发明提出一种基于计算流体动力学(CFD)的设计分析方法，所依据的基本物理原理为：油田采出水中低饱和度溶解伴生气的释放过程实际上为所溶解气体分子脱离与水分子之间的范德华力，以气核形式析出并长大为微细气泡的过程。溶气水在释气过程中，其中的压力能大部分转化为气体分子的动能，并且溶气水的压力梯度越大，则溶气水压力能转化为气体分子的动能越多，气体分子越容易析出；另一方面，溶气水的湍动能越大，则所析出气体分子碰撞聚结形成气核的质量越高，最终形成的微细气泡粒径越小、越均匀。因此，可以用溶气水的压力梯度大小和湍动能作为衡量微气泡发生器发泡效率或工作特性的评价标准，而该过程目前可以借助商用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS FLUENT或CFX等完成。

这里以油田采出水气浮处理用新型微气泡发生器为例，阐述本设计分析方法的实施步骤如下：首先，用GAMBIT等前处理软件建立微气泡发生器流道的几何模型，包括确定模型的几何尺寸、选取模型坐标和对模型进行网格划分；然后，选取数值模拟方法，在模拟过程中，设置模拟介质为水，等温流动、不考虑热量交换，湍流模型选用标准k-ε模型，求解方法采用SIMPLE算法，离散格式为一阶迎风格式，设置入口边界设为速度入口(velocity inlet)，具体速度值可以依据方程V＝4Q/(πD²)(式中V为入口速度，Q为设计流量，D为入口直径)求得，出口为压力出口，壁面为默认固体壁面；设置收敛残差和迭代计算步数；最后对设置完成的模型进行计算，收敛后对计算结果进行后处理，包括数值的统计和模型对比分析等。本实例中，几何模型在网格划分过程中最终划分为325333个六面体单元、348496个节点，设置入口流速为0.8m/s、静压为0.1MPa，设置出口压力15kPa，迭代残差为1e-6，迭代步数设为100000，计算收敛后进行如下后处理：

1、压力模拟结果分析

图2a为截取y＝0平面的静压分布云图，从图中可以看出，微气泡发生器的消能降压流道内，静压能由入口的9.3x10⁴Pa降至出口处的1.2x10⁴Pa，能量耗散率达到87％。其耗散过程大致可以分为三段，即水流入口至芯体反射孔，分流槽入口至分流槽出口和分流槽出口至消能降压流道出口，并且弧形分流槽的压降梯度(约从6.7x10⁴Pa降至2x10⁴Pa)要远大于另外两段的压降梯度，说明宽流道弧形分流槽的设计能够有效降低水流压力，增强了水流内能向溶气分子动能的转化，促使溶气分子更快、更完全地析出。

2、速度模拟结果分析

图2b为截取y＝0平面的速度云图，由图可以直观观察水流在流道内的流动状况。水流经过节流孔后的速度迅速升高，撞击反射孔后速度降低，随后进入弧形分流槽后速度再次升高并在内环流道形成旋流，最终水流撞击壁面速度再次降低，速度矢量的变化与设计预期相吻合。水流经过剧烈的加速、返混和撞击，流速在经过升高和降低的反复变化，可以预测流道内将形成较大湍流强度和局部真空度，加速溶气的析出和高质量气核的形成。

3、湍动能模拟结果分析

图2c为截取y＝0平面的湍动能云图，从图中可以看出，水流经节流孔后湍动能急剧升高，经反射孔后湍动能进一步升高，在弧形分流槽入口处达到最大。在消能降压流道内，湍动能的分布相对比较均匀，水流在整体流道内的湍流强度变化较为剧烈，与速度模拟结果相吻合。因此，可以认为本发明设计的消能降压流道能够有效提高水流的湍流强度，进而提高微气泡发生器的释气质量。

为对比本发明新型溶气释放式微气泡发生器与主流溶气释放器在消能降压性能方面的优劣，现构建相同规格下四种溶气释放器对应的物理几何模型，即英国WRC型溶气释放器(这里简称WRC型)、常规TS型溶气释放器(这里简称TS型)、专利CN 102491442A物理激发器(这里简称WLJF型)和本发明新型溶气释放式微气泡发生器(这里简称BIPT型)，并设置相同的边界条件进行CFD数值模拟计算。统计四种溶气释放器模型的最大湍动能和消能降压流道进出口的压降值，并绘制折线对比图如图3所示。从图中可以看出，与WRC型和TS型相比，WLJF型在湍动能方面优势明显，可以认为其在低饱和度溶气水释气生成微气泡方面确实有一定效果。但另一方面，BIPT型的最大湍动能和消能降压流道进出口的压降值显著高于其他三种产品，这说明本发明所独特的宽流道、弧形分流槽和多级消能结构致使水流依靠分流、旋流、反混和撞击等形式进行消能降压的效果更为显著，预计在实际应用中，配合压缩弹簧产生的高频低幅震荡作用，将会进一步提高消能降压效果，从而确保本新型溶气释放器在低饱和度溶气水释气生成微气泡方面的效率。

本发明提到的基于计算流体动力学(CFD)的设计分析方法，通过设定相关评价标准，建立不同计算模型，可检验所设计溶气释放器的有效性并与已有结构形式进行对比分析，也可以对比关键结构尺寸参数变化对设计性能的影响作用并对结构尺寸参数进行优选；还可以通过设定不同的操作参数，优选最佳操作条件，预测工作特性。更为重要的是，本发明所提到的设计分析方法，可以推广到所有缺乏成熟设计理论和方法的微气泡发生器创新设计环节，为设计人员提供一种科学合理的设计分析手段。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。