油田回注水超磁分离试验与数值模拟优化

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0502

摘要/Abstract

摘要：

针对中东某油田高温高盐回注水处理难题，采用超磁分离技术去除无机胶体悬浮物和溶解性Fe离子。根据超磁分离后出水悬浮物及Fe离子浓度两个指标确定了最佳磁性加载剂粒径为75 μm，最佳投加量为6~7 g/L。磁场强度对悬浮物及铁离子的去除率影响并不明显，但对磁性悬浮物絮体的去除效率有直接影响。利用COMSOL Multiphysics软件进行多物理场耦合分析和颗粒轨迹追踪，揭示了影响高盐废水速度场均匀性和絮体稳定性的关键因素。研究发现，进水区域易形成滞水导致盐结晶，通过优化进水口设计控制初始速度、调节装置液位和降低筒体外层转速，可有效优化速度场分布，避免絮体解絮和盐分结晶。絮体颗粒与流体间的相对速度在被磁分离鼓吸附时达到最大，与筒体转速正相关，高转速会增加絮体破碎风险。研究为超磁分离技术在油田水处理中的应用提供了理论依据和参数优化指导。

关键词: 超磁分离, 高温高盐水处理, 除铁, 多物理场仿真

Abstract:

To address the challenges of treating high-temperature, high-salinity reinjection water in a Middle Eastern oilfield, ultramagnetic separation technology was employed to remove inorganic colloidal suspended solids and dissolved Fe ions. The optimal particle size of the magnetic loading agents was determined to be 75 μm, with an effective dosage of 6-7 g/L. The magnetic field intensity showed negligible influence on the removal efficiency of suspended solids and iron ions, but directly affected the adsorption efficiency of magnetic suspended solids. COMSOL Multiphysics software was utilized for multi-physical field coupling analysis and particle trajectory tracking, revealing key factors affecting the uniformity of the velocity field and the stability of flocs. The study identified stagnant zones in the inlet area prone to salt crystallization. By optimizing the inlet design to control initial velocity, adjusting device liquid level, and reducing the rotation speed of the outer layer of the cylinder, the velocity field distribution could be effectively optimized to prevent floc disintegration and salt crystallization. The relative velocity between floc particles and the fluid reached its maximum when the flocs were adsorbed by the separation magnetic drum, which was positively correlated with the rotation speed of the cylinder. High rotation speed increased the risk of floc breakage. This research provides theoretical foundations and parameter optimization guidance for applying ultramagnetic separation technology in oilfield water treatment.

Key words: ultramagnetic separation, high temperature and high salinity water treatment, iron removal, multiphysics simulation

中图分类号:

X703
X52

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I7/94

图/表 17

表1 不同粒径磁性加载剂参数

Table 1 Parameters of magnetic loading agents with different particle sizes

编号	CZ-1	CZ-2	CZ-3	CZ-4
平均粒径/μm	37	75	147	210
Fe₃O₄质量分数/%	98.5	98.5	98.5	98.5

表2 自制超磁分离装置主要参数

Table 2 Main parameters of self-made ultramagnetic separation device

项目	参数	项目	参数
混凝箱有效容积/m³	0.108	磁分离鼓直径/mm	400
混凝箱分格数	3	磁分离鼓长度/mm	450
混凝搅拌器功率/kW	0.25	磁分离鼓转速/（r·s^-1）	0.15（运行）
磁分离区有效容积/m³	0.042	磁鼓转动功率/kW	0.75（变频）

图1 烧杯试验装置示意（a），自制超磁分离装置结构示意（b）和照片（c）

Fig.1 Schematic diagram of beaker experimental device（a），schematic diagram （b） and photo （c） of ultramagnetic separation device

表3 井水及模拟水样主要水质参数

Table 3 Main water quality parameters of well water and simulated water samples

项目	井水	模拟水样
总Fe/（mg·L^-1）	130.10	130.10
Ca²⁺/（mg·L^-1）	16 763.22	16 990.00
Mg²⁺/（mg·L^-1）	3 801.48	3 501.00
Cl^-/（mg·L^-1）	155 278.10	195 934.50
SO₄ ^2-/（mg·L^-1）	2 344.21	2 400.00
pH	4.78	4.60
温度/℃	85~90	80~90

图2 超磁分离装置简化模型示意（a）和磁极分布示意（b）

Fig.2 Simplified model of ultramagnetic separation device（a） and permanent magnet pole distribution（b）

图3 装置网格划分

Fig.3 Mesh partition of the device

表4 数值模拟边界条件

Table 4 Numerical simulation boundary parameters

项目	标准工况	设置参数
进水流量/（m³·h^-1）	83	83
进水温度/℃	85	85；20
进水口尺寸/mm	250	250；80
磁分离鼓淹没深度/%	50	40；50；60
磁分离鼓转速/（r·s^-1）	0.15	0.15；1
颗粒密度/（g·cm^-3）	5	5

表5 不同粒径磁性加载剂处理效果

Table 5 Treatment effects of magnetic loading agents with different particle sizes

项目	CZ-1	CZ-2	CZ-3	CZ-4
出水悬浮物/（mg·L^-1）	13	8	19	23
出水溶解性Fe离子/（mg·L^-1）	0.050	0.076	0.254	0.361
悬浮物去除率/%	98.57	99.12	97.91	97.48
溶解性Fe离子去除率/%	99.00	98.49	94.94	92.81
总Fe去除率/%	99.96	99.94	99.80	99.72

图4 磁性加载剂投加量对悬浮物去除性能的影响

Fig.4 Effect of magnetic loading agent dosage on the removal performance of suspended solids

表6 不同磁分离棒淹没深度时上清液浊度与Fe离子浓度

Table 6 Turbidity and Fe concentration of supernatant solution under different submergence depth conditions of magnetic rod

磁分离棒与杯底距离/mm	底部磁感应强度/Gs	上清液浊度/NTU	溶解性Fe质量浓度/（mg·L^-1）
30	1 487	3.2	0.053
40	896	4.8	0.178
50	677	5.7	0.124
60	321	5.4	0.119
70	326	4.3	0.186
80	273	4.5	0.201
90	213	5.4	0.173

图5 磁分离鼓磁感应线分布（a），磁分离鼓表面（b）和径向（c）磁通密度模分布

Fig.5 Magnetic induction lines in magnetic drum（a），magnetic flux density distribution of magnetic drum surface（b） and radial direction（c）

图6 标准运行工况下速度场分布（a）和不同温度下进水口始末端速度分布（b）

Fig.6 Velocity field distribution under standard operating condition（a） and velocity distribution of the beginning and end of the inlet part at different temperatures（b）

图7 转速1 r/s时速度场分布（a），进水口末端速度分布（b）和腔体前区剪切速率分布（c）

Fig.7 Velocity field distribution（a），velocity distribution of the end of inlet part（b），and shear rate distribution of the front area（c） at a rotation speed of 1 r/s

图8 不同磁分离鼓淹没深度情况下进水口末端流速分布

Fig.8 Velocity distribution at the end of inlet part under different submerged of magnetic separation drums

图9 缩小进水口尺寸后流速分布（a）及剪切速率分布（b）

Fig.9 Velocity distribution（a） and shear rate distribution（b） after reducing the size of the inlet

图10 标准工况颗粒运动轨迹（a）和不同工况条件颗粒吸附时间（b）

Fig.10 Particle motion track under standard conditions（a） and particle adsorption time under different conditions（b）

图11 颗粒与流体在高度方向上相对速度

Fig.11 Relative velocity between particles and fluid in the height direction

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