一體化高效三相分離器設(shè)計及應(yīng)用

大港油田采油工藝研究院

一體化高效三相分離器設(shè)計及應(yīng)用

周 松 于 剛

大港油田采油工藝研究院

大港油田通過改變傳統(tǒng)建設(shè)模式，將高效三相分離器和天然氣干燥器集成在一起，實現(xiàn)不同功能裝置的集成化。利用高效三相分離器的預(yù)分離脫氣技術(shù)、水洗破乳技術(shù)、聚結(jié)脫水技術(shù)及高效除霧技術(shù)提高油、氣、水分離效果；通過一體化集成技術(shù)，可以有效地縮短工藝流程，節(jié)約占地面積；多層取樣技術(shù)可以保證隨時觀察三相分離器工作運行情況。該裝置在大港油田南三站應(yīng)用后，運行穩(wěn)定，簡化了站內(nèi)工藝，保證了油、氣、水分離效果，節(jié)約了占地面積，取得了良好效果。

原油脫水；高效三相分離器；一體化；多層取樣

隨著油田含水率的不斷上升，原油脫水工藝已逐漸不能適應(yīng)生產(chǎn)要求，普遍存在工藝流程長、能耗高、運行不穩(wěn)定、處理效果差的缺點。為提高油田開發(fā)效益，各油田逐漸開展了聯(lián)合站脫水工藝的改造工作。從20世紀90年代末開始，一批高效設(shè)備逐漸應(yīng)用于原油脫水。勝利油田樁西采油廠應(yīng)用的HNS高效三相分離器，處理效果好，單位體積處理能力為傳統(tǒng)設(shè)備的6～8倍[1]，較好地解決了脫水系統(tǒng)存在的諸多問題。長慶油田應(yīng)用的HXS高效三相分離器，采用流型自動調(diào)整裝置、污水抑制裝置等高效分離元件，能夠達到油、氣、水高效分離的目的[2]。

大港油田地處濱海新區(qū)，在地面建設(shè)中存在用地緊張的問題。一體化集成裝置可以簡化地面工藝，節(jié)約工程用地[3]。通過改變建設(shè)模式，將傳統(tǒng)的分散設(shè)備集成在一起，可以減少設(shè)備用地。在南三站改造中，通過技術(shù)創(chuàng)新，大港油田改變傳統(tǒng)建設(shè)模式，將高效三相分離器和天然氣干燥器集成在一起，實現(xiàn)不同功能裝置的集成化。利用高效三相分離器的預(yù)分離脫氣技術(shù)、水洗破乳技術(shù)、聚結(jié)脫水技術(shù)及高效除霧技術(shù)提高油、氣、水分離效果；通過一體化集成技術(shù)，可以有效地縮短工藝流程，節(jié)約占地面積；多層取樣技術(shù)可以保證隨時觀察三相分離器工作運行情況。該裝置在大港油田南三站應(yīng)用后，運行穩(wěn)定，既簡化了站內(nèi)工藝，又保證了油氣水分離效果，節(jié)約了占地面積，取得了良好效果。

1 結(jié)構(gòu)

一體化高效三相分離器由三相分離器和天然氣干燥器組合而成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 一體化高效三相分離器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，天然氣干燥器安裝在三相分離器的上部，干燥器進口和三相分離器的氣出口通過管線連接，干燥器的凝液出口通過管線伸入三相分離器內(nèi)部。干燥器與水平面呈15°的夾角，以利于干燥器內(nèi)凝液回流至三相分離器內(nèi)。

三相分離器內(nèi)部按照功能可以分為入口預(yù)分離區(qū)、重力沉降區(qū)、捕霧區(qū)和集液區(qū)。

（1）入口預(yù)分離區(qū)主要由旋流式分流器構(gòu)成，依靠入口混合物自身能量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，由離心力使氣液分離。

（2）重力沉降區(qū)是三相分離器進行油、氣、水三相分離的主要部分，主要依靠重力進行氣、液分離和油、水分離。為提高三相分離器分離效率，在重力沉降區(qū)設(shè)置一組或多組聚結(jié)器，聚結(jié)器數(shù)量由三相分離器長度確定。聚結(jié)器由幾組波紋板組合而成，相鄰兩組波紋板傾角的排列方式相反，使液流沿折線流過波紋板，分散的油、水在波紋板表面聚集，從而加速油、水分離。聚結(jié)器設(shè)置在三相分離器截面上，為排出液體中的積砂等固體雜質(zhì)，聚結(jié)器距底部應(yīng)有至少500 mm的空間。

（3）集液區(qū)由油室和水室構(gòu)成，如圖2和圖3所示，油室和水室并排布置在三相分離器的尾端，油室和水室之間設(shè)置有隔板，集液區(qū)通過油室堰板和水室堰板與重力沉降區(qū)隔開。沉降區(qū)和水室通過導(dǎo)水管連接，利用U形管原理可以控制油水截面高度。

（4）捕霧區(qū)設(shè)置在三相分離器的氣出口處，采用不銹鋼金屬絲網(wǎng)脫除10μm以上小液滴。

圖2 集液區(qū)油室和水室堰板示意圖

圖3 集液區(qū)布局內(nèi)部俯視示意圖

重力沉降區(qū)、捕霧區(qū)和集液區(qū)的具體規(guī)格由處理量確定。按照不同的液位高度，在三相分離器沉降區(qū)罐體上設(shè)置有若干個取樣口，可以觀察檢測不同液位的含水率，快速分析三相分離器處理效果變化原因，如圖4所示。

圖4 三相分離器取樣口示意圖

2 工作原理

油、氣、水混合物進入三相分離器后，首先進行氣、液預(yù)分離，靠離心作用和重力作用分離出大部分氣體，分離出的氣體經(jīng)外部管線輸送至捕霧器，然后和后端分離出的氣體經(jīng)捕霧器脫除小液滴后，一起進入天然氣干燥器進行處理，干燥器處理后的氣體流出裝置。

預(yù)分離后的液體經(jīng)水洗作用后向三相分離器另一端流動，依靠重力作用，實現(xiàn)游離水和原油的分離。油、水混合物流經(jīng)聚結(jié)器時，可以促進小水滴的聚結(jié)沉降，提高脫水效率。上部的原油經(jīng)過堰板進入油室，下部的污水經(jīng)導(dǎo)水管進入水室。油室和水室中的液體經(jīng)出口排出三相分離器。

3 主要技術(shù)

除了高效三相分離器普遍應(yīng)用的預(yù)分離脫氣技術(shù)、水洗破乳技術(shù)、聚結(jié)脫水技術(shù)、高效除霧技術(shù)以外，一體化高效三相分離器還應(yīng)用了一體化集成技術(shù)以及多層取樣技術(shù)。同常規(guī)三相分離器相比，該三相分離器具有分離效率高、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，可以明顯縮短工藝流程[4]。

3.1 一體化集成技術(shù)

通過將三相分離器和天然氣干燥器集成在一起，三相分離器分出的氣體直接進入干燥器，干燥器中的凝液直接回流至三相分離器。同常規(guī)工藝相比，減少了天然氣的輸送距離和凝液回流工藝，有利于防止管線積液、簡化工藝布局、節(jié)省設(shè)備整體占地面積。

3.2 預(yù)分離脫氣技術(shù)

在預(yù)分離時分離出大部分氣體，使大量的氣體不進入分離器內(nèi)部，可以減輕三相分離器的處理負荷，降低三相分離器內(nèi)部的氣體空間，增加設(shè)備處理能力。

3.3 水洗破乳技術(shù)

預(yù)分離入口直接深入罐體下部水層，當(dāng)油、水混合物向上通過水層時，由于水的表面張力較大，使原油中的游離水、粒徑較大的水滴和親水雜質(zhì)并入水層，提高油、水分離效率。

3.4 聚結(jié)脫水技術(shù)

同空筒式三相分離器相比，通過設(shè)置高效聚結(jié)器，可以加速水滴聚結(jié)，使小水滴合并為大水滴，從而加快脫水速度[5]，單位體積處理能力可以提高3～5倍。

3.5 高效除霧技術(shù)

通過在氣體出口設(shè)置捕霧器，利用小液滴的碰撞和聚結(jié)原理，分離出小液滴，降低氣體帶液率，良好的捕霧器可以減小油水分離段的氣體流通面積和分離器的外形尺寸[6]。

3.6 多層取樣技術(shù)

通過沿圓周方向在三相分離器上設(shè)置多個取樣口，可以觀察檢測不同液位的含水率，當(dāng)三相分離器處理效果變差時，有利于快速分析原因。

4 應(yīng)用情況

4.1 改造前工藝流程

南三站處理的原油為輕質(zhì)原油，具有黏度低、密度低的特點。系統(tǒng)來液平均含水率為90%，進站溫度為25～35℃，進站壓力為0.1～0.2 MPa。原油脫水采用三段工藝：一段采用分離緩沖罐進行氣液分離，然后經(jīng)加熱爐加熱；二段采用三相分離器進行分離；三段采用熱化學(xué)脫水器進行處理，處理后的合格原油（含水率＜1%）外輸，分離出的污水含油量300～700 mg/L，進入站內(nèi)污水處理系統(tǒng)。

南三站建站時間長，雖經(jīng)多次改造，仍存在工藝流程長、設(shè)備多、維修改造費用大的問題。并且隨著油田含水率的上升，仍然采用前端加熱的方式，大量熱量用于加熱采出水，造成了熱量的浪費。

4.2 改造后工藝流程

通過對南三站原油物性、進站參數(shù)、處理液量、外輸要求等因素的綜合分析，完成了對南三站原油處理系統(tǒng)的改造。改造后的工藝流程示意圖如圖5所示。

圖5 改造后原油脫水工藝流程示意圖

如圖5所示，原油脫水采用兩段脫水工藝：一段為2具一體化高效三相分離器；二段為1具一體化高效三相分離器。一段三相分離器規(guī)格為3 000 mm×9 000 mm，容積71.2 m3；二段三相分離器容積92.4 m3，每具干燥器處理能力1×104m3/d。油水混合物首先進入第一段的高效三相分離器進行油、氣、水三相分離，分離出的低含水油經(jīng)加熱后進入第二段一體化高效三相分離器，分離出的天然氣供站內(nèi)使用或外輸，分離出的污水進入站內(nèi)污水處理裝置。第二段分離出的原油進入好油罐外輸，分離出的天然氣供站內(nèi)使用或外輸，分離出的污水進入站內(nèi)污水處理裝置。

4.3 應(yīng)用效果

一體化高效三相分離器投產(chǎn)后，通過不斷摸索生產(chǎn)規(guī)律，裝置運行穩(wěn)定，主要達到以下效果：

（1）一段原油脫后含水率小于10%，二段脫后原油含水率小于1%，滿足外輸要求。

（2）一段和二段脫出的污水含油量小于300 mg/L，同改造前相比，下降約一半左右，有效緩解了后端污水處理的壓力。

（3）一段脫水未經(jīng)加熱，即可分出大部分的游離水，大幅降低了含水率，后端只是對低含水油加熱，有效節(jié)約了天然氣，改造后與改造前相比每天可節(jié)約天然氣4 000 m3。

（4）利用多層取樣技術(shù)，可以隨時觀察不同液位的分離情況，掌握三相分離器運行情況。

（5）應(yīng)用一體化高效三相分離器，縮短了工藝流程，減少了設(shè)備占地面積，同常規(guī)分散建設(shè)相比，共計節(jié)約占地面積30 m2。

5 結(jié)語

一體化高效三相分離器將不同的工藝設(shè)備集成在一起，可以縮短工藝流程、減少占地面積。配置的三相分離器集成應(yīng)用了預(yù)分離脫氣等一系列促進油、氣、水分離的技術(shù)，適應(yīng)了油田高含水期油、氣、水分離的需要。經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場驗證，該裝置運行穩(wěn)定、適應(yīng)能力強，具有一定的推廣價值。

[1]湯清波，錢維坤．HNS型高效三相分離器技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2007，26（6）：16-17.

[2]王在強，馬能平．HXS型油氣水三相分離器應(yīng)用效果分析[J]．石油礦場機械，2007，36（5）：80-83.

[3]李慶，孫鐵民．一體化集成裝置在油氣田地面工程優(yōu)化中的應(yīng)用及發(fā)展方向[J]．石油規(guī)劃設(shè)計，2011，22（5）：12-14.

[4]嚴國民，易南華．HNS型三相分離器的應(yīng)用[J]．油氣儲運，2002，21（1）：37-39.

[5]劉焜．新型高效三相分離器現(xiàn)場試驗研究[J]．石油礦場機械，2005，34（3）：105-107.

[6]馮叔初，郭揆常．油氣集輸與礦場加工[M]．山東：中國石油大學(xué)出版社，2006：228.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.014

周松，工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運工程專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，主要從事油氣田地面工藝技術(shù)研究。

2015-04-15

15822418386、zhousong2012@126.com