延長測試平臺高效原油處理系統(tǒng)分析

李 勇，谷 偉，李 順，張洪濤，譚靜軒

(中海油能源發(fā)展股份有限公司邊際油田開發(fā)項目組 天津300457)

延長測試平臺高效原油處理系統(tǒng)分析

李 勇，谷 偉，李 順，張洪濤，譚靜軒

(中海油能源發(fā)展股份有限公司邊際油田開發(fā)項目組 天津300457)

延長測試平臺作為延長測試設備，為油田開發(fā)提供準確的參數(shù)，確保油田經濟效益。為降低油田生產操作費用，需要增加原油處理系統(tǒng)對采出液進行處理，待達到合格原油要求后進入原油艙儲存待輸。鑒于延長測試平臺的特性，針對試采油田油藏產能、原油基本性質等基礎數(shù)據(jù)，確認延長測試平臺原油處理系統(tǒng)要求及能力，并制定了工藝專業(yè)設計原則。在設計原則的指導下，通過工藝方案分析比選，最終確定最優(yōu)的高效原油處理系統(tǒng)。

管式油水分離器 柱狀氣液旋流分離器 高效分離器

0 引 言

延長測試平臺主要服務于渤海灣地質構造復雜、開發(fā)風險較大的油田，并不針對某一具體目標油田。由于渤海是中國海上發(fā)現(xiàn)稠油儲量最多的海域，在迄今已發(fā)現(xiàn)的石油儲量中，稠油占85%,。鑒于以上情況，延長測試平臺工藝系統(tǒng)需要具備較強的適應性，具備稠油處理能力，能滿足渤海灣75%,油田的不同工況的工藝處理要求。另外，延長測試平臺由于有限的上部空間，不能滿足常規(guī)油氣水處理設備的空間要求，因此需要采用一種高效、小型化的原油處理系統(tǒng)。本文基于工藝系統(tǒng)設計原則，進行上部工藝系統(tǒng)比選，最終形成一套適用于延長測試平臺的高效原油處理系統(tǒng)。

1 工藝系統(tǒng)設計原則

1.1 系統(tǒng)設計原則

①工藝系統(tǒng)要求具有簡單、高效、適應性強等特點；②油、氣、水處理系統(tǒng)中的設備能滿足工作時的橫傾和縱傾要求；[1]③延長測試平臺作業(yè)時間較短，一般在半年至一年，不能進行生產水回注，另外限于平臺生產空間有限，不考慮生產水處理系統(tǒng)；④積極采用國內外先進、成熟的工藝和技術，降低工程投資；⑤延長測試平臺具備蒸汽注采功能，在現(xiàn)有生產區(qū)預留出蒸汽注采所需設備空間，并預留出熱采設備流程接口及燃料和電力接口；⑥工藝系統(tǒng)處理后的伴生氣要滿足燃料氣的使用需求(包括總量和壓力)，同時盡量降低工藝能耗；⑦工藝系統(tǒng)設備及管線具備防腐蝕能力；⑧考慮生產、操作和維修的要求。

1.2 系統(tǒng)處理能力

原油：800,m3/d；總液量：1,000,m3/d；可燃氣體：20×104,sm3/d。

1.3 系統(tǒng)處理標準

原油處理要求：原油含水率≤1%,，蒸汽飽和壓在最高儲存溫度下的設計值不超過當?shù)卮髿鈮旱?.7倍。[2]

2 工藝系統(tǒng)介紹

2.1 高效原油處理工藝系統(tǒng)介紹

來自井口流體與延長測試平臺火炬分液罐(兼閉式排放罐)、燃料氣系統(tǒng)收集的液烴混合后，進入 GLCC(柱狀氣液旋流分離器)進行初步氣液分離。經初級脫氣的液體進入管式油水分離器進行初步的油水分離，脫除井口來液中絕大部分的游離水。脫游離水后的液體(含水率≤40%,)由原油換熱器、原油加熱器加熱后進入高效分離器進行油氣水分離，分離出的原油達到標準(含水率≤1%,，儲存溫度下飽和蒸汽壓小于70,kPaA)后進入原油艙儲存，分離出的氣體通過燃料氣處理系統(tǒng)除去氣體中的液體及固體顆粒，分離出的生產水進入生產水艙。

2.2 高效原油處理工藝系統(tǒng)描述

井口區(qū)生產的流體經油嘴節(jié)流調壓后為 1,200,kPaA，分別進入計量管匯和生產管匯。需計量的生產井流體(定期)進入測試分離器進行油、氣、水三相計量。其他各井流體在生產管匯與計量系統(tǒng)來的物流匯合后，輸入油氣處理系統(tǒng)進行處理。

生產管匯和計量系統(tǒng)的流體與火炬分液罐(兼閉式排放罐)、燃料氣系統(tǒng)收集的流體混合后，進入氣液分離器進行初步氣液分離。經初級脫氣的液體進入管式油水分離器，進行初步的油水分離，脫除液體中的游離水，實現(xiàn)含水率≤40%,。初步脫水后的液體經原油換熱器及加熱器加熱到 95,℃后，進入高效分離器進行油、氣、水三相分離。

經高效分離器分離出的原油達到標準后(含水率≤1%,，儲存溫度下飽和蒸汽壓≤70,kPaA)入艙儲存。含水量不達標準的原油在原油換熱器之前進入流程重新分離。分離出的燃料氣進入燃料氣處理系統(tǒng)，脫除氣體中的液體及固體顆粒。

合格原油直接進入儲油系統(tǒng)進行儲存、外輸，溫度＞56,℃時，原油要進入原油冷卻器中降溫至≤56,℃，再進入儲油系統(tǒng)進行儲存、外輸。

高效原油處理流程圖見圖1。

圖1 柱狀氣液旋流分離器＋管式分離分離器＋高效分離器油氣水處理工藝流程圖Fig.1 Oil-gas-water treatment process flow diagram of gas-liquid cylindrical cyclone separator＋inline dewaterer＋high effiiency separator

2.3 主要設備技術特點

2.3.1 高效三相分離器(STS)

此設備已經在 QHD33-1、WZ11-1,N得到應用，并取得了很好的應用效果。[3]該分離器的結構有以下優(yōu)點：

①采用 GLCC(柱狀旋流式氣-液分離器)進行氣液預分離，氣液分離后再進入臥式容器，大大減少了氣體的擾動，提高了臥式容器中油水分離的效率。GLCC是一種高效的氣液分離器，具有很高的氣液分離效率。[4]②氣液分離后，液體從底部進入臥式容器有利于降低來液對分離器的沖擊，并且來液從水相進入分離器，利用“水中漂油”的方式，可以大大增強油水分離的效果(根據(jù)斯托克斯公式，油在水中的上浮速度遠大于水在油中的下沉速度)[5]。③特別設計的高效布液板，使流體可以均勻、平穩(wěn)地進入分離沉降段，而不至于對沉降段造成干擾，從而建立平穩(wěn)的沉降分離場，使油水的分離基本符合斯托克斯公式，大大提高油水分離的效果。④提高堰板的高度，因氣液經GLCC進行了分離，臥式容器用于油水分離的體積利用率大幅提高，有利于提高沉降分離段的體積，提高油水分離的時間，提高油水分離的效果。如果維持原油和水的沉降時間不變，可以大大減少臥式容器的體積。[6]

2.3.2 管式油水分離器(Inline Dewaterer)

管式油水分離器屬FMC公司產品，其油氣水處理工藝技術處于世界領先地位，其管式分離技術在國外普遍使用，但在國內還未有應用。FMC的分離設備基于離心力分離，管式分離設備替代傳統(tǒng)的重力分離，具有更小的體積和重量，更換起來方便。其特點如下：

①設備適用性強，管式氣液分離設備有 3種模式選擇，可針對不同工況選擇相應的生產模式，進一步提升了工藝處理范圍；②重量輕、體積小，占地面積為 31.1,m2，重量為 20,t，可節(jié)省較大空間和重量，從而滿足熱采作業(yè)所需的空間及重量要求；③設備簡單、高效，降低了人員操作維護成本；④標準化、組塊化設計，零安裝成本，在針對不同油田不同工況時，可通過簡單的更換設備核心部件，滿足不同工況要求。

管式油水分離器原理圖見圖2。

圖2 管式油水分離器原理圖Fig.2 Schematic diagram of Inline Dewaterer

管式油水分離器雖然在國外有較成熟的應用，但在國內尤其在渤海油田未采用過，為進一步確認其處理效果，針對管式油水分離器進行了相關試驗。試驗包括以下幾方面研究內容：

①通過更換油品種類，研究不同油品性質下(3種油品)旋流分離器的分離性能；②通過改變油水乳狀液的含水率，研究不同含水率下(4個含水率)旋流分離器的分離性；③通過變頻調整攪拌器的轉速，研究不同乳化程度下(4個乳化程度)旋流分離器的分離性能；④通過化驗，分析管式油水分離器出口油中含水率，驗證其處理效果。

油中含水率是指水力旋流器入口與溢流口所取油樣中的含水率，以水的體積分數(shù)表示如下：

式中：V0——做空白試驗時接受器中水體積的數(shù)值；V1——試樣的體積數(shù)值；V2——接收器中水的體積數(shù)值。

油中含水率的測量采用蒸餾法，其工作原理為：通過加熱使混合液汽化，蒸汽中低沸點組分的分壓比高沸點組分的分壓要大，即蒸汽中低沸點組分的相對含量比原混合液中的相對含量要高，將此蒸汽引出冷凝，便得到低沸點組分含量較高的溜出液。[7]

通過以上試驗，對 48組數(shù)據(jù)進行分析，管式油水分離器滿足輕質原油、中質原油的處理要求，針對稠油進行測試，由于稠油密度與水密度差較小，在稠油密度低于0.95,g/cm3的條件下可以滿足其處理要求。

2.4 主要工藝設備參數(shù)確定

工藝設備操作參數(shù)是取設備在生產期內所出現(xiàn)的最惡劣工況，工藝設備熱負荷是取設備在生產期內所出現(xiàn)的最大負荷。

以密度為 0.965,1,cm3/g(20,℃)、黏度為 2,300,cp(50,℃)的某油樣為例，利用 ASPEN HYSYS軟件對該方案的工藝流程進行了模擬，模擬工藝流程見圖3。根據(jù)能量最優(yōu)原則確定各設備的操作溫度、操作壓力及換熱器的熱負荷，各物流的物熱表見表1。[8]

圖3 柱狀氣液分離＋管式分離＋高效分離器流程的工藝模擬Fig.3 Processing simulation of gas-liquid cylindrical cyclone separator＋inline dewaterer＋high efficiency separator

表1 柱狀氣液分離＋管式分離＋高效分離器流程各物流的物熱平衡表Tab.1 Material and heat balance of logistics of gas-liquid cylindrical cyclone separator＋inline dewaterer＋high efficiency 落separator

Name 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Phase Thermal Conductivity (Vapour Phase)[W/m-K] 3.32×10-23.31×10-23.31×10-23.08×10-2 3.22×10-22.96×10-22.73×10-2 0.0 Oil Phase Mass Heat Capacity (Liquid Phase)[kJ/kg-C] 1.76 1.75 1.75 1.75 1.84 2.06 2.06 2.06 2.06 1.85 1.90 Phase Actual Volume Flow (Liquid Phase)[m3/h] 17.40 17.40 0.00 17.39 17.65 18.32 0.00 18.28 0.00 17.62 17.78 Phase Liq Vol Flow @ Std Cond(Liquid Phase)[m3/h] 17.34 17.34 0.00 17.33 17.33 17.30 0.00 17.28 0.00 17.27 17.27 Phase Mass Flow (Liquid Phase)[kg/h] 16 219.7 16 216.4 0.0 16 187.816 182.3 16 153.9 0.0 16 135.2 0.0 16 131.2 16 131.8 Phase Thermal Conductivity (Liquid Phase)[W/m-K] 0.158 6 0.158 9 0.158 9 0.163 20.160 1 0.153 4 0.154 3 0.154 3 0.154 3 0.162 1 0.160 0 Water Phase Mass Heat Capacity (Aqueous Phase)[kJ/kg-C] 4.31 4.31 4.31 4.31 4.31 4.32 4.39 4.38 4.38 4.38 4.32 4.33 Phase Actual Volume Flow (Aqueous Phase)[m3/h] 21.38 21.38 0.00 10.69 10.69 10.87 11.31 0.00 0.17 11.10 0.17 0.17 Phase Liq Vol Flow@Std Cond(Aqueous Phase)[m3/h] 21.31 21.31 0.00 10.65 10.65 10.65 10.61 0.00 0.16 10.42 0.16 0.16 Phase Mass Flow (Aqueous Phase)[kg/h] 21 623.4 21 622.9 0.0 10 811.1 10 811.6 10 809.7 10 770.2 0.0 163.0 10576.3 166.9 166.4 Phase Thermal Conductivity (Aqueous Phase)[W/m-K] 0.603 4 0.603 3 0.603 3 0.603 7 0.603 7 0.603 7 0.678 5 0.607 8 0.607 8 0.607 8 0.635 8 0.649 6

模擬條件：井口區(qū)生產的流體通過油嘴節(jié)流后的溫度為20,℃，壓力為1,200,kPaA。

2.4.1 柱狀氣液旋流分離器操作參數(shù)的確定

井口區(qū)來液經過油嘴節(jié)流后進入 GLCC，進行初步氣液分離。井口區(qū)來液溫度即為 GLCC的操作溫度，為 20,℃。操作壓力為1,200,kPaA。

2.4.2 管式分離器

管式分離器經柱狀氣液旋流分離器進行初步氣液分離后，液體不經過加熱直接進入管式分離器，管式分離器的操作溫度為 20,℃。柱狀氣液分離器的壓降考慮為 50,kPa，管式分離器的壓降考慮為 850,kPa，管式分離器的操作壓力為1,150～300,kPaA。

2.4.3 原油換熱器參數(shù)的確定

經過初級脫氣、脫水后的液體進入原油換熱器(由高效三相分離器出來的高溫原油作為熱流體給初級脫氣的冷流體進行換熱)。熱流體進口溫度為95,℃，冷流體進口溫度為20,℃，總傳熱系數(shù)取 600,kJ/(m2,h·℃)，傳熱面積取 95,m2，熱流體出口溫度為43,℃，冷流體出口溫度為40,℃。管程的操作壓力為300,kPaA，殼程為150,kPaA。換熱器熱負荷為500,kW。

2.4.4 原油加熱器參數(shù)的確定

為了提高高效分離器的分離效果，減小原油的乳化，采用原油加熱器對換熱后的原油進行加熱，加熱到 95,℃后進入高效三相分離器。原油加熱器的操作壓力為 250,kPaA。加熱器熱負荷為1,200,kW。

2.4.5 高效三相分離器參數(shù)的確定

前面流程中的管式分離器實現(xiàn)了游離水脫除，高效三相分離器就不再設置游離水脫除區(qū)，只設計一個堰板。為了滿足原油飽和蒸汽壓的要求，達到原油穩(wěn)定的目的，同時也兼顧到火炬放空系統(tǒng)的背壓設計，高效三相分離器的操作壓力取150,kPaA。操作溫度取 95,℃，經三相分離器實現(xiàn)油氣水分離后的原油在常壓下、56,℃儲存時的飽和蒸汽壓為 69,kPaA?？杀ＷC在小于 56,℃儲存時原油的飽和蒸汽壓小于 70,kPa的要求，需要的熱負荷為1,200,kW。

主要工藝設備參數(shù)如下：

①柱狀氣液旋流分離器——操作壓力：1,200,kPaA；操作溫度：20,℃；尺寸：600,mm(I．D.)×3,600,mm(T/T)。

②管式分離器——操作壓力：300～1,150,kPaA；操作溫度：20,℃。

③原油換熱器——操作壓力：管程 300,kPaA/殼程150,kPaA；操作溫度：管程20,℃→40,℃/殼程95,℃→43,℃；熱負荷：500,kW。

④原油加熱器——操作壓力：250,kPaA；操作溫度：40,℃→95,℃；熱負荷：1,200,kW。

⑤高效三相分離器——操作壓力：150,kPaA；操作溫度：95,℃；SC-V-2001尺寸：2,300,mm(I．D.)×7,000,mm(T/T)。

⑥冷凝器——操作壓力：120,kPaA；熱負荷：250,kW。

2.5 常規(guī)工藝系統(tǒng)介紹

2.5.1 系統(tǒng)描述

井口區(qū)生產的流體經油嘴節(jié)流調壓后為 700,kPaA，分別進入計量管匯和生產管匯。需計量的生產井流體(定期)進入多相流量計進行油、氣、水三相計量。其他各井流體在生產管匯匯合后經一級加熱器加熱后與計量系統(tǒng)的物流匯合，然后依靠機采泵提供的余壓輸至原油處理系統(tǒng)。

生產管匯和計量系統(tǒng)的流體與火炬分液罐(兼閉式排放罐)、燃料氣系統(tǒng)收集的流體混合后，進入一級分離器(400,kPaA/約 45,℃)進行油、氣、水三相分離。一級分離器分出的氣體去燃料氣系統(tǒng)，分出的生產水去生產污水艙儲存，分出的原油含水率約為 40%,，經合格原油/原油加熱器和二級加熱器加熱至 105,℃后，進入二級分離器(150,kPaA/95,℃)中進行穩(wěn)定脫氣，在此分出的氣體去火炬放空系統(tǒng)，分出的生產水去生產污水艙儲存，分出的原油(含水率為 25%,)經電脫水器增壓泵加壓后，直接進入電脫水器預熱器加熱至 125,℃后進入電脫水器(500,kPaA/125,℃)，經電脫水器處理后的合格原油先經合格原油/原油換熱器降溫后再進入合格原油冷卻器。經電脫水器脫出的水先通過生產水回流泵回摻到一級分離器入口進入生產水艙。然后合格原油直接進入儲油系統(tǒng)進行儲存、外輸，溫度＞72,℃時，原油要進入原油冷卻器中降溫至≤72,℃，滿足飽和蒸氣壓≤70,kPaA的要求后，再進入儲油系統(tǒng)進行儲存、外輸。

2.5.2 常規(guī)工藝系統(tǒng)特點分析

常規(guī)油氣水處理工藝在中海油油田被廣泛采用，進行油、氣、水等分離、處理和穩(wěn)定，滿足儲存的要求。為了達到這一目的，設置了一系列生產設備將井流混合物分成單一相態(tài)，其中分離器是主要設備，其他還包括換熱器、泵、電脫水器等。

常規(guī)油氣水處理工藝雖然能在中海油油田普遍應用，但應用于延長測試平臺，針對延長測試平臺的特殊性，有以下局限：

①占用空間大，設備多，重量大，如占地面積達到 100,m2以上，設備凈重約 80,t，不能有效降低工藝能耗，沒有達到控制工藝設備尺寸和重量的要求；②適用性差，而延長測試平臺試采作業(yè)的范圍較廣，采用常規(guī)油氣水處理工藝無法滿足渤海大多數(shù)油田的油氣水處理的工藝要求；③生產工藝設備多較復雜，生產人員操作維護成本高；④功能受局限，受常規(guī)油氣水處理工藝設備的限制，無法滿足平臺在工藝區(qū)預留空間滿足熱采作業(yè)要求。

常規(guī)油氣水處理工藝設備成熟可靠，普遍應用于渤海各油田平臺，但若用于延長測試平臺，與其他方案的油氣水處理工藝比較，設備較多、流程復雜，有一定安全隱患。

2.6 高效原油處理系統(tǒng)優(yōu)勢分析

柱狀氣液旋流分離＋管式油水分離＋高效三相分離器的技術具有以下特點：

①經 GLCC(柱狀氣液旋流分離器)初步脫氣后的液體進入管式分離器脫除游離水，有利于提高三相分離器的分離性能，如果維持液體在三相分離器中的停留時間不變，可以大大降低三相分離器的體積；②管式油水分離器設備基于離心力分離，管式油水分離設備替代傳統(tǒng)的重力分離，具有更小的體積和重量，更換起來更方便；③流程中所有的加熱步驟都放在脫除游離水之后，水的比熱容約為原油比熱容的 2倍，脫除游離水后加熱可以大幅降低換熱器的熱負荷，達到節(jié)能降耗的目的；④柱狀氣液旋流分離、管式分離與高效三相分離器的分離技術均成熟可靠，采用柱狀分離＋管式分離＋高效三相分離器相結合的工藝流程，設備簡單、結構緊湊，簡化了復雜的工藝流程，提高了工藝流程的安全性，降低了人員操作維護成本。

3 結 語

隨著中海油加強勘探開發(fā)生產一體化建設的推進，延長測試平臺已處于重要位置，今后延長測試平臺將廣泛應用于渤海灣小型油氣田。高效原油處理系統(tǒng)滿足延長測試平臺上部工藝系統(tǒng)處理要求，適應性強，值得推廣?！?/p>

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

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［8］ 國家經濟貿易委員會. 海洋石油工程制圖規(guī)范[S]. 北京：石油工業(yè)出版社，2002.

Analysis of an Extended Test Platform’s High Efficient Crude Oil Processing System

LI Yong，GU Wei，LI Shun，ZHANG Hongtao，TAN Jingxuan
(CNOOC Energy Technology & Services Marginal Oil Fields Development Project Group，Tianjin 300457，China)

As one of the extended test equipment，an extended test platform provides accurate parameters for oilfield development to ensure economic benefit．In order to reduce the operation cost of oilfield production，a crude oil treatment system is required to process the produced liquid until it transforms to qualified crude oil and then transfers to crude oil tank for offloading．In view of the characteristics of extended test platform，requirements and capability of extended test platform were confirmed on the basis of reservoir capacity，basic properties of crude oil of pilot production oil fields．In addition，the design principle was also worked out．Under the guidance of this principle，an optimal crude oil processing system was determined through scheme comparison and selection.

inline dewaterer；gas-liquid cylindrical cyclone separator；high efficiency separator

TE866

A

1006-8945(2015)09-0055-05

2015-08-07