水下分離器的設(shè)計(jì)選型

林國(guó)鋒，王東寶

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

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水下分離器的設(shè)計(jì)選型

林國(guó)鋒，王東寶

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

摘 要：水下分離器作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，在海洋石油開發(fā)特別是深海油氣田開發(fā)中起到不可替代的作用，針對(duì)海上油氣田的特點(diǎn)開發(fā)出合適的水下分離器很有必要。通過分析水下分離器的技術(shù)特點(diǎn)，給出水下管式分離器的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：海上油氣田；水下分離器；管式分離器

目前國(guó)際上的水下油田開發(fā)中，采用水下采油樹+水下管匯+水下分離器+水下增壓泵的處理流程已成為主流發(fā)展技術(shù)。其中的水下分離器一般為多相分離器，將來(lái)自生產(chǎn)管匯的流體進(jìn)行油、氣、水、固體分離，分離出的油經(jīng)過增壓泵增壓輸送，分離出的氣體增壓輸送或重新混合輸送，分離出的水和固體回注地層。使用水下分離處理工藝，能減小生產(chǎn)背壓，大幅度提高油田的采收率，同時(shí)也能減小或避免多相流運(yùn)動(dòng)對(duì)水上設(shè)施所帶來(lái)的諸多問題，以及通過將生產(chǎn)水分離后直接回注地層來(lái)降低水上設(shè)施投資成本和降低能耗；另外，使用水下分離器將生產(chǎn)流體分離后能更好的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離海管輸送。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，水下分離器在海洋石油開發(fā)特別是深海油氣田開發(fā)中起到不可替代的作用。因此，針對(duì)油氣田的特點(diǎn)開發(fā)出合適的水下分離器很有必要。

1 水下分離器工作環(huán)境特點(diǎn)

深水海底溫度一般為0 ～ 6 ℃，水溫較低對(duì)于流體輸送存在不利的影響，需要從流動(dòng)保障的角度考慮防止水合物產(chǎn)生和原油凝固的問題。同時(shí)，由于生產(chǎn)設(shè)施在水下放置也需要考慮腐蝕的因素，深水水下環(huán)境對(duì)保溫材料也提出了特殊的要求。

隨著作業(yè)水深的不斷增加，水下分離器所承受的靜水壓力不斷增大，對(duì)分離器在強(qiáng)度和抗外壓方面的要求也不斷提高。根據(jù)挪威船級(jí)社（DNV）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在外部壓力150 bar（15 000 kPa）、內(nèi)部壓力0 bar時(shí)，直徑2.8 m的分離器壁厚需要140 mm，直徑1.5 m的分離器壁厚需要75 mm，而直徑0.5 m的分離器壁厚只有25 mm［1］。從設(shè)備制造成本、制造工藝和整撬重量角度考慮，采用管式分離器是最優(yōu)的選擇。

2 水下分離器的各種形式

根據(jù)實(shí)際開發(fā)生產(chǎn)需求，水下分離器可分為不同的類型。根據(jù)水深的不同，可以劃分為淺水水下分離器和深水水下分離器。根據(jù)分離器型式的不同，可以分為筒型分離器和管式分離器。根據(jù)分離原理的不同，可以分為重力式、旋流式、電聚結(jié)式、低溫冷凝式分離器。根據(jù)處理對(duì)象的不同，可以分為氣液分離器、液液分離器、液固分離器和氣液固分離器。

臥式水下分離器（圖1）的使用首見于2005年挪威國(guó)家石油公司（STATOIL）開發(fā)的Troids油田，該油田水深200 m。生產(chǎn)流體進(jìn)入入口旋流器分離出大部分的氣體，分離出的砂通過沖砂系統(tǒng)和生產(chǎn)水一起注入地下水層。該分離器采用臥式筒型結(jié)構(gòu)形狀，但采用入口旋流器預(yù)脫氣并通過單獨(dú)的管線輸送以減小分離器尺寸，剩余的油、氣、水和砂基于重力沉降原理進(jìn)行分離［2］。

圖1 Troids油田帶除砂系統(tǒng)的臥式水下分離器示意圖

立式容器類分離器（圖2）首先應(yīng)用于Pazflor油田，該油田隸屬于安哥拉國(guó)家石油公司，作業(yè)水深為600 ～1 200 m。沉箱類立式分離器也屬于立式分離器，該類分離器首先應(yīng)用于巴西近海水深1 500 ～ 1 980 m的Parque das Conchas 油田，以及墨西哥灣水深約2 500 m的Perdido 油田［3］，但選擇沉箱式分離器時(shí)要考慮泵的維修以及防砂除砂處理所帶來(lái)的問題。

圖2 立式水下分離器示意圖

管式分離器是一種新的水下分離技術(shù)，該技術(shù)能克服深水油田水下壓力大所導(dǎo)致的容器壁厚過大的問題，并且由于分離效果能滿足要求而得到極大的關(guān)注。管式分離器又分為單管式分離器和多管式分離器。單管式分離器（圖3）采用臥式設(shè)計(jì)，根據(jù)新的分離理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，即通過縮短水顆粒的沉降距離和相應(yīng)所需的沉降時(shí)間、減小界面水力載荷、增大軸向平均流速，使油井產(chǎn)出液處于湍流狀態(tài)，提高油水分離效率。多管式分離器（圖4）采用立式設(shè)計(jì)，將單個(gè)立式井筒設(shè)計(jì)為并列的幾根立管形式，通過重力分離原理進(jìn)行分離［4］。

圖3 單管式臥式分離器示意圖

圖4 多管式立式分離器示意圖

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所吳應(yīng)湘等［5， 6］提出的管式分離器技術(shù)（圖5）主要包括T型管分離、柱形旋流分離以及導(dǎo)流片型管道式分離技術(shù)，不僅具有質(zhì)量輕、體積小、處理量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而且油水分離指標(biāo)達(dá)標(biāo)。該技術(shù)的推廣使用會(huì)加快我國(guó)水下油氣生產(chǎn)的開發(fā)，為深水油氣田開發(fā)提供我國(guó)關(guān)鍵核心的自主技術(shù)。

圖5 管式高效分離系統(tǒng)示意圖

水下旋流技術(shù)（圖6）也廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，采用水下旋流器可以進(jìn)行氣液分離、液液分離和液固分離。但采用水下旋流器時(shí)，需要解決不同工況下變流量和變壓力的問題。

圖6 水下旋流器在水下生產(chǎn)中的應(yīng)用示意圖

水下靜電聚結(jié)技術(shù)（圖7）由于能提高原油脫水效率，在水下應(yīng)用也有較大優(yōu)勢(shì)。VETCO AIBEL公司開發(fā)的LOWACC （Low Water Content Coalescer）技術(shù)，在不采用化學(xué)藥劑的情況下，能實(shí)現(xiàn)API 29°原油含水率處理后小于0.5%，API 17°原油含水率處理后在2% ～ 5%范圍，生產(chǎn)水含油2 ～ 200 μL/L［7］。但采用水下靜電聚結(jié)技術(shù)要解決設(shè)備可靠性的問題，該技術(shù)目前尚未見實(shí)際應(yīng)用。

圖7 水下靜電聚結(jié)器圖（450 mm×450 mm×190 mm）

3 水下分離器新技術(shù)進(jìn)展

3.1 單管臥式分離器

FMC公司研發(fā)的單管臥式分離器主要分為入口豎琴式管線區(qū)、管式分離器區(qū)、出口區(qū)三個(gè)部分。管式分離器使用小直徑管，縮短了流體停留時(shí)間。小直徑管由于縮短了油水之間分離距離，因此能提高分離效率，且由于油水流動(dòng)速度不同，產(chǎn)生界面剪切力而破壞乳狀液的產(chǎn)生。管式分離器主要是通過使用大直徑管利用重力原理進(jìn)行分離，然而，在管式分離器入口的豎琴式管線區(qū)進(jìn)行了初步分離后能降低管徑尺寸［8］。

入口豎琴式管線區(qū)部分的功能主要是進(jìn)行氣液分離，并防止氣體進(jìn)入到管式分離器區(qū)。該部分主要由一根主管和5根立管組成，分離出的氣體通過旁通管線直接到出口區(qū)域。5根立管也提供了一定的容積以緩解段塞現(xiàn)象的發(fā)生。在出口區(qū)域，氣體和油品重新匯合后經(jīng)過增壓回到處理平臺(tái)上。

管式分離器區(qū)根據(jù)液體處理量設(shè)計(jì)管徑大小，以保證流體處于規(guī)定的流態(tài)并提高分離效率。分離效率可以通過調(diào)整管徑大小與管線長(zhǎng)度比來(lái)滿足要求。在常規(guī)的分離器中，停留時(shí)間大小是依據(jù)于分離器中液體高度來(lái)確定的。對(duì)于管式分離器，液滴穿過液體的距離非常短，因此停留時(shí)間也大幅減少。表面負(fù)荷是水流量和界面面積的函數(shù)關(guān)系。通過使用長(zhǎng)距離的管線，界面面積提高了，表面負(fù)荷也相應(yīng)的減小。這樣，液滴就更加容易穿過界面，讓液液分離更容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于高黏度流體，在流動(dòng)的過程中很容易起泡，造成分離困難。然而，對(duì)于管式分離器，乳狀液分布在大的界面面積上，導(dǎo)致乳狀液層更薄。由于分離現(xiàn)象發(fā)生在整個(gè)管式分離器內(nèi)，流體會(huì)形成兩個(gè)不同的流動(dòng)速度，乳狀液層在油水層之間，層間差速度提供了剪切力，使得乳狀液層變小，并提高分離效率。

出口區(qū)主要是分開水，并將油和氣重新匯合。同時(shí)，出口區(qū)設(shè)有儀表監(jiān)控壓力、溫度、液位等參數(shù)，并提供一定的緩沖容積給增壓泵。

3.2 多管立式分離器

SAIPEM公司研發(fā)的多管式立式分離器是由幾根立式管線組成，以提供氣液分離和一定的持液量［4］。流體從中心管的底部進(jìn)入，在頂部進(jìn)入到周圍的幾根立管進(jìn)行氣液分離。

由幾根立管組成的多管式立式分離器能減小管徑尺寸，降低管線壁厚。該分離器特別適合于深水和超深水或高壓條件下。該系統(tǒng)依靠重力分離原理，對(duì)入口流量和不穩(wěn)定狀態(tài)也不敏感。通過特殊的入口分配裝置，進(jìn)一步提高分離效率。同時(shí)，通過增加一些附件進(jìn)一步優(yōu)化分離性能。

多相流體通過一條中心的立管舉升后進(jìn)入到每根管式分離器進(jìn)行氣液分離。通過合適選擇管長(zhǎng)，能消除段塞流問題。最終氣體經(jīng)過頂部管匯匯合，氣體能直接通過單獨(dú)的海管返回生產(chǎn)平臺(tái)處理；液體經(jīng)過底部管匯匯合，經(jīng)過增壓泵增壓后回接到生產(chǎn)平臺(tái)。管式分離器的液位可以通過液位監(jiān)控調(diào)節(jié)增壓泵的速度進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)處于連續(xù)工作狀態(tài)，多管式分離器能設(shè)計(jì)成自動(dòng)排出積聚的砂和固體顆粒。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于液體的均勻分配系統(tǒng)。

對(duì)于多管式立式分離器的設(shè)計(jì)需要著重關(guān)注以下幾個(gè)因素：多相流如何均勻的分配到各個(gè)管式分離器中，非穩(wěn)態(tài)條件下的液位控制如何實(shí)現(xiàn)，如何解決分離器中起泡的問題，管式分離器一定程度的傾斜對(duì)分離效果的影響，如何除砂，高黏度液體處理效果如何，氣相出口含液以及液相出口含氣指標(biāo)如何等。

3.3 高壓分離及緊湊式分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

水下分離器由于其緊湊型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其流動(dòng)狀態(tài)與大型分離器相比有所不同，對(duì)流體在其內(nèi)部的流動(dòng)需要重新進(jìn)行認(rèn)識(shí)，特別是在高壓條件下的分離。隨著水下干式壓縮機(jī)在油氣田的投入使用，水下壓縮機(jī)入口洗滌器需要設(shè)計(jì)成尺寸小而緊湊的設(shè)備，對(duì)于氣液分離要求條件比較高的洗滌器的設(shè)計(jì)就要考慮到這些變化。國(guó)外公司已經(jīng)通過高壓流體和實(shí)際流體進(jìn)行分析比較，并得出一些值得關(guān)注的結(jié)論。

CAMERON公司認(rèn)為［9］，大部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于水和空氣為介質(zhì)的大氣環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)，它們不能用于復(fù)雜環(huán)境下的烴類和高壓條件下的流體分析。這兩者的流體特點(diǎn)包括密度、表面張力和黏度等都有所不同。而且，隨著不同的溫度和壓力的變化，流體物理性能會(huì)有很大的不同，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的分離特性，這些因素包括液滴大小分布、液滴聚結(jié)、液滴剪切作用、霧沫重新夾帶、氣液界面穩(wěn)定性等。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于以空氣和水為介質(zhì)、實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、真實(shí)流體介質(zhì)這三種進(jìn)行分離分析，三種流體的分離效率不同，采用空氣和水為介質(zhì)和實(shí)驗(yàn)介質(zhì)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)造成較大誤差（圖8）。盡管如此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的數(shù)據(jù)，可建議采用實(shí)驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行分析，并考慮一定的余量，能有效解決該因素的影響。

圖8 三種不同流體的分離效率結(jié)果

同時(shí)，隨著壓力增加，氣液兩相間的密度差和表面張力減小，也會(huì)導(dǎo)致更難以分離和顯著影響分離器的分離性能。如圖9所示，在高壓條件下，隨著氣體含量增加，其分離效率比低壓條件下有大幅下降的趨勢(shì)。從該圖也可以分析出，合理設(shè)計(jì)分離器并使其在設(shè)計(jì)處理能力范圍內(nèi)很有必要。

圖9 不同壓力下的分離效率

緊湊式氣液分離技術(shù)廣泛使用于旋流式分離器內(nèi)，F(xiàn)MC公司經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［10］，主要是兩個(gè)分離現(xiàn)象影響了旋流分離中液體捕捉能力：初次液滴捕捉和液滴表面穩(wěn)定性。經(jīng)過高壓實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分離器內(nèi)部的操作壓力從1 500 psi（10 342 kPa）升到2 600 psi（17 926 kPa）時(shí)，其分離效率有所下降，如果使用串接旋流分離器和立式分離器能有效解決高壓環(huán)境下的復(fù)雜流體分離。如圖10所示為高壓條件下串接旋流分離器和立式分離器與立式分離器分離性能比較圖。從該圖可以分析出，對(duì)于緊湊式分離，采用組合式分離技術(shù)能更有效的提高分離效率，對(duì)于水下分離器的設(shè)計(jì)，建議采用組合式分離技術(shù)。

圖10 高壓條件下串接旋流分離器和立式分離器與立式分離器分離性能比較

3.4 水下分離技術(shù)的選擇

由于管式分離器的直徑尺寸較小，常規(guī)分離器的直徑確定及其內(nèi)件技術(shù)不適用于水下分離器，比如設(shè)計(jì)油氣水三相分離室、分離器內(nèi)設(shè)置聚結(jié)元件、整流元件、流型調(diào)整元件、除霧器等。管式分離器技術(shù)不同于常規(guī)分離器，通過優(yōu)化管式分離器的重力分離和旋流分離技術(shù)，包括采用流型調(diào)整、管內(nèi)旋流、管內(nèi)導(dǎo)流等方式以實(shí)現(xiàn)水下分離效果。同時(shí)，低溫冷凝水下分離和電聚結(jié)水下分離技術(shù)還在發(fā)展中，由于這兩種技術(shù)有較好的分離效果，在今后水下分離效果要求越來(lái)越嚴(yán)格的條件下會(huì)得到推廣使用。

T型管分離技術(shù)、柱形旋流分離技術(shù)以及導(dǎo)流片型管道式分離技術(shù)的組合使用，能較好的實(shí)現(xiàn)水下緊湊式分離的設(shè)計(jì)，減小水下設(shè)備尺寸質(zhì)量。但該技術(shù)還需要在高壓條件下的分離中進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)，針對(duì)各種工況下的分離效果，還需進(jìn)行驗(yàn)證后推廣使用。

4 結(jié)語(yǔ)

水下分離技術(shù)是水下生產(chǎn)技術(shù)的重要組成部分，需根據(jù)水下環(huán)境條件及生產(chǎn)條件研制出合適的水下分離器。其中管式分離器是分離技術(shù)的新方向，非常適用于水下生產(chǎn)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)管式分離器組合使用其他技術(shù)以進(jìn)一步提高分離效果。

由于水下分離器在高壓操作條件下的實(shí)際分離性能與常規(guī)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，以及實(shí)際的流體分離效果與實(shí)驗(yàn)介質(zhì)分離效果相比，存在較大的差距，有必要開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究并將之用于水下分離器技術(shù)中。

參考文獻(xiàn)：

［1］MICHAELSEN J. Innovative technology for ultra deepwater gravity-based separators ［C］. OTC 15175， 2003.

［2］陳家慶. 海洋油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)（一）［J］. 石油機(jī)械，2007，35（5），54-58.

［3］李銳鋒，陳家慶，姬宜朋，等. 海洋油氣開發(fā)用水下緊湊型多相分離技術(shù) ［J］. 石油機(jī)械， 2012，40（10）：111-117.

［4］DI SILVESTRO R， ABRAND S， SHAIEK S， et al. A novel gas/ liquid separator to enhance production of deepwater marginal fields ［C］. OTC 21394， 2011.

［5］吳應(yīng)湘，許晶禹. 管道式油氣水高效分離技術(shù)［J］. 科技促進(jìn)發(fā)展， 2015，11（3）：374-379.

［6］鐘興福，吳應(yīng)湘，魏鵬舉，等. 管道式分離技術(shù)在渤西油氣處理廠的性能試驗(yàn)［J］. 中國(guó)造船， 2012，53（增2）：194-198.

［7］FJELDLY T A， HANSEN E B，NILSEN P J. Novel coalescer technology in first-stage separator enables one-stage separation and heavy-oil separation［C］. SPE 118891，2008.

［8］SAGATUN S I，GRAMME P， GUNNAR L， et al. The pipe separator：simulations and experimental results［C］. OTC19389， 2008.

［9］KVAMSDAL D， CARISON F， TALSETH M. High-pressure gas liquid separation， experimental verification of separator internals in laboratory and real fluid systems ［C］. OTC 23306， 2012.

［10］BYMASTER A，OLSON M，GRAVE E， et al. High pressure gas-liquid separation： an experimental study on separator performance of natural gas streams at elevated pressures ［C］. OTC 21781， 2011.

中圖分類號(hào)：TE53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.02.093

文章編號(hào)：1008-2336（2016）02-0093-06

收稿日期：2016-01-22；改回日期：2016-03-22

第一作者簡(jiǎn)介：林國(guó)鋒，男，1975年生，高級(jí)工藝工程師，從事海洋石油工藝方面的研究。E-mail：gflin@richtechcn.com。

Design and Selection of Subsea Separator

LIN Guofeng， WANG Dongbao
（Shanghai Lice Technology Co.， Shanghai 200233， China）

Abstract：Subsea separator， an important part of subsea production system， is irreplaceable in the offshore oil development， especially in the deep sea oil and gas feld. It is necessary to develop a suitable subsea separator that can meet the specifc requirement of offshore oil and gas feld. Based on the discussion of several types of subsea separators in use， the author proposes some suggestions for the development of tubular separator.

Keywords：Offshore oil and gas feld； subsea separator； tubular separator