模塊化水下多相分離系統(tǒng)實驗平臺建設(shè)

張黎明，孫吉家，王衛(wèi)陽，齊 冀，薛麗麗，戴勤洋，張 凱

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

近年來，我國油氣田勘探開發(fā)的重心逐漸由內(nèi)陸轉(zhuǎn)向深海[1]。《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》面向2030年“深度”布局，一系列重大項目與國家科技重大專項遠(yuǎn)近結(jié)合、梯次接續(xù)[2]。專項規(guī)劃中提到構(gòu)筑國家先發(fā)優(yōu)勢，圍繞“深空、深海、深地”，發(fā)展保障國家安全和戰(zhàn)略利益的技術(shù)體系[3]。然而，隨著海洋油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，油井產(chǎn)出液含水率上升，管道靜壓和井口背壓升高，位于平臺上的處理系統(tǒng)已難以對油氣水混合物進(jìn)行有效的分離。如果將平臺上的處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到海底，在水下對產(chǎn)出液進(jìn)行分離處理，僅將油氣舉升至平臺，分離出來的水直接回注海底地層，可節(jié)省大量能源，提高生產(chǎn)效率[4-7]。因此，水下多相分離系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)是目前海上石油開發(fā)研究的熱點之一[8]。

實驗探索是工科領(lǐng)域最主要的科學(xué)研究手段之一。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)以教師講授內(nèi)容和學(xué)生按要求完成實驗、撰寫實驗報告的模式開展，教師是實驗教學(xué)的主體，教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新[9-10]。在“新工科”建設(shè)和工程教育改革的新形勢下，實驗教學(xué)體系改革勢在必行，刻不容緩[11]。本文設(shè)計了基于水下多相重力分離系統(tǒng)的綜合實驗教學(xué)平臺，學(xué)生能夠自主選擇分離器內(nèi)部構(gòu)件、設(shè)計不同分離器組合建立起特定的多相分離系統(tǒng)，進(jìn)而探究影響系統(tǒng)分離效率的因素。在這一過程中能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新和科研設(shè)計能力，學(xué)生可通過連接實驗管線、觀測油水分離現(xiàn)象、進(jìn)行簡單的數(shù)值模擬等多項實驗環(huán)節(jié)提升自身的動手實踐、自主思考、歸納總結(jié)能力，同時將理論聯(lián)系實踐，進(jìn)一步加深對課堂知識的理解和認(rèn)知，提高自身的專業(yè)水平。

1 技術(shù)背景

重力分離器和旋流分離器是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種分離器[12]。重力分離器是利用流體內(nèi)各組分因密度不同所受到的重力不同而實現(xiàn)各相分離，內(nèi)部常設(shè)置入口構(gòu)件、整流構(gòu)件、聚結(jié)構(gòu)件、捕霧構(gòu)件等元件用以提高分離效率。重力分離器按照流體流動方向、結(jié)構(gòu)特點和安裝方式可分為立式、臥式及管式3 種主要類型[13-15]。旋流分離器利用流體在做旋轉(zhuǎn)運動時因各組分密度差導(dǎo)致的離心力差別而實現(xiàn)多相分離，相比重力分離器具有分離效率高、成本低、占用空間小、安裝靈活等優(yōu)點，但是不適合處理流量大、流速低的工況條件[16-17]。

隨著油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，油井產(chǎn)出液的含水率升高，液體組分也更加復(fù)雜，單一類型的分離器難以實現(xiàn)有效的分離處理[18]。因此，根據(jù)不同的生產(chǎn)環(huán)境和工況條件，將各種類型的分離器優(yōu)化組合建立相應(yīng)的多相分離系統(tǒng)，是實現(xiàn)油氣水三相高效分離的合理思路和有效方法。而多相分離系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)將是開展水下多相分離系統(tǒng)基礎(chǔ)和創(chuàng)新性研究的有力手段和必要舉措。

2 實驗教學(xué)平臺建設(shè)

2.1 實驗配套裝置

實驗系統(tǒng)包括臥式重力分離器實驗裝置、并聯(lián)立式重力分離器實驗裝置、各類內(nèi)部構(gòu)件及實驗連接管線等。

圖1 為臥式重力分離器實驗裝置。分離器的內(nèi)徑為30 cm，壁厚為2 cm，長度為200 cm，兩側(cè)設(shè)置有直徑相同的半球形屏障，外壁材料為PVC 透明管，便于觀測分離器內(nèi)部的液體流動和分離情況。

圖1 臥式重力分離器

圖2 為并聯(lián)立式重力分離器。分離器由1 根中心立管和5 根分離支管連接組成，各分離支管根據(jù)實驗 需求安裝有不同的內(nèi)部構(gòu)件，中心立管與每根分離支管之間都設(shè)置有相應(yīng)的閥門，可以控制中心立管內(nèi)液體的流向，實現(xiàn)多種并、串聯(lián)流程。中心立管與分離支管的內(nèi)徑相同，均為25 cm，壁厚均為1 cm，整體高均為170 cm，分離器外壁材料為PVC 透明管，便于對管內(nèi)液體流動和分離情況進(jìn)行觀察。

圖2 并聯(lián)立式重力分離器

圖3 為實驗室中并聯(lián)立式分離器所使用的4 種內(nèi)部構(gòu)件。其中4 孔孔板、7 孔孔板和半圓擋板構(gòu)件采用PVC 材料制作，厚度約為3 cm。4 孔孔板的4 個圓孔均勻分布在圓板之上；7 孔孔板構(gòu)件的1 個圓孔位于圓板的圓心處，其余的圓孔圍繞其以夾角60°均勻分布；半圓擋板構(gòu)件以熔接的方式固定在分離立管中。螺旋軌道構(gòu)件采用不銹鋼材料制作，具體結(jié)構(gòu)為圍繞中心圓柱盤旋的螺旋軌道，以焊接的方式固定在立管中。

圖3 并聯(lián)立式分離器的內(nèi)部構(gòu)件

2.2 綜合實驗教學(xué)平臺

通過對傳統(tǒng)油水分離實驗進(jìn)行模塊化升級，建立了多相分離系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)平臺，如圖4 所示。學(xué)生可以根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境要求將不同類型的分離器和內(nèi)部構(gòu)件自由組合建立起特定的多相分離系統(tǒng)。在室內(nèi)實驗?zāi)K中，學(xué)生根據(jù)設(shè)計思路將建立的多相分離系統(tǒng)通過相應(yīng)的管線組裝起來，隨后按照流程開展實驗，通過可視化設(shè)備能直接觀察油水分離現(xiàn)象，同時采集所需的實驗樣本并測定相應(yīng)參數(shù)。在數(shù)據(jù)處理模塊中，學(xué)生可使用數(shù)碼顯微鏡對所取樣品進(jìn)行微觀分析，清晰地觀測到經(jīng)多相分離系統(tǒng)處理前后的液滴粒徑差異，從而直觀地理解油水分離的原理。在數(shù)值計算模塊中，學(xué)生能夠在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行簡單的數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果對比，初步掌握流體力學(xué)相關(guān)計算軟件，了解數(shù)值模擬過程，提高綜合研究素質(zhì)。

圖4 綜合實驗教學(xué)平臺

2.3 實例演示

根據(jù)深海水下實際工況及生產(chǎn)參數(shù)，將臥式重力分離器與并聯(lián)立式分離器串聯(lián)在一起建立兩級多相分離系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 多相分離系統(tǒng)設(shè)計圖

圖6 為多相分離系統(tǒng)的實驗圖。其中多相分離系統(tǒng)中的并聯(lián)立式重力分離器主要用于氣液分離，而臥式重力分離器則主要用于油水分離。在并聯(lián)立式重力分離器的4 個分離立管中安裝不同的內(nèi)部構(gòu)件，并保留一個空白分離立管，用于進(jìn)行對照比較。

圖6 多相分離系統(tǒng)實物圖

具體流程如圖7 所示，油氣水混合物由右側(cè)的攪拌桶泵入到并聯(lián)式重力分離器中完成氣液分離，處理后的液相進(jìn)入臥式重力分離器進(jìn)行油水分離，分離出的油相與水相經(jīng)不同的出口管線回注入攪拌桶中。

圖7 實驗流程圖

實驗步驟如下：開啟攪拌機(jī)和抽汲泵②，調(diào)整三通閥門③，開通攪拌循環(huán)系統(tǒng)，在攪拌桶中對油水混合物進(jìn)行充分?jǐn)嚢枋怪纬煞€(wěn)定的乳狀液。混合液中分散相粒徑相對穩(wěn)定不變后，關(guān)閉攪拌機(jī)，調(diào)整三通閥門③，開通主循環(huán)系統(tǒng)，使乳狀液進(jìn)入液體流量計④，而空氣經(jīng)過氣體渦輪流量計⑥計量后與乳狀液混合后進(jìn)入到并聯(lián)立式分離器⑧中，并在其中完成氣液分離，分離出的液相則進(jìn)入臥式重力分離器⑩中進(jìn)行油水分離。通過系統(tǒng)處理后的水相和油相回注到攪拌桶①中循環(huán)使用。使用蒸餾法水分測定器對油出口處取出的樣品進(jìn)行含水濃度分析，使用紫外可見光分光光度計對水出口處取出的樣品進(jìn)行含油濃度分析，采用數(shù)碼顯微鏡對多相分離系統(tǒng)入口和出口采集的樣品進(jìn)行微觀分析。

圖8 為根據(jù)上述實驗流程所測得的在不同內(nèi)部構(gòu)件下的油出口含水率與入口流量的關(guān)系曲線。可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部構(gòu)件的加入可有效提高多相分離系統(tǒng)的分離效率，且不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)件對分離效果的提升程度不同，同一內(nèi)部構(gòu)件在不同的流量條件所表現(xiàn)出的分離性能也有所不同，說明各構(gòu)件的分離性能存在其適合的工況條件。

圖9 為多相分離系統(tǒng)入口和出口處的油層油滴微觀觀測圖，顯然多相分離系統(tǒng)出口處油滴的尺寸要明顯大于入口處的，從而在微觀角度說明了重力多相分離系統(tǒng)實現(xiàn)油水分離的機(jī)理與作用。

圖9 油層油滴微觀觀測圖

圖10 為螺旋管道和7 孔孔板分離立管中的油相體積分布數(shù)值模擬圖。結(jié)果表明，在兩種分離立管內(nèi)部流體的油相濃度由入口到出口處逐漸降低，能夠有效地實現(xiàn)油水分離。其中，7 孔孔板的分離立管出口處油相濃度明顯低于螺旋管道的，這說明7 孔孔板能夠更好地提升分離器的分離性能。

3 教學(xué)運行模式

圖11 為多相分離系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺運行模式?；I劃準(zhǔn)備階段，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)放的教學(xué)資料、課堂內(nèi)容及網(wǎng)絡(luò)資源，對實驗教學(xué)平臺的基本信息和核心內(nèi)容形成全面清晰的認(rèn)識，完成多相分離系統(tǒng)的自主組合設(shè)計并生成實驗流程與步驟。在課堂教學(xué)階段，教師就實驗平臺的核心教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生進(jìn)行充分的討論并給予指導(dǎo)。隨后，搭建對應(yīng)的多相分離系統(tǒng)實驗裝置，并依照自主設(shè)計的實驗步驟進(jìn)行分離實驗，觀察油水分離現(xiàn)象，采集樣品并測量和記錄實驗數(shù)據(jù)。最后，進(jìn)行簡單的數(shù)值模擬演示實驗，與室內(nèi)實驗進(jìn)行對照，幫助學(xué)生了解并掌握流體動力學(xué)和數(shù)值計算的應(yīng)用。通過室內(nèi)實驗與數(shù)值模擬的結(jié)合，理論聯(lián)系實踐，使學(xué)生對課堂知識有更加深入的了解和認(rèn)知。

實驗教學(xué)中鼓勵學(xué)生積極研究新型的分離器或內(nèi)部構(gòu)件，采納富有創(chuàng)造性和建設(shè)性的創(chuàng)新想法和設(shè)計思路，并據(jù)此進(jìn)一步擴(kuò)充實驗教學(xué)平臺、豐富教學(xué)內(nèi)容、完善教學(xué)體系，實現(xiàn)多相分離系統(tǒng)實驗綜合教學(xué)平臺的改造升級，使之成為開展水下多相分離系統(tǒng)基礎(chǔ)和創(chuàng)新性研究的前沿陣地。

圖11 實驗教學(xué)平臺運行模式

4 結(jié)語

本文針對水下多相分離系統(tǒng)所存在的局限性強(qiáng)、靈活性差、應(yīng)用單一等問題，建立了多相分離系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)平臺。學(xué)生可根據(jù)實際生產(chǎn)需要，將各種類型的分離器與內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行自由組合，設(shè)計出適合各工況的多相分離系統(tǒng)，并完成多相分離實驗，同時進(jìn)行簡單的數(shù)值模擬。在上述過程中，逐步形成以學(xué)生為主、教師為輔的新型實驗教學(xué)運行模式。多相分離系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)平臺可在學(xué)生積極探索的原動力下得到有效的改造升級，形成大量案例庫；不斷完善的實驗教學(xué)平臺也更利于培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計、獨立思考、動手實踐、科研創(chuàng)新的能力，形成良性循環(huán)。