三相分離器內(nèi)件調(diào)整對(duì)分離效果影響的研究

彭 宇，陳文峰，王 沙，鞠朋朋

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

三相分離器是海上油田集輸、處理的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著對(duì)井口來(lái)液進(jìn)行油氣水三相分離重任，其分離效果直接影響油田天然氣系統(tǒng)、儲(chǔ)存和外輸系統(tǒng)、生產(chǎn)水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的效果。但由于油田開發(fā)的特點(diǎn)，井口產(chǎn)液的性質(zhì)隨著油田開發(fā)的進(jìn)展不斷發(fā)生變化，三相分離器的分離效果在油田開發(fā)的各階段表現(xiàn)迥異，尤其是油田開發(fā)的后期，伴生氣減少，井口產(chǎn)液含水顯著增加，三相分離器中井口混合液的停留時(shí)間縮短，影響油水分離效果。且在分離器混合區(qū)中隨著含水量的變化，混合液可能會(huì)從水包油形態(tài)的乳狀液轉(zhuǎn)變成油包水形態(tài)的乳狀液，存在粘度的突變，將進(jìn)一步影響油水分離的效果。

文章從油品性質(zhì)、停留時(shí)間、不同含水率下脫水效果、內(nèi)件調(diào)整后分離器輔助設(shè)施調(diào)整等方面對(duì)內(nèi)件調(diào)整，對(duì)三相分離器分離效果的影響進(jìn)行研究。

2 工藝流程概況

某油田從井口來(lái)液經(jīng)海管進(jìn)入中心處理設(shè)施，中心處理設(shè)施的油氣水分離工藝為化學(xué)藥劑加熱重力沉降分離。分離合格的原油經(jīng)冷卻后進(jìn)入油艙儲(chǔ)存并外輸，天然氣進(jìn)入天然氣脫水和壓縮系統(tǒng)外輸，生產(chǎn)水進(jìn)入生產(chǎn)水系統(tǒng)處理合格后回注。分離器底部的泥沙經(jīng)過(guò)砂處理系統(tǒng)進(jìn)行濃縮、脫水、裝載送至陸地處置。油田經(jīng)過(guò)10余年開發(fā)，已經(jīng)進(jìn)入高含水期，井口產(chǎn)液的平均含水率已經(jīng)從高峰期的50%左右上升至接近80%，通過(guò)分離器處理的原油含水已經(jīng)上升至20%左右，極大地影響了油艙儲(chǔ)存的效率，并影響了外輸原油的品質(zhì)。

3 油品性質(zhì)和脫水實(shí)驗(yàn)

油田原油20 ℃時(shí)密度936.6 kg/m3，50 ℃時(shí)密度916.9 kg/m3， 20 ℃時(shí)粘度1 182 mm2/s，50 ℃時(shí)粘度151.7 mm2/s，為中質(zhì)高粘原油，反相點(diǎn)67%。

為驗(yàn)證油田原油脫水的效果，針對(duì)不同溫度、不同含水率、不同破乳劑濃度下的油水分離效果開展了靜態(tài)脫水實(shí)驗(yàn)，為分離器內(nèi)件調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流程情況，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：在60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、97 ℃恒溫下80%、70%、60%、40%、30%、20%、10%含水率的混合流體在不同時(shí)間內(nèi)靜態(tài)脫水速率；在97 ℃恒溫下再增加100 mg/kg的破乳劑對(duì)50%、30%、20%、10%含水混合流體的破乳促進(jìn)作用。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可得出以下結(jié)果：

(1)在70 ℃下靜置30 min，上層凈化油含水可降低至6%～7%左右；在80 ℃下靜置30 min，上層凈化油含水可降低至6%～7%左右；在90 ℃下靜置30 min，上層凈化油含水可降低至5%～7%左右；含水率在10%及5%的原油脫水速率較慢。

(2)溫度的升高對(duì)脫水有明顯改善作用。

(3)加入100 mg/kg破乳劑對(duì)脫水過(guò)程沒(méi)有明顯促進(jìn)作用。

(4)不同溫度下脫水速率明顯加快，時(shí)間出現(xiàn)在10 min～20 min之間。

4 內(nèi)件調(diào)整(堰板高度)對(duì)三相分離器的影響研究

根據(jù)對(duì)配產(chǎn)的分析，由于伴生氣量的減小，三相分離器對(duì)氣相空間的需求減小。在保證氣相空間的前提下，可以通過(guò)增加油水混合室堰板的高度，增加油水混合室的體積，增加停留時(shí)間來(lái)提高油水分離的效果。

4.1 分離器計(jì)算理論公式

水中油滴和油中水滴在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)一般屬于層流范圍內(nèi), 重力沉降速度可用下式計(jì)算[1]：

受以上四個(gè)方面的綜合影響，我國(guó)以出口加工和國(guó)際貿(mào)易為主要功能的保稅區(qū)面臨著嚴(yán)峻的發(fā)展瓶頸，亟須“轉(zhuǎn)型升級(jí)”，尤其是由傳統(tǒng)的關(guān)稅政策與監(jiān)管制度向外商投資、稅收政策、金融制度等“非關(guān)稅”領(lǐng)域拓展。與此同時(shí)，新的發(fā)展階段釋放出的發(fā)展?jié)摿σ喑尸F(xiàn)出諸多新的改革窗口期。在此背景下，自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)應(yīng)運(yùn)而生。截至2017年，國(guó)務(wù)院共批準(zhǔn)11個(gè)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)。每一個(gè)自貿(mào)區(qū)在遵循政策制度創(chuàng)新這一共同核心任務(wù)的基礎(chǔ)上，都基于自身的發(fā)展基礎(chǔ)與區(qū)位條件進(jìn)行了差異化的戰(zhàn)略定位(見表1)。

式中：W——油滴上升或水滴沉降速度, m/s；do——油滴或水滴直徑, m；ρw、ρL——重、輕組分密度, kg/m3；μ——連續(xù)相的粘度, Pa·s。

由于油的粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的粘度, 故從水中分出油滴要比從油中分出水滴容易。水在容器中停留時(shí)間也相應(yīng)比油停留時(shí)間短。由于油、水密度差小于油、氣密度差, 故要求油、水在分離器內(nèi)有較長(zhǎng)的停留時(shí)間。簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí), 可以將油、水停留時(shí)間考慮相同，計(jì)算油中分離出水滴的沉降速度。

根據(jù)堰板高度計(jì)算出堰板油水混合室的容積，從而根據(jù)來(lái)液流量計(jì)算液體的停留時(shí)間，最終根據(jù)液體的停留時(shí)間和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出各級(jí)分離器的脫水效果。

4.2 氣相空間的考慮

混合流經(jīng)分離器入口分流獲得初步分離后, 攜帶大量油滴的氣體進(jìn)入沉降部分, 氣速突然減慢, 油滴在重力作用下開始加速下沉, 隨著油滴下降速度的加大，其所受氣流阻力越來(lái)越大。當(dāng)油滴所受合力為零時(shí), 開始勻速下降。顯然, 油滴沉降分離至集液部分所需時(shí)間應(yīng)小于氣流把油滴帶出分離器所需時(shí)間, 所以均勻沉降速度的大小關(guān)系到能否把油滴從氣流中分離出來(lái)。從氣體中分出油滴的計(jì)算首先應(yīng)計(jì)算油滴沉降速度。

計(jì)算沉降速度時(shí), 一般取液滴直徑極限為100 μm, 且假設(shè):(1)油滴為球形, 在沉降過(guò)程中不碎也不與其它油滴合并；(2)油滴與油滴、油滴與器壁及其它構(gòu)件間沒(méi)作用；(3)油滴在分離器的沉降速度是穩(wěn)定的, 任一點(diǎn)流速不隨時(shí)間變化；(4)作用在油滴上的合力為零, 油滴沉降速度不變[1]。根據(jù)以上假設(shè), 按流態(tài)推薦選用以下計(jì)算公式:

式中:Wo——油滴均勻沉降速度, m/s；do——油滴直徑, m；ρL——油滴的密度, kg/m3；ρg——分離條件下氣體的密度, kg/m3；μg——分離條件下氣體動(dòng)力粘度,Pa·s。

為判斷某一直徑的油滴在給定的分離條件下處于什么流態(tài)區(qū), 引入阿基米德準(zhǔn)數(shù)Ar:

求出Ar后查出雷諾數(shù)Re, 即可按流態(tài)選用油滴沉降速度計(jì)算公式。

不同流態(tài)下Ar-Re關(guān)系如表1。

表1 不同流態(tài)下Ar-Re關(guān)系

臥式分離器, 氣流方向與油滴沉降方向垂直, 因此, 油滴能夠沉降至集液部分的必要條件是：油滴沉降至集液部分液面所需時(shí)間應(yīng)小于油滴流過(guò)重力沉降部分所需時(shí)間，即：

式中：λe——重力沉降部分的有效長(zhǎng)度, 即入口分流器至氣體出口的水平距離，m；Wg——?dú)怏w流速，m/s；h——油滴沉降高度(一般為1/4～1/2D)，m。

此次調(diào)整盡量增加堰板高度，同時(shí)對(duì)氣相空間的考慮滿足臥式分離器的液滴沉降時(shí)間小于液滴從氣體入口到氣體出口水平距離所需要的時(shí)間。

考慮油年氣量最大工況，二級(jí)分離器分離出來(lái)的氣體流量1 008 kg/h，三級(jí)分離器分離出來(lái)的氣體3 012 kg/h,從氣體中脫出100 μm以上的液滴。根據(jù)STOKES定律和INTERMEDIATE定律，氣相液滴沉降速度為0.22 m/s。

由于二級(jí)分離器和三級(jí)分離器出氣量較小，考慮預(yù)留最小氣相空間100 mm，則二級(jí)分離器和三級(jí)分離器的垂直沉降時(shí)間為0.5 s；二級(jí)分離器和三級(jí)分離器氣相入口到捕集器水平距離為22 m，二級(jí)氣體流速0.37 m/s,通過(guò)時(shí)間為59 s，三級(jí)氣體流速為2.4 m/s，通過(guò)時(shí)間為9 s，氣體沉降時(shí)間小于水平通過(guò)時(shí)間，因此預(yù)留100 mm最小氣相空間可行。

4.3 自由液面厚度的考慮

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，在極端情況下，考慮二級(jí)分離器和三級(jí)分離器在滿足油水界面剛好在堰板高度處時(shí)，含水原油在油水界面上會(huì)建立起一定的自由液面厚度，該厚度的計(jì)算采用流體力學(xué)工程中的計(jì)算明渠流流體高度的曼寧公式：

式中：V——截面的平均速度，m/s；k——轉(zhuǎn)換系數(shù);n——Gauckler-曼寧系數(shù)，為無(wú)因次量；Rh——水力半徑,m；S——水力坡線或是線性揚(yáng)程損失的斜率，L/L。

計(jì)算出二級(jí)分離器中自由液面厚度為340 mm，三級(jí)分離器中自由液面厚度為290 mm。

4.4 內(nèi)件調(diào)整對(duì)分離效果的評(píng)估結(jié)果

根據(jù)油田三相分離器內(nèi)部構(gòu)造和靜態(tài)脫水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的停留時(shí)間，分析了調(diào)整堰板高度后各分離器油出口含水的情況，如表2。

表2 LAH～LAHH之間3 min反應(yīng)時(shí)間計(jì)算出的堰板高度結(jié)果

通過(guò)計(jì)算得出二級(jí)和三級(jí)分離器停留時(shí)間與堰板高度的關(guān)系圖如圖1和圖2。

圖1 二級(jí)分離器停留時(shí)間與堰板高度關(guān)系圖

圖2 三級(jí)分離器停留時(shí)間與堰板高度關(guān)系圖

按照二級(jí)分離器和三級(jí)分離器LAH至LAHH保留3 min操作反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)整堰板高度，脫水效果如表3和表4。

表3 調(diào)整內(nèi)件(堰板高度)后的脫水效果

表4 不調(diào)整內(nèi)件(堰板高度)的脫水效果

對(duì)比不優(yōu)化內(nèi)件(堰板高度)的分離器分離效率，調(diào)整內(nèi)件后，脫水效果將會(huì)有明顯的提高，下艙油中含水有效的降低，有利于油品的儲(chǔ)存和外輸。

5 內(nèi)件調(diào)整后分離器的分離效果

經(jīng)過(guò)評(píng)估后，該油田逐步開展了內(nèi)件調(diào)整工作，至2018年初見成效。內(nèi)件調(diào)整后，整個(gè)分離系統(tǒng)的分離效果顯著提升，原油從分離系統(tǒng)下艙的含水率由40%降低至5%以下。同時(shí)，由于二級(jí)分離器增加了脫水量，二級(jí)分離器出口的加熱器負(fù)荷顯著降低，經(jīng)評(píng)估通過(guò)此次內(nèi)件調(diào)整工作油田的年節(jié)能量達(dá)25 269.6 t標(biāo)準(zhǔn)煤，極具節(jié)能減排效果。

內(nèi)件調(diào)整工作完成后原油入艙含水曲線如圖3。

圖3 偃板高度調(diào)整后原油處理效果

6 總結(jié)

某油田在開發(fā)后期，根據(jù)油田伴生氣大幅減少，含水顯著增加的特點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)油田生產(chǎn)分離器進(jìn)行內(nèi)件優(yōu)化調(diào)整，在保證安全生產(chǎn)的前提下有效增加了油氣水分離器的停留時(shí)間，顯著增加了分離器的效率，極大降低了原油入艙含水率，對(duì)原油的儲(chǔ)存和輸送提供了保證。

此次嘗試的成功，對(duì)部分開發(fā)后期油田的分離器適應(yīng)性改造具有一定的參考意義。