自封閉式油氣分離氣包原理及設(shè)計(jì)

田相雷，蔣海巖，趙黎明，李青青，周 靜

(1.中石化勝利油田分公司 現(xiàn)河采油廠，山東 東營(yíng) 257068；2.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，西安 710065； 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580) ①

·設(shè)計(jì)計(jì)算·

自封閉式油氣分離氣包原理及設(shè)計(jì)

田相雷1，蔣海巖2，趙黎明2，李青青3，周 靜3

(1.中石化勝利油田分公司 現(xiàn)河采油廠，山東 東營(yíng) 257068；2.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，西安 710065； 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)①

目前，采油現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量站所采用的油氣分離氣包多數(shù)是用套管改制的簡(jiǎn)易氣包，這種氣包工作性能差，油氣分離效率低，且存在一定的安全隱患。根據(jù)離心力和受力平衡原理，設(shè)計(jì)了一種自封閉式油氣分離氣包，在油氣進(jìn)入氣包后，先利用雙螺旋結(jié)構(gòu)最大程度地將油氣分離；在氣量較小，氣包內(nèi)液面上升到一定位置后，浮球-浮筒結(jié)構(gòu)由于受到浮力的作用，其位置升高，此時(shí)氣包的天然氣出口就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，可有效避免串油事故的出現(xiàn)。自封閉式油氣分離氣包可以應(yīng)用在計(jì)量站或油氣集輸?shù)募訜釥t前，具有廣闊的應(yīng)用前景。

油氣分離；自封閉；計(jì)量站

地層中的石油通過(guò)舉升工藝到達(dá)井口，進(jìn)入地面出油管、集油管時(shí)，隨壓力和溫度條件的變化，地層中的石油將形成氣、液兩相。油氣集輸?shù)氖滓蝿?wù)就是將油井產(chǎn)出的混合物按液體和氣體分開(kāi)，該分離過(guò)程稱為氣液分離，也稱油氣分離[1]。在采油現(xiàn)場(chǎng)采出的原油需要及時(shí)地進(jìn)行輸送，由于野外工作條件的限制，在原油輸送工程中，管線凍堵的問(wèn)題時(shí)常發(fā)生。一般情況下，將伴隨原油采出的天然氣作為原料對(duì)管線進(jìn)行加熱，但是油井的出氣量變化范圍較大，容易造成加熱爐進(jìn)料不均勻，加熱效果差，氣溫較低時(shí)容易發(fā)生管線凍堵等問(wèn)題。管線凍堵以后容易造成設(shè)備憋壓，每次凍堵后需要關(guān)閉多個(gè)閥門以解除凍堵問(wèn)題，降低了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)也存在較大的安全隱患[2]。因此，在寒冷的自然條件下，特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)的管線凍堵預(yù)防十分必要。設(shè)計(jì)了一種防竄氣自閉式油氣分離氣包，該裝置可以應(yīng)用到采油計(jì)量間，有效回收天然氣，又可以應(yīng)用到集輸加熱爐前，解決加熱爐進(jìn)料不均勻的現(xiàn)象，很好地解除或者預(yù)防管線凍堵問(wèn)題，為實(shí)際生產(chǎn)提供了便利。

1 油氣分離裝置應(yīng)用現(xiàn)狀

油氣分離裝置的原理主要包括重力分離、折流分離、離心分離、旋流分離等[3]，將以上方法進(jìn)行優(yōu)化組合形成配套的油氣分離裝置，分離效果較好。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，原有的簡(jiǎn)易油氣分離裝置只對(duì)油氣進(jìn)行初步分離，工作性能差，不能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要，而應(yīng)用優(yōu)化組合后的油氣分離裝置成本大，維修周期短，造成不必要的資源浪費(fèi)[4]。

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和需求的不同，油田所應(yīng)用的油氣分離裝置類型較多，但是它們有共同的特點(diǎn)：充分利用進(jìn)料流體的內(nèi)能，采用高效的內(nèi)部分離結(jié)構(gòu)，具有較高的油氣分離效率[5]。采油一線油站需要加熱爐保外輸流程，降低流程干壓，加熱用氣源主要是來(lái)自簡(jiǎn)易分離氣包，常用的分離氣包一般采用內(nèi)徑500 mm左右的套管，通過(guò)油氣進(jìn)入空腔內(nèi)自然分離出天然氣，為加熱爐供氣[6]。當(dāng)來(lái)液變化比較大、氣量不穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氣管線串油事件，增加了管理難度，處理時(shí)間較長(zhǎng)。特別在冬季，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)管線凍堵事件，為確保加熱爐溫度，此時(shí)就需要及時(shí)的處理氣管線[7]。

基于以上原因，研制了一種防串油自封閉式油氣分離氣包，該裝置可以很好地應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)油井產(chǎn)出的流體進(jìn)行初步分離。

2 自封閉式油氣分離氣包結(jié)構(gòu)原理

自封閉式油氣分離氣包根據(jù)離心力和受力平衡原理[8]，不僅很好地對(duì)油氣進(jìn)行分離，而且氣包的天然氣出口可以根據(jù)氣量的大小自動(dòng)關(guān)閉或打開(kāi)，可以有效避免串油事故的發(fā)生。

2.1 結(jié)構(gòu)

防串油自閉式油氣分離氣包內(nèi)部通過(guò)隔板分為2部分，一部分利用雙螺旋分離結(jié)構(gòu)對(duì)油氣進(jìn)行分離；另一部分采用浮球-浮筒結(jié)構(gòu)對(duì)天然氣出口進(jìn)行自封閉，根據(jù)油氣管線流量的不同，對(duì)分離出的天然氣流出進(jìn)行限制。如圖1所示。

1—雙螺旋油氣分離結(jié)構(gòu)；2—彈簧及連接裝置；3—浮筒；4—浮球；5—限位殼體及除沫器；6—隔板。

井口產(chǎn)出流體由油氣入口進(jìn)入分離裝置中，利用密度差及離心力原理[9]，經(jīng)雙螺旋油氣分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋流，將流體中的氣體和流體較為徹底地分離出來(lái)。分離出的液體從液體出口流出，氣體從氣體出口流出，經(jīng)過(guò)充分分離的天然氣從氣包天然氣出口流出分離裝置。隔板將油氣分離裝置分為2部分，同時(shí)起到緩沖作用，防止進(jìn)入裝置的高速流體未分離徹底就排出油氣分離裝置。彈簧及連接裝置將浮筒與氣包天然氣出口的閥球連接起來(lái)，達(dá)到控制氣體進(jìn)出的目的；浮筒內(nèi)的液體通過(guò)浮力作用將浮球托起，關(guān)閉天然氣出口；當(dāng)裝置內(nèi)的液體較少時(shí)，浮球封堵流體出口。限位殼體及除沫器可限制浮球的活動(dòng)范圍，同時(shí)消除流體中的泡沫，防止氣體隨流體流出。經(jīng)過(guò)充分分離的產(chǎn)出液從氣包流體出口流出分離裝置。

2.2 原理及力學(xué)分析

2.2.1 原理

在滿足油田現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)的情況下，根據(jù)離心力和受力平衡原理，在油氣進(jìn)入氣包后，為了盡可能地避免氣量較小時(shí)串油情況的發(fā)生。利用雙螺旋結(jié)構(gòu)更大程度地將油氣分離；在氣量較小，氣包內(nèi)液面上升到一定位置后，氣包天然氣出口就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，可以有效避免串油事故出現(xiàn)。

2.2.2 力學(xué)分析

1) 油氣入口進(jìn)入全為氣體。氣包內(nèi)無(wú)液面，浮筒和彈簧及其連接裝置在重力作用下，彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，氣包天然氣出口打開(kāi)，進(jìn)入的氣體經(jīng)過(guò)雙螺旋油氣分離結(jié)構(gòu)后直接通過(guò)氣包天然氣出口排出。同時(shí)，由于氣包內(nèi)外壓力差的原因，流體出口被限位殼體內(nèi)浮球封堵，防止氣體從流體出口排出。

2) 油氣入口來(lái)液氣量大，液量小。

氣包內(nèi)滿足：

F1

(1)

F1=ρgV

(2)

式中：m1為浮筒質(zhì)量，kg；m2為彈簧及連接裝置質(zhì)量，kg；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；F1為分離出的液體對(duì)浮筒所產(chǎn)生的浮力，N；ρ為分離出的液體密度，kg/m3；V為浮筒排開(kāi)液體的體積，m3。

氣包內(nèi)液面較低，浮筒和彈簧及連接裝置的重力大于浮力，彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，天然氣出口打開(kāi)。液體的來(lái)量不足以將第2浮球浮起時(shí)，流體出口封堵，直至液體的來(lái)量將第2浮球浮起時(shí)，液體從液體出口排出。

3) 油氣入口來(lái)液液量大，氣量小。

氣包內(nèi)滿足：

F2>m1g+m2g+Fq

(3)

式中：Fq為分離出氣體對(duì)液面產(chǎn)生的壓力，N。

限位殼體內(nèi)的浮球浮起，液體從流體出口排出；氣包內(nèi)液面上升后，浮力大于浮筒和彈簧及連接裝置的重力，彈簧被壓縮，使天然氣出口關(guān)閉；當(dāng)氣量增大時(shí)，液面由于氣體壓力會(huì)逐漸下降，此時(shí)浮筒會(huì)因浮力減小而下降，浮力降至F2

4) 油氣入口來(lái)液全為液體。氣包內(nèi)滿足式(3)，限位殼體內(nèi)的浮球浮起，氣包內(nèi)液面上升后，浮力大于浮筒和彈簧及連接裝置的重力，彈簧被壓縮，天然氣出口關(guān)閉，防止液體從天然氣出口排出。

3 自閉式油氣分離裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 油氣集輸流程

一般的油氣分離計(jì)量站承擔(dān)著6～10口生產(chǎn)井產(chǎn)出原油的處理任務(wù)，每個(gè)計(jì)量站都會(huì)有1個(gè)油氣分離氣裝置對(duì)油氣進(jìn)行分離，當(dāng)通過(guò)計(jì)量分離器的油氣匯總為一條管線后，在該管線上連接1個(gè)油氣分離裝置對(duì)油氣進(jìn)行分離[10-11]。如圖2所示。

當(dāng)生產(chǎn)井所產(chǎn)出的氣液混合物匯集到計(jì)量站時(shí)，每一口生產(chǎn)井產(chǎn)出的原油通過(guò)閥門到達(dá)計(jì)量間，最后連接到油氣分離計(jì)量器上，用來(lái)計(jì)量計(jì)量站的液量。然后所有生產(chǎn)井的液量匯集到一條總管線，該管線再連接一個(gè)氣包進(jìn)行進(jìn)一步氣液分離，利用升壓輸油泵對(duì)管線增壓，使分離出來(lái)的混合液體輸往聯(lián)合站進(jìn)行收集和進(jìn)一步的處理。

圖2 計(jì)量站油氣集輸流程示意

3.2 應(yīng)用實(shí)例

以某聯(lián)合輸油站所轄全部采油井為例。該油井油層靜壓25 MPa，原油飽和壓力8 MPa，油層井底流壓7 MPa，含水率40%，井口產(chǎn)出油氣流量為0～4.5 m3/h，輸油站平均日產(chǎn)液量為120 m3/h。選取的油氣分離裝置氣包的流體出口流量為2.5 m3/h，裝置高度1.0 m，氣包流體出口管內(nèi)徑為60 mm，原油相對(duì)密度0.95，天然氣相對(duì)密度0.82，水相對(duì)密度1。利用以上數(shù)據(jù)對(duì)自閉式油氣分離裝置應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析：

1) 當(dāng)進(jìn)入輸油站的流體流量小于油氣分離裝置氣包流體出口流量時(shí)，由于浮筒沒(méi)有受到浮力的作用，在浮筒自身重力的作用下，氣包天然氣出口一直處于打開(kāi)的狀態(tài)。隨著時(shí)間推移，裝置內(nèi)的液面上升，當(dāng)液面上升至100 mm時(shí)浮球受浮力最大，浮球浮起，氣包流體出口打開(kāi)，裝置達(dá)到進(jìn)出平衡狀態(tài)。

2) 當(dāng)進(jìn)入輸油站的流體流量大于油氣分離裝置氣包時(shí)流體出口流量時(shí)，隨著液面的上升，在液面高度達(dá)到0.5 m時(shí)，浮筒所受到的浮力與浮筒、彈簧及連接裝置的重力相等，浮筒開(kāi)始上升，液面高度到達(dá)0.75 m時(shí)，氣包天然氣出口關(guān)閉，此時(shí)只有流體出口打開(kāi)，天然氣不再流出，只有液體流出。

4 結(jié)論

1) 自封閉式油氣分離裝置能夠有效防止油氣分離過(guò)程中串油情況的發(fā)生，盡可能地避免管線堵塞等生產(chǎn)事故的發(fā)生。

2) 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)入到自封閉式油氣分離裝置內(nèi)的油氣，首先經(jīng)過(guò)雙螺旋油氣分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，再通過(guò)重力分離作用，可以使油氣得到充分的分離。該裝置大幅加長(zhǎng)了現(xiàn)場(chǎng)維修的時(shí)間間隔，且減少了維修過(guò)程中原油的泄漏，有效地減少了油氣集輸過(guò)程中人員的工作量。

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Abstract：In order to avoid destroying the bodies by the vibration of the hydraulic constant torque rotary percussion tool，the bodies’ 3D models have been simulated by FEA software.The first five order natural frequencies and vibration types of bodies have been acquired.The results prove that the working vibration frequency doesn’t couple with the natural frequency of bodies.The bodies won’t be destroyed by the resonance because of working vibration.The theoretical supports for the safety of the tool on vibrating working state is provided in this paper.This paper provides references for the further improvement.

Keywords：percussion tool；hydraulic constant torque rotary；modal；FEA

Principle and Design of Self-closed Oil-gas Separator

TIAN Xianglei1，JIANG Haiyan2，ZHAO Liming2，LI Qingqing3，ZHOU Jing3

(1.XianheOilProductionPlant，ShengliOilfield，SINOPEC，Dongying257068，China； 2.CollegeofPetroleumEngineering，Xi'anShiyouUniversity，Xi'an710065，China； 3.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

At present，the oil and gas separator used in the oil field metering station are mostly modified by casing，this separator had disadvantage of bad working performance，low separation efficiency and insecurity.Aiming at these problems，the self-closed oil-gas separator has been designed.It is based on principle of centrifugal force and the equilibrium condition of forces.Firstly，the oil and gas are separated by double helix structure of the maximum degree.For avoiding the serial connection when the inlet gas quantity was less，when liquid level to a certain height，the natural gas outlet will be closed by the buoy-floating ball structure.The self-closed oil-gas separator can be applied to the oil field metering station and the heating furnace of oil and gas gathering.This separator has simple structure，low price and a wide application prospect.

oil-gas separation；self-close；metering station

2016-06-15 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51404199) 作者簡(jiǎn)介：田相雷(1980-)，男，山東沂水人，工程師，碩士，現(xiàn)從事油氣田開(kāi)發(fā)工程研究工作，E-mail：tianxianglei.slyt@sinopec.com。

1001-3482(2017)02-0027-04

TE974.7

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.006