深水多相分離技術(shù)研究進(jìn)展

梅洛洛，洪祥議，王盛山，薛驪陽，溫家銘（．中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東　　青島66580；．塔里木油田分公司　　開發(fā)事業(yè)部，新疆　　庫爾勒84000）

深水多相分離技術(shù)研究進(jìn)展

梅洛洛1，洪祥議1，王盛山2，薛驪陽1，溫家銘1
（1．中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島266580；2．塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部，新疆庫爾勒841000）

近年來，深水多相分離技術(shù)及相應(yīng)的緊湊型分離設(shè)備得到了快速發(fā)展。分析了深水多相分離技術(shù)發(fā)展所面臨的關(guān)鍵問題；詳細(xì)介紹了目前國外實際投入運營的7套水下分離系統(tǒng)，并闡述了重力式分離器、G L C C分離器、V A SPS分離器及管式分離器的結(jié)構(gòu)及工作原理。針對我國深水多相分離技術(shù)現(xiàn)狀提出了相關(guān)建議。

多相分離；水下生產(chǎn)系統(tǒng)；緊湊分離設(shè)備

目前，世界石油需求的迅猛增長使得人們將油氣資源開采的重心逐漸轉(zhuǎn)移到了海上油氣。已探明海洋石油儲量的80%以上都位于水深500m以上的區(qū)域，為此必須加大海洋石油勘探開發(fā)力度［1］。采用深水多相分離技術(shù)，將油井產(chǎn)出液中大部分的水在井口附近分離出，不僅可以降低立管中的靜壓、

減少舉升能耗，同時也降低了井口背壓、提高了油氣采收率。因此，開展新型深水多相分離技術(shù)研究與設(shè)備研發(fā)工作顯得尤為重要［2-3］。

1 深水多相分離面臨的關(guān)鍵問題

目前，在常規(guī)水深領(lǐng)域，多相分離技術(shù)已得到成功應(yīng)用，但應(yīng)用于深水領(lǐng)域還存在很大的困難。其主要原因在于，與常規(guī)水深相比較，深水領(lǐng)域下外部環(huán)境（壓力、水溫）產(chǎn)生了顯著變化，從而對多相分離產(chǎn)生影響。特別是水深超過500m時，影響尤為顯著［4］。

1．1 深水環(huán)境下壓力較高

深水區(qū)域海洋油氣開采時，由于水深增大，多相分離設(shè)備所需承受的外壓不斷增加，而當(dāng)水深超過600m時，分離器所需承受外壓高達(dá)6mPa，這與陸上油氣分離器存在明顯差異，為此必須增加分離器的壁厚。壁厚的增加使得分離器的質(zhì)量急劇增大，這不僅給深水分離設(shè)備的焊接加工帶來困難，同時也使水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝及熱處理面臨著巨大挑戰(zhàn)。

1．2 深水環(huán)境下水溫較低

由流體力學(xué)理論可知，隨著溫度降低，液相黏度逐漸增大。根據(jù)Stokes定理可知，當(dāng)溫度降低時，連續(xù)相黏度急劇增加，分散相液滴沉降速度變緩，從而惡化油水分離；深水海底溫度一般在2～4℃，此時采出液黏度很大，而在深水條件下對采出液進(jìn)行升溫又存在困難，因此，水溫較低是制約深水多相分離效率提高的又一重要因素。

另外，由于采出液中含游離水，在深水環(huán)境下（高壓、低溫），采出液中游離氣與水接觸極易形成水合物。水合物的存在不僅降低混輸管線的輸送能力，而且易堵塞管路、閥門及過濾器等，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致設(shè)備停產(chǎn)等，引發(fā)危險事故［5］。

2 深水多相分離技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

為了滿足深水油氣田開發(fā)需要，必須大力發(fā)展多相分離技術(shù)。為此，國外海洋石油公司近年來紛紛投入巨資開展這方面的研究。截止2011年底，相繼有七套水下分離系統(tǒng)投入實際運營，分別是：Troll油田S U BSI系統(tǒng)、m arim ba油田V A SPS系統(tǒng)、Tordis油田SSBI系統(tǒng)、Perdido和B C-10油田沉箱分離與增壓系統(tǒng)、Pazflor油田氣液分離系統(tǒng)、marlim油田SSAO系統(tǒng)。下面針對上述分離系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹，并進(jìn)行對比。

2．1 Troll油田SU BSI水下分離系統(tǒng)

Statoil公司位于挪威北海Troll油田的水下分離與注水系統(tǒng)（SUBSI）于2001年投產(chǎn)，是世界上第1個水下分離與注水系統(tǒng)［6］，如圖1所示。所用海底油水分離器為長11．8m、直徑?2800mm的常規(guī)臥式重力分離器，其額定工作壓力16mPa，最大絕對壓力18mPa，設(shè)計處理量為417m3／h，整個容器與周圍的海水采取隔熱措施。為了適應(yīng)水下作業(yè)，該分離器在出入口布置、液位探測系統(tǒng)、容器內(nèi)底部除砂等方面進(jìn)行了改進(jìn)。分離器結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖1 SUBSI水下分離系統(tǒng)

圖2 SUBSI水下分離器

分離器入口布置一個蝸形腔室用來分離氣體并降低采出液流入時的動量，出口安裝了一個堰板和一個附屬擋板用來儲存油相，堰板高度與分離器內(nèi)水位探測器的最大高度相同。容器頂部的人孔作為2個液位探測系統(tǒng)（核子探測系統(tǒng)和電感探測系統(tǒng)）的接入孔，在每個探測系統(tǒng)頂部垂直安裝20多個傳感器（傳感器間距100mm）。液位探測系統(tǒng)用來監(jiān)測油水兩相的界面和乳化層，核子液位監(jiān)測系統(tǒng)還能監(jiān)測氣油兩相的界面。除砂系統(tǒng)是由安裝在分離器底部的兩組管道組成，一組用來沖刷沉積在分離器底部的砂粒，另一組用來排放含砂粒的水分子。

2．2marim ba油田V ASPS系統(tǒng)

Petrobras公司的marim ba油田位于距巴西里約80km的Campos盆地，原油為29°A PI黏度為14．3×10-3～7．6×10－3Pa·s（60℃），氣液比為60～74 Nm3／m3（指標(biāo)準(zhǔn)狀況下：20℃、1．01325× 105Pa）。V A SPS是氣液兩相分離與液相電潛泵舉升系統(tǒng)，安裝在海底模擬井中，氣液兩相在柱體的螺旋通道中旋流分離。氣體自然舉升，液相通過電潛泵增壓舉升至P-8平臺。分離器設(shè)計參數(shù)：液相流量1 500m3／d、氣相流量19萬m3／d（20℃、9．8×104Pa）、設(shè)計壓力20．7mPa（3000 psi）；海底溫度5℃、流體最高溫度89℃、分離溫度40～70℃、分離壓力為（7．8～11．8）×105Pa、砂量1m3／a［7］。

V A SPS分離器包括3個同心套管，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。外層套管（承壓套管）共6節(jié)，每節(jié)12m長，直徑660．4mm（26英寸），總長72m。中間套管（螺旋導(dǎo)葉管）共6節(jié)，直徑為323．85mm（12英寸），其外壁焊有螺旋形導(dǎo)葉，與承壓套管的內(nèi)壁相接觸形成螺旋通道。內(nèi)層套管為液體排出管，直徑203．2～254mm（8～10英寸），與螺旋導(dǎo)葉管形成氣體環(huán)空通道。

圖3 VASPS分離器結(jié)構(gòu)

2．3 Tordis油田SSBI系統(tǒng)

Statoil公司位于挪威北海Tordis油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)于2007年投產(chǎn)，雖然水深僅有200m，但該工程是世界上第1個商業(yè)化運行的海底分離、增壓和注水系統(tǒng)（SSBI系統(tǒng)）［8］。該系統(tǒng)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、管匯、分離模塊、除砂系統(tǒng)、注水泵、多相泵和其它組件（圖4所示），質(zhì)量約為1200t，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用4個吸力錨來進(jìn)行定位和找水平。

圖4 SSBI水下系統(tǒng)

SSBI分離器如圖5所示，分離器包括一個入口柱狀旋流器，可將大部分氣體分離進(jìn)入輸氣管，剩余的氣、水、油和砂在分離罐中基于重力沉降原理進(jìn)行分離，分離后的油和氣重新混合后通過多相泵增壓輸送至G ullfaks C平臺。分離罐內(nèi)設(shè)置布液構(gòu)件、整流構(gòu)件、油氣混合構(gòu)件和沖砂系統(tǒng)，分離罐底部通過沖砂噴嘴定期沖洗滯留砂，并輸送至除砂器進(jìn)行處理（50～500 kg／d）。除砂器定期清空砂粒，將砂和回注水混合后經(jīng)注水泵增壓注入地層，也可以與油氣混合輸送至平臺［9］。

圖5 SSBI水下分離器

整個分離器直徑為2．1m、長約17m；設(shè)計壓力為20．7mPa（3 000 psi），設(shè)計處理能力：水為1．4 ×107kg／d（10萬bbl／d）、油為7．0×106kg／d（5萬bbl／d），液相在分離器內(nèi)的停留時間少于3min。分離器運行參數(shù)：水為連續(xù)相，操作壓力1．5×106～4×106Pa（15～40 bar），液體為3萬m3／d，氣體為10萬m3／d。原本設(shè)計要求注入水的最大含油量為1 000×10－6，實際ROV測得的平均水中含油量是500×10－6。與普通重力式分離器相比，該專利結(jié)構(gòu)的分離器可有效地縮減53%的分離罐體積，這對于海底應(yīng)用具有重要的意義［10］。

2．4 Perdido和BC-10油田沉箱分離與增壓系統(tǒng)

位于墨西哥灣超深水區(qū)域的Perdido油田水深約2 500m、作業(yè)壓力約31mPa，地處得克薩斯州加爾維斯頓港以南402．34 km，下屬Great W hite、Tobago和SilverTip 3個區(qū)塊。Perdido油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)（如圖6）共使用了5個沉箱氣-液分離器。每個沉箱氣-液分離器包括入口組件和分離器主體兩大部分，帶有大型鋼制入口組件，入口組件基于美國塔爾薩大學(xué)（TulsaU niversity）多相分離技術(shù)研究中心的氣液圓柱旋流器（G L C C）技術(shù)研制而成。海底油井產(chǎn)出物首先進(jìn)入入口組件，其切向入口使氣液混合物在沉箱殼體內(nèi)壁產(chǎn)生輕微的離心分離過程［11-12］。經(jīng)過入口組件的預(yù)分離作用后，氣液混合相進(jìn)入沉箱氣-液分離器的主體分離區(qū)中，該分離區(qū)的深度約為105m、大、小外徑分別為889mm、406mm。

圖6 Perdido海底生產(chǎn)系統(tǒng)示意

GLCC模塊由呈一定角度的入口管段沿切線方向與鉛垂柱體相連。多相流體經(jīng)過入口管段時產(chǎn)生初步分離；氣液相預(yù)分離后進(jìn)入柱體，由于旋流作用，在柱體中離心力、重力和浮力形成一個倒圓錐形的渦流面。密度大的液相沿柱體的管壁流到沉箱底部，通過電潛泵增壓輸送至水面設(shè)施；密度小的氣相沿渦旋的中央上升至渦面并流至分離器頂部，在其自身壓力作用下經(jīng)氣體管線自然舉升至水面設(shè)施（如圖7所示）。

圖7 GLCC入口組件

沉箱分離器采用長度超過91．44m（300英尺）的沉箱，其首要功能是為了確保能夠處理大范圍氣液相表觀流速下的段塞流，使系統(tǒng)能適應(yīng)段塞流引起的流動變化。同時，要保證電潛泵完全浸沒在液體中以便冷卻馬達(dá)。沉箱的直徑和總?cè)莘e是保持液位平穩(wěn)變化的關(guān)鍵參數(shù)，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行（如圖8所示）。

圖8 沉箱增壓系統(tǒng)及工作原理

2．5 Pazflor油田氣液分離系統(tǒng)

Pazflor油田隸屬安哥拉國家石油公司（Sonangol），其下屬的H ortensia、Perpetua、Zinia和A-cacia 4個區(qū)塊共有25口海底油氣井、22口水回注井和2口氣體回注井；作業(yè)水深600～1 200m，油田覆蓋面積約為600 km2。Pazflor工程采用3個由FmC公司提供的海底氣液分離模塊（如圖9），水深為800m。分離模塊（SS U）由1個氣液分離器和2個混合泵組成，質(zhì)量800 t。設(shè)計壓力為34．5mPa （5000 psi）；設(shè)計處理能力：油為1．54×107kg/d（11萬bbl／d）、氣為100萬m3／d；處理指標(biāo)：液體出口含氣率＜15%。氣液分離器采用立式重力分離器，其對沙粒的處理具有極高的穩(wěn)定性?？赏ㄟ^氣相出口控制壓力，操作壓力為2．3×106Pa（23 bar），使生產(chǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)離水合物形成區(qū)。分離器殼體直徑為3．5m，高約9m；殼體材料為P500QL2，壁厚96mm。

圖9 Pazflor海底生產(chǎn)系統(tǒng)示意

Pazflor油田氣液分離系統(tǒng)采用了SUS分離器，如圖10所示，其主要優(yōu)點：

1） 通過海底分離與增壓降低井口背壓，可在較長時間內(nèi)維持原油產(chǎn)量不下降。

2） 即使在停產(chǎn)期間，分離器分離出的氣體和液體也在水合物形成區(qū)以外；在分離器上游多相管線中，可采用常規(guī)降壓處理方式來避開水合物形成區(qū)，不需要注入抑制劑。

3） 液體管線都是傾斜連接FPS O，這可以保證停產(chǎn)時產(chǎn)物會由于重力的作用自動流回分離器，這對再啟動操作非常有利。同時，在冷啟動時，系統(tǒng)可以維持在水合物形成區(qū)以外的合理低壓區(qū)。

圖10 SS U水下分離器

2．6marlim油田SSA O水下系統(tǒng)

Petrobras的marlim油田位于距巴西里約110km的Campos盆地，水深650～2600m。從1991年開發(fā)至今，已形成包括102口油井、50口注入井、8個浮式生產(chǎn)設(shè)施、80 km剛性管和400 km柔性管的規(guī)模。m arlim三相海底分離系統(tǒng)（SS A O）設(shè)計用來從多相井流中分離出水，并將水回注至地層中，可以減小井口的背壓和增加儲層壓力提高產(chǎn)量，還可減輕浮式生產(chǎn)設(shè)施的水處理負(fù)荷。該系統(tǒng)水深896m，距生產(chǎn)井341m、距注水井2 100m，于2011年投產(chǎn)，是世界上第1個深海重油-水分離與凈化水回注系統(tǒng)［3-14］。如圖11。

圖11marlim油田海底系統(tǒng)

管式分離器模塊主要包括：入口氣體篩（氣液分離）、管式分離段（油水分離）和出口罐（流量與液位控制），如圖12所示。管式分離器技術(shù)主要基于大直徑管的重力沉降分離，在其上游進(jìn)行氣液分離可使其直徑大大減小。同時，氣體篩能減少段塞流的形成，使管式分離段的入口流動非常平穩(wěn)。

圖12 管式分離器結(jié)構(gòu)示意

1） 入口氣體篩。入口氣體篩僅能分離游離氣，而溶解氣將隨著液相進(jìn)入管式分離段。在氣體篩液相出口處安裝液體鎖定構(gòu)件使游離氣不能進(jìn)入管式分離段。氣體篩包括五個垂直分支管，上部連接匯集管，匯集管將氣體引到出口段后與分離出的油混合后一起輸送到平臺［15］。

2） 管式分離段。在設(shè)計常規(guī)重力分離器時，通常要保證分離器內(nèi)部的軸向平均流速低于0．1m／s，當(dāng)軸向平均流速大于該值時會因湍流旋渦而影響分離效果，聚并的水滴會重新分散到油水乳化液中。這一設(shè)計準(zhǔn)則導(dǎo)致了臥式分離器的軸向長度較短而徑向直徑較粗。Statoil H ydro公司研發(fā)的管式分離器是一種新型緊湊式重力分離器，其設(shè)計理念主要基于以下4點：通過減小分離器的直徑，降低了水滴的沉降距離和相應(yīng)的沉降時間；通過增大界面區(qū)域，減小了界面水力負(fù)荷；通過增大油水乳化層上所受的剪切力，加速乳化層的破乳，使管式分離器能分離更為穩(wěn)定的乳化液和高黏度采出液；通過增大軸向平均流速（約1．0m／s），使流體處于湍流流態(tài)，提高了油水分離效率［16］。

表1列出上述7套水下生產(chǎn)系統(tǒng)分離器主要參數(shù)，可以看出，隨著開采水域水深的不斷增加，常規(guī)重力式分離器很難適應(yīng)水下多相分離技術(shù)要求，這使得新型緊湊型分離設(shè)備不斷被研制出，以適應(yīng)水下油氣生產(chǎn)的條件。

表17 套水下生產(chǎn)系統(tǒng)分離器的主要參數(shù)

3 結(jié)論

1） Troll及Tordis油田所采用的水下分離器仍是常規(guī)重力式三相分離器，其采用的強化分離策略在于強化內(nèi)部分離構(gòu)件，實現(xiàn)水下多相高效分離；G L C C分離器通過氣液預(yù)旋流，并經(jīng)沉箱系統(tǒng)進(jìn)行增壓，其分離效果達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，證實了該技術(shù)在深水油田開發(fā)中的應(yīng)用潛力。

2） 管式分離器作為一種新型分離器，因其緊湊性、封閉性、簡潔性及高效性等特點，具有廣闊發(fā)展前景。目前，運行于m arlim油田的管式分離器油氣水三相分離效果良好，減輕了下游設(shè)備的處理負(fù)荷，這為該技術(shù)的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3） 目前，我國深水多相分離技術(shù)研究處于起步階段，尚未實現(xiàn)水下分離器設(shè)計與制造技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)化。國內(nèi)石油企業(yè)要打破國外技術(shù)封鎖，必須對水下處理系統(tǒng)工藝及其關(guān)鍵技術(shù)組織協(xié)同攻關(guān)，設(shè)計制造多相分離樣機，并進(jìn)行室內(nèi)平臺試驗研究，確保設(shè)備安全可靠性。

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Advances in Deepwatermultiphase Separation Technology

m EI Luoluo1，H O N G Xiangyi1，W A N G Shengshan2，X U E Liyang1，W E N Jiaming1
（1．College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao266580，China；2．Development Department，Tarim Oilfeld Com pany，K orla841000，China）

As the core of oil and gas processing technology within offshore oil and gas development，m ultiphase separation technology is always an im portant part of subsea production systems．Recently，the rapid growth of w orld oil demandmakes deep watermultiphase separation technology and the corresponding separation equipments have gained tremendous development．This paper analyzes the key issues w hich the underwater oil-gas-water three-phase separator faced；the combination of foreign underwater separation technology research and development process and the corresponding project progress，Details of seven sets of current foreign real operational underwater systems have been described，and the underwatermulti，phase separator，Gravity separator，G L C C separator，V A SPS separator and Pipe separator structures and working principles also have been analyzed．Finally，we proposed related recommendations for the development of national deep watermultiphase separation technology．

m ultiphase separation；subsea production systems；compact separator

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．003

2014-11-01

梅洛洛（1992-），男，山東青島人，碩士研究生，主要從事多相流動與多相分離技術(shù)研究，E-mail：U PC＿meiluoluo ＠126．com。

2014-11-07

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（51309237）；中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目（2012D-5006-0608）

陳迎春（1987-），男，浙江余姚人，博士研究生，研究方向為連續(xù)油管技術(shù)及管道維搶修技術(shù)，E-mail：yingchun．c ＠qq．com。