巴西水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展

韓云峰，馬 強(qiáng)，安維崢，洪 毅，楊天宇

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)海洋油氣田資源開發(fā)的不斷深入，水下生產(chǎn)系統(tǒng)憑借布置靈活、可靠性高、后期受自然災(zāi)害影響小等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行物流處理的關(guān)鍵設(shè)備，水下分離器在實(shí)現(xiàn)泥沙雜質(zhì)過濾以及多相流相間分離中發(fā)揮著重要作用，在保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)流動(dòng)安全、提高油氣田采收率方面具有重要意義[1-4]。

水下分離器設(shè)計(jì)技術(shù)研究是后期進(jìn)行分離器裝備研制的基礎(chǔ)，為建立完善的水下分離器設(shè)計(jì)技術(shù)體系，已有學(xué)者針對水下分離器的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了討論，指出水深、油藏壓力、油藏溫度、油藏組分及安裝位置是影響水下分離器設(shè)計(jì)的主要因素[5]?；谝陨显O(shè)計(jì)條件，當(dāng)前國際范圍內(nèi)已研制的水下分離器類型包括重力分離器[6]、在線管道式分離器[7]和旋流式分離器等[8]。隨著水下分離器普遍應(yīng)用于海洋油氣田開發(fā)，其分離技術(shù)與安裝方式的創(chuàng)新逐漸成為各大廠商的研究熱點(diǎn)，如已衍生出的靜電預(yù)聚結(jié)、管式分離技術(shù)[9]以及水下分離器的沉箱安裝方式[10]等。此外，為檢驗(yàn)水下分離器的產(chǎn)品質(zhì)量、保證水下分離器的運(yùn)行安全，有學(xué)者開展了水下分離器測試技術(shù)[11]及遙控操作機(jī)器人(remote operated vehicle，ROV)檢測技術(shù)研究[12]。

近期，巴西國家石油公司依托Libra油田開發(fā)項(xiàng)目，擬采用一種先進(jìn)的水下分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)深海高壓環(huán)境下含氣油藏的氣液兩相分離與運(yùn)輸。其中，氣相經(jīng)增壓冷卻處理后回注至海底油氣儲(chǔ)集層，液相通過海底管道輸送至浮式生產(chǎn)單元(floating production unit，F(xiàn)PU)進(jìn)行后續(xù)工藝處理(見圖1)。當(dāng)前，已規(guī)劃出包括整體撬裝方案、三模塊方案、雙模塊方案A(含液相泵的重力分離站模塊和CO2增壓模塊)、雙模塊方案B(含液相泵的氣液旋柱分離站模塊和CO2增壓模塊)以及雙模塊方案C(高壓分離模塊和低壓分離模塊)在內(nèi)的5種水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本文從水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、水下分離器類型及兩相冷卻增壓方式等角度，對5種方案的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了闡述。據(jù)此，分析了水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路與設(shè)計(jì)參數(shù)選取原則，并就深水水下分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了建議。

圖1 巴西水下分離系統(tǒng)工藝流程示意圖

1 巴西Libra油田區(qū)塊簡介

Libra油田區(qū)塊位于巴西Santos盆地的超深水區(qū)域，由巴西國家石油公司的2-ANP-2A井發(fā)現(xiàn)，區(qū)塊面積為1 548 km2。油田水深為2 500 m，距 Rio de Janeiro海岸180 km。在該油田開發(fā)項(xiàng)目中，水下分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水深為2 100 m，設(shè)計(jì)壓力為68.95 MPa，溫度范圍為-18～135℃。

2 巴西水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 整體撬裝方案

在整體撬裝方案中，水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“整體模塊化”的思想，即水下分離器與其他模塊及模塊間的管路連接均集成在一個(gè)流體基座上。安裝于流體基座上的配件僅包括無須任何維護(hù)的ROV操作隔離閥、連機(jī)器轂座等。

該水下分離系統(tǒng)包括 1個(gè)水下分離器、2個(gè)包含水下控制模塊的入口模塊、4個(gè)CO2泵模塊、2個(gè)冷卻器模塊、2個(gè)液烴泵模塊以及 1個(gè)吸力樁，其中，水下分離器位于流體基座的中心區(qū)域。其他模塊排布在分離器模塊四周(見圖2)，所有模塊均為獨(dú)立可回收式。該布局可使流體基座上的管線布局更簡單，飛線連接更靈活，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)可具體描述如下：

圖2 整體撬裝方案提出的水下分離系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

(1) 入口模塊、液烴泵模塊、冷卻器模塊與分離器模塊均置于流體基座的水平頂層。流體基座具備傾斜和俯仰自調(diào)節(jié)能力，方便模塊間的連接。

(2) 流體基座集成的ROV操作隔離閥在模塊回收操作過程中保持關(guān)閉。

(3) 模塊和流體基座之間的管道連接通過垂直連接器實(shí)現(xiàn)，符合安裝與回收操作期間模塊運(yùn)動(dòng)的垂直路徑。

(4) 模塊間的連接通過水平連接器實(shí)現(xiàn)。

(5) 采用單吸力樁支撐流體基座及其上方安裝的所有模塊。整體撬裝方案提出的水下分離系統(tǒng)尺寸為20.9 m×18.9 m×32.64 m，總重量為1 317 t。

整體撬裝方案提出的水下分離系統(tǒng)可同時(shí)處理2口井的物流。物流進(jìn)入水下分離系統(tǒng)后，利用立式管道分離器(8根管道，單管尺寸：直徑為0.559 m，長度為17.5 m)進(jìn)行氣液分離，而后氣液兩相分別進(jìn)入增壓模塊。氣相經(jīng)兩級(jí)冷卻(冷卻后溫度為40℃)、兩級(jí)增壓，壓力達(dá)到61.8 MPa后注入地下；液相經(jīng)一級(jí)增壓，壓力達(dá)到27.1 MPa后輸送到FPU進(jìn)行后續(xù)工藝處理。經(jīng)該系統(tǒng)處理后，輸送至FPU的氣油比(gas to oil ratio，GOR)范圍為77～161。

2.2 三模塊方案

三模塊方案設(shè)計(jì)的水下分離系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括1個(gè)水下分離站，1個(gè)致密氣相泵站以及1個(gè)液相泵站。其中，水下分離站包括入口模塊、出口模塊和再循環(huán)模塊；致密氣相泵站包括冷卻模塊、致密氣相泵模塊、再循環(huán)模塊和出口模塊；液相泵站主要包括液相泵和再循環(huán)模塊。

該水下分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：尺寸為16 m×13 m×10 m，最大干重為260 t。三模塊方案所設(shè)計(jì)的水下分離系統(tǒng)可處理1口井的物流，其處理流程：物流進(jìn)入水下分離系統(tǒng)后，利用重力分離器(直徑為1.7 m，長度為13.15 m)進(jìn)行氣液分離(分離壓力為21 MPa)，而后氣液兩相分別進(jìn)入增壓模塊。氣相經(jīng)一級(jí)冷卻(冷卻后溫度為30℃)、兩級(jí)增壓，壓力達(dá)到59 MPa后注入地下；液相經(jīng)一級(jí)增壓，壓力達(dá)到30 MPa后輸送到FPU做進(jìn)一步處理。經(jīng)該系統(tǒng)處理后，輸送至FPU的氣油比GOR范圍為136～176。

2.3 雙模塊方案A(含液相泵的重力分離站模塊和CO2增壓模塊)

雙模塊方案A所設(shè)計(jì)的水下分離系統(tǒng)包括水下分離撬、CO2增壓回注撬和液相泵撬。其中，水下分離撬主要由2臺(tái)臥式重力分離器(直徑為2 m，長度為12 m)和1臺(tái)立式聚結(jié)分離器(直徑為1.75 m，長度為3 m)組成。為實(shí)現(xiàn)水下分離器液位的快速調(diào)節(jié)、節(jié)約安裝空間，液相泵撬被集成在水下分離撬內(nèi)。圖4(a)和圖4(b)分別給出了水下分離撬和CO2增壓回注撬的組成結(jié)構(gòu)。其中，水下分離撬尺寸為15 m×15 m×9.1 m，CO2增壓回注撬尺寸為18.21 m×15.01 m×10.42 m。

(a)

(a)

該系統(tǒng)可處理2口井的物流。物流進(jìn)入水下分離系統(tǒng)后，利用2臺(tái)臥式重力分離器和1臺(tái)立式聚結(jié)分離器進(jìn)行氣液分離，而后氣液兩相分別進(jìn)入增壓模塊。氣相經(jīng)兩級(jí)冷卻(冷卻后溫度為40℃)、兩級(jí)增壓后，壓力達(dá)到62 MPa后注入地下；液相經(jīng)一級(jí)增壓，壓力達(dá)到29 MPa后輸送到FPU做進(jìn)一步處理。經(jīng)該系統(tǒng)處理后，輸送至FPU的氣油比范圍為103～162。

2.4 雙模塊方案B(含液相泵的氣液旋流分離站模塊和CO2增壓模塊)

圖5所示為雙模塊方案B所提出的水下分離系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，其由2個(gè)流體處理模塊組成。流體模塊1主要包括氣液旋柱式分離器(直徑為0.914 m，長度為3.57 m)以及液相增壓泵模塊(直徑為1.1 m，長度為0.38 m)，流體模塊2為氣相冷卻及增壓模塊。流體模塊1尺寸為15.7 m×11 m×9.6 m，重量約為300 t；流體模塊2尺寸為21.4 m×12.2 m×5.8 m，重量約為448 t。

圖5 雙模塊方案B提出的水下分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的物流處理流程：3口井的物流進(jìn)入水下分離系統(tǒng)后，利用氣液旋柱式分離器進(jìn)行氣液分離(分離壓力為15 MPa)，而后氣液兩相進(jìn)入增壓模塊。氣相經(jīng)兩級(jí)冷卻(冷卻后溫度為32℃)、兩級(jí)增壓后，壓力達(dá)到62 MPa后注入地下；液相經(jīng)一級(jí)增壓，壓力達(dá)到28 MPa后輸送到FPU做進(jìn)一步處理。經(jīng)該系統(tǒng)處理后，輸送至FPU的氣油比范圍為128～192。

2.5 雙模塊方案C(高壓分離模塊和低壓分離模塊)

基于分離壓力的差異，雙模塊方案C分別提出了高壓和低壓條件下兩類可回收式的水下分離系統(tǒng)。圖6(a)和圖6(b)分別給出了兩類水下分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。高壓分離系統(tǒng)主要包括水下分離器、冷卻模塊及增壓模塊等；與高壓分離系統(tǒng)相比，低壓分離系統(tǒng)增加了1個(gè)冷卻模塊和2個(gè)CO2增壓模塊。其中，高壓分離系統(tǒng)尺寸為18.2 m×19.1 m×10.2 m，重量為393 t；低壓分離系統(tǒng)尺寸為18.3 m×19.7 m×12.1 m，重量為589 t。

(a)

雙模塊方案C提出的高壓分離方案：2口井的物流進(jìn)入水下分離系統(tǒng)后，利用臥式重力式分離器(直徑為2 m，長度為16 m)進(jìn)行氣液分離(分離壓力為25 MPa)，而后氣液兩相進(jìn)入增壓模塊。氣相經(jīng)兩級(jí)冷卻(30℃)、一級(jí)增壓后，壓力達(dá)到57.9 MPa后注入地下；液相直接輸送到FPU做進(jìn)一步處理。低壓方案：2口井的物流進(jìn)入水下分離系統(tǒng)后，利用立式緊湊旋流分離器(直徑為0.305 m，長度為3 m)和立式分離器(直徑為2 m，長度為5.6 m)進(jìn)行氣液分離(分離壓力為18 MPa)，而后氣液兩相進(jìn)入增壓模塊。氣相經(jīng)三級(jí)冷卻(冷卻后溫度為40℃)、兩級(jí)增壓后，壓力達(dá)到61.8 MPa后注入地下；液相經(jīng)一級(jí)增壓，壓力達(dá)到27.1 MPa后輸送到FPU做進(jìn)一步處理。經(jīng)該系統(tǒng)處理后，高壓系統(tǒng)輸送至FPU的氣油比范圍為153～257，低壓系統(tǒng)氣油比范圍為119～161。

3 水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

3.1 水下分離系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路分析

通過闡述上述5種水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以看出，為方便水下分離系統(tǒng)組成部件的安裝與回收，巴西深水油氣資源開發(fā)已采用“模塊化”的設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)出的水下分離系統(tǒng)主要由水下分離器、氣相泵撬(氣相增壓和冷卻模塊)和液相泵撬(液相增壓模塊)組成。井口物流首先經(jīng)過水下分離器實(shí)現(xiàn)氣相和液相的分離；而后，氣相和液相進(jìn)入各相泵撬分別進(jìn)行處理。其中，氣相經(jīng)冷卻、增壓模塊處理后回注地下，液相經(jīng)增壓模塊處理后上輸至海上油氣儲(chǔ)集外輸設(shè)施。

該設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)：通過將油藏中的氣相回注地下，可顯著減小海底管道尺寸，大大降低了深水條件下液相上輸至水上浮式生產(chǎn)單元的成本；而且，由于水下分離器安裝于泥面，采用長度較短的海底管線即可實(shí)現(xiàn)氣相回注，簡單易行。此外，采用氣相回注地下的方案可降低油氣水三相遠(yuǎn)距離混輸過程中形成水合物堵塞管道的風(fēng)險(xiǎn)，保障了管道內(nèi)物流的流動(dòng)安全。

值得注意的是，由于氣相和液汀均需增壓處理，因此須在氣相和液相泵撬中分別安裝增壓模塊及相應(yīng)管線、電力線配件，使水下分離系統(tǒng)的占地面積增大，其制造、安裝及運(yùn)維費(fèi)用相對較高。為優(yōu)化水下分離系統(tǒng)投資成本，須在前期設(shè)計(jì)階段做好方案的比選工作。下文將從水下分離系統(tǒng)的撬裝集成方式、水下分離器選型等角度，對深海水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮的因素進(jìn)行分析。

3.2 水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

為更清晰地闡述5種水下分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過梳理各個(gè)方案在占地尺寸、重量、水下分離器類型等方面的特性參數(shù)，繪制成如表1所示的比較結(jié)果，得出結(jié)論如下：

表1 水下分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對比

(1) 整體撬裝方案將入口模塊、CO2泵模塊、冷卻器模塊以及液烴泵模塊集中安裝在同一流體基座上，結(jié)構(gòu)最為緊湊；此外，在入口模塊中加裝水下控制模塊可實(shí)現(xiàn)與水下分離系統(tǒng)的快速通信，并可在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行水下分離系統(tǒng)內(nèi)的閥門動(dòng)作。最后，經(jīng)該方案處理后，上輸至FPU的物流氣油比最低，在一定程度上保證了原油資源的開采質(zhì)量。但是，該方案設(shè)計(jì)的水下分離系統(tǒng)高度值與重量值均最大，導(dǎo)致其運(yùn)輸及安裝成本較高。另外，高度值的增加提高了其受漁業(yè)和海洋生物活動(dòng)影響的概率，亦給水下分離系統(tǒng)的后期防護(hù)工作帶來了較大困難。

(2) 三模塊方案設(shè)計(jì)的水下分離系統(tǒng)的重量最輕，尺寸也相對較小，易于安裝且布置靈活。但是，由于水下分離站與液相泵站均為獨(dú)立安裝，未集成在一個(gè)撬裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，會(huì)造成水下分離站液位調(diào)節(jié)的延遲。

(3) 雙模塊方案A將液相泵模塊嵌入水下分離撬內(nèi)，與三模塊方案相比，液相泵與水下分離器的距離較近，根據(jù)液相泵模塊中流量的變化可實(shí)現(xiàn)水下分離器液位的快速調(diào)節(jié)。但需要注意的是，該方案所用的水下分離器為重力分離器。重力分離器的工作原理為基于氣液兩相的密度差異，以實(shí)現(xiàn)氣相與液相的分離，是一種靜態(tài)的分離方式。隨著水深的增加，水下分離器殼體承受的外壓[5]逐漸增大。為抵抗逐漸上升的外部水壓，只能增加水下分離器壁厚，這將給水下分離器的設(shè)計(jì)及加工制造帶來極大難度。根據(jù)當(dāng)前國際工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，重力分離器的最大應(yīng)用水深為1 000 m左右。如前文所述，巴西Libra油田的水深為2 500 m，采用重力分離器將存在一定的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 雙模塊方案B的“模塊化”思路與雙模塊方案A類似，即將水下分離器和液相增壓模塊集成在一個(gè)撬塊內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)水下分離器液位的快速調(diào)節(jié)。與雙模塊方案A不同的是，雙模塊方案B采用的水下分離器為氣液旋柱式分離器。該水下分離器應(yīng)用了一種氣液兩相離心分離的方式，可在分離器內(nèi)部形成一定動(dòng)壓，能夠補(bǔ)償深水條件下水下分離器殼體所承受的外壓，與重力分離器相比，更適用于深水條件下的高壓環(huán)境，可滿足巴西Libra油田的開發(fā)需求。

(5) 雙模塊方案C根據(jù)分離壓力的差異，分別設(shè)計(jì)了適用于高壓和低壓條件下的兩套水下分離系統(tǒng)。油田開發(fā)前期的分離壓力較高，可采用高壓分離器系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅需1套冷卻模塊、1臺(tái)致密氣相泵且不需要液相增壓裝置，設(shè)備數(shù)量少，系統(tǒng)構(gòu)造簡單、可靠性高；當(dāng)油田進(jìn)入開發(fā)后期、分離壓力較低時(shí)，可采用低壓分離系統(tǒng)，提高油田產(chǎn)量。與前4種方案相比，雙模塊方案C雖然分別給出了高壓與低壓條件下水下分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，但兩套水下分離系統(tǒng)的開發(fā)極大地增加了設(shè)備的制造、安裝及運(yùn)維成本，不利于油氣田項(xiàng)目開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。

綜上所述，雙模塊方案B有利于實(shí)現(xiàn)水下分離器的液位快速調(diào)節(jié)，水下分離器的選型也更合理；此外，其設(shè)計(jì)的水下分離系統(tǒng)尺寸較小、重量較輕，易于安裝維護(hù)。據(jù)此，本文推薦雙模塊方案B作為進(jìn)行巴西Libra油田區(qū)塊開發(fā)的最佳水下分離方案。

4 結(jié) 語

為了解深海條件下水下分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀，本文以巴西Libra區(qū)塊油田開發(fā)為背景，闡述了5種水下分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對比分析了不同方案之間設(shè)計(jì)思路的差異，得出如下結(jié)論：

(1) “氣相回注、液相外輸”的方式可顯著減小用于深?；亟拥暮５坠艿莱叽?，同時(shí)避免了油氣水三相遠(yuǎn)距離混輸所引起的水合物生成與管道堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，保證了油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

(2) 針對巴西Libra區(qū)塊開發(fā)項(xiàng)目的氣液兩相分離，采用三模塊方案會(huì)導(dǎo)致水下分離器液位調(diào)節(jié)具有延遲性，采用整體撬裝方案會(huì)極大增加設(shè)備尺寸與重量。因此，建議采用將液相泵和水下分離器集成在一個(gè)撬塊、氣相冷卻增壓裝置集成在另一個(gè)撬塊的雙模塊方案，可在實(shí)現(xiàn)水下分離器液位快速調(diào)節(jié)的同時(shí)，大大減小水下分離系統(tǒng)的重量及尺寸，節(jié)省運(yùn)輸與安裝維護(hù)成本。

(3) 與重力分離器相比，采用離心分離方式的氣液旋柱式分離器及立式管道分離器具備更強(qiáng)的深海外壓承受能力，在深海油氣田開發(fā)項(xiàng)目中具有更廣闊的應(yīng)用前景。