渤海地區(qū)某FPSO分離器水堰管高度調(diào)節(jié)探討

梁煜奇，侯嘉民，呂 濤

（中海石油（中國(guó)）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300450）

渤海地區(qū)某油田以重質(zhì)油為主，原油密度較大，稠度中～高，同時(shí)具有伴生水和伴生氣的產(chǎn)出，原油生產(chǎn)處理過(guò)程中需要對(duì)油、氣、水進(jìn)行三相分離。該油田由1個(gè)FPSO和數(shù)個(gè)井口平臺(tái)組成。FPSO原油生產(chǎn)流程由兩級(jí)三相分離器和一級(jí)電脫水器構(gòu)成，共有兩個(gè)系列，共同處理這些井口平臺(tái)來(lái)液。FPSO三相分離器如何保證油、氣、水分離過(guò)程的穩(wěn)定和高效是日常工作中的一個(gè)重點(diǎn)，三相分離器中水堰管具有合適的高度是保證生產(chǎn)穩(wěn)定、高效的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)FPSO上三相分離器水堰管的最佳拔高并沒(méi)有確定，經(jīng)常調(diào)整水堰管拔高致使分離室油水界面過(guò)高或過(guò)低[1]，油相或水相沒(méi)有足夠的停留時(shí)間，導(dǎo)致原油處理流程時(shí)有波動(dòng)甚至出現(xiàn)處理過(guò)后油品、水質(zhì)不合格的現(xiàn)象。

1 FPSO原油處理流程及三相分離器水堰管原理簡(jiǎn)介

FPSO上共有兩套完全一樣的原油處理流程，原油流程可以簡(jiǎn)述為：井口平臺(tái)未處理的原油匯集到FPSO單點(diǎn)，首先進(jìn)入一級(jí)自由水分離器（圖1A），原油脫去大部分伴生水和伴生氣；然后進(jìn)入二級(jí)熱化學(xué)分離器（圖1B），經(jīng)加熱和化學(xué)藥劑作用再脫去部分伴生水和伴生氣；最后經(jīng)增壓和加熱進(jìn)入電脫水分離器脫去剩余的水，合格原油進(jìn)入貨油艙，脫去的伴生水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，伴生氣進(jìn)入天然氣處理系統(tǒng)。其中，一級(jí)自由水分離器和二級(jí)熱化學(xué)分離器均為油、氣、水三相分離器，水室都具有一個(gè)可手動(dòng)調(diào)節(jié)高度的水堰管。

1.1 一級(jí)自由水分離器

一級(jí)自由水分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1A）包括旋風(fēng)分液包、一級(jí)二級(jí)填料函、板槽式布液器、捕霧器、油堰板、水堰管、防渦器及防浪板，油堰板高度固定，水堰管調(diào)節(jié)高度范圍為0～200 mm。一級(jí)自由水分離器實(shí)際操作為190～330 kPa/60 ℃。

一級(jí)自由水分離器的處理原理包括重力沉降法和化學(xué)破乳脫水法。重力沉降法是利用油、水密度差進(jìn)行重力沉降脫水。化學(xué)破乳脫水法是通過(guò)加入化學(xué)藥劑，破壞原油乳化液的強(qiáng)度，促進(jìn)油、水分離。通過(guò)以上兩種方法，將原油含水率從百分之七十幾降到百分之三十幾。

圖 1 FPSO三相分離器示意圖Fig. 1 The pictorial view of FPSD three phase separator

1.2 二級(jí)熱化學(xué)分離器

二級(jí)熱化學(xué)分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1B）包括旋風(fēng)分液包、一級(jí)二級(jí)填料函、板槽式布液器、捕霧器、油堰板、水堰管、防渦器及防浪板，油堰板高度固定，水堰管調(diào)節(jié)高度范圍為0～250 mm，與自由水分離器不同的是熱化學(xué)分離器內(nèi)部裝有兩個(gè)加熱盤(pán)管，高度分別為2 100 mm和2 600 mm。二級(jí)熱化學(xué)分離器實(shí)際操作為50 kPa/（60～90） ℃，由于存在加熱盤(pán)管，上部油相溫度為90 ℃，下部水相溫度為60 ℃。

二級(jí)熱化學(xué)分離器的處理原理包括重力沉降法和加熱化學(xué)破乳法。重力沉降法是利用油、水密度差進(jìn)行重力沉降脫水。加熱化學(xué)破乳法是通過(guò)提高溫度使加入的化學(xué)藥劑起到最佳的分離效果。通過(guò)以上兩種方法，V-102將原油含水由進(jìn)口的百分之三十幾降到百分之二十以下。

1.3 水堰管原理

根據(jù)“U”型連通器壓力平衡原理[2]，在“U”型連通器的兩側(cè)，油水混合區(qū)的壓強(qiáng)應(yīng)與進(jìn)入水室的壓強(qiáng)保持一致。原油與水具有不同的密度，一般是油在上水在下，當(dāng)油堰板或撇油槽高度一定時(shí)，只需調(diào)節(jié)連通管線水室部分的高度就可調(diào)節(jié)分離室的油水界面高度并使之保持[3]。

可以理解為在三相分離器中，通過(guò)調(diào)節(jié)水堰管高度保證油相和水相具有足夠的停留時(shí)間來(lái)達(dá)到預(yù)期油、水分離效果的油水界面調(diào)節(jié)器。通過(guò)油、水之間的密度差，也就是重力作用，再輔之以化學(xué)藥劑等作用完成油、水分離。通過(guò)水堰管調(diào)控油水界面來(lái)控制油相和水相在分離器分配到的有效容積和停留時(shí)間從而控制油、水分離器效果。

2 水堰管拔高影響因素分析

影響三相分離器油水界面的因素主要有化學(xué)藥劑、油田生產(chǎn)情況、船體傾斜、內(nèi)部積砂、油和水密度等。

2.1 化學(xué)藥劑影響

在FPSO原油處理流程中，共加入三種化學(xué)藥劑，分別是消泡劑、破乳劑和清水劑。其中破乳劑和清水劑的作用至關(guān)重要，這兩種藥劑在分離器中的處理效果直接影響著原油分離效果。一般來(lái)說(shuō)，油和水在相應(yīng)化學(xué)藥劑的作用下時(shí)間越長(zhǎng)其分離效果越好，但是兩者的停留時(shí)間則是因油水界面高度變化而此消彼長(zhǎng)。如何保證油相、水相達(dá)到化學(xué)藥劑處理效果是重點(diǎn)問(wèn)題。

根據(jù)FPSO化驗(yàn)員的《油田藥劑最佳濃度總結(jié)報(bào)告》，可知在模擬實(shí)際生產(chǎn)情況下，在注入合適濃度破乳劑的原油樣品中，停留15～20 min時(shí)間內(nèi)藥劑效果最好，20～25 min后則無(wú)效果。報(bào)告還顯示清水劑在加入合適濃度情況下，停留35 min時(shí)效果優(yōu)于15 min，停留4 h之后水很清澈，說(shuō)明時(shí)間越長(zhǎng)效果越好，但是時(shí)間越長(zhǎng)藥劑的處理效率也越低。為保證化學(xué)藥劑處理效果，油相在各級(jí)分離器中的停留時(shí)間最好在20～25 min之間，至少多于15 min，水相停留時(shí)間越長(zhǎng)越好，但是不要少于15 min。

2.2 油田生產(chǎn)情況

每天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)并不是固定的，包括啟、停油井以及油井提頻、降頻等緣故，總會(huì)有一些波動(dòng)。根據(jù)油田三個(gè)月的實(shí)際生產(chǎn)情況，目前FPSO原油日處理量約為5 300 m3/d，伴生水日處理量約為16 700 m3/d，含水率為75.9%。

一級(jí)自由水分離器處理后比較理想的效果是油相出口油中含水率不超過(guò)50%，實(shí)際多在30%～40%之間，水相出口水中含油則在100～900 ppm之間；對(duì)于二級(jí)熱化學(xué)分離器來(lái)說(shuō)，其進(jìn)液量主要受一級(jí)自由水分離器油相出口原油的含水情況所限，處理后比較理想的效果是油相出口油中含水率不超過(guò)20%，實(shí)際多在5%～15%之間，水相出口水中含油在100 ppm以下，一般在30～40 ppm之間。

2.3 船體傾斜影響

FPSO是海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油船，甲板可以看作一個(gè)與海面近似平行的面，但是由于各種各樣的原因，船體總會(huì)有一定的傾斜度，包括船體艏傾和左、右傾，三相分離器也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的傾斜情況。

船體艏傾一般不超過(guò)1.5 m，最大時(shí)不超過(guò)2 m，最小時(shí)不小于0.5 m，根據(jù)船體長(zhǎng)度可計(jì)算出艏傾角度。一級(jí)自由水分離器的油、水室是在船艉側(cè)，二級(jí)熱化學(xué)分離器的油、水室是在船艏側(cè)，故艏傾會(huì)使一級(jí)自由水分離器的分離室有效容積略有增加，而二級(jí)熱化學(xué)分離器的分離室有效容積略有下降。

同樣，左、右傾對(duì)一、二級(jí)分離器有一定影響。兩級(jí)分離器內(nèi)油室、水室是并列排布的，一級(jí)自由水分離器的油室在左側(cè)，水室在右側(cè)；二級(jí)熱化學(xué)分離器正好相反，水室在左側(cè)，油室在右側(cè)，不論左、右傾都會(huì)導(dǎo)致油堰板實(shí)際高度下降，使分離室有效容積變小。根據(jù)觀察，F(xiàn)PSO左、右傾都出現(xiàn)過(guò)，傾斜角度最大不超過(guò)1°。

計(jì)算得出：一級(jí)自由水分離器在艏傾最大無(wú)左、右傾時(shí)分離室有效容積最大為152.36 m3，艏傾最小左傾1°時(shí)有效容積最小為149.59 m3；二級(jí)熱化學(xué)分離器在艏傾最小無(wú)左、右傾時(shí)分離室有效容積最大約為210.66 m3，艏傾最大右傾1°時(shí)有效容積最小為208.01 m3；船體傾斜也會(huì)降低分離器水堰管實(shí)際高度，但是高度最多降低1.4 mm。

2.4 內(nèi)部積砂影響

油井產(chǎn)出原油時(shí)總會(huì)攜帶出一些地層泥砂，其中一部分就會(huì)沉積到三相分離器底部，這些泥砂占據(jù)一定空間不僅會(huì)減小分離室有效容積還會(huì)造成水相水質(zhì)變差，故需要定期清理底部泥砂。

一級(jí)自由水分離器每?jī)芍芮謇硪淮文嗌埃看巫疃嗖怀^(guò)50 L。二級(jí)熱化學(xué)分離器由于底部泥砂積攢比較緩慢而長(zhǎng)期沒(méi)有清理過(guò)，估算底部積攢泥砂厚約500 mm，目前只能緩慢排出，短期內(nèi)無(wú)法排凈。故可知一級(jí)自由水分離器底部泥砂影響極小可以忽略，二級(jí)熱化學(xué)分離器受底部泥砂影響較大，估算單臺(tái)分離器底部泥砂體積約占5.26 m3。

2.5 油、水密度影響

液體在壓力較低的情況下的密度主要受溫度的影響，前述一級(jí)自由水分離器操作溫度為60 ℃，二級(jí)熱化學(xué)分離器由于分離室內(nèi)存在加熱盤(pán)管，導(dǎo)致上部油相和下部水相溫度不同，目前只能觀察到水室溫度60 ℃，油室溫度為90 ℃。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，必須考慮溫度對(duì)密度的影響。這里取分離室上部油相及其含水溫度為90 ℃，下部水相為60 ℃。

該油田原油為重質(zhì)油，20 ℃測(cè)定密度為0.930 3 g/mL，根據(jù)《石油溫度密度系數(shù)表》和原油密度計(jì)算公式[4]，可推算出60 ℃原油密度為0.907 1 g/mL，90 ℃原油密度為0.889 7 g/mL；水的密度通過(guò)查詢(xún)《水的密度溫度表》[5]，可知60 ℃水密度為983.191 kg/m3，90 ℃水密度為965.304 kg/m3。該油田伴生水礦化度較低，對(duì)水密度影響極小，故不考慮水礦化度對(duì)水密度的影響。

2.6 影響三相分離器處理效果的其它因素

首先是段塞流影響，生產(chǎn)過(guò)程中海管經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)段塞流，表現(xiàn)為一級(jí)自由水分離器壓力在190～330 kPa之間波動(dòng)，瞬時(shí)處理量也隨之變化，二級(jí)熱化學(xué)分離器壓力非常穩(wěn)定，瞬時(shí)處理量受段塞流影響很小。

其次是惡劣天氣影響，渤海地區(qū)有時(shí)出現(xiàn)大風(fēng)大浪天氣，目前許多海上平臺(tái)都裝有消除風(fēng)浪影響的裝置[6]，但是該FPSO并沒(méi)有這類(lèi)裝置。故在惡劣天氣下FPSO會(huì)出現(xiàn)明顯搖擺，導(dǎo)致三相分離器處理效果變差，甚至出現(xiàn)分離器油相出口含水率和水相出口含油率不達(dá)標(biāo)的情況。

3 水堰管最佳拔高計(jì)算

根據(jù)“U”型連通器原理，通過(guò)水堰管不同拔高可以計(jì)算出分離室內(nèi)的油水界面，計(jì)算出分離室內(nèi)油相和水相的有效容積，再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況計(jì)算出油相和水相在分離室內(nèi)的停留時(shí)間，從而反推出最佳拔高。這里的油水界面并不是指油相和水相之間的乳化層[7]，而是一個(gè)理想化便于計(jì)算的純油與純水的油水界面。

根據(jù)前文影響因素分析，一級(jí)自由水分離器在有效容積最小的情況下，原油平均停留時(shí)間為19 min 34 sec，水堰管拔高在175～200 mm時(shí)滿(mǎn)足化學(xué)藥劑不少于15 min的處理要求。二級(jí)熱化學(xué)分離器處理量主要受一級(jí)自由水分離器油相含水率控制，含水率越高二級(jí)分離器的處理量越大。假設(shè)一級(jí)自由水分離器處理后油相含水達(dá)到70%，原油在二級(jí)分離器分離室內(nèi)平均停留時(shí)間也能達(dá)到33 min，一般情況下含水率不超過(guò)50%，原油平均停留時(shí)間不少于55 min。為滿(mǎn)足化學(xué)藥劑處理要求，油相、水相停留時(shí)間均不低于15 min，可以推算出水堰管拔高范圍在100～220 mm之間可滿(mǎn)足要求。

考慮到油田實(shí)際生產(chǎn)情況及段塞流等影響，一級(jí)自由水分離器水堰管拔高最好在190 mm，這樣油相、水相平均停留時(shí)間一樣均為19 min 34 sec，段塞流對(duì)分離器油相、水相瞬時(shí)處理量影響最小。二級(jí)熱化學(xué)分離器水堰管拔高最好在175～180 mm之間，保證極端工況下油相、水相都有足夠的停留時(shí)間，保證化學(xué)藥劑處理效果，后期二級(jí)分離器底部泥砂排凈之后還可以下調(diào)2～3 mm。得出結(jié)論后FPSO操作人員將一級(jí)、二級(jí)分離器水堰管拔高調(diào)整到最佳高度并保持不動(dòng)，觀察生產(chǎn)流程可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，只要化學(xué)藥劑系統(tǒng)正常運(yùn)行，在極端工況、惡劣天氣下分離器油、水處理也能達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)油田實(shí)際生產(chǎn)情況并結(jié)合化學(xué)藥劑等影響因素，通過(guò)水堰管的“U”型連通器原理計(jì)算得出一級(jí)自由水分離器和二級(jí)熱化學(xué)分離器水堰管的最佳拔高并實(shí)際驗(yàn)證。在各個(gè)影響因素中，油田實(shí)際生產(chǎn)情況和化學(xué)藥劑是最主要的影響因素，油、水密度隨溫度的變化是比較關(guān)鍵的因素，船體傾斜和底部積砂影響很小。當(dāng)分離器水堰管在最佳拔高時(shí)可將段塞流影響降到最小，惡劣天氣下處理效果可以達(dá)標(biāo)。由此可知，在油田生產(chǎn)情況及含水率基本穩(wěn)定時(shí)，將分離器水堰管拔高調(diào)整到最佳高度并保持就是最有利于原油處理流程穩(wěn)定的。同時(shí)，本文還為未來(lái)油田產(chǎn)量變化、含水率變化以及相關(guān)化學(xué)藥劑換型，重新確定分離器水堰管最佳拔高提供了方法和依據(jù)。