海洋鉆修機(jī)液氣分離器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究

丁輝

摘? 要：海洋鉆修機(jī)液氣分離器是鉆修井作業(yè)過程中重要的井控裝備之一。但由于液氣分離器設(shè)計(jì)依據(jù)較少，且缺少應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致液氣分離器設(shè)計(jì)、建造標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，給海洋鉆修機(jī)的設(shè)計(jì)工作者帶來了一定的困惑。該文開展了海洋鉆修機(jī)液氣分離器處理能力的分析研究，并對(duì)液氣分離器本體內(nèi)徑、筒體高度及液封高度等進(jìn)行了校核計(jì)算，給出了設(shè)計(jì)推薦值，同時(shí)對(duì)液氣分離器配套部件的配置、安裝等進(jìn)行了要求和建議，為今后海洋鉆修機(jī)液氣分離器的設(shè)計(jì)、建造提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海洋鉆修機(jī)? ?液氣分離器? ?標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)? ?液封高度? ?配套部件

中圖分類號(hào)：TE95? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）08（b）-0039-04

Research on Standardized Design of Liquid-gas Separator for Offshore Drilling and Workover Rig

DING Hui

（Tianjin Branch， CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin， 300459 China）

Abstract： The liquid-gas separator of offshore drilling and workover rig is one of the important well control equipment in the process of drilling and workover. However， due to the lack of design references and practical application experience， the design and construction standards of liquid-gas separator are not unified， which brings some confusion to the designers of offshore drilling and workover rig. This paper carries out the analysis and research on the processing capacity of the liquid- gas separator of the offshore drilling and workover rig， checks and calculates the inner diameter， height and liquid seal height of the liquid gas separator body， and gives the design recommended value， makes requirements and suggestions on the configuration and installation of the supporting parts of the liquid-gas separator， which provide reference for the design and installation of the liquid-gas separator of the offshore drilling and workover rig in the future.

Key Words： Offshore drilling and workover rig; Liquid-gas separator; Standardization design; Liquid seal height; Matching parts

海洋鉆修機(jī)液氣分離器是在鉆修井作業(yè)過程中處理鉆井液氣侵的專用設(shè)備。由于海洋鉆修機(jī)液氣分離器的設(shè)計(jì)、建造及安裝等參考文獻(xiàn)較少，且鉆井液氣分離器實(shí)際應(yīng)? 用較少，導(dǎo)致在液氣分離器的設(shè)計(jì)選型、液封高度、防洪吸管及安全閥等方面存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、建造不一致等問題，給海洋鉆修機(jī)液氣分離器的設(shè)計(jì)建造、完整性管理及安全作業(yè)帶來了一定難度。

該文依據(jù)海洋鉆修機(jī)液氣分離器處理能力要求，開展了液氣分離器本體內(nèi)徑、筒體高度及液封高度等參數(shù)的校核計(jì)算，給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)推薦值，并對(duì)液氣分離器配套部件的配置、安裝等進(jìn)行了要求和建議，為今后海洋鉆修機(jī)液氣分離器的設(shè)計(jì)、建造提供了一定的參考依據(jù)。

1? 液氣分離器

海洋鉆修機(jī)一般配置常壓式、立式液氣分離器[1]，并安裝于海洋鉆修機(jī)鉆臺(tái)阻流管匯附近。海洋鉆修機(jī)液氣分離器工作原理較為簡(jiǎn)單，當(dāng)出現(xiàn)溢流、井涌或井噴時(shí)，井內(nèi)循環(huán)鉆井液或油氣混合液通過節(jié)流管匯緩沖管進(jìn)入液氣分離器，通過液體分離器內(nèi)部多層斜擋板使液體、氣體分離，液體在重力作用下通過U型管排至泥漿罐，氣體通過放空管線直接排出，實(shí)現(xiàn)液氣分離的功能。

海洋鉆修機(jī)液氣分離器的處理能力不小于4 320 m3/d，內(nèi)徑一般不小于762 mm[1]，液氣分離器的進(jìn)液管線一般不小于阻流管匯主通徑，排氣管線一般配置6"（內(nèi)徑152 mm）或8"（內(nèi)徑203 mm）管線，排液管線一般配置8"（內(nèi)徑203 mm）管線，防虹吸管線一般配置6"及以下管線，以上管線一般為鋼制硬管[2]。

2? 液氣分離器內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

當(dāng)出現(xiàn)溢流、井涌或井噴時(shí)，液氣分離器將含氣的混合液速度降到臨界攜液速度以下，保證含氣的混合液能夠順利分離。比如：含氣的混合液速度超過臨界攜液速度，混合液將被高速氣流攜帶從排氣管排出，液氣分離器失效。

根據(jù)修正的斯托克斯定律校核液氣分離器的氣體處理能力，液氣分離器處理能力按照給定速度下運(yùn)動(dòng)氣流中沉降出來的最小液滴顆徑的原則。在操作條件下，氣體最大允許表觀速度和氣體處理量計(jì)算公式如（1）和（2）：

（1）

（2）

式中，Va為最大允許表觀流速，m/s;K為常數(shù)，取決于設(shè)計(jì)和操作條件;ρ1為操作條件下液體密度，kg/m3;ρg為操作條件下氣體密度，kg/m3;QGS為氣體處理量，m3/d;Dmin為液氣分離最小內(nèi)徑，m;MW為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol;VMS為氣體摩爾體積，m3/mol。

從式（1）和式（2）可以看出，液氣分離器的內(nèi)徑與液氣分離器氣體處理量成正比，因此液氣分離器的內(nèi)徑越大，氣體處理量越大。同時(shí)，液氣分離器氣體處理量與操作條件下氣體密度成正比，因此液氣分離器排氣管線內(nèi)徑越大，氣體處理量越大[3]。參考SY/T0515油氣分離器規(guī)范，海洋鉆修機(jī)液氣分離器內(nèi)徑、排氣管線內(nèi)徑推薦值如表1所示。

3? 液氣分離器筒體高度標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

液氣分離器液體處理能力取決于停留時(shí)間和油氣界面面積，基本要求是使處理液有足夠長的停留時(shí)間，并有足夠的界面面積使處理液中夾帶的氣體能充分逸出?；谕Ａ魰r(shí)間所需的液體處理量或沉降容積量的計(jì)算公示如式（3）：

（3）

式中：W為流動(dòng)條件下液體處理能力，m3/d;t為停留時(shí)間，min;h為液體沉降高度，m。

處理液停留時(shí)間t取1 min（假設(shè)原油的相對(duì)密度小于0.846 7（API度大于35°）的兩相分離設(shè)計(jì)所需的停留時(shí)間），根據(jù)表1中推薦的液氣分離器內(nèi)徑尺寸，計(jì)算液體沉降高度h，同時(shí)考慮液體沉降體積應(yīng)不超過液氣分離器總?cè)莘e的1/3，海洋鉆修機(jī)液氣分離器筒體高度推薦值見表2所示。

4? 液氣分離器液封高度標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

海洋鉆修機(jī)液氣分離器是通過排液口U型管來避免含氣的混合液直接從液氣分離器的排液口排出，而導(dǎo)致液氣分離器失效。液氣分離器液封高度的確定，需要依據(jù)所處理氣侵鉆井液中氣體溢出的峰值，而氣體溢出的峰值與地層氣在鉆井液中的溶解度密切相關(guān)，因此從鉆井液角度分析、計(jì)算液氣分離器液封高度。

4.1 水基鉆井液作用下的液封高度

采用水基鉆井液時(shí)，液氣分離器液封高度計(jì)算公式如式（4）和（5）：

（4）

式中hw為液氣分離器液封高度，m;ρ為混合氣體密度，kg/m3;L為排氣管線長度，m;λ為紊流狀態(tài)下的管路沿程阻力系數(shù)，取0.074;v為排氣流速，m/s;d為排氣管線直徑，m;δml為鉆井液密度梯度，Pa/s;q為單泵排量，m3/min;P為節(jié)流閥壓力，MPa。

研究水基鉆井液下的液氣分離器液封高度，需要將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)帶入（4）和（5）式中進(jìn)行計(jì)算。暫設(shè)定單泵排量為0.4 m3/min，節(jié)流閥壓力為10 MPa，混合氣體密度為0.72 kg/m3，鉆井液密度梯度為5 700 Pa/s，海洋鉆修機(jī)液氣分離器液封高度推薦值見表3所示。

4.2 油基鉆井液作用下的液封高度

采用油基鉆井液時(shí)，液氣分離器液封高度計(jì)算公式[4]：

式中，hw為液氣分離器液封高度，m;Z為液氣分離器的液面高度，m;g為重力加速度標(biāo)準(zhǔn)值;?p為液氣分離器內(nèi)氣室壓力與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的差;ρw為鉆井液密度，kg/m3;v2為排液口最小流速，m/s;v1為液氣分離器液面下降流速，m/s;λw為排液管路沿程阻力系數(shù);Lw為排液管路長度，m;d為排液管線直徑，m;∑.ξ為局部阻力系數(shù)。

從式（6）可以看出，液氣分離器液封高度與液體沉降高度、液面下降速度級(jí)排液口最小流速等有關(guān)，液面下降速度一般可以忽略不計(jì)，因此液氣分離器的液封高度只要不小于2 600 mm時(shí)，可以滿足在油基鉆井液的使用要求。

從水基、油基鉆井液角度分析計(jì)算，液氣分離器的液封高度應(yīng)不小于2 600 mm，目前海洋鉆修機(jī)液氣分離器的液封高度一般為3 000 mm，因此液封高度可以滿足任何鉆井液的使用要求。

5? 液氣分離器配套部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

5.1 安全閥的配置要求

海洋鉆修機(jī)液氣分離器一般為常壓式結(jié)構(gòu)液氣分離器，其配置的排氣管線直通大氣，無法實(shí)現(xiàn)密閉，不屬于壓力容器，因此無須配置安全閥。但由于液氣分離器使用的特殊性，仍建議選配相應(yīng)等級(jí)的安全閥，且安全閥的泄放管線出口應(yīng)避開逃生路線和安全區(qū)域[5]。

5.2 儀表的配置要求

海洋鉆修機(jī)液氣分離器一般配置兩塊壓力表，一塊表為頂部壓力表，安裝于液氣分離器頂部或排氣管線入口處，用于監(jiān)測(cè)排出氣體的壓力;另一塊表為液封監(jiān)測(cè)壓力表，安裝于液氣分離器底部或U型管的底部，用于監(jiān)測(cè)液封高度。為了便于觀察，建議將兩塊表引至便于司鉆觀察的位置，同時(shí)建議壓力傳感器前可安裝截止閥，便于后期傳感器的更換或維護(hù)[6]。

5.3 防洪吸管線的配置要求

當(dāng)出現(xiàn)溢流、井涌或井噴時(shí)，液氣分離器一旦失效，含氣的液體可能會(huì)從排氣管線、防虹吸管線噴出，因此建議防虹吸管線應(yīng)引至井架，并高出天車至少3 m。

6? 結(jié)語

（1）該文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)海洋鉆修機(jī)液氣分離器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值進(jìn)行了推薦，但在海洋鉆修機(jī)液氣分離器設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)充分對(duì)鉆井期間的井控條件、鉆井裝備的配置等分析研究，并借助于井控手冊(cè)、輔助軟件等進(jìn)行系統(tǒng)校核。

（2）海洋鉆修機(jī)液氣分離器的設(shè)計(jì)、選型應(yīng)盡量遵循“內(nèi)徑大、高度高、液封高”的原則，并盡可能地增大液氣分離器的進(jìn)液管線、排氣管線、排液管線等內(nèi)徑，同時(shí)還需考慮降低各管線的摩阻。

（3）由于SY/T6962標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了液氣分離器的最小內(nèi)徑、最小處理量的要求，因此在海洋鉆修機(jī)液氣分離器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先確定液氣分離器本體內(nèi)徑和排氣、排液管線內(nèi)徑，再進(jìn)行液氣分離器的高度設(shè)計(jì)，以滿足最小處理量的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 國家能源局.海洋鉆井裝置井控系統(tǒng)配置及安裝要求：SY/T 6962-2018[S].北京：石油工業(yè)出版社，2018.

[2] 國家能源局.鉆井井控裝置組合配套、安裝調(diào)試與使用規(guī)范：SY/T 5964-2019[S].北京：石油工業(yè)出版社，2019.

[3] 張玉山，趙維青，嚴(yán)德.重力式氣液分離器處理能力分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2017，46（1）：25-28.

[4] 任美鵬，楊向前.海上鉆井井控期間液氣分離器處理能力研究[J].石油鉆采工藝，2020，42（2）：172-180.

[5] 張巖，陳金國.液氣分離器現(xiàn)場(chǎng)安裝要點(diǎn)分析[J].石化技術(shù)，2020，27（5）：193-194.

[6] 艾紹磊，田恒，張利賓.鉆井液氣分離器常見隱患分析及對(duì)策[J].設(shè)備管理與維修，2019（2）：54-55.