渤海某平臺生產(chǎn)分離器分液不均問題分析及改進措施

楊海波，閆旭，徐振

（中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300459）

1 引言

渤海油田某中心處理平臺是一座8 腿導(dǎo)管架平臺，設(shè)有100 人生活樓。平臺共60 個井槽，6×10 排列，井槽間距為2.0 m×1.8 m，設(shè)置模塊鉆機進行鉆完井。

該中心處理平臺分為上、中、下三層甲板，主要設(shè)施有油氣生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備、污水處理系統(tǒng)設(shè)備、公用系統(tǒng)設(shè)備、注水系統(tǒng)設(shè)備、開閉排系統(tǒng)、天然氣壓縮機系統(tǒng)、電氣設(shè)備房間等。平臺通過棧橋和某井口集輸平臺相連。該中心平臺各油井所產(chǎn)流體在生產(chǎn)管匯匯合后與來自井口集輸平臺的部分產(chǎn)液一同進入中心處理平臺的生產(chǎn)分離器進行油氣水三相分離。生產(chǎn)分離器分離出來的含水50%的原油經(jīng)外輸泵增壓后送至井口集輸平臺，與井口集輸平臺剩余部分油井所產(chǎn)出的流體匯合后，通過井口集輸平臺至某終端處理設(shè)施的兩條已建混輸管線送至終端處理設(shè)施進行進一步處理。分離出來的氣進入中心平臺的天然氣壓縮系統(tǒng)，經(jīng)天然氣壓縮系統(tǒng)壓縮后，匯入混輸管線和原油一同送往終端處理設(shè)施供透平發(fā)電。該中心處理平臺生產(chǎn)分離器分離出來的水進入斜板除油器和加氣浮選器進行處理。處理合格后生產(chǎn)水通過注水增壓泵和注水泵進行增壓回注。

2 研究背景

該中心處理平臺設(shè)計處理液量83 116 m3/d，處理油量4 497 m3/d，處理氣量1.14×105Sm3/d，設(shè)有兩臺生產(chǎn)分離器并聯(lián)運行。單臺生產(chǎn)分離器的設(shè)計處理油量為97 m3/h，處理水量1 735 m3/h，氣量為2 380 Sm3/h。平臺投產(chǎn)初期，由于本平臺的開發(fā)井未上線，該中心平臺的主要處理的是井口集輸平臺通過管線跨越棧橋輸送來的井液。所以在投產(chǎn)初期該中心處理平臺只投用了一臺生產(chǎn)分離器。隨著本平臺的開發(fā)井的上線以及井口集輸平臺的提頻增液，該中心平臺處理液量也隨之增大。投產(chǎn)初期時運行的一臺生產(chǎn)分離器已經(jīng)不能夠滿足需求，但當(dāng)投用第二臺生產(chǎn)分離器時，出現(xiàn)了兩臺生產(chǎn)分離器分液嚴(yán)重不均的情況，生產(chǎn)分離器A 的進液量極少，進入的氣體很多，而主要進入生產(chǎn)分離器B 的則是液，很少有氣體的進入。為了探究生產(chǎn)分離器分液不均的原因，本文利用多相流的流型分析管道中流體的狀態(tài)，進而分析分離器分液不均的原因。

該中心處理平臺的兩臺生產(chǎn)分離器入口管線僅有一道自動控制關(guān)斷閥門，并不能作為調(diào)節(jié)流量的閥門來使用。所以兩臺生產(chǎn)分離器的入口流量僅通過入口管線的布置及調(diào)整生產(chǎn)分離器的設(shè)定壓力來進行分液，圖1 為生產(chǎn)分離器入口管線的三維布置圖。從圖1 可以看到，兩臺生產(chǎn)分離器入口管線是從26 英寸管線的上端與下端引入生產(chǎn)分離內(nèi)。

圖1 生產(chǎn)分離器入口管線的三維布置圖

在研究了平臺設(shè)計方模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果得知，在26 英寸主管線內(nèi)氣量為41 300 Sm3/d，液量為65 000 m3/d 的情況下，26 英寸管線內(nèi)的流體為氣泡流流型。此時，天然氣以氣泡的形式均勻分布在液相中，是一種穩(wěn)定的均相流動狀態(tài)。在這種流型下，氣液將均勻地進入生產(chǎn)分離器A/B 的入口管線，此時生產(chǎn)分離器應(yīng)氣液均勻地進入生產(chǎn)分離器A/B 進行處理。但中心平臺的處理液量不可能直接達到65 000 m3/d，其需要一個緩慢增加至該液量的過程，而一臺生產(chǎn)分離器的最大處理液量只有41 640 m3/d，由于兩臺生產(chǎn)分離器進液不均衡，無法實現(xiàn)液量從41 640 m3/d 增加到65 000 m3/d，從而造成無法實現(xiàn)管道內(nèi)流體達到氣泡流流型的狀態(tài)。

為了緩解一臺生產(chǎn)分離器的壓力，后期通過調(diào)節(jié)兩個分離器內(nèi)的壓力差等措施均不能完全將兩個分離器均勻分液，所以分離器分液不均的問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了該中心處理平臺的處理能力。為解決此問題，本文主要是通過某商業(yè)多相流軟件來模擬在井口集輸平臺來液量40 000 m3/d，氣量47000Sm3/d，中心處理平臺產(chǎn)液量21000m3/d，氣量25000Sm3/d情況下，對管線內(nèi)的流體流態(tài)進行模擬，以此來分析兩臺生產(chǎn)分離器分液不均的原因，并制定相關(guān)解決辦法，結(jié)合現(xiàn)場實際情況擇優(yōu)選取，最終取得了兩臺生產(chǎn)分離器分液均衡的效果。

3 流型的基本介紹

3.1 流型的定義與分類

多相流中，不同的壓力、流量、管路布置狀況和管道的幾何形狀等都會造成相界面的形狀（分布）的不同，即形成不同的流動結(jié)構(gòu)模式，對此稱為流型（流態(tài)，流譜）。

多相流的流型劃分通常有兩類方法：一類是按照流體的外觀形狀來分；另一種是根據(jù)相的分布特點來劃分。以水平氣液兩相流為例，按照流體的外觀形狀，可以分為氣泡流、塞狀流、分層流、波浪流、彈狀流、環(huán)狀流。按照相的分布特點可以分為間歇流、分散流、分離流[1]。

3.2 水平管流流型的特征

水平管流流型主要分為以下幾類，其流型如圖2 所示[2]。

圖2 水平管流流型特征圖

3.3 彈狀流（段塞流）形成原因及危害

彈狀流，又稱段塞流、沖擊流、塊狀流。在彈狀流流型中，氣液分界面由于劇烈波動而在某些部位直接和管子上部接觸，將位于管子上部的氣相分隔為氣彈而形成彈狀流動結(jié)構(gòu)。在水平流動時，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動[3]。

彈狀流一般容易發(fā)生在原油的混輸管道和油井的立管出口處，由于阻力損失和管線布置等原因，混輸管道內(nèi)或井筒內(nèi)壓力的降低，原油中的天然氣逐漸析出。氣泡逐漸匯聚，就會容易形成段塞流。段塞流由于其具有高流速與高動能，容易對閥體和管線造成損壞，同時也會對下游流程造成沖擊。以本平臺為例，若分離器入口管線內(nèi)形成了段塞流，則會對分離器的液位與壓力造成沖擊，使生產(chǎn)流程造成較大的波動，分離器水相出口水質(zhì)變差，嚴(yán)重時還有可能導(dǎo)致平臺的關(guān)斷停產(chǎn)，甚至造成環(huán)境的污染。

4 流型的模擬及分析

本文對中心處理平臺的來液管線以及生產(chǎn)分離器入口管線內(nèi)的流體流型進行模擬。由于管線走向復(fù)雜，我們分別分析每一條管線的模擬結(jié)果。

首先模擬的是從井口集輸平臺輸送至中心處理平臺的20 英寸管線內(nèi)的管線布置圖（見圖3）。

圖3 井口集輸平臺至中心處理平臺26 英寸輸送管線布置圖

模擬后的結(jié)果顯示，在井口集輸平臺來液管道中，它的流型是隨著管道起伏的變化而發(fā)生變化的。在井液流經(jīng)井口集輸平臺至中心處理平臺的管線時，首先需要經(jīng)過垂直向上的管段。這時，管道內(nèi)的流型從開始的彈狀流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀萘?。隨后經(jīng)水平管線穿過棧橋，其流型從氣泡流變回彈狀流。在穿越棧橋時，中間雖有一些彎道，但其流型并未發(fā)生改變，依舊是彈狀流。穿越棧橋后，又連續(xù)經(jīng)歷兩次“U”型彎，其流型又在彈狀流和氣泡流之間來回變化，最終經(jīng)過水平管道輸送至中心處理平臺的26 英寸管匯中，此時其流型為彈狀流。

如圖4 所示，中心處理平臺來液管線較為簡單，井液從各個井口生產(chǎn)管匯匯聚到24 英寸的管道上進行輸送，由于中心處理平臺生產(chǎn)井未完全開發(fā)完成，所以其井液比較少，在流經(jīng)24 英寸管道時，其流型呈分層流的狀態(tài)，在經(jīng)歷一段豎直向下的管段時，其流型逐漸過渡為氣泡流流型。隨后又經(jīng)歷一段水平管流，它的流型再一次變?yōu)榉謱恿髁餍?。隨后經(jīng)過豎直向上管段，流型從分層流過渡為氣泡流。最后流經(jīng)一段與豎直方向成45°角的傾斜管段匯入26 英寸的管道，與井口集輸平臺來液匯合。此時其流型從氣泡流過渡為彈狀流。

圖4 中心處理平臺井口來液管線布置圖

兩個平臺來液匯入26 英寸的管線中，由于26 英寸管線位于同一水平面且沒有彎曲，所以其內(nèi)流型并沒有發(fā)生變化，始終保持彈狀流流型。通過圖2 我們可以看到，在彈狀流流型中，當(dāng)在水平管內(nèi)流動時，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動。而該中心處理平臺的兩臺生產(chǎn)分離器的入口管線分別從26 英寸管線的上端與下端進行引入，所以生產(chǎn)分離器的入口從26 英寸管線上端引入生產(chǎn)分離器A，該生產(chǎn)分離器中進入的天然氣量與油量比較多。而生產(chǎn)分離器的入口從26 英寸管線下端引入生產(chǎn)分離器B，則其內(nèi)主要進去的是生產(chǎn)水，天然氣的進入量很少，除非出現(xiàn)較大的段塞流，天然氣會進入生產(chǎn)分離器B。而從油井井底攜帶的雜質(zhì)以及陶粒和沙礫，也更容易進入生產(chǎn)分離器B 中，這也正符合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況。

在26 英寸管道中，由于管道內(nèi)的流體流型為彈狀流流型，又稱為段塞流，其對管線的沖擊以及對下游流程的沖擊較大，但在實際生產(chǎn)過程中，并未發(fā)現(xiàn)管道劇烈震動以及生產(chǎn)流程有太大的波動。由管線內(nèi)出現(xiàn)段塞流而對流程造成波動的情況很少發(fā)生。所以，結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況以及流型模擬進行分析，在26 英寸的管線中，其內(nèi)流型雖為彈狀流，但其氣彈較為均勻，并未形成嚴(yán)重的段塞流，所以分離器雖然分液不均，但流程仍然能夠正常平穩(wěn)地運行。

5 解決方案

由模擬后的結(jié)果分析可知，在上述流量的情況下，在26英寸管道中，由于管道內(nèi)的流體流型為彈狀流流型，又稱為段塞流，其對管線的沖擊以及對下游流程的沖擊較大，但在實際生產(chǎn)過程中，并未發(fā)現(xiàn)管道劇烈震動以及生產(chǎn)流程有太大的波動。由管線內(nèi)出現(xiàn)段塞流而對流程造成波動的情況很少發(fā)生。所以，結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況以及流型模擬進行分析，在26 英寸的管線中，其內(nèi)流型雖為彈狀流，但其氣彈較為均勻，并未形成嚴(yán)重的段塞流，所以分離器雖然分液不均，但流程仍然能夠正常平穩(wěn)地運行。為了解決兩臺分離器分液不均的這一問題，特給出以下幾種解決方案。

5.1 在生產(chǎn)分離器入口前加裝段塞流捕集器

段塞流捕集器按照結(jié)構(gòu)來分主要分為兩大類，分別為管式和容積式。這兩種段塞流捕集器都能夠起到分離油氣的作用，同時也能夠為下游設(shè)備輸送穩(wěn)定的液量進行處理。

容積式段塞流捕集器的結(jié)構(gòu)與緩沖罐相似，它能夠為混輸管線內(nèi)的油氣段塞提供充足的緩沖時間，以減輕段塞流對下游處理流程的影響。同時它也能為化學(xué)藥劑提供充足的反應(yīng)時間，能夠最大限度地消除原油表面的氣泡，減輕下游外輸泵由于原油中帶有天然氣而對泵造成汽蝕。同時它還具有結(jié)構(gòu)簡單和占地面積小的優(yōu)點，適用于海上生產(chǎn)設(shè)施。

管式段塞流捕集器主要由多根傾斜的管子并聯(lián)組成。它的占地面積較大，不適用于海上生產(chǎn)設(shè)施，通常用于天然氣-凝析液海底管道的陸上終端。

在實際應(yīng)用當(dāng)中，由于油井預(yù)估的產(chǎn)量與實際產(chǎn)量并不完全相符，段塞流捕集器常常會出現(xiàn)設(shè)備選型不經(jīng)濟和分離不徹底的情況。所以選擇此方案時，應(yīng)與現(xiàn)場實際產(chǎn)量和現(xiàn)場所處空間以及平臺的承重和經(jīng)濟性等相關(guān)因素相結(jié)合。

5.2 在入口增設(shè)截止閥

截止閥在石油生產(chǎn)方面有著較為廣泛的應(yīng)用，截止閥除了起著截斷其所在管線中的介質(zhì)的作用外，還具有調(diào)節(jié)流量的重要作用。在生產(chǎn)分離器A/B 入口關(guān)斷閥前增設(shè)一個截止閥，通過控制兩個截止閥的開度來對進入兩臺生產(chǎn)分離器的液量進行調(diào)節(jié)，能夠有效解決兩臺分離器分液不均的問題。同時，截止閥后的關(guān)斷閥可設(shè)置為自動狀態(tài)，僅作為關(guān)斷閥來使用，降低流程運行風(fēng)險。此方法各油田都有廣泛的使用，但當(dāng)分離器的處理量較大時，流體對閥桿的沖擊較大，有將截止閥閥桿沖斷的風(fēng)險。

5.3 對入口管線進行改造

對現(xiàn)有入口進行改造有很多種方法，但其改造的核心就是不再讓兩臺分離器入口管線分別從26 英寸管線的上端和下端引入。在對入口管線進行改造時，可將兩個分離器入口管線均從26 英寸管線的下端引入，使26 英寸管內(nèi)的流體依次經(jīng)過兩個分離器的入口管線，從而進入兩臺生產(chǎn)分離器進行處理。通過其他油田的設(shè)計和實際應(yīng)用來看，該方案可靠且能夠穩(wěn)定運行。此外，本方案還具有施工量少、改造時間短、經(jīng)濟性好的特點。

5.4 將兩個生產(chǎn)分離器的入口進行分離

將井口集輸平臺來液與中心處理平臺自己的產(chǎn)出液分開進行處理，使兩個平臺的液分別進入兩個分離器，即分成兩個系列。同時兩個系列之間加裝一條管線和一個球閥與截止閥，可以調(diào)節(jié)兩個系列的流量。由于中心處理平臺是新建平臺，在投產(chǎn)初期，該中心處理平臺的處理液量較少，此時可以只投用一臺生產(chǎn)分離器，將中心處理平臺所產(chǎn)的液通過兩個系列之間的球閥與截止閥進入生產(chǎn)分離器。隨著中心處理平臺產(chǎn)液量的增加，可將中心處理平臺的液量轉(zhuǎn)入另一臺生產(chǎn)分離器進行處理，兩個系列之間通過球閥與截止閥進行隔離。如果井口集輸平臺來液增加，甚至超過單臺生產(chǎn)分離器的最大處理量，可以通過調(diào)節(jié)兩臺生產(chǎn)分離器的壓力或者兩個系列之間截止閥的開度，讓流體分流一部分液至處理中心平臺來液的生產(chǎn)分離器內(nèi)，以緩解另一臺分離器的處理壓力。但此種方法雖能徹底解決分離器的分液問題，但是在實際生產(chǎn)過程中，用此種方法進行改造所需的工作量較大，改造時間長，停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟損失較大，所以此方案從經(jīng)濟角度來考慮，不經(jīng)濟可行。

6 實際效果

通過以上分析可知，造成兩臺生產(chǎn)分離器分液不均的主要原因是流體在26 英寸管道里形成了彈狀流流型，而氣彈主要沿著管道上部進行流動，再加上分離器入口管線的特殊布局，造成了兩臺生產(chǎn)分離器的分液不均。按照設(shè)計方所設(shè)計模型分析的結(jié)果，分離器液量在65 000 m3/d 以上可以實現(xiàn)穩(wěn)定氣泡流，理論上若三臺注水泵在線，提高液處理量65 000 m3/d 以上可以實現(xiàn)均勻分液，不需改造。但由于現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，油田產(chǎn)氣量比設(shè)計方所選取的參數(shù)大，流體在管道中的流型會發(fā)生變化，且因為油田電量等一直未能提液試驗。僅僅通過調(diào)整生產(chǎn)分類器壓力設(shè)定參數(shù)來實現(xiàn)處理液量的增加非常困難，因此，在平臺進行停產(chǎn)檢修時完成分離器的優(yōu)化改造。其所采用的方案是兩臺分離器的入口均從26 英寸管道的下方引入，同時在分離器入口關(guān)斷閥前增設(shè)了一個截止閥（見圖5），在調(diào)整管線布局以改變分液狀況的同時，也可以通過截止閥開度來對分離器的進液量進行調(diào)節(jié)。目前，兩臺分離器均勻分液，兩臺生產(chǎn)分離器水相出口水質(zhì)明顯改善，現(xiàn)場流程也能夠平穩(wěn)運行，改造效果良好。

圖5 中心處理平臺分離器入口管線改造后效果圖

7 結(jié)語

通過對生產(chǎn)分離器入口管線的布局進行改造并加裝截止閥，從根本上實現(xiàn)了兩臺生產(chǎn)分離器的進液均衡，兩臺生產(chǎn)分離器水相出口水質(zhì)明顯改善，現(xiàn)場流程平穩(wěn)運行。該研究及解決問題的方法將為后續(xù)平臺建造及具有相同生產(chǎn)瓶頸的平臺提供指導(dǎo)意義。