海洋油气开发用水下紧凑型多相分离技术.pdf

石 油机械 2 0 1 2年第4 0卷第 1 0期 型多相分离技术推到了一个全新高度。 水下生产系统在 国内尚处于起步阶段 ，目前集 中在水下采油树、水下生产控制系统、海底管汇设 计 、电子电力系统和信息传输等方面 ，还没有 自主 开展海底多相分离技术与设备方面的研究 。为此 ， 笔者介绍几种最新的水下紧凑型多相分离技术及其 工程应用情况 ，以推动我国水下生产系统领域相关 技术的研发进程 ，促进深水海洋油气 田的开发。 1 立式沉箱类分离器 1 ． 1 应 用于 P a r q u e d a s C o n c h a s 油 田的立 式沉 箱分 离器 立式沉箱 分离 器 由 S h e l l 石 油公 司联合 F MC T e c h n o l o g i e s 公司研制开发 ，2 0 0 6年首次应用于 巴 西近海深水 区域 P a r q u e d a s C o n c h a s油 田。该油 田 水深 1 5 0 0～1 9 8 0 m，以重质油为主。由于油田 自 身压力较低 ，且处于超深水作业环境，采用常规技 术开采难度较大 ，所以决定采用水下生产系统来开 采 ，而沉箱分离器则成为其中最关键的技术创新之 一 [ 4一 立式沉箱分离器的前身是垂直环空分离和泵送 系统 ，主要 实现气． 液分离和液相举升。油井产 出 物从水下管汇进入 V A S P S ，通过螺旋型流道实施气 一 液分离 ，气体依靠 自身压头通过管线上升至水面 平台，液相则由电动潜油离心泵 E S P 运送至水 面。该技术已成功应用于 巴西近海的 Ma r l i m油 田， 用于分离来 自MA一 0 1 井的开采物并将分离后的产 物输送到 P一 0 8半潜式平台上。立式沉箱实际上是 一 口位于海床下的仿制井，油井产出物在其中完成 气一 液 2相的分离过程。 如 图 1 所示 ，P a r q u e d a s C o n c h a s 油田采用的水 下多相分离系统主要包括 2个沉 箱一 E S P单元 、气 体输送管线和原油输送管线等。分离过程主要发生 在沉箱一 E S P单元 ，该单元主要包括 安装在 海床 以 下约 9 2 m的沉箱 ，位于沉箱上部的圆柱形旋流气- 液分离器和安装在沉箱内底部 、功率为 1 1 1 8 ． 6 k W 的电动潜 油离心泵 E S P 。来 自海底各油井 的采 出物首先经过 多相 流输送管路 汇集进入沉箱． E S P 单元 ，然后由切向入 口倾斜 向下进入沉箱分离器 ， 在 自上而下螺旋状态的运动过程中因离心力作用实 现气- 液 2相 的预分 离。液相在 离心力和重力 作用 下被甩向沉箱分离器的器壁时与气相再次分离 。液 体 向下流人沉箱的集液区，经 E S P和输油管线送往 海上平台，气 相 以 自身压 力 即沉 箱 内部工作 压 力为动力向上流动 ，经气体输送管线送往海上平 台。在海底实施气． 液分离既有效避免了由于超深 水环境而产生水合物的情况 ，同时又降低 了混合相 在输送过程 中出现段塞流现象的风险 。 。 』 。 分 离后 的 气相 出 口 分 离出 来 的气体 卜降的液 体 薄膜层 图 1 沉 箱一 E S P分 离 系统 工 艺流 程 示 意 图 F i g ． 1 Di a g r a m o f t e c h no l o g i c a l pr o c e d ur e f o r c a i s s o n ES P s e p a r a t i o n s y s t e m 1 一沉箱． E S P分离器 ；2 一 E s P ；3 m离心泵 组 ； 4 一保 护器 ； 5 一 潜油 电动机 ； 6 一罩 筒 。 1 ． 2 应用于 P e r d i d o油田的沉箱气． 液分离器 位于墨西哥湾超深水区域的 P e r d i d o油 田水深 约 2 5 0 0 m、作业压力约 3 1 MP a ，地处得克萨斯州 加尔维斯顿 港以南 4 0 2 ． 3 4 k m，下属 G r e a t Wh i t e 、 T o b a g o和 S i l v e r T i p 3个区块 。P e r d i d o 油 田与 P a r q u e d a s C o n c h a s 油田具有相似的开采条件和作业环境。 因此 ，S h e l l 石油公司决定在 P e r d i d o油 田的水下 生 产系统中继续采用立式沉箱气一 液分离技术 ，并结 合 P e r d i d o 油 田的具体情况进行相应改进 。 P e r d i d o 油 田的水下生产 系统共使用 了 5个 沉 箱气． 液分离器。每个沉箱气一 液分离器包括人 口组 件和分离器主体 2大部分，带有大型钢制入 口组 件 ，这是该系统与 P a r q u e d a s C o n c h a s 油 田用海底 立式沉箱分离器的最大区别。入 口组件基于美国塔 尔萨大学 T u l s a U n i v e r s i t y 多相分 离技术研究 中 心的气液圆柱旋流器技术研制而成。海底油井产出 物首先进入如图 2所示的人口组件 ，其切向入 口使 气液混合物在沉箱壳体内壁产生轻微的离心分离过 程 ] 。经过人 口组件的预分离作用后 ，气液混合相 进入沉箱气． 液分离器 的主体分离 区中，该分离区 的深度约为 1 0 5 m、大 、小 外径分 别为 8 8 9 、4 0 6 m i ll ，工作原理与 P a r q u e d a s C o n c h a s 油 田使用的沉 箱分离器相似。流人分离器底部的液体经功率 1 ． 2 MW 电动潜油离心泵输送至海上平 台，顶部 回收的 气相经 气 体管 线输 送 至海 上平 台 “ J 。图 3为 P e r d i d o 油田沉箱气． 液分离 系统 的工作 原理及分离 器 三维造 型示 意 图。 一 气 3 4分 自5 6 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 l 0期 图 5 P a z fl o r油 田海 底 气 一 液 分 离 系统 工 艺 流程 示 意 图 Fi g ． 5 Te c hn o l o g i c a l flo wc h a r t o f s e a o o r g a s l i qu i d s e pa r a t i o n s y s t e m i n Pa z flo r Oi l fie l d 1 --1 0 i n多相 油 、 水 流生产管路 ；2 -6 i n气相升管 ；3 1 O in液相 油 、水升管 分 离器 具有 更 大优 势。第 2阶段 的认 证 于 型管式分离器 ，即 F M C T e c h n o l o g i e s 公司 的卧式多 2 0 0 7年 6月住 I F I 位于 S o l a i z e的多相流测试环道 管气一 液分离器 、挪威 S t a t o i l 公司 的卧式 根盘管 G O w S P } 进行 ，与第 1阶段的试验装置有所不 式分离器 、意大利 S a i p e m公司的立式多管分离器 ， ，木次测试使州的是按比例缩小的与实际T程没 这里主要介绍后 2种。 备存结构 、材料等方面完全一致的试验样机 ，测试 3 ． 1 卧式单根盘管式分离器 用油也变 为取 自 Mi o c e n e油藏 的原 油 。测试结 卧式单根盘管式分离器的设计思想最早 南挪威 果表 明，立式 气一 液分 离器 在气 体 体积 分数 低 于 N o r s k H y d r o 公司研究 中心 的技术人员提 出，主要 1 5 ％时，仍能保证很高 的分离效率。2 0 0 8年 5月， 用于重力式液一 液分离。其设计理念主要基于 以下 挪威 F r a m o 公 司设计制造的混输泵进行了为期 2月 4点 ①通过减小分离器的直径 ，能够缩短水颗粒 的系统测试。2 0 0 8年 7月 ，立式气一 液分离器 内部 的沉降距离和相应所需的沉降时间 ；②通过增大水 组件的认证测试于荷兰 F M C C D S公司进行 ，内部 相的界面区域面积 ，能够减小界面水力载荷 ；③通 组件的认证同样选州按 比例缩小的测试模型 。 过增大油水乳化层上所受的剪切力 ，能够加速乳化 在进行了一系列认证测试后 ，将海底分离单元 层 的分解，使得管式分离系统能分离更为稳定 的乳 S S U组装集成 ，_并进行 了浅水 区域试验。2 0 1 0 化液和高粘度的采 出液 ；④通过增大轴向平均流速 年被运在安哥挣 P a z l l o r 油 田现场 安装 ，2 0 1 1年 1 约 1 ． 0 m ／ s ，使油井产 出液处于湍流流态 ，能够 川，3个质 量 为 1 2 0 0 t的 S S U单 元 安 装 完成 ， 提高油水分离效率。初步计算结果表明，在达到同 2 0 1 1年 8月 P a z fl o r 油 田成功投产 ，海底立式分 样处理能力和处理效果 的前提下 ，常规重力卧式分 离器作业情况 良好。 离器的质量为 3 2 0 t ，而卧式单根盘管式分离器 的 3 紧凑 型管式分 离器 采用管式分离器是整个油井产出物多相分离技 术的创新性突破 ，不仅在同等壁厚下能够承受更高 的外部静水压 力和内部流体压力 ，而且充分体现了 其紧凑的特点，尤其适用于深水和超深水水下生产 系统。迄今为止 ，已有 3家公司开始研制开发紧凑 质量仅有 6 0 t ；水下分离器站 的质量则 由 4 5 0 t 减 轻到 2 1 2 t ，极大地减少了1 二 程项 目建设投资 ，降 低 了施工作业和运行维护难度 。 。 完整卧式单根盘管式分离系统结构如 图 6所 示 ，由人 口用 于气一 液 分离 的 G a s H a r p、管 式分离 器 、出 口区域和 气体 旁 路等 组 成。在 位 于 P o r s g r u n n研究中心的高压循环流道上对其进行 了分离 效率和处理能力等方面的性能测试 ，定 义出水 [ J 的 石 油机械 2 0 1 2年第 4 O卷第 1 0期 器 的总体结构、关键元件的尺寸参数以及分离器内 部的多相流动状态 ，以减小分离器人 口处的湍流和 剪切效应 ，进而优化设备的分离性能。为了确保设 计的立式多管分离器在实际工况下的分离性能 ，还 对其进行了系统的测试和认证 。认证第 1阶段主要 测试分离器在模拟各种多相人 口条件下的流体动力 学性能，采用由 4个独立分离管组成立式多管分离 器样机进行室内测试 ，样机材料选用有机玻璃 ，以 便于观察整个分离系统内部的工作情况 。认证第 2 阶段在 I F P的多相流测试环道上进行 ，采用原油 、 含盐水和天然气等与真实工况极为相似的多相流流 体进行试验 ，设备采用工程材料制成 。测试结果表 明，液相 出口的气相体积分数在各种测试条件下始 终低于 1 0 ％，即使在入 口含气率为设计值 1 ． 2 5倍 的情况下 ，分离器仍能保持稳定 良好 的分离效率 。 虽然立式多管分离器在 G O w S P平台上完成 了 测试 ，但 目前 尚未有资料表明该技术已被应用于相 关水下生产系统中。 4 结 论 1 水下多相分离技术作为水下生产系统中的 关键技术 ，其成功实施能够提高海洋油气 田的经济 效益。与常规重力式海底多相分离技术相 比，应用 紧凑型多相分离技术可使设备在外形结构 、质量体 积、工程造价等方面更符合未来海洋油气资源向深 水、超深水领域发展的要求 ，因此该技术 已经成为 近十年世界知名石油公 司研 制开发的热点 ，并在 P a r q u e d a s C o n c h a s 、P e r d i d o 、P a z fl o r 、Ma d i m 等迄 今最具油藏资源和环境条件挑战性 的油田应用。 2 从分离原理的角度来看 ，立式沉箱类分离 器 、海底立式容器类分离器、卧式单根盘管式分离 器和立式多管分离器仍主要基于重力沉降原理进行 分离 ，只有立式沉箱类分离器还同时应用了切向入 口的旋流分离技术进行气一 液预分离 。从 承受水深 静压力的角度来看，沉箱类分离器将主体分离工作 区沉箱置于海床泥线以下 ，基本弥补了大直径 筒状容器在外压承受能力方面的不足 ；管式分离器 采用管道作为多相分离的作业空间 ，与大直径筒状 容器相比，也从一定程度上大大提高 了分离器承受 外压的能力 ，而分离空间能力的不足则通过增加单 根管道长度或将多根管道并联的方式来弥补。 3 除笔者介绍 的几种侧重于气- 液分离用水 下紧凑型多相分离技术以外 ，诸如 T w i s t e r TM超音速 气． 液分离 、内联超紧凑型气一 液分离等新型水 面分 离技术也将会在未来数年内被移植应用于水下生产 系统。此外 ，包括针对采 出液 电脱水 、采 出液 除 砂 、海水回注处理等场合的紧凑型技术和设备也将 会被移植应用于水下生产系统 ，建议国内同行予以 密切关注。 参考文献 [ 1 ] 陈家庆 ．海洋油气开发 中的水下生产 系统 一 [ J ]． 石油机械，2 0 0 7 ，3 5 5 5 4 5 8 ． [ 2 ] 陈家庆 ．海洋油气开发中的水下生产 系统 二 海底处理 技术 [ J ]．石 油机 械，2 0 0 7 ，3 5 91 5 01 5 6 ． [ 3 ] 丁艺，陈家庆 ．深水海底油水分离的关键技术分 析 [ J ]．过滤与分离，2 0 0 9 ，1 9 2 1 01 5 ． [ 4 ] I y e r S ，L a n g P ，S e h o p p a W，e t a 1 ． S u b s e a p r o c e s s i n g a t P a r q u e d a s C o n c h a s B C一1 0 t a k i n g fl o w a s s u r a n c e t o t h e n e x t l e v e l[ C ]∥O T C 2 0 4 5 1 ，p r e s e n t a t i o n a t t h e Of f s h o r e T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e h e l d i n Ho u s t o n ， Te x a s， USA， Ma y 3 __ 6，201 0． [ 5 ] S t i n g l K H，P a a r d e k a m A ． P a r q u e d a s C o n e h a s B C 一 1 0 一 a n u l t r a de e pwa t e r he a v y o i l de v e l o pme n t o f f s h o r e Br a z i l [ C ]／ ／ O T C 2 0 5 3 7 ，p r e s e n t a t i o n a t t h e 2 0 1 0 O f f s h o r e T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e h e l d i n Ho u s t o n，T e x a s ，US A， Ma y 3 -6．2 01 0． [ 6 ]H o w e l l C ，A n d fi n g R，Wi b n e r C，e t a 1 ． P a r q u e d a s C o n c h a s B C一1 0 F P S O E s p i r i t o S a n t o a n u l t r a d e e p w a t e r h e a v y o i l s u r f a c e h o s t f a c i l i t y [c] ／ ／O T C 20 6 47，pr e s e n t a t i o n a t t he 2 01 0 Of f s h o r e Te c h n o l o gy Co n f e r e no e he l d i n Ho u s t o n，Te x a s ， US A， Ma y 3 ， 201 0． [ 7 ]Ha r r i s D，H u g h e s B a k e r ，B o d e W，e t a 1 ． B C一1 0 t h e fir s t s u c c e s s f u l r e p l a c e me nt s o f c a i s s o n ESPs i n d e e p wa - t e r B r a z i l[ C ]／ ／ S P E 1 5 2 1 8 8 ，p r e s e n t a t i o n a t t h e L a t i n Ame r i c a n a n d C a r i b b e a n P e t r o l e u m En g i n e e r i n g C o n f e r e nc e． Apr i l 1 6 1 8．201 2． [ 8 ] J u G T，L i t t e l l H S ，C o o k T B，e t a 1 ． P e r d i d o d e v e l o p m e ri t s u b s e a a n d fl o w l i n e s y s t e m [ C]／ ／ O T C 2 0 8 8 2 ， p r e s e n t a t i o n a t t h e Of f s h o r e T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e h e l d i n Ho u s t o n，Te x a s，US A ，Ma y 3_ _ 6，2 01 0． [ 9 ]L i t t e 1 1 H S ，J e s s u p J W，S c h o p p a W W，e t a 1 ． P e r d i d o s t a r t u pfl o w a s s u r a n c e a n d s u b s e a a r t i fi c i a l l i ft p e rf o r m a n e e[ C]∥O T C 2 1 7 1 6 ，p r e s e n t a t i o n a t t h e O f f s h o r e Te c h no l o gy Co n f e r e nc e h e l d i n Ho u s t o n，Te x a s，USA， Ma y 2 _ 5．2 01 1 ． [ 1 O] G r u e h a g e n H，L i m D ． S u b s e a s e p a r a t i o n a n d b o o s t i n g a n o v e r v i e w o f o n g o i n g p r o j e c t s[ C]／ ／S P E 1 231 59，pr e s e n t a t i o n a t t he 2 0 09 S PE As i a Pa c i fic O i l a n d Ga s C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n h e l d i n J a k a r 2 0 1 2年第 4 0卷第 l 0期 李锐锋等 海洋油气开发 用水下紧凑型多相分 离技 术 一 1 1 7一 上 接 第 1 1 0页 4 高温高压条件下 ，对站内汇管各段分析 ， 得出管道 中流动对 C O ， 腐蚀 的影响规律 ①不存在 湍动或湍动小时 ，腐蚀 占主导地位 ，较小的冲蚀 只 发生在管道底部。随着气液 2相流速的增加 ，腐蚀 率迅速降低 ，然后趋 于平稳。当流速较小时，壁厚 减薄率最大。②湍动严重情况下 ，流速较小时 ，腐 蚀一 冲蚀共同作用显著，表现为对腐 侵蚀 的加剧 作用，管壁侵蚀率大大增加 ；而当流速较大时 ，腐 蚀来不及进行 ，冲蚀占主导地位 ，管壁侵蚀率较低 ， 且壁厚减薄率随着气液 2相流速增加而逐渐增加。 参考文献 [ 1 ] 李殉 ．井 下油套 管二 氧化碳 腐蚀研 究 [ D]．成 都四川大学，2 0 0 5 ． [ 2 ] 高洪斌 ．二氧 化碳对油 田集 油管线腐蚀 的预测 [ J ] ．石 油天然气 学报 ，2 0 0 6 ， 2 8 4 4 1 0 4 1 3 ． [ 3 ] 张忠铧，郭金宝 ． C O ， 对油气管材的腐蚀规律及国 内外研究进展 [ J ]．宝钢技术 ，2 0 0 0 4 5 4 5 8 ． S c h mi t t G． F r a c t u r e Me c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f C O2 C o r r o s i o n Pr o d u c t S c a l e s a nd Th e i r Re l a t i o n t o Lo c a l i z e d Co r - r o s i o n[ C ]．[ S ． n ． ] ，1 9 9 6 ． 林冠发，白真权，赵新伟 ，等 ． C O 腐蚀产物膜形 态结构与 温度 和压力 的关 系 [ J ]．石 油机 械， 2 0 0 5 ，3 3 2 1 3 ． 张清，李全安，文九巴，等 ． C O 分压对油管钢 腐蚀 产 物 膜 的 影 响[ J ] ．石 油 机 械 ，2 0 0 4 ，3 2 41 31 4 ． 田光 ．流速对 C O 腐蚀速率影响的研究 [ D]． 西安 西安石油大学 ，2 0 1 0 ． 第一作者简介艾 国生 ，高级工程师，生于 1 9 7 1年， 1 9 9 4年毕业 于大庆石 油学 院石油加 工专业 ，现从 事油 田油 气集输及处理工艺技术研究工作。地址 8 4 1 0 0 0 新疆库 尔勒市。Em a i l a i g s t i mp e t r o c h i n a ． c o rn． e n 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 41 3 本文编辑谢守平 1 j] ●J] J] J