海底分离技术的最新进展_熊磊

国外石油机械海底分离技术的最新进展*熊 磊 朱宏武 张金亚 丁 矿 袁树礼(中国石油大学(北京)机电工程学院)摘要 随着海上石油开采向着深水进军,海底油井产出物的水下分离成为了一个亟待解决的问题。

针对不同油田的特点,海底分离技术主要包括海底气液分离,海底液液分离,海底气液固分离这3种类型。

分别阐述了这3种分离技术应用的意义,对比分析了这3种分离技术常用的几种分离方法的原理和优缺点,介绍了部分已经应用到各个油田现场的分离装置。

该项研究为国内科研人员进一步研究海底分离技术提供了一定的参考。

关键词 海底分离 液液分离 气液分离 气液固分离 最新进展随着陆上油田的开采已经不能满足人们的需求,海洋石油开采不但是世界海洋油气发展的趋势,也是中国海洋油气发展的战略目标。

十一五期间,中国国内原油产量中的增量部分将主要依靠海洋石油[1]。

水下生产系统是一种将全部或部分油气集输设备放置于海底,低成本开发海洋石油的先进方法。

开发海洋石油的水下生产系统要解决的关键问题之一就是油井产出物的水下处理问题[2]。

海底油井的产出物是油气水砂的多相混合,涉及多相流的分离问题。

国外的海底分离技术已经应用到了海洋油田的开采中,国内仅北京石油化工学院曾对国外海底分离技术进行过一些介绍。

近年来,海底分离技术又有些新的技术和新的关注点,笔者拟对此进行介绍,希望能够为国内研究人员提供一些借鉴。

1 海底液液分离技术在近海和浅水海洋油气田开发中,一般都是将油井产出物举升到水面生产设备上后再进行各种分离。

随着开采时间的不断延长,油井产出物中的含水率越来越高,需要处理的产量也越来越大,相应的分离设备的容积也越来越大,极大地占用了海上生产平台的空间,提高了制造和运行的成本。

采用海底液液分离技术就可以将油井产出物中的大部分水在海底井口附近分离出来,不仅能够减轻立管静压力和水面分离设备的工作载荷、减少举升动力消耗,而且降低了井口背压,进而提高油井的采收率[3]。

现有的海底液液分离技术主要有常规重力分离技术、半紧凑型重力分离技术和管道分离技术3种。

1 1 常规重力分离技术常规重力分离技术是利用油与水的密度差及油与水的不相溶性,在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离[4]。

此项技术原理简单,已经在水面设备的应用中取得了不错的效果。

但常规重力分离容器的长度和直径都比较大,不利于安装和制造,其系统运行费用也较高。

近年来,该技术与静电聚结强化技术相结合,缩短了分离需要的沉降时间,并且提高了分离效率。

Tro llC油田的海底分离与回注系统(SUBSIS)就是采用常规重力分离技术。

SUBSIS项目的系统工作水深340m,所用海底油水分离器长度为11 8 m、直径为2 8m,其额定工作压力16M Pa,最大绝对压力18MPa[5]。

图1是应用到Tro ll C油田的水下液液分离装置。

图1 T ro ll C油田水下液 液分离装置752010年 第38卷 第10期石 油 机 械CH I NA PETROLEUM M ACH I NERY*基金项目:国家863高科技发展计划项目海洋油气混输多相泵关键技术研究!(2007AA09Z316)。

1 2 半紧凑型重力分离技术半紧凑型重力分离技术同样是重力式分离技术,不同的是,半紧凑型重力分离技术在分离装置的前端通过1个入口旋流器把气体分离出来,并通过气体旁路管线将分离出来的其他组分送出分离器外。

相比于传统的重力分离技术,更加适合于海底应用,并且在高含气率时比常规重力分离技术有较大的优势。

其缺点在于其分离容器体积较大,并且需要水处理技术来满足严格的油水比需求。

挪威石油公司Stato il 的Tord is 油田水下生产系统水深为200m 。

2007年秋,Stato iH l ydr o 、F M C 和其他供应商对SSB I 站进行了调试,迄今仍在正常运行[6]。

Tordis 油田采用的半紧凑型重力分离器的容器长度为17m,半径为2 1m 。

图2是To r d is 油田的水下液液分离装置的剖视图[7]。

图2 T ordis 油田水下分离装置剖视图1 3 管道分离技术管道分离技术的设计理念主要基于以下4点:通过减小分离器的直径,降低了水颗粒的沉降距离和所需的沉降时间;通过增大水相的界面区域,减小了界面水力载荷;通过增大油水乳化层上所受的剪切力,加速了乳化层的分解;通过增大轴向平均流速,使得油井产出液处于湍流流态[3]。

管道分离技术适用于更深的水深和更高的设计压力,并且在流动状态下有较好的分离效率,因此更加适合不同流体的分离。

缺点在于整体结构仍然很大,仅仅是直径上有减小,并且也需要通过水处理技术来满足严格的油水比需求。

海底管道液液分离技术是由挪威的H ydr o 公司开发的[8],并且已经在Tro ll B 油田中应用。

图3是Tro ll B 油田中的海底液液管道式分离装置图[9]。

图3 T ro ll B 油田的管道式分离装置2 海底气液分离技术传统的提高海底生产系统效益的办法是在接近井口的地方安装一个多相泵,但是多相泵的应用局限在较浅的水深和较短的输送距离。

随着海洋石油开采向深水、极深水延伸,仅利用多相泵已不能满足生产需求。

对油井产出物进行气液分离后,再用单相泵进行泵送,会使单相泵有效增压和提高水力效率,因此海底气液分离技术同样是一个使油田实现更高的经济效益的有效方法。

现有的海底气液分离技术主要有垂直重力分离技术、沉箱分离技术和内联分离技术3种。

2 1 垂直重力分离技术垂直重力分离技术采用螺旋形流道,产出物除重力外还受到一部分离心力的作用,分离效果更好,原理简单,并且已经在水面设备的应用中取得了不错的效果。

但是水面应用不同于海底应用,并且垂直重力分离装置需要大部分垂直埋在海底土层中,其安装和维修难度较大。

法国道达尔(TOTAL )公司在安哥拉开发的Pazflor 油田,利用垂直重力分离技术从油井产出物中分离出天然气。

分离装置高度为9m,直径为3 5m 。

图4是Pazflor 油田的垂直重力气液分离器[10]示意图。

图4 Pazfl o r 油田的垂直重力气液分离器2 2 沉箱分离技术沉箱分离技术结合了气旋分离技术和电潜泵技术[11]。

井底产出物先经过气旋分离装置,混合物从分离器的中上部进入,通过离心力进行分离后,气体从分离器的顶部排出,液体从底部排出。

聚集在底部的液体由电潜泵举升到海面平台。

图5是沉箱分离技术的原理示意图[12]。

此技术适用于深水应用,但是不适合高含砂的情况,并且钻井成本比较高[8]。

目前在Shell Perdido 油田中用来从水深2682m (约8800英尺)的海底提升石油。

图6是She ll Perdido 油田的沉箱式气液分离装置[10]。

76 石 油 机 械2010年 第38卷 第10期图5沉箱分离技术原理示意图图6 沉箱式气液分离装置2 3 内联分离技术内联分离技术是一种很紧凑的技术,井口产出物在井口压力的作用下先经过固定的漩涡单元,使得混合流体旋转。

由于混合物中气液两相的密度不同,液相沿管道壁流动。

在旋转单元后面的管道壁下方开口,对液体进行收集,气液两相就得到了分离。

图7是内联分离技术的原理示意图[13]。

图7 内联分离技术原理示意图此技术适合海底应用,特别是深水应用。

它具有简单的砂处理功能,砂能够随着液体流动,并且内联除砂可以应用在多相的情况下,但是不能处理大的颗粒。

内联分离技术是理想的、潜在的与重力分离技术、沉箱分离技术和管道分离技术相结合的技术。

图8是内联式分离系统图[8]。

图8 内联式分离系统图3 海底气液固分离技术在对井口产出物进行处理时,除砂是不可忽视的问题。

砂可能会让泵磨损进而导致泵的退化,也可能会堵塞分离设备。

在设计水下分离系统时,跟砂有关的问题是设计重点。

由于不确定海底油井产出物的含砂量,在设计海底分离系统时,经常假定井口产出物中的含砂量较高,这就会导致系统设计复杂而且花费较多。

同时由于没有精确的工具和方法来探测井口产出物中砂的产量,故很难在含砂量较高的情况下来保护整个水下分离系统。

Tordis 和Pazfl o r 这2个项目都进行了广泛的砂处理测试[7]。

Tordis 的砂处理分为以下步骤:∀砂作为井口产出物的一部分到达分离站;#井口产出物中的砂在重力分离容器中被分离到底部;∃移砂系统将砂从重力分离器底部移出,累积在重力除砂器中;%动力来源于注水泵增压水的射流泵作为运送工具来驱动砂;&对除砂器进行增压,让砂移到泵的下游。

这个过程已经被证明符合水下运行的要求。

包括除砂器模型的实物试验在安装之前需进行广泛测试。

图9是除砂器模型的测试机构图[7]。

图9 除砂器模型的测试机构图Pazflor 海底气液分离系统是一个比较简单的砂处理解决方案,砂跟随流体流经分离设备和泵到达水面设备,但是在油井产出物具有高含砂量时,这种砂处理方案还有待进一步研究改进。

4 结束语上述海底分离技术各有优缺点,应根据海洋油田的实际需要来选择所需类型。

常规重力分离技术、半紧凑型重力分离技术和垂直重力分离技术都是利用重力来进行分离的技术,同时由于这些装置的体积和质量都较大,所以适用于较浅的水深。

管道分离技术、沉箱分离技术较适用于超深水环境,内联分离技术可以与其他几种技术相结合使用。

同77 2010年 第38卷 第10期熊 磊等:海底分离技术的最新进展时,海底分离系统的除砂也是不可忽视的关键问题。

海底分离技术有着广阔的发展前景,一种适合当地海洋油田开采的海底分离系统将会极大地增加海洋油田的经济效益。

不同地区海底油田的产出物需要分离的重点有所不同,需要探索更加有效、更加紧凑的海底分离解决方案。

我国的海底分离技术尚处于起步阶段,希望笔者的研究能够为国内科研人员进一步研发海底分离技术提供一定的参考。

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,2007,35(5):54-58 [2] 陈家庆 海洋油气开发中的水下生产系统(二)[J] 石油机械,2007,35(9):150-156[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,2009,19(2):10-15[4] 万楚筠,黄风洪,廖 李,等 重力油水分离技术研究进展[J] 工业水处理,2008,28(7):13-16[5] H orn T,BakkeW,Er i ksen G Exper i ence in operati ngwo rl d s first subsea separati on and w ater i n j ection stati on at tro ll o il fie l d i n t he north sea [C ] O ffshore T ech no l ogy Conference ,H ouston ,T exas ,U S A,2003:15172[6] M og seth G F uncti onal ver ifi cation o f the w or l ds fi rst f u llfie l d subsea separati on syste m -T IORA [C] O ffs hore T echno logyCon ference ,H ouston ,T exas ,U S A,2008:19328[7] V an K ho iV u,F anto ft R ,Sha w C ,et a l Co m parisono f subsea separati on system s [C ] O ffs hore T echno l ogyConference ,H ouston ,T exas ,U S A,2009:20080[8] M c C li m ans O T,F anto ft R Sta t us and ne w deve l op m e n ts i n subsea pro cessi ng [C] O ffshore T echno logy Conference ,H ouston ,T exas ,U S A,2006:17984[9] Sagatun S I ,G ramm e P,G unnar H ann i bal L i e eds T hep i pe separator :si m u l a ti ons and experi m ental resu lts[C] O ffshore T echno l ogy Con ference ,H ouston ,T exas ,U S A,2008:19389[10] G ruehag en H,L i m D Subsea separati on and boosti ng-an overv ie w of ongo i ng pro j ects [C] SPE A sia Pa c ific O il and G as Conference and Exhibiti on ,Jakarta ,Indonesia ,2009,Soc i ety o f petroleu m eng i neers ,2009:123159[11] S ti ng l K H,Paardeka m A P arque das conchas-bc -10-an u ltra -deep w ate r heavy o il deve l op m ent o ff shore braz il [C ] O ffshore T echno l ogy Conference ,H ouston ,T exas ,U S A,2010:20537[12] Purdy G,L ittellH,l a jeunesse S P erd i do reg i onal ho st surve lliance &opera ti ons techno l ogy [C ] O ffshoreT echno logy Confe rence ,H ouston,T exas,U S A ,2010:20889[13] H a m oud A A,Boud i A N e w appli cation of an inli neseparati on techno l ogy i n a rea lw et gas fi e l d [C] O ff shore T echno l ogy Conference ,A bu Dhab,i UA E ,U S A,2008:117459第一作者简介:熊 磊,生于1985年,2007年毕业于中国石油大学(北京)机械工程及自动化专业。