【正文】 前 言 3 點(diǎn)，它經(jīng)歷了一個(gè)由淺水到深海、由簡(jiǎn)易到復(fù)雜的發(fā)展過程。從區(qū)域看，海上石油勘探開發(fā)形成三灣、兩海、兩湖的格局。據(jù)估計(jì)，海洋石油資源量約占全球石油資源總量的 34％，累計(jì)獲探明儲(chǔ)量約 400 億噸，探明率 30％左右，尚處于勘探早第 1章 前 言 2 期階段。 深水開發(fā)技術(shù)經(jīng)歷了從無到有的過程，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)作的深水生產(chǎn)系統(tǒng)，但是深水開發(fā)技術(shù)在很多方面還不成熟，仍然就有很大的提升空間。相比之下，世界海洋油氣勘探開發(fā)迅 速發(fā)展，尤其是勘探程度相對(duì)較低的深海地區(qū)，不斷獲得重大發(fā)現(xiàn)，所發(fā)現(xiàn)油氣田規(guī)模大、產(chǎn)能高，其油氣產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的比例不斷增加。 Compact separator。同時(shí)，論文描述了海底水處理和海底砂處理的方法、好處和必要性，介紹了幾種正在應(yīng)用的海底水處理和砂處理的技術(shù)。 中國石油大學(xué)（華東）畢業(yè)論文 深水油氣分離概念化設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 20xx 年 6 月 15 日 中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)論文 摘要 本文綜述了世界海洋油氣資源 儲(chǔ)量、分布和開發(fā)狀況，并對(duì)我國的海洋油氣資源狀況以及我國深水油氣開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了介紹。 最后，論文簡(jiǎn)要介紹了深水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)和成撬技術(shù)。 water management。因此， 海洋油氣資源無論對(duì)整個(gè)世界石油工業(yè)，還是對(duì)未來世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，都有非常重要的意義。深水分離系統(tǒng)作為深水開發(fā)系統(tǒng)的重中之重更是需要我們將其緊湊性、穩(wěn)定性和高效性提高到一個(gè) 新 的檔次。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)評(píng)估，世界 (不含美國 )海洋待發(fā)現(xiàn)石油資源量 (含凝析油 )548 億噸，待發(fā)現(xiàn)天然氣資源量 萬億立方米，分別占世界待發(fā)現(xiàn)資源量的 47％和 46％?！叭秊场奔床ㄋ篂场⒛鞲鐬澈蛶變?nèi)亞灣；“兩?！奔幢焙：湍虾＃弧皟珊奔蠢锖：婉R拉開波湖。 1887 年，在美國加利福尼亞海岸數(shù)米深的海域鉆探了世界上第一口海上探井，這是海洋石油工業(yè)開始的標(biāo)志。 90 年代，成功解決了溫帶海域油氣開采面臨的鉆井、采油、集輸和存儲(chǔ)等技術(shù)問題，而且高寒水域的平臺(tái)和管線技術(shù)難題也取得重大突破，海洋油氣勘探開發(fā)取得巨大進(jìn)步，作業(yè)水深不斷刷新， 1999 年已近 20xxm，作業(yè)范圍已從北海、墨西哥灣等傳統(tǒng)地區(qū)擴(kuò)展到西非、南美及澳大利亞大陸架等海域。 60 年代末，達(dá) 億噸，占世界總產(chǎn)量的 ％，20 年增加了 8 倍。 [3] 第 1章 前 言 4 0481216億噸1950 1960 1970 1980 1990 20xx 20xx （年） 圖 11 半個(gè)世紀(jì)以來的世界海洋石油產(chǎn)量 據(jù)英國道格拉斯統(tǒng)計(jì)，到 20xx 年海上石油與天然氣的產(chǎn)量分別占總產(chǎn)量的 39%和 34%。 經(jīng)初步估計(jì)，整個(gè)南海的石油地質(zhì)儲(chǔ)量大致在 230 億 300 億噸之間，約占中國總資源量的三分之一，屬于世界四大海洋油氣聚集中心之一，有“第二個(gè)波斯灣”之稱，僅在曾母盆地、沙巴盆地、萬安盆地的石油總儲(chǔ)量就將近 200 億噸，是世界上尚待開發(fā)的大型油藏之一，其中有一半以上的儲(chǔ)量分布在中國海域。據(jù)我國科學(xué)家 1982年估計(jì)，釣魚島周圍海域的石油儲(chǔ)量約 30 億 70 億噸，其他資料反映，該海域海底石油儲(chǔ)量超過 100 億噸。截至 20xx 年底，中國海油已建成投產(chǎn) 50 個(gè)海上油氣田，年生產(chǎn)油氣 4033 萬噸油當(dāng)量。 開發(fā)我國深水資源的意義 據(jù)《世界深水報(bào)告》資源預(yù)測(cè)，未來的 44％油氣儲(chǔ)量在深水中，而現(xiàn)在僅占 3％，可見其潛力之大開發(fā)前景之好。全球水深 5001500 米的油氣勘探已變成了多數(shù)海洋油氣經(jīng)營(yíng)者重要戰(zhàn)略資產(chǎn)的組成部分。 在海洋資源開發(fā)愈演愈烈的今天，我國也必須加快前進(jìn)的步伐，以便能在世界能源大戰(zhàn)中獲得有利的地位。深水勘探 (鉆探 )能力及開發(fā)作業(yè)能力遠(yuǎn)落后于世界記錄 ,如表 12 所示 。 第 2章 深水系統(tǒng) 8 第 2 章 深水系統(tǒng) 隨著海上油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，海洋石油工程技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化，在深水油氣田開發(fā)中，傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)和重力式平臺(tái)正逐步被深水浮式平 臺(tái)和水下生產(chǎn)系統(tǒng)所代替（圖 21），各種類型深水平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造技術(shù)不斷完善。 圖 22 為就是典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。 [9]圖 23 和圖 24 就是現(xiàn)實(shí)中存在的海底增壓用的氣體壓縮機(jī)和海底分離系統(tǒng)。 ? 20xx 年，巴西石油公司對(duì)巴西的海洋氣 液分離器進(jìn)行了操作實(shí)驗(yàn)。 ? 1997 年，挪威斯塔特石油公司在中國的陸豐油田安裝了 Framo 單相電動(dòng)泵。 第 2章 深水系統(tǒng) 12 （ 2）由于沒有海上生產(chǎn)平臺(tái)，就不需要平臺(tái)操作人員，所以減少 了 生產(chǎn)管理操作費(fèi)用和人員運(yùn)送的危險(xiǎn)。同時(shí) ，在海底進(jìn)行水的脫出 降低了長(zhǎng)距離輸送管道中形成水化物的危險(xiǎn)性，使得水合物抑制劑等化學(xué)藥劑的使用減少，降低 了 生產(chǎn)成本。 深水系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) 深水系統(tǒng)雖然有了較大的發(fā)展，但是依然有很多問題沒有解決，依然面臨著很多挑戰(zhàn)： （ 1）距離海岸和海面都很遠(yuǎn)，材料運(yùn)輸以及施工都很困難。 （ 3） 海上油氣田一般具有復(fù)雜的油氣藏特性。 （ 4）海底地勢(shì)起伏，運(yùn)行操作等帶來的問題如段塞流析蠟、水化物腐蝕、固體顆粒沖蝕等已經(jīng)嚴(yán)重威脅到生產(chǎn)的正常進(jìn)行和海底集輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行，由此引起的險(xiǎn)情頻頻發(fā)生 在海上油氣田 。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 14 第 3 章 緊湊型分離設(shè)備 隨著陸上石油資源的迅速枯竭，越來越多的公司希望能夠開發(fā)那些因?yàn)榄h(huán)境惡劣或者開發(fā)費(fèi)用較高而不能開發(fā)的海洋油田。幾家公司正在研究海底分離的理論。海底的高壓與低溫以及惡劣的海況對(duì)海底分離設(shè)備的強(qiáng)度以及保溫性 能 提出了更高的要求，圖 31是一種海底重力式分離器，可以看到，為了增加強(qiáng)度，分離器設(shè)計(jì)成了球形。 ? 它們 非常龐大，占有很大的海底空間。 海底增壓和注水站 挪威石油公司 Statoil的 Tordis油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)于 20xx年開始簽約動(dòng)工，雖然水深僅有 200m，但該工程將商 業(yè)化運(yùn)行世界上第 1 個(gè)海底分離、增壓和注水系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱 SSBIS)，因此堪稱水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展歷史上的里程碑。總成模塊通過 Rovcon 聯(lián)結(jié)系統(tǒng)提供與出油管線之間的連接，并將不同模塊之間串聯(lián)起來 ，估計(jì)帶總成模塊和分離模塊的海底分離 系統(tǒng) 質(zhì)量約 900 噸。這種擁有氣體旁通管線的分離器已經(jīng)申請(qǐng)了第 3章 緊湊型分離設(shè)備 16 專利，與普通重力式分離器相比，它有效地減少了 體積，這在緊湊 性至關(guān)重要 的海底生產(chǎn)系統(tǒng)中的意義重大 ，圖 33 為分離器剖面圖 。考慮到來自油 井出流中的任何砂粒都會(huì)沉積在分離罐底部，因此采用 1 個(gè)帶有特殊噴嘴的沖刷系統(tǒng)以一定的時(shí)間間隔來沖走罐底的沉砂。此外， SSBI 站還配備有 2 個(gè)多相流量計(jì) (Roxar)來測(cè)量油井產(chǎn)出物第 3章 緊湊型分離設(shè)備 17 的組成，進(jìn)而為分離系統(tǒng)的設(shè)置 做準(zhǔn)備。 [13] ? SSBI 站使開發(fā)含水率較高的邊際油田變的經(jīng)濟(jì)可行。 [14] VASPS 的結(jié)構(gòu)與原理 VASPS 分離器包括三個(gè)同心套管，其結(jié)構(gòu)如圖 34 所示。 在承壓套管的頂部，井口來液進(jìn)入螺旋水道中。脫氣液體向下流到螺旋 管 底部，在那里完成最后的脫氣處理，并由液體入口進(jìn)入液體排出管線，經(jīng)電潛泵增壓，將其舉升出 VASPS，進(jìn)入地面管線。 ? 流動(dòng)基：當(dāng)收 回 VASPS 系統(tǒng)后可隔離管線，而不需斷開管線，該流動(dòng)基與 套管相連接 。 ? 承壓套管：包括螺旋部分、液體排出管線和 ESP，在頂部與導(dǎo)管相連并與膨脹腔相連接 。 ? ESP：由 LDP 懸掛在帶有電氣連接件的分離器頂部壓蓋上。 ? 因?yàn)椴恍枰^長(zhǎng)的電纜，電能輸送的損失也較小，所以節(jié)省了大量的能量。生產(chǎn) 回壓 的降低是通過海 底分離（除去大量的水）和多相增壓實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，在管式分離器出口段以后氣液又被混合。氣體篩包括五個(gè)垂直的 短管，它們終止于同一個(gè)旁通管，這個(gè)旁通管將氣體引到出口段以后與分離出的油 混合后一同輸送到表面。管式分離則是一種新的重力分離概念，能夠 在高流速流態(tài)范圍內(nèi)工作。通過減小分離器的直徑，降低了水顆粒的沉降距離和相應(yīng)所需的沉降時(shí)間；在同樣的停留時(shí)間下，水相在管式分離器中通過的界面區(qū)域大于常規(guī)大直徑第 3章 緊湊型分離設(shè)備 23 分離器，這就意味著管式分離器中的界面水力負(fù)荷較低；由于水滴可以在流體中無障礙的通行，所以沉降速度更快。當(dāng)分離發(fā)生在全段管線上時(shí)，流體將分成速度不同的兩層。 圖 39 出口段液體密封段示意圖 1凹槽； 2液體密封； 3管式分離器水平段尾端； 4輸送管線； 5排水管 圖 39 為出口段的液體密封段的放大示意圖。設(shè)計(jì)時(shí)必須保證該段的彎曲半徑足夠大，以使得管道爬行器和其它設(shè)備能夠順利通過。此外，管式分離器出水口的水質(zhì) 明顯好于常規(guī)重力分離器。 [18,19] 超音速氣 液分離器 超音速氣 液分離器簡(jiǎn)介 從 1997 年起，殼牌石油公司開展了天然氣超音速脫水技術(shù)的研究，包第 3章 緊湊型分離設(shè)備 25 括基礎(chǔ)理論研究、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。這些氣 液分離器在荷蘭加工制造，內(nèi)部元件采用 Inconel 合金以防止因處理氣中 CO2和 H2S含量較高而引起腐蝕問題。 Twister BV 公司和 FMC公司已經(jīng)完成了將 Twister 應(yīng)用于海底的可行性研究，典型的 Twister 海底模塊將 6 根 Twister 超音速氣 液分離器垂直安裝在液體脫氣罐上部周圍。該公司已經(jīng)在 CFX— 5 軟件的基礎(chǔ)上，專門定制開發(fā)了 Twister CFD 軟件，能夠?qū)φ鎸?shí)氣體介質(zhì)中的多相流現(xiàn)象進(jìn)行有效模擬，并承接相關(guān)咨詢業(yè)務(wù)。干氣則繼續(xù)前行進(jìn)入壓縮段，流速下降到亞音速，壓力則上升恢復(fù)到原始?jí)毫Φ?65％ 80％ 。在喉道的后面是膨脹管，氣體繼續(xù)膨脹，壓力和溫度繼續(xù)降低。空氣和水的試驗(yàn)表明，雖然氣流的溫度達(dá)到 100oC，但是沒有結(jié)冰。液體被輸送到一個(gè)常規(guī)的液 液分離器。氣體的速度又恢復(fù)到亞音速水平，自然出現(xiàn)弱激波，因此氣體流速降低，壓力恢復(fù)到初始?xì)怏w壓力的 65％ 80％。 Twister 是一個(gè)壓比裝置，在應(yīng)用范圍內(nèi)可以保持 進(jìn)口壓力 30％的壓降。 (2)天然氣超音速脫水系 統(tǒng)沒有大的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和化學(xué)處理系統(tǒng)，其可靠性很高，日常維護(hù)很少，允許在最苛刻環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)，易實(shí)現(xiàn)無人職守。 [21,22] 旋流 緊湊式分離器 水力旋流分離器是發(fā)展較早的緊湊型分離器，各項(xiàng)技術(shù)都比較成熟，有著廣泛的應(yīng)用。下面以固 液旋流器為例，說明其分離原理。另外，在入口與溢流口之間還有短路流，即部分進(jìn)料先繞蓋第 3章 緊湊型分離設(shè)備 29 下表面向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，然后沿溢流管壁向下流動(dòng)，最后進(jìn)入溢流。圖 311 顯示了水力旋流器內(nèi)液體流動(dòng)跡線圖。較重的顆粒由于所 受離心力足以使其依靠離心沉降而與液相流體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而得以與液相分離。 一些串聯(lián)的旋流分離器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是： 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 31 ? 小型化 ? 系統(tǒng)非常緊湊 ? 能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)階段 ? 可以在高壓力等級(jí)下工作 ? 系統(tǒng)的壓降較低 ? 沒有移動(dòng)部件 ? 制造容易 ? 對(duì)運(yùn)動(dòng)不敏感，穩(wěn)定性好 [25] Aker Kvaerner 的氣 液旋流分離器 Aker Kvaemer 公司的 DeepBooster 系統(tǒng)是一專門用于氣 液分離的海底處理系統(tǒng)。 圖 313 海底氣 液分離系統(tǒng)控制流程 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 32 所采用的氣 液分離器為 G— sep 緊湊型旋流脫氣器 (G— Sep CCD)，如圖314 所示，利用離心力作為分離的驅(qū)動(dòng)力。兩級(jí)氣體洗滌器分離出來的液體通過旋流器外壁與分離器殼體之間的環(huán)空進(jìn)行收集，并隨著主液流外排。 靜電聚結(jié)器將油流中較小的油滴聚結(jié)成較大的容易分離的油滴來提高下游分離器的油水分離。 靜電預(yù)聚結(jié)理論 對(duì)于依靠重力沉降原理的原油脫水工藝而言，分散相水滴在連續(xù)油相中的沉降速度 w? 遵循 strokes 定律： oo gd ? ??? 18 )( ?? （ 31） 式中： w? —— 相對(duì)于油相水滴的沉降速度， m/s； wd —— 水滴直徑， m； g —— 重力加速度， m/s2； o? —— 油的動(dòng)力粘度， Pa? s； W? 、 o? —— 分別為水和原油的密度， kg/m3； 從上式中可以明顯地看出，雖然油水密度差以及連續(xù)油相的粘度都會(huì)影響水滴的沉降速度，但是水顆粒粒徑卻是一個(gè)平方變量，也就是說它對(duì)水滴的沉降速度影響最大。由于水顆粒靜電聚結(jié)長(zhǎng)大與水顆粒重力沉降 2 個(gè)過程同步進(jìn)行，為了保證后一個(gè)過程的順利進(jìn)行，常規(guī)電脫水器多采用臥式放置并始終保持罐內(nèi)的層流流態(tài)。 如圖 315 所示， CEC 采用立式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部與乳化液接觸的表面采用含氟聚合物絕緣涂層，中心圓柱體充當(dāng)高壓電極，外部的同心圓柱形筒體接