【正文】 地。如果乳化液中的水顆粒含量不算太低，在低流量的 層流流態(tài)時，處于同樣電場強度下保持足夠的停留時間仍然會起到聚結(jié)作用。當需要較大的處理量時，可以采用多流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，此時高壓電極圓筒 的內(nèi)外圓柱面上都帶有絕緣涂層，而接地電極圓筒采用裸露金屬材料。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 36 圖 316 VIEC與 LOWACC LOWACC 和 VIEC 借助于 電場破壞乳化液可以一步完成重油的脫水。 LOWACC 可以被設(shè)計用于各種壓力的分離器，并且能夠進行較強油水乳化液的分離。 ? 它們需要很小的底座，并且可以改裝到現(xiàn)有的設(shè)備上。 靜電聚結(jié)器的劣勢是： ? 系統(tǒng)對電力的需要要求使用專用的電源和一根傳輸電力到聚結(jié)器的海底電纜。 [30] 井下分離技術(shù) 新的井下油水分離處理技術(shù)（ DOWS）包括生產(chǎn)集中的油流輸送到表面，而同時將干凈的水持續(xù)地通過同一井口注入指定的回注區(qū)。 ? 井下 干預的成本是相當高的， 有可能使開發(fā)成本增 加。由于它的高效率，注入水的含油量被限制在萬分之二。如圖 319 所示，這種 DOWS 有兩個吸入口：一個在油層內(nèi)，加一個在水層中。分離出的水回注地層以保持壓 力。 薄膜井下分離系統(tǒng) 根據(jù)分離效率、成本、復雜性、出現(xiàn)故障的頻率以及對控制系統(tǒng)的要求，現(xiàn)有的。動力液體可以是水或油，這些液體與分離器分離出的 水混合，一起注入 到 注入?yún)^(qū)。生產(chǎn)出的油品的含水率少于 %，分離出的水中第 3章 緊湊型分離設(shè)備 39 含油少于萬分之五 。 [31] 以重力為基礎(chǔ)的 DOWS 系統(tǒng) 對于重力式 DOWS 來說，重力井下油水分離技術(shù)充分利用油套環(huán)空中油、水重力差異進行分離，其分離過程亦遵循 Stokes 法則。很多種類的分離器被使用，在某些情況下，井本身也可以成為分離器。目前，還沒有在海底井中使用井下分離技術(shù)的工程實例，主要原因有： ? 沙的產(chǎn)生給水下處理設(shè)備制造了麻煩。 ? 如果這些靜電聚結(jié)器中的某一個單位損壞了，操作參數(shù)必須重新設(shè)定以便適應較高的水含量。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 37 ? 水相的除去保證了流動的穩(wěn)定，因為在聚結(jié)和分離后的油流中只有很少甚至沒有水的存在。 [29] 靜電聚結(jié)器的優(yōu)勢和劣勢 將緊湊型靜電聚結(jié)器應用于海底，它具有如下的優(yōu)勢和劣勢。因為電極的 絕緣性能，短路是不容易發(fā)生的。 [28] VIEC 和 LOWACC VIEC 是容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器， LOWACC 是低含水量聚結(jié)器，如圖 316所示。與 CEC 外部高壓變壓器電路連通的入口襯套安裝在懸掛有內(nèi)圓 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 35 圖 315單流道 CEC結(jié)構(gòu)示意圖 筒狀高壓電極的頂蓋法蘭上，并與電極頂部密封連接。半徑間隙值 a 約為 ，可以根據(jù)具體情況在 15cm之間變化，但其與內(nèi)電極外半徑 r 之比 a／ r 值不應大于 。 緊湊型靜電預聚結(jié)器 (CEC) 緊湊型靜電預聚結(jié)器 (CEC)是一種新型的靜電聚結(jié)器，它能夠減小設(shè)備的重量與體積，同時在某些情況下，它能夠避免或者減少 某些 化學破乳劑的使用 。 電場破乳 技術(shù)的出發(fā)點就是將 W／ O 型原油乳化液置于高壓電場中，利用電場對分散相水顆粒的作用，使其發(fā)生變形和產(chǎn)生靜電力，促進小水顆粒碰撞聚結(jié)變大，從而便于靜置沉降等后續(xù)分離過程的進行，因此也稱為靜電聚結(jié)或靜電破乳。很多油田已經(jīng)安裝了Kvaerner Oilfield Products 公司生產(chǎn)的緊湊型電聚結(jié)器。 [26] 靜電聚結(jié)器 電脫水作為 W/O 型原油乳狀液脫水工藝的最后環(huán)節(jié)，在海上和陸上油田得到了廣泛的應用。由于設(shè)計氣 液旋流器的主要難點在于防止氣體跟隨液體從底流口逸出，因此在 G— sep 緊湊型旋流脫氣器在底部安裝了鎖氣元件將氣體導向旋流器的溢流口。 LiquidBooster 采用 1 臺立式離心泵為分離后的液體增壓。 圖 312 海底緊湊型旋流分離系統(tǒng)的簡要說明 如圖 312，一個旋流分離系統(tǒng)可以擁有一系列串聯(lián)的旋流分離器，如氣液分離器、液液分離器等。其速度由顆粒在旋流場所受作用力的相互關(guān)系確定。 因此，水力旋流器內(nèi)液體流動存在四種流動形式：內(nèi)旋流、外旋流、短路流 (蓋下流 )和循環(huán)流。外旋流剛接近錐頂就分為兩部分：一部分不改變流動方向，繼續(xù)向下，最后經(jīng)底流口排出；另一部分變更流動方向，轉(zhuǎn)向向上流動，進入內(nèi)旋流。 水力旋流分離的原理 水力旋流器分離工作的基本原理是離心沉降作用。 (4)工藝工程中不添加化學藥劑，如甲醇、乙二醇、三甘醇，避免了化學品對環(huán)境的危害。 超音速氣 液分離器的優(yōu)勢 超音速 氣 液 分離器具有很多的優(yōu)勢，它們是： (1)天然氣超音速脫水系統(tǒng)比較簡單，需要的設(shè)備少，易形成橇裝系統(tǒng)。內(nèi)部的尺寸可以根據(jù)實際的應用改變，但是典型的 Twister 的氣體處理 能力為 100 104500 104m3／ d。由于出現(xiàn)激波，流動 壓力 的損失也很大。 (2)分離葉片 分離葉片是一個三角形突出物，類似于戰(zhàn)斗機的機翼，其作用是對氣流造旋。溫度急劇下降的過程會產(chǎn)生尺寸非常小的液滴，在普通的設(shè)備中，液滴的出現(xiàn)第 3章 緊湊型分離設(shè)備 27 會導致天然氣水合物的形成，但 是在天然氣超音 速分離器中不會出現(xiàn)。通過噴管過程中，氣體絕熱膨脹，沒有熱量損失或加入，近似于 90％的等熵過程。如圖 310 所示，超音速分離器沿著軸向可分為第 3章 緊湊型分離設(shè)備 26 膨脹段、旋流分離段和壓縮段 三 部分，氣體混合物 進入膨脹段末端的 Laval噴嘴后，在自身壓力作用下加速到超音速，由于該過程接近于絕熱的等熵膨脹，氣流混合物的溫度和壓力會急劇下降，其中的水蒸氣和重烴冷凝形成微米級的細霧狀液滴。 國內(nèi)江漢石油機械研究所已經(jīng)針對該技術(shù)進行了相關(guān)研究。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定 ，可靠性高，還節(jié)約投資和操作費用 38 千萬美元 。 Shell 公司于 20xx 年與 Bea 風險投資公司合資成立了專門研究和推廣這項技 術(shù)的 Twister BV 公司。目前， FMC Technologies公司已經(jīng)推出了管式分離器接 合在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)計樣圖。 Norsk Hydro已經(jīng)在其 Porsgrunn研究中心建立了 一 套現(xiàn)場模擬裝置并進行了實驗測試和資質(zhì)認證工作。在液體密封上游段彎曲拐點的前端有一個凹槽，通過在主體管道壁面上開孔以排除分離后的水。 [17] （ 3）出口段 出口段主要是將 分離出來的水回注，同時讓分離出的油氣混合物流出分離器。但是管式分離的概念表明它能有效的分離高粘度流體。 設(shè)計流速給出了流體處于最佳流態(tài) 時的管式分離器的管徑，也就決定了管式分離器的效率。 （ 2）管式分離器段 在設(shè)計常規(guī)重力分離器時， 迄今 為止都保證分離器內(nèi)部的軸向平均流速低于 ／ s，認為軸向平均流速大于該值時會因湍流而 影響分離 ，聚結(jié)后的水珠會重新分散在油水乳化液中。 管式分離器主要 包括以下幾部分：入口氣體篩段（氣 液分離）、管式分離器 段 （液 液分離）和出口段（控制流量以及監(jiān)測），如圖 38 所示，下面進行簡要的介紹： （ 1） 入口氣體篩 入口氣體篩僅僅分離自由氣體，而溶解氣體將隨著液體進入管式分離器段。 管式分離器的結(jié)構(gòu)和原理 圖 38 擁有氣體篩、管式分離器 段 、出口段和氣體旁通管路的小型測試裝置 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 22 管式分離器被選用主要是因為它的緊湊的設(shè)計。 [16] 管式分離器 管式分離器是近些年來剛剛出現(xiàn)的緊湊型海底分離器，目前 ，StatoilHydro 和 FMC 公司正在研究 怎樣將它 接合到 Troll B 浮式生產(chǎn)系統(tǒng)第 3章 緊湊型分離設(shè)備 21 中。 ESP 提供的第 3章 緊湊型分離設(shè)備 20 能量可達 120xxbbl/d，最大流量時壓力為 8MPa，電機為 1375V、 60Hz，由地面的變頻調(diào)速控制器控制 。 ? LDP：容納 ESP，并形成泵出原油從 VASPS 系統(tǒng)進入管線的通道 。該組件可以從 VASPS 系統(tǒng)中撤出 。 VASPS 樣機及海底構(gòu)件包括以下幾部分，如圖 35 所示： ? 臨時導向基礎(chǔ)（ TGB）：通過 TGB 安裝一個外徑 、長 65m 的導管。 圖 34 VASPS 分離器結(jié)構(gòu)示意圖 氣體從液體中分離出來后，通過螺旋管壁的孔道流入氣體環(huán)空，向上進入氣體膨脹腔。中間套管（螺旋分離器接頭）直徑為 ，其外壁焊有螺旋形鋼板，與承壓套管的內(nèi)壁相接觸形成螺旋水道。 ? 由于耗能較少且需要較少的化學藥劑來預防腐蝕、水化物和蠟等，故對環(huán)境影響較??；把產(chǎn)出水 處理后 就地回注，防止對環(huán)境造成污染 ? 因為系統(tǒng)安裝在海底，所以不需要海上平臺和浮式設(shè)備，也不需要海面上 的分離、處理和回注系統(tǒng)，減少了設(shè)備的投資。整個 SSBI 站采用 1 個具有 51 種控制功能的海底控制模塊，來控制實施各種不同功能并將其反饋到 Gullfaks C 平臺。另外 1 個可行的做法是，砂子與油氣流重新混合后泵送到 Gullfaks C 平臺。2— 氣體旁通管路 。剩余的水、油、氣和砂粒在分離罐內(nèi)基于重力沉降原理進行分離。 海底增壓注水站的結(jié)構(gòu)與原理 海底增壓注水站包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和總成模塊、分離模塊、除砂系統(tǒng)、注水泵、多相泵等組件。 ? 砂的產(chǎn)生將會降低重力式分離器的分離能力，增加停留時間， 降低 了分離效率。它們是成熟的技術(shù)，并且在溫和的生產(chǎn)環(huán)境中擁有穩(wěn)定而強大的處理能力。這將減少舉升費用，增加海底 水處理的經(jīng)濟性，延長深水工程的經(jīng)濟運營周期，減少開發(fā)風險。在更深的水域， 就需要 使用 海上浮式生產(chǎn)平臺或長 距離接合 現(xiàn)有的生產(chǎn)平臺。深水 系統(tǒng)可能用于上千米深的水域，水下機器人的使用不可避免，需要大力發(fā)展電子遙控技術(shù)。 這些因素對水下設(shè)施 造成的影響不易評估。由于海底的低溫環(huán)境，使水合物的預防成為一個難題。假如氣體不允許放空燒掉或不能經(jīng)濟地開發(fā)，可以用水氣同步注入法開采海底 石油 。 （ 3）在海底把油和氣從井產(chǎn)出液中分離出來， 就 無需花費大力氣將它們輸送到水面上進行處理，而且降低了油氣藏的回壓，提高油氣產(chǎn)量；將采出的水回注到已開采區(qū)域可以維持油氣藏的壓力，其結(jié)果就是成本降低， 產(chǎn)量增加 ；海底分離技術(shù)目前已經(jīng)可以實現(xiàn)，且對于偏遠 的深海 地區(qū)來說有很大的吸引力，尤其是含水率超出了已有管線和設(shè)備承受能力的 深海 地區(qū)。 ? 20xx 年， 巴西石油公司在巴西的 Marlim 油田安裝了帶有威斯丁豪斯電動機的 Leistritz 雙螺桿泵，整個裝置在安裝在海底之前已經(jīng)進行了實驗。 海底多相增壓泵的發(fā)展 關(guān)于海底多相增壓泵的里程碑事件是： ? 1993 年，阿吉普石油公司在意大利的 Prezioso 油田安裝了新比隆和Sasp 雙螺桿泵。 ? 1989 年，英國海洋工程技術(shù)公司在北海的 Argyll 油田進行分離器的實驗。當然，從系統(tǒng)工程的角度來看，整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)應該還包括海底高集成度壓力保護、海底電能供應與分布等配套子系統(tǒng)。 [8] 圖 21 各類深水油氣田開發(fā)設(shè)施 挪威專家 Einar Holmefjord 先生在題為《挪威邊際油田開發(fā)研究活動現(xiàn)狀 —— DEMO 20xx》的演講中指出，“昨天，我們采用重力基礎(chǔ)的平臺進行鉆井和生產(chǎn)，今天，我們采用浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，明天，我們將井流物從海底直接輸送上岸處理，不需要任何海 面 設(shè)施” 。 第 1章 前 言 7 我國深海油氣開發(fā)技術(shù)上的空白以及我國海洋環(huán)境的惡劣使我們清楚地認識到我國深水開發(fā)事業(yè)任重而道遠。隨著近海油氣不斷開發(fā)，其后續(xù)發(fā)展能力明顯不足，開辟深水油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域是當前面臨的主要任務。20xx20xx 年將是深海油氣勘探的活躍期。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局和國際能源機構(gòu)估計，全球深海區(qū)最終潛在石油儲量有可能超過 1000 108桶。20 世紀末，我國發(fā)現(xiàn)了迄今為止我國的整狀海上油田 —— 渤海大油田。 1982 年成立中國海洋石油總公司（中海油），至 20xx 年中國海域探明石油儲量約 22億噸、天然氣儲量 3 000 億立方米，油氣資源當量約占全國的四分之一。南海油氣資源在未來 20年內(nèi)只要開發(fā) 30％，每年可為中國 GDP 增 長貢獻 12 個百分點。在 萬平方公里的大陸架上查明含油氣盆地面積近 70 萬平方公里，已圈定大中型新生代油氣盆地 16 個。近年來，在高油價的驅(qū)動下，世界海洋油氣開采飛速發(fā)展，石油產(chǎn)量快速增長，在全球石油產(chǎn)量中所占比例不斷上升。 20 世紀 40 年代末，海上石 油產(chǎn)量僅 4000 萬噸，占世界石油總產(chǎn)量的 7％。 5060 年代，隨著世界經(jīng)濟復蘇，海洋油氣勘探開發(fā)迅速發(fā)展，出現(xiàn)了移動式鉆井裝置、浮式生產(chǎn)系統(tǒng)及海底生產(chǎn)系統(tǒng)，作業(yè)海域范圍不斷擴大，水深不斷加大，至 60 年代末，作業(yè)水深已超過 200m，勘探開發(fā)領(lǐng)域開始向大陸架深水區(qū)延伸。世界主要深水區(qū)油氣儲量見表 11。 研究和實踐表明，海洋油氣資源主要分布在大陸架，約占全球海洋油氣資源的 60％，但大陸坡的深水、超深水域的油氣資源潛力可觀，約占 30％。 世界海洋油氣資源及開發(fā) 世界海洋油氣資源分布 全球海洋油氣 資源豐富。 [1]在如此深的海底進行深水油氣開發(fā)面臨著許多環(huán)境上和技術(shù)上的困難，但是