【文章內(nèi)容簡介】 和水回注的實驗。 ? 20xx 年，巴西石油公司對巴西的海洋氣 液分離器進(jìn)行了操作實驗。這種分離器被稱作垂直環(huán) 形分離和泵送系統(tǒng)，最初的想法在 1980 年起源于英國石油公司。 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。 ? 1994 年，殼牌石油公司在挪威的 Draugen 油田安裝了 Framo 的螺旋同軸液壓泵。 ? 1997 年，挪威斯塔特石油公司在中國的陸豐油田安裝了 Framo 單相電動泵。 ? 20xx 年，?？松梨谑凸驹诔嗟缼變?nèi)亞的 Topacio 安裝了 Framo螺旋同軸電動泵。 ? 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(jī)的 Leistritz 雙螺桿泵，整個裝置在安裝在海底之前已經(jīng)進(jìn)行了實驗。 [10] 深水系統(tǒng)的優(yōu)勢 深水系統(tǒng) 具有很多常規(guī)海上生產(chǎn)系統(tǒng)所不具有的優(yōu)勢，它們是： （ 1）由于不再使用價格昂貴的海上平臺，尤其對于深水區(qū)，極大地節(jié)省了油田開發(fā)總投資，同時在一定程度 上可以縮短施工建設(shè)時間，早日投產(chǎn)以盡快收回投資，因此在追求最大利 益的今天具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。 第 2章 深水系統(tǒng) 12 （ 2）由于沒有海上生產(chǎn)平臺，就不需要平臺操作人員，所以減少 了 生產(chǎn)管理操作費(fèi)用和人員運(yùn)送的危險。同時，深水系統(tǒng)避免了 海面上各種惡劣氣候環(huán)境因素如風(fēng)暴、海冰等的威脅，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，減少 了 停運(yùn)時間，增加 了 經(jīng)濟(jì)效益。 （ 3）在海底把油和氣從井產(chǎn)出液中分離出來， 就 無需花費(fèi)大力氣將它們輸送到水面上進(jìn)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(yuǎn) 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)。 （ 4） 在海底進(jìn)行水的脫除不但減少或避免了水面上水處理設(shè)備的數(shù)量，還降低 了 海底管線的流量 ，這就允許使用小管徑管線 ，降低了設(shè)備 的投資 。同時 ，在海底進(jìn)行水的脫出 降低了長距離輸送管道中形成水化物的危險性，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。 （ 5）海底污水處理回注系統(tǒng)可以把以處理 后 的生產(chǎn)污水直接回注，大大有利于環(huán)境的保護(hù)，同時減少水面上的注水泵、 FPSO 上的旋轉(zhuǎn)通道和輸水管線等設(shè)備，節(jié)約了設(shè)備的投資。假如氣體不允許放空燒掉或不能經(jīng)濟(jì)地開發(fā)，可以用水氣同步注入法開采海底 石油 。 （ 6）深水系統(tǒng)使開發(fā)邊際油田變得具有經(jīng)濟(jì)效益，這無形中增加了世界可開采油氣資源的量。 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。深水中的靜水壓力很高，所以容積式容器需要很高的抗壓強(qiáng)度。由于海底的低溫環(huán)境，使水合物的預(yù)防成為一個難題。 （ 2）由于海底環(huán)境的惡劣以及海底一旦發(fā)生事故時對環(huán)境造成污染的第 2章 深水系統(tǒng) 13 嚴(yán)重性，怎樣設(shè)計更加緊湊，更加穩(wěn)定的生產(chǎn)系統(tǒng)依然是一個技術(shù) 難題。 （ 3） 海上油氣田一般具有復(fù)雜的油氣藏特性。惡 劣的海洋條件例如風(fēng)、波浪、洋流等，通常無法掌握其情況，數(shù)據(jù)極少。 這些因素對水下設(shè)施 造成的影響不易評估。這給深水油氣集輸工藝設(shè)計和生產(chǎn)安全帶來許多難題。 （ 4）海底地勢起伏，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，由此引起的險情頻頻發(fā)生 在海上油氣田 。 （ 5）由于人類潛水深度的限制，水 深超過一定界限以后，水下設(shè)備的安裝必須使用水下機(jī)器人進(jìn)行。深水 系統(tǒng)可能用于上千米深的水域，水下機(jī)器人的使用不可避免，需要大力發(fā)展電子遙控技術(shù)。 （ 6）由于深水 系統(tǒng)的 設(shè)備容器等均安裝在海底，一般情況下不可能經(jīng)常性地移動到海面或在海底進(jìn)行維護(hù) ，這對集輸系統(tǒng)提出了一個要求：必須能長時間不間斷運(yùn)行且數(shù)年無需維護(hù)。 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)那些因為環(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。傳 統(tǒng)的離岸開發(fā) 是在 淺水中 建設(shè)擁有固定腿的平臺 。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。 但是就目前而言，長距離接合現(xiàn)有 浮式生產(chǎn)設(shè)施的井的廢棄井口壓力高達(dá) 2MPA，因為沒有使用海底分離和海底加壓 設(shè)備 ，當(dāng)井的產(chǎn)量 降低到 5000桶 /天時即被 遺棄。幾家公司正在研究海底分離的理論。海底 分離將 避免舉升大量需要處理和回注的水到海面。這將減少舉升費(fèi)用，增加海底 水處理的經(jīng)濟(jì)性，延長深水工程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營周期，減少開發(fā)風(fēng)險。 海底分離設(shè)備與陸地分離設(shè)備有明顯的不同。海底的高壓與低溫以及惡劣的海況對海底分離設(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)計成了球形。 圖 31 一種海底重力式分離器 海底重力分離器的設(shè)計制造是非常廉價的。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(qiáng)大的處理能力。 但是，重力分離器的設(shè)計也有很多缺點(diǎn)。 ? 它們 非常龐大，占有很大的海底空間。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 15 ? 對于高壓力系統(tǒng)和高水深區(qū)域的開發(fā)，重力分離器所承受的壓力等級將要求它們擁有 很 高 的 壁厚，因此變得笨重和昂貴。 ? 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。 [11] 由于常規(guī)海底重力式分離器的上述缺點(diǎn)，它們在海底生產(chǎn)系統(tǒng)中并沒有得到廣泛的應(yīng)用，而應(yīng)用最多的是海底 緊湊型 分離器，下面將著重介紹幾種海底緊湊型分離設(shè)備 。 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 個海底分離、增壓和注水系統(tǒng) (簡稱 SSBIS)，因此堪稱水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展歷史上的里程碑。 整個 SSBIS 系統(tǒng)包括跨接管匯、注水樹、海底分離增壓和注水 (SSBI)站。 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。 SSBI 站采用獨(dú)立的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來支撐總成模塊、分離模塊以及其它一些組件，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用 4 個吸力錨 (每個角上 1 個 )來進(jìn)行定位和找水平?？偝赡K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 ，估計帶總成模塊和分離模塊的海底分離 系統(tǒng) 質(zhì)量約 900 噸。 SSBIS 站分離模塊 結(jié)構(gòu) 如圖 32 所示，采用了 CDS 緊湊式分離器，海底分離器 中的入口旋流器首先將油井產(chǎn)出物中的大部分氣體分離出來，并通過1 個獨(dú)立管線送出分離罐外，從而減小了分離罐的尺寸。剩余的水、油、氣和砂粒在分離罐內(nèi)基于重力沉降原理進(jìn)行分離。較重的水相經(jīng)注水泵增壓后直接通過注水樹的套管后回注到地層，油和氣重新混合后通過 1 臺多相泵增壓后輸送到 Gullfaks C 平臺。這種擁有氣體旁通管線的分離器已經(jīng)申請了第 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 。 圖 32 SSBI 站分離模塊結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖 1— 氣液旋流分離器 。2— 氣體旁通管路 。3— 油 水 砂沉降分離器； 4— 供水管線； 5— 液體分布組件 圖 33 SSBI 站分離器剖面圖 分離模塊作為 1 個獨(dú)立裝置，可以對其回收?？紤]到來自油 井出流中的任何砂粒都會沉積在分離罐底部，因此采用 1 個帶有特殊噴嘴的沖刷系統(tǒng)以一定的時間間隔來沖走罐底的沉砂。被沖刷走的砂子轉(zhuǎn)移到 1 個重力除砂模塊，與注入水混合后重新注入 到 注水泵下游的地層中。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。 離心式注水泵和螺旋軸流式多相泵分別采用標(biāo)準(zhǔn)的 Framo 泵型，都是通過來自 Gullfaks C 平臺上的電纜為驅(qū)動電動機(jī)供電，都可用 1 個獨(dú)立的工具回收。此外， SSBI 站還配備有 2 個多相流量計 (Roxar)來測量油井產(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。分離罐中還安裝有液位檢測計來監(jiān)測水 油 氣三相之間的界面，這些界面信息用來控制注水泵和多相泵的轉(zhuǎn)速。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。 [12] SSBI 站的優(yōu)勢 與傳統(tǒng)的水面分離方式相比， SSBI 站具有以下幾點(diǎn)明顯的優(yōu)勢： ? 因為安裝了全面的海底分離設(shè)施， Tordis 油田的最終采收率從 49%提高到 55%，將會多生產(chǎn)三千五百萬桶原油。 [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。 ? 除去井流中的水， 提高注水能力，改善停產(chǎn)和再啟動條件 ， 改善管道輸送條件，同時避免了多相輸送容易 出現(xiàn)的問題（例如形成水化物、段塞）；流動更加穩(wěn)定，輸送的體積可 少，允許使用小尺寸 的 管子 。 ? 由于耗能較少且需要較少的化學(xué)藥劑來預(yù)防腐蝕、水化物和蠟等，故對環(huán)境影響較小；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。 垂直環(huán)形分離泵送系統(tǒng) 垂直環(huán)形分離泵送系統(tǒng) VASPS（ Vertical Annular Separation and Pumping System，簡稱 VASPS）是目前存在的另一種典型海底分離系統(tǒng)，它位于巴西海上的 Marimba 地區(qū)，氣液兩相分離器于 20xx 年投入運(yùn)轉(zhuǎn)。 [14] VASPS 的結(jié)構(gòu)與原理 VASPS 分離器包括三個同心套管，其結(jié)構(gòu)如圖 34 所示。外層套管（承壓套管）有各種標(biāo)稱的接頭，共有 6 節(jié)，其直徑為 ，總長度為 3070m。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。內(nèi)層套管為液體排出管，直徑為， 位于螺旋管中間，提供液體排出通道，并在螺旋管中間形成內(nèi)第 3章 緊湊型分離設(shè)備 18 層氣體環(huán)空。 在承壓套管的頂部，井口來液進(jìn)入螺旋水道中。在系統(tǒng)內(nèi)部，液體在螺旋水道的導(dǎo)向下直接進(jìn)入分離器的底部，通過產(chǎn)生的離心力提高分離效果。 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(jìn)入氣體膨脹腔。氣體經(jīng)出口排出系統(tǒng)自然流入地面處理裝置，進(jìn)行二級或三級分離。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。 VSAPS 可實現(xiàn)良好的氣液分離，使液體中氣體的含量降到最低限度， 因此可以使用單相泵及測量系統(tǒng)。 VASPS 樣機(jī)及海底構(gòu)件包括以下幾部分，如圖 35 所示： ? 臨時導(dǎo)向基礎(chǔ)（ TGB）：通過 TGB 安裝一個外徑 、長 65m 的導(dǎo)管。該導(dǎo)管由 12m 長的標(biāo)準(zhǔn)件組合而成，每個的外徑均為 。 ? 流動基：當(dāng)收 回 VASPS 系統(tǒng)后可隔離管線，而不需斷開管線，該流動基與 套管相連接 。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 19 ? VASPS 頂部組件：該系統(tǒng)的頂部構(gòu)件包括分離器頂部氣體膨脹腔、節(jié)流閥、液體及氣體出口連接件、液體入口連接件、過程檢測設(shè)備 、 ROV 接口板、穿電源設(shè)備及測試管線。該組件可以從 VASPS 系統(tǒng)中撤出 。 圖 35 VASPS 系統(tǒng)組成圖 ? VASPS 分離器：包括承壓套管及其內(nèi)部構(gòu)件 —— 螺旋、液體排出管 ? （ LDP）、電潛泵（ ESP）組件和液面控制的靜止井 。 ? 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 。 ? 螺旋分離器接頭：由外層焊有螺旋板的中心管制成 。 ? LDP：容納 ESP，并形成泵出原油從 VASPS 系統(tǒng)進(jìn)入管線的通道 。 ? 靜止插孔：在分離器內(nèi)部是一個由頂部插頭懸掛的靜止插孔，以提供測量 VASPS 液面的通道 。 ? ESP：由 LDP 懸掛在帶有電氣連接件的分離器頂部壓蓋上。壓蓋可以電動斷開，并與 LDP 和 ESP 一起從 VASPS 系統(tǒng)中完全脫離開。 ESP 提供的第 3章 緊湊型分離設(shè)備 20 能量可達(dá) 120xxbbl/d，最大流量時壓力為 8MPa，電機(jī)為 1375V、 60Hz，由地面的變頻調(diào)速控制器控制 。 [15] VASPS 系統(tǒng)的優(yōu)勢 圖 36 VASPS系統(tǒng)運(yùn)行的簡要說明 因為 VASPS系統(tǒng)主要安裝在海上平臺或者浮式系統(tǒng)以下， 如圖 36所示，多相井流一直到這里才進(jìn)行分離，所以 VASPS 系統(tǒng)具有