【導(dǎo)讀】油氣資源狀況以及我國(guó)深水油氣開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了介紹。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)。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)。

　　

【正文】 最后經(jīng)底流口排出；另一部分變更流動(dòng)方向，轉(zhuǎn)向向上流動(dòng)，進(jìn)入內(nèi)旋流。在外旋流與內(nèi)旋流之間的溢流管下端產(chǎn)生循環(huán)流，此循環(huán)流中的液體在繞水力旋流器軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，從外側(cè)向底流口方向流動(dòng)，而從內(nèi)側(cè)向上蓋方向流動(dòng)。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。對(duì)無(wú)背壓的水力旋流器，在水力旋流器軸線附近，由于靜壓頭很低，而離心力又很高，以致液體渦核無(wú)法存在 ，于是空氣順勢(shì)沿底流口進(jìn)入并在軸心形成一個(gè)上升的旋轉(zhuǎn)空氣柱。 因此，水力旋流器內(nèi)液體流動(dòng)存在四種流動(dòng)形式：內(nèi)旋流、外旋流、短路流 (蓋下流 )和循環(huán)流。另外，空氣柱和零軸速包絡(luò)面也是固 液旋流器的兩個(gè)重要特征。圖 311 顯示了水力旋流器內(nèi)液體流動(dòng)跡線圖。 固相顆粒進(jìn)入水力旋流器后，一方面與液流一起繞水力旋流器軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面顆粒還作軸線和徑向運(yùn)動(dòng)。其速度由顆粒在旋流場(chǎng)所受作用力的相互關(guān)系確定。顆粒越細(xì)或顆粒密度與液體密度之差越小，其運(yùn)動(dòng)軌跡與液流流線越接近，這樣的顆粒不能從液相中分離。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。 [23] 圖 311 水力旋流器液流工作模型及其工作原理 水力旋流分離器的優(yōu)勢(shì) 對(duì)于那些油水壓力非常高的海上油田，水力旋流器相比于常規(guī)分離器有第 3章 緊湊型分離設(shè)備 30 很多優(yōu)勢(shì)： ? 體積小、緊湊 ? 重量輕 ? 擁有靈活的模塊化設(shè)計(jì) ? 發(fā)生故障后擁有快速啟動(dòng)和修復(fù)功能 ? 需要消耗的能量低 ? 需要的維修少 ? 可以使油田控制標(biāo)準(zhǔn)化 ? 增加了分離系統(tǒng)的處理范圍 [24] 旋流分離系統(tǒng) 一些現(xiàn)在在市場(chǎng)上出售的以旋流為基礎(chǔ)的分離器可以完成固 /氣分離、液 /液分離 、固 /液分離和氣 /液分離。 圖 312 海底緊湊型旋流分離系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說明 如圖 312，一個(gè)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。它們將儲(chǔ)層流體和氣體分離，然后除去流體中的砂子等固體，最后將儲(chǔ)層流體中的水除去用于回注。 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)。 如圖 313 所示，該系統(tǒng)集成了 1 個(gè)可回收的 氣 液分離器和 1個(gè)可回收的液體增壓器 (LiquidBooster)，電力、通訊、液壓和公用設(shè)備通過集成鋼管臍帶提供。 LiquidBooster 采用 1 臺(tái)立式離心泵為分離后的液體增壓。通過控制泵的轉(zhuǎn)速和將泵排出口的液體進(jìn)行回輸兩種方式結(jié)合，來(lái)控制分離器中的液位；變速驅(qū)動(dòng)裝置位于水面以上。 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。氣液混合物入口位于分離器的中上部，氣體出口位于分離器的頂部而液體出口位于底部，自上而下依次為第 2 級(jí)氣體洗滌器、第 1 級(jí)氣體洗滌器、入口腔室、導(dǎo)旋元件、旋流分離段、鎖氣元件等。由于設(shè)計(jì)氣 液旋流器的主要難點(diǎn)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(dǎo)向旋流器的溢流口。從旋流分離段出來(lái)的攜帶有剩余液體的氣體進(jìn)人第 1級(jí)氣體洗滌器，在此大部分液體得以從氣流中分離出來(lái)；第 2 級(jí)氣體洗滌器進(jìn)行深度處理，用于分離氣流中剩余的液 體顆粒。兩級(jí)氣體洗滌器分離出來(lái)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。 圖 314 G— sep緊湊型旋流脫氣器 在為水深 1500m 的 SPC 項(xiàng)目進(jìn)行認(rèn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)，即使操作壓力高達(dá)13MPa(一般在 213MPa 之間 )， G— sep 緊湊型旋流脫氣器氣體出口的含液體積比為 ／ m3 ，液體出口的含氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1％ 5％，顯示了良好的分離性能。 [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(yīng)用。面對(duì)世界范圍內(nèi) 高含水油田、邊際油田和深水油田開發(fā)第 3章 緊湊型分離設(shè)備 33 等新形勢(shì)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的研究人員提出了緊湊型靜電聚結(jié)器的技術(shù)理念，并且研發(fā)出 了 一些代表性產(chǎn)品。 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(lái)提高下游分離器的油水分離。越大越重的油滴在重力分離器中沉降的越快，因此在緊湊式旋流分離器中擁有更高的分離效率。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。 靜電聚結(jié)器不僅使油流中的水能夠大部分被分離，而且另外一些不純物質(zhì)像水相中的鹽分也大部分被清除，因此在海底可以生產(chǎn)出高質(zhì) 量的原油。 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。增大水顆粒的直徑可以大大地增加其沉降速度。 電場(chǎng)破乳 技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)就是將 W／ O 型原油乳化液置于高壓電場(chǎng)中，利用電場(chǎng)對(duì)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(jìn)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(jìn)行，因此也稱為靜電聚結(jié)或靜電破乳。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 34 在常規(guī)電脫水器中， W／ O 型原油乳化液從罐底進(jìn)入，整體呈自下而上的流動(dòng)態(tài)勢(shì)，在此過程中受電場(chǎng)作用而靜電聚結(jié)長(zhǎng)大的分散相水顆粒開始發(fā)生逆流重力沉降。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)。 西方發(fā)達(dá)國(guó)家的研究人員打 破數(shù)十年來(lái)常規(guī)電脫水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的慣性思維模式，率先提出了將水顆粒靜電聚結(jié)長(zhǎng)大與水顆粒重力沉降 2 個(gè)過程分開、予以先后實(shí)施的原油脫水方案，從而使得靜電聚結(jié)破乳設(shè)備緊湊化、高效化，這就是所謂的緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)原油脫水技術(shù)。 緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)器 (CEC) 緊湊型靜電預(yù)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(shí)在某些情況下，它能夠避免或者減少 某些 化學(xué)破乳劑的使用 。 [27] CEC 的特點(diǎn)是：（ 1）采用 AC 電場(chǎng)； （ 2）油水乳化液在其中的流 動(dòng)狀態(tài)為湍流； （ 3）使用帶絕緣涂層的電極 (圓筒狀或波紋板狀 )。 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地。 W／ O 型原油乳化液從上部進(jìn)入，通過擋流板后進(jìn)入內(nèi)外圓筒的環(huán)形間隙并自上而下流動(dòng)。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(yīng)大于 。限制半徑間隙值的目的是為了保證足夠的電場(chǎng)強(qiáng)度和乳化液的非層流流態(tài)，一般應(yīng)該將雷諾數(shù)保持在 20xx8000 之間。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(shí)，處于同樣電場(chǎng)強(qiáng)度下保持足夠的停留時(shí)間仍然會(huì)起到聚結(jié)作用。乳化液在電場(chǎng)中的停留時(shí)間為 310S，可以通過選取適當(dāng)?shù)碾姌O長(zhǎng)度來(lái)保證。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。為了在施加交流電場(chǎng)之前使得 CEC 中充滿原油乳化液，必須將其安裝在上游分離器低液位的最小值處以下；同時(shí)在 CEC 的頂部設(shè)有一個(gè)低液位切斷開關(guān)閥和一個(gè)逸出氣排空口。當(dāng)需要較大的處理量時(shí)，可以采用多流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，此時(shí)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。無(wú)論采用何種結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，電極部分都可以作為一個(gè)整體組件從外殼筒體頂部取出，維修檢查較為方便。 [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。它們可以大大地提高分離的效率，從而減小了分離器的體積。 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(chǎng)破壞乳化液可以一步完成重油的脫水。分離器中油相中的水滴很容易聚結(jié)長(zhǎng)大，因此分離變得十分容易。因?yàn)殡姌O的 絕緣性能，短路是不容易發(fā)生的。 圖 317 VIEC 和 LOWACC應(yīng)用于重力式分離器 圖 317 為 VIEC 和 LOWACC 應(yīng)用于重力式分離器。 LOWACC 可以被設(shè)計(jì)用于各種壓力的分離器，并且能夠進(jìn)行較強(qiáng)油水乳化液的分離。 LOWACC 擁有較高的分離效率，分離出的油品的含水率可以達(dá)到 %。 [29] 靜電聚結(jié)器的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì) 將緊湊型靜電聚結(jié)器應(yīng)用于海底，它具有如下的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。靜電聚結(jié)器的優(yōu)勢(shì)是： ? 它們不包括任何運(yùn)動(dòng)部件，所以相當(dāng)穩(wěn)定和可靠。 ? 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 電分離器后跟一個(gè)旋流分離器，是有可能在海底生產(chǎn) 精練等級(jí)的原油的，用這兩個(gè)分離器，幾乎可以清除油流中含有的所有 水分和鹽分。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 37 ? 水相的除去保證了流動(dòng)的穩(wěn)定，因?yàn)樵诰劢Y(jié)和分離后的油流中只有很少甚至沒有水的存在。 ? 管道中的腐蝕問題變得不再嚴(yán)重，因?yàn)橛土髦泻臏p少，管道的安裝不需要高質(zhì)量的防腐合金，因此安裝費(fèi)用也減少。 靜電聚結(jié)器的劣勢(shì)是： ? 系統(tǒng)對(duì)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。這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 ? 如果這些靜電聚結(jié)器中的某一個(gè)單位損壞了，操作參數(shù)必須重新設(shè)定以便適應(yīng)較高的水含量。這就 需要一些應(yīng)急備份系統(tǒng)來(lái)抑制水合物的形成和阻止腐蝕。 [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(shí)將干凈的水持續(xù)地通過同一井口注入指定的回注區(qū)。 井下分離的方式主要有基于重力的分離系統(tǒng)，基于旋流的分離系統(tǒng)和 薄膜井下分離系統(tǒng)。目前，還沒有在海底井中使用井下分離技術(shù)的工程實(shí)例，主要原因有： ? 沙的產(chǎn)生給水下處理設(shè)備制造了麻煩。 ? 海底生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化，但是井下分離器由于需要額外能源和液壓管線而使系統(tǒng)變得復(fù)雜。 ? 井下 干預(yù)的成本是相當(dāng)高的， 有可能使開發(fā)成本增 加。 以旋流為基礎(chǔ)的 DOWS 系統(tǒng) 今天，已經(jīng)有很多井下分離系統(tǒng)被使用，包括氣 液分離，液 固分離和液 液分離。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。旋流分離器被廣泛應(yīng)用于地面和井下分離。由于它的高效率，注入水的含油量被限制在萬(wàn)分之二。 第 3章 緊湊型分離設(shè)備 38 圖 318 以旋流為基礎(chǔ)的井下氣 液分離系統(tǒng) 如圖 318 所示，以旋流為基礎(chǔ)的井下氣液分離系統(tǒng)從下到上主要包括回注篩管、封塞器、下密封、氣 液預(yù)先分離器、錨定工具、螺桿泵、分離器、上密封、壓力平衡閥、連接平穩(wěn)設(shè)備和氣體放出設(shè)備。 [31] 以重力為基礎(chǔ)的 DOWS 系統(tǒng) 對(duì)于重力式 DOWS 來(lái)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(jìn)行分離，其分離過程亦遵循 Stokes 法則。它使得進(jìn)入井筒的油滴上升，在井內(nèi)形成一個(gè)分散的油層。如圖 319 所示，這種 DOWS 有兩個(gè)吸入口：一個(gè)在油層內(nèi)，加一個(gè)在水層中。隨著抽油桿上下移動(dòng)，油被舉升到地面，水被回注地下。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(wàn)分之五 。 圖 319 以重力為基礎(chǔ)的井下分離系統(tǒng) 儲(chǔ)層流體進(jìn)入水平分離器，分離出油和水。分離出的水回注地層以保持壓 力?；刈⑹怯梢簤簼撍猛瓿傻?，這種泵是由通過井筒中的 環(huán)管傳遞的動(dòng)力液體驅(qū)動(dòng)的。動(dòng)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)。 重力分離器更加緊湊，更加集裝化，能在不取出分離器和泵的情況下對(duì)井進(jìn)行干預(yù)。 薄膜井下分離系統(tǒng) 根據(jù)分離效率、成本、復(fù)雜性、出現(xiàn)故障的頻率以及對(duì)控制系統(tǒng)的要求，