【正文】 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)。分離出的水回注地層以保持壓 力。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 。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。 [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。由于它的高效率，注入水的含油量被限制在萬分之二。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。 ? 井下 干預(yù)的成本是相當高的， 有可能使開發(fā)成本增 加。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。 [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)。 ? 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(yīng)較高的水含量。 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。 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。 ? 它們需要很小的底座，并且可以改裝到現(xiàn)有的設(shè)備上。 [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(yīng)用于海底，它具有如下的優(yōu)勢和劣勢。 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。因為電極的 絕緣性能，短路是不容易發(fā)生的。 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。 [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。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。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。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。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 。 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，中心圓柱體充當高壓電極，外部的同心圓柱形筒體接地。 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 。由于水顆粒靜電聚結(jié)長大與水顆粒重力沉降 2 個過程同步進行，為了保證后一個過程的順利進行，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)。 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。 靜電預(yù)聚結(jié)理論 對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)油相的粘度都會影響水滴的沉降速度，但是水顆粒粒徑卻是一個平方變量，也就是說它對水滴的沉降速度影響最大。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。 [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。兩級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)空進行收集，并隨著主液流外排。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(dǎo)向旋流器的溢流口。 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)動力。 LiquidBooster 采用 1 臺立式離心泵為分離后的液體增壓。 一些串聯(lián)的旋流分離器系統(tǒng)的優(yōu)勢是： 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)多個階段 ? 可以在高壓力等級下工作 ? 系統(tǒng)的壓降較低 ? 沒有移動部件 ? 制造容易 ? 對運動不敏感，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 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。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)生相對運動，從而得以與液相分離。其速度由顆粒在旋流場所受作用力的相互關(guān)系確定。圖 311 顯示了水力旋流器內(nèi)液體流動跡線圖。 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。另外，在入口與溢流口之間還有短路流，即部分進料先繞蓋第 3章 緊湊型分離設(shè)備 29 下表面向內(nèi)側(cè)流動，然后沿溢流管壁向下流動，最后進入溢流。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。下面以固 液旋流器為例，說明其分離原理。 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。 [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，各項技術(shù)都比較成熟，有著廣泛的應(yīng)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。 (2)天然氣超音速脫水系 統(tǒng)沒有大的轉(zhuǎn)動部件和化學處理系統(tǒng)，其可靠性很高，日常維護很少，允許在最苛刻環(huán)境中運轉(zhuǎn)，易實現(xiàn)無人職守。 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)。 Twister 是一個壓比裝置，在應(yīng)用范圍內(nèi)可以保持 進口壓力 30％的壓降。內(nèi)部的尺寸可以根據(jù)實際的應(yīng)用改變，但是典型的 Twister 的氣體處理 能力為 100 104500 104m3／ d。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)到初始氣體壓力的 65％ 80％。由于出現(xiàn)激波，流動 壓力 的損失也很大。液體被輸送到一個常規(guī)的液 液分離器。 (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?？諝夂退脑囼灡砻?，雖然氣流的溫度達到 100oC，但是沒有結(jié)冰。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(dǎo)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)。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。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。干氣則繼續(xù)前行進入壓縮段，流速下降到亞音速，壓力則上升恢復(fù)到原始壓力的 65％ 80％ 。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。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鎸崥怏w介質(zhì)中的多相流現(xiàn)象進行有效模擬，并承接相關(guān)咨詢業(yè)務(wù)。 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。 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 。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。 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。 [18,19] 超音速氣 液分離器 超音速氣 液分離器簡介 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、實驗室研究和現(xiàn)場試驗研究。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。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。 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。設(shè)計時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。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。 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。 [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。當分離發(fā)生在全段管線上時，流體將分成速度不同的兩層。但是管式分離的概念表明它能有效的分離高粘度流體。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)所需的沉降時間；在同樣的停留時間下，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。 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。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。 （ 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。氣體篩包括五個垂直的 短管，它們終止于同一個旁通管，這個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。當然，在管式分離器出口段以后氣液又被混合。 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。生產(chǎn) 回壓 的降低是通過海 底分離（除去大量的水）和多相增壓實現(xiàn)的。 [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。 ? 因為不需要過長的電纜，電能輸送的損失也較小，所以節(jié)省了大量的能量。 ESP 提供的第 3章 緊湊型分離設(shè)備 20 能