【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(duì)控制系統(tǒng)的要求，現(xiàn)有的。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)。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(gè)吸入口：一個(gè)在油層內(nèi)，加一個(gè)在水層中。 [31] 以重力為基礎(chǔ)的 DOWS 系統(tǒng) 對(duì)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(jìn)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(dāng)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(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。 [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)。 ? 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。 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。 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。 ? 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(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)。 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。因?yàn)殡姌O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(chǎng)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(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。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(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。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(dāng)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(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 。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)。 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。 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。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(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。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。 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。 LiquidBooster 采用 1 臺(tái)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(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 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。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。其速度由顆粒在旋流場(chǎng)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(dòng)跡線圖。 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，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。外旋流剛接近錐頂就分為兩部分：一部分不改變流動(dòng)方向，繼續(xù)向下，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。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(xiàng)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(xué)藥劑，如甲醇、乙二醇、三甘醇，避免了化學(xué)品對(duì)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(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。 超音速氣 液分離器的優(yōu)勢(shì) 超音速 氣 液 分離器具有很多的優(yōu)勢(shì)，它們是： (1)天然氣超音速脫水系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，需要的設(shè)備少，易形成橇裝系統(tǒng)。 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。內(nèi)部的尺寸可以根據(jù)實(shí)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?xì)怏w壓力的 65％ 80％。由于出現(xiàn)激波，流動(dòng) 壓力 的損失也很大。液體被輸送到一個(gè)常規(guī)的液 液分離器。 (2)分離葉片 分離葉片是一個(gè)三角形突出物，類似于戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼，其作用是對(duì)氣流造旋。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。溫度急劇下降的過程會(huì)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(huì)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(huì)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(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％ 。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(jìn)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(huì)急劇下降，其中的水蒸氣和重?zé)N冷凝形成微米級(jí)的細(xì)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?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)。 國(guó)內(nèi)江漢石油機(jī)械研究所已經(jīng)針對(duì)該技術(shù)進(jìn)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(yùn)行穩(wěn)定 ，可靠性高，還節(jié)約投資和操作費(fèi)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(fēng)險(xiǎn)投資公司合資成立了專門研究和推廣這項(xiàng)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(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。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(jì)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(chǎng)模擬裝置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和資質(zhì)認(rèn)證工作。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。在液體密封上游段彎曲拐點(diǎn)的前端有一個(gè)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(shí)讓分離出的油氣混合物流出分離器。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。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(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。 設(shè)計(jì)流速給出了流體處于最佳流態(tài) 時(shí)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(jì)常規(guī)重力分離器時(shí)， 迄今 為止都保證分離器內(nèi)部的軸向平均流速低于 ／ s，認(rèn)為軸向平均流速大于該值時(shí)會(huì)因湍流而 影響分離 ，聚結(jié)后的水珠會(huì)重新分散在油水乳化液中。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(cè)），如圖 38 所示，下面進(jìn)行簡(jiǎn)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(jìn)入管式分離器段。當(dāng)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(cè)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?yàn)樗木o湊的設(shè)計(jì)。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。 [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?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。 ESP 提供的第 3章 緊湊型分離設(shè)備 20 能