畢業(yè)論文---深水油氣分離概念化設(shè)計

1、<p>　　深水油氣分離概念化設(shè)計</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b></p><p><b>　　專業(yè)班級： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></

2、p><p>　　2009年6月15日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文綜述了世界海洋油氣資源儲量、分布和開發(fā)狀況，并對我國的海洋油氣資源狀況以及我國深水油氣開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)進行了介紹。論文同時介紹了深水系統(tǒng)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢，并對深水系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢和開發(fā)深水系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)進行了分析。</p>

3、<p>　　論文針對各種不同的緊湊型氣-液和液-液分離器，詳述了其原理、結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點，并分析了這些系統(tǒng)應(yīng)用于海底的可能性、所能帶來的效益和可能面臨的問題。同時，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)。</p><p>　　最后，論文簡要介紹了深水系統(tǒng)的設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)和成撬技術(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：深水；海底；緊湊

4、型分離器；水處理；砂處理</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This presented paper summarizes the world’s marine reserves of oil and gas resources, distribution and development, and it gives us an

5、overview of our country’s marine reserves of oil and gas resources as well as the challenges facing to develop these resources. Meanwhile, the paper introduces the exploit history, the presented situation and the tendenc

6、y of subsea production system. It also analyzes the advantage of subsea system and the challenge of developing subsea system.</p><p>　　This paper gives detail information about the principles, structures, ad

7、vantages and disadvantages of different kinds of compact gas-liquid and liquid-liquid separator, furthermore, it analyzes the possibilities of them being used in seabed, the benefits brought and the problem may faced. Me

8、anwhile, the paper describes the methods, benefits and the necessity of subsea produced water management and subsea sand management. The paper also introduces several kinds of subsea produced water and subsea</p>

9、<p>　　Finally, the paper outlines the standards of designing and manufacturing subsea production system, Also, it briefly introduces the modular technology of the subsea system.</p><p>　　Keywords: Deepw

10、ater; Subsea; Compact separator; water management; sand management</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 前 言1</p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2 世界海洋油氣資源

11、及開發(fā)1</p><p>　　1.2.1 世界海洋油氣資源分布1</p><p>　　1.2.2 世界海洋油氣資源開發(fā)歷史2</p><p>　　1.2.3 世界海洋油氣產(chǎn)量3</p><p>　　1.3 我國海洋油氣資源4</p><p>　　1.3.1 我國海洋油氣資源分布4</p>&l

12、t;p>　　1.3.2 我國海洋油氣資源的開發(fā)5</p><p>　　1.4 開發(fā)我國深水資源的意義5</p><p>　　第2章 深水系統(tǒng)8</p><p>　　2.1 深水系統(tǒng)的組成9</p><p>　　2.2 深水系統(tǒng)的發(fā)展史10</p><p>　　2.2.1 海底分離技術(shù)的發(fā)展10<

13、;/p><p>　　2.2.2 海底多相增壓泵的發(fā)展11</p><p>　　2.3 深水系統(tǒng)的優(yōu)勢11</p><p>　　2.4 深水系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)12</p><p>　　第3章 緊湊型分離設(shè)備14</p><p>　　3.1 海底增壓和注水站15</p><p>　　3.1.1

14、海底增壓注水站的結(jié)構(gòu)與原理15</p><p>　　3.1.2 SSBI站的優(yōu)勢17</p><p>　　3.2 垂直環(huán)形分離泵送系統(tǒng)17</p><p>　　3.2.1 VASPS的結(jié)構(gòu)與原理17</p><p>　　3.2.2 VASPS系統(tǒng)的優(yōu)勢20</p><p>　　3.3 管式分離器20<

15、/p><p>　　3.3.1 管式分離器的結(jié)構(gòu)和原理21</p><p>　　3.3.2 管式分離器的優(yōu)勢24</p><p>　　3.4 超音速氣-液分離器24</p><p>　　3.4.1 超音速氣-液分離器簡介24</p><p>　　3.4.2 超音速氣-液分離器的原理25</p><

16、;p>　　3.4.3 超音速氣-液分離器的結(jié)構(gòu)26</p><p>　　3.4.4 超音速氣-液分離器的優(yōu)勢27</p><p>　　3.5 旋流緊湊式分離器28</p><p>　　3.5.1 水力旋流分離的原理28</p><p>　　3.5.2 水力旋流分離器的優(yōu)勢29</p><p>　　3.5

17、.3 旋流分離系統(tǒng)30</p><p>　　3.5.4 Aker Kvaerner的氣-液旋流分離器31</p><p>　　3.6 靜電聚結(jié)器32</p><p>　　3.6.1 靜電預(yù)聚結(jié)理論33</p><p>　　3.6.2 緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)器 (CEC)34</p><p>　　3.6.3 VIEC

18、和LOWACC35</p><p>　　3.6.4 靜電聚結(jié)器的優(yōu)勢和劣勢36</p><p>　　3.7 井下分離技術(shù)37</p><p>　　3.7.1以旋流為基礎(chǔ)的DOWS系統(tǒng)37</p><p>　　3.7.2 以重力為基礎(chǔ)的DOWS系統(tǒng)38</p><p>　　3.7.3 薄膜井下分離系統(tǒng)39&l

19、t;/p><p>　　3.7.4 井下分離的優(yōu)勢與劣勢40</p><p>　　第4章 緊湊型水處理設(shè)備42</p><p>　　4.1 水力旋流器42</p><p>　　4.1.1 水力旋流器的結(jié)構(gòu)42</p><p>　　4.1.2 水力旋流器的工作原理43</p><p>　　4

20、.1.3 水力旋流器分離性能的決定因素43</p><p>　　4.1.4 水力旋流器的優(yōu)點45</p><p>　　4.2 Epcon緊湊浮式處理裝置46</p><p>　　4.3 MaresTail系統(tǒng)47</p><p>　　第5章 深水砂處理技術(shù)49</p><p>　　5.1 砂產(chǎn)生引起的危害

21、49</p><p>　　5.2 砂產(chǎn)生的監(jiān)測49</p><p>　　5.3 砂清除50</p><p>　　5.3.1 分離器的上游50</p><p>　　5.3.2 分離器的下游51</p><p>　　5.4 砂處理52</p><p>　　第6章 深水分離系統(tǒng)設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)

22、和成撬技術(shù)54</p><p>　　6.1 深水分離系統(tǒng)的設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)54</p><p>　　6.2 深水分離系統(tǒng)的成撬技術(shù)54</p><p>　　第7章 結(jié) 論57</p><p><b>　　致謝58</b></p><p><b>　　參考文獻59</b&

23、gt;</p><p><b>　　第1章 前 言</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟的進一步發(fā)展，石油的消費需求進一步增加，能源危機已經(jīng)成為一個世界性的難題。近10年來，陸上油氣勘探程度較高，發(fā)現(xiàn)油氣田的規(guī)模較小，新增儲量對世界油氣儲量增長的貢獻降低。相比之下，世界海洋油氣勘探開發(fā)迅

24、速發(fā)展，尤其是勘探程度相對較低的深海地區(qū)，不斷獲得重大發(fā)現(xiàn)，所發(fā)現(xiàn)油氣田規(guī)模大、產(chǎn)能高，其油氣產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的比例不斷增加。因此，海洋油氣資源無論對整個世界石油工業(yè)，還是對未來世界經(jīng)濟的發(fā)展，都有非常重要的意義。</p><p>　　雖然不同時期、不同國家和地區(qū)對淺海和深海的劃分方法不盡相同，但當(dāng)前國際上盛行的劃分方法是：水深小于500m為淺海，大于500m為深海，1500m以上為超深海。[1]在如此深的海底進

25、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，但是深水油氣資源對世界又有著巨大的誘惑力，因此越來越多的國家和公司投入巨大的人力物力來研究深水開發(fā)技術(shù)，如挪威的Demo 2000、巴西國家石油公司等。</p><p>　　深水開發(fā)技術(shù)經(jīng)歷了從無到有的過程，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了商業(yè)化運作的深水生產(chǎn)系統(tǒng)，但是深水開發(fā)技術(shù)在很多方面還不成熟，仍然就有很大的提升空間。深水分離系統(tǒng)作為深水開發(fā)系統(tǒng)的重中之重更是需要我們將其緊湊性、

26、穩(wěn)定性和高效性提高到一個新的檔次。本課題著重研究各種緊湊型海底分離設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點，以期在橫向和縱向的對比中獲得海底緊湊型分離器設(shè)計的最新理念。</p><p>　　1.2 世界海洋油氣資源及開發(fā)</p><p>　　1.2.1 世界海洋油氣資源分布</p><p>　　全球海洋油氣資源豐富。據(jù)估計，海洋石油資源量約占全球石油資源總量的34％，累計獲探明儲量

27、約400億噸，探明率30％左右，尚處于勘探早期階段。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)評估，世界(不含美國)海洋待發(fā)現(xiàn)石油資源量(含凝析油)548 億噸，待發(fā)現(xiàn)天然氣資源量78.5萬億立方米，分別占世界待發(fā)現(xiàn)資源量的47％和46％。因此，全球海洋油氣資源潛力巨大，勘探前景良好，為今后世界油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。</p><p>　　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

28、水、超深水域的油氣資源潛力可觀，約占30％。從區(qū)域看，海上石油勘探開發(fā)形成三灣、兩海、兩湖的格局。“三灣”即波斯灣、墨西哥灣和幾內(nèi)亞灣；“兩海”即北海和南海；“兩湖”即里海和馬拉開波湖。其中，波斯灣的沙特、塔爾和阿聯(lián)酋，里海沿岸的哈薩克斯坦、阿塞拜疆和伊朗，北海沿岸的英國和挪威，還有美國、墨西哥、委內(nèi)瑞拉、尼日利亞等，都是世界重要的海上油氣勘探開發(fā)國。世界主要深水區(qū)油氣儲量見表1-1。[2]</p><p>　　

29、表1-1 世界主要深海區(qū)油氣資源量</p><p>　　1.2.2 世界海洋油氣資源開發(fā)歷史</p><p>　　在陸地油氣開發(fā)的高潮過去之后，海洋油氣的勘探開成為世界關(guān)注的焦點，它經(jīng)歷了一個由淺水到深海、由簡易到復(fù)雜的發(fā)展過程。1887年，在美國加利福尼亞海岸數(shù)米深的海域鉆探了世界上第一口海上探井，這是海洋石油工業(yè)開始的標(biāo)志。上世紀40年代之前，海洋石油勘探開發(fā)處于初始階段，主要采用土木

30、工程技術(shù)建造木結(jié)構(gòu)平臺和人工島，只能在近岸的海邊和內(nèi)湖開發(fā)石油資源，作業(yè)水深低于10m。50-60年代，隨著世界經(jīng)濟復(fù)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。70-80年代，隨著平臺和鉆井技術(shù)的發(fā)展，海洋油氣勘探開發(fā)水域范圍進一步擴大，作業(yè)水深超過500m，成功開發(fā)了北海和墨西哥灣大陸架深

31、水區(qū)油氣資源。90年代，成功解決了溫帶海域油氣開采面臨的鉆井、采油、集輸和存儲等技術(shù)問題，而且高寒水域的平臺和管線技術(shù)難題也取得重大突破，海洋油氣勘探開發(fā)取得巨大進步，作業(yè)水深不斷刷新，1999年已近2000m，作業(yè)范圍已從北海、墨西哥灣等傳統(tǒng)地區(qū)擴展到西非、南美及澳大利亞大陸架等</p><p>　　1.2.3 世界海洋油氣產(chǎn)量</p><p>　　隨著海上石油勘探開發(fā)向大陸架和深水區(qū)發(fā)

32、展，海上油氣生產(chǎn)不斷擴大，產(chǎn)量不斷增加。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％。50年代末，海上石油產(chǎn)量突破億噸，達1.1億噸，占世界石油總產(chǎn)量的10％。60年代末，達3.29億噸，占世界總產(chǎn)量的14.6％，20年增加了8倍。1980年達6.5億噸，占總產(chǎn)量的21.8％，1990年8.7億噸，占總產(chǎn)量的26.0％。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

33、例不斷上升。1995年海上石油產(chǎn)量10.5億噸，2004年則增至13.4億噸．約占世界石油產(chǎn)量的34％，年均增長2.7％，遠高于全球石油產(chǎn)量年均1.5％的增長速率，如圖1-1所示。[3]</p><p>　　圖1-1 半個世紀以來的世界海洋石油產(chǎn)量</p><p>　　據(jù)英國道格拉斯統(tǒng)計，到2015年海上石油與天然氣的產(chǎn)量分別占總產(chǎn)量的39%和34%。</p><p&g

34、t;　　1.3 我國海洋油氣資源</p><p>　　1.3.1 我國海洋油氣資源分布</p><p>　　我國海岸線長度、大陸架和200海里專屬經(jīng)濟區(qū)面積均在世界前10位，管轄海域總面積近300萬平方公里。在135.7萬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。這些盆地石油資源量為150億-200億噸，天然氣資源量約6.264萬億立方米。&l

35、t;/p><p>　　經(jīng)初步估計，整個南海的石油地質(zhì)儲量大致在230億-300億噸之間，約占中國總資源量的三分之一，屬于世界四大海洋油氣聚集中心之一，有“第二個波斯灣”之稱，僅在曾母盆地、沙巴盆地、萬安盆地的石油總儲量就將近200億噸，是世界上尚待開發(fā)的大型油藏之一，其中有一半以上的儲量分布在中國海域。在我國南海已勘探的16萬平方公里海域中，發(fā)現(xiàn)的石油儲量有55.2億噸，天然氣儲量有12萬億立方米。南海油氣資源在未來

36、20年內(nèi)只要開發(fā)30％，每年可為中國GDP增長貢獻1-2個百分點。[4]</p><p>　　1966年聯(lián)合國亞洲及遠東經(jīng)濟委員會經(jīng)過對包括釣魚島列島在內(nèi)的我國東部海底資源的勘查，得出的結(jié)論是：東海大陸架可能是世界上最豐富的油田之一，釣魚島附近水域可能成為“第二個中東”。據(jù)我國科學(xué)家1982年估計，釣魚島周圍海域的石油儲量約30億-70億噸，其他資料反映，該海域海底石油儲量超過100億噸。[5]</p>

37、;<p>　　1.3.2 我國海洋油氣資源的開發(fā)</p><p>　　我國海洋石油天然氣勘探開發(fā)工作起步于20世紀50年代，至1971年在渤海發(fā)現(xiàn)了具有開采價值的海四油田，建設(shè)了2座開發(fā)平臺，建成了我國第一個海上油田，自此進入了我國海洋油氣勘探開發(fā)的快車道。1982年成立中國海洋石油總公司（中海油），至2002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(dāng)量約占全國的四分

38、之一。2002年年產(chǎn)原油2350萬噸。截至2006年底，中國海油已建成投產(chǎn)50個海上油氣田，年生產(chǎn)油氣4033萬噸油當(dāng)量。</p><p>　　20世紀80年代，我國近海石油、天然氣勘探工作也獲得重大進展，先后在渤海、黃海、東海和南海的珠江口、北部灣、瓊東南等海區(qū)發(fā)現(xiàn)了65個含油、氣構(gòu)造，探明了87億噸石油資源和l 300多億立方米天然氣資源。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。然而該

39、區(qū)的勘探開發(fā)程度仍然較低，2001年產(chǎn)量只有560萬噸，通過“十五”期間大規(guī)模的勘探開發(fā)，到“十五”計劃末可望形成年產(chǎn)2100萬噸石油的生產(chǎn)能力，將成為我國東部石油穩(wěn)產(chǎn)的重要基地，為國民經(jīng)濟發(fā)展作出重大貢獻。</p><p>　　1.4 開發(fā)我國深水資源的意義</p><p>　　據(jù)《世界深水報告》資源預(yù)測，未來的44％油氣儲量在深水中，而現(xiàn)在僅占3％，可見其潛力之大開發(fā)前景之好。世界水深

40、500米或超過500米的深海油氣勘探開發(fā)始于上個世紀70年代，至2002年底，已發(fā)現(xiàn)470億桶石油。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。2004年深海石油產(chǎn)量約可滿足全球石油需求的5％，2010年深海原油產(chǎn)量可達850萬桶／年(4.34×108噸／年)，可滿足全球石油需求的9％。全球水深500-1500米的油氣勘探已變成了多數(shù)海洋油氣經(jīng)營者重要戰(zhàn)略資產(chǎn)的組成部分

41、。如墨西哥灣，其深水區(qū)油、氣占有量從1990年的4％和l％，10年后快速升到64％和36％，發(fā)展速度較快。2004-2008年將是深海油氣勘探的活躍期。[6] </p><p>　　據(jù)預(yù)計，未來10年，全球海洋油氣勘探開發(fā)及經(jīng)營的年均總投資將從目前的1110億美元逐步增加至1440億美元，累計投資可達1.4萬億美元，其中深水投資年均將超過150億美元。</p><p>　　在海洋資源開發(fā)愈

42、演愈烈的今天，我國也必須加快前進的步伐，以便能在世界能源大戰(zhàn)中獲得有利的地位。我們應(yīng)該清醒地認識到：我國目前的海洋油氣開發(fā)主要集中在近海和淺海。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(dāng)前面臨的主要任務(wù)。但相比之下，我國深水海域油氣資源仍處在勘探開發(fā)的初期，勘探程度非常低，目前只對其中10％的海域進行了勘探。深水勘探(鉆探)能力及開發(fā)作業(yè)能力遠落后于世界記錄,如表1-2所示。[7]</p>

43、<p>　　表1-2 我國深水區(qū)開發(fā)與世界先進水平對比</p><p>　　在地質(zhì)構(gòu)造、油氣成藏特征和環(huán)境條件等方面，我國海域油氣藏存在眾多急需解決的技術(shù)難點，特別是復(fù)式油藏盆地構(gòu)造復(fù)雜，油層埋藏淺，儲層疏松，井下出砂嚴重，高粘、高凝、高含蠟等復(fù)雜原油物性，海況、灘涂環(huán)境惡劣，以及海冰、海侵、南海特有的強熱帶風(fēng)暴和內(nèi)波等災(zāi)害性環(huán)境條件，這些都是世界石油領(lǐng)域面臨的難題，也是我國海洋石油資源難于開發(fā)的原因之

44、一。</p><p>　　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。作為國家建設(shè)的接班人，我們必須突破國外對我們的技術(shù)封鎖，開創(chuàng)和發(fā)展我的深水開發(fā)事業(yè)，為我國的社會主義建設(shè)提供足夠的能源。</p><p><b>　　第2章 深水系統(tǒng)</b></p><p>　　隨著海上油氣開發(fā)的不斷發(fā)展

45、，海洋石油工程技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化，在深水油氣田開發(fā)中，傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺和重力式平臺正逐步被深水浮式平臺和水下生產(chǎn)系統(tǒng)所代替（圖2-1），各種類型深水平臺的設(shè)計、建造技術(shù)不斷完善。目前，全世界已有2300多套水下生產(chǎn)設(shè)施、204座深水平臺運行在全世界各大海域，最大工作水深張力腿平臺（TLP）已達到1434m，SPAR為2073m、浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）為1900m、多功能半潛式平臺達到1920m以上、水下作業(yè)機器人（ROV）超

46、過3000m，采用水下生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)的油氣田最大水深為2192m，最大鉆探水深為3095m。[8]</p><p>　　圖2-1 各類深水油氣田開發(fā)設(shè)施</p><p>　　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 2000》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

47、接輸送上岸處理，不需要任何海面設(shè)施”。Einar Holmefjord先生的話簡明地概括了國外海上石油技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，隨著時間的推移，我們將最終選用水下生產(chǎn)系統(tǒng)而避免使用昂貴的海面生產(chǎn)設(shè)施。圖2-2為就是典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計圖。</p><p>　　圖2-2 典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)思圖</p><p>　　2.1 深水系統(tǒng)的組成</p><p>　　當(dāng)前海洋

48、油氣開發(fā)中的水下生產(chǎn)系統(tǒng)組成分為以下五大部分：海底多相流泵增壓系統(tǒng)、海底原海水注入系統(tǒng)、海底氣-液分離和液體增壓泵送系統(tǒng)、海底產(chǎn)出水分離和回注系統(tǒng)、海底濕氣壓縮系統(tǒng)。當(dāng)然，從系統(tǒng)工程的角度來看，整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)該還包括海底高集成度壓力保護、海底電能供應(yīng)與分布等配套子系統(tǒng)。但是水下生產(chǎn)系統(tǒng)最重要的是海底增壓泵送系統(tǒng)和海底分離系統(tǒng)。[9]圖2-3和圖2-4就是現(xiàn)實中存在的海底增壓用的氣體壓縮機和海底分離系統(tǒng)。</p><

49、;p>　　圖2-3海底氣體壓縮機</p><p>　　圖2-4 Tordis海底分離系統(tǒng)</p><p>　　2.2 深水系統(tǒng)的發(fā)展史</p><p>　　2.2.1 海底分離技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　關(guān)于海底分離技術(shù)幾個里程碑事件是：</p><p>　　1970年，英國石油公司在阿拉伯聯(lián)合酋長國的首都阿

50、布扎比的Zakum油田進行海底分離的實驗</p><p>　　1987年，德士古公司的海底分離器和液塞捕集器被安裝在北海Highlander油田的Tartan平臺上。</p><p>　　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。</p><p>　　2000年，挪威的Hydro’s Troll Pilot項目在挪威的Troll C油

51、田進行分離和水回注的實驗。</p><p>　　2001年，巴西石油公司對巴西的海洋氣-液分離器進行了操作實驗。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。</p><p>　　2.2.2 海底多相增壓泵的發(fā)展</p><p>　　關(guān)于海底多相增壓泵的里程碑事件是：</p><p>　　1993年，阿吉普

52、石油公司在意大利的Prezioso油田安裝了新比隆和Sasp雙螺桿泵。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　2000年，?？松梨谑凸驹诔嗟缼變?nèi)亞的Topacio安裝了Framo

53、螺旋同軸電動泵。</p><p>　　2000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。[10]</p><p>　　2.3 深水系統(tǒng)的優(yōu)勢</p><p>　　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：</p><p>　?。?）由于

54、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)濟優(yōu)勢。</p><p>　?。?）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)管理操作費用和人員運送的危險。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)運行的安全性和穩(wěn)定性，減少了停運時間，增加了

55、經(jīng)濟效益。</p><p>　?。?）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)。</p><p>　　（4）在海底進

56、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。</p><p>　?。?）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，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

57、資。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。</p><p>　?。?）深水系統(tǒng)使開發(fā)邊際油田變得具有經(jīng)濟效益，這無形中增加了世界可開采油氣資源的量。</p><p>　　2.4 深水系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)</p><p>　　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)：</p><p&g

58、t;　　（1）距離海岸和海面都很遠，材料運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。</p><p>　?。?）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)境造成污染的嚴重性，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。</p><p>　?。?）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

59、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。</p><p>　?。?）海底地勢起伏，運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)嚴重威脅到生產(chǎn)的正常進行和海底集輸系統(tǒng)的安全運行，由此引起的險情頻頻發(fā)生在海上油氣田。</p><p>　?。?）由于人類潛水深度的限制，水深超過一

60、定界限以后，水下設(shè)備的安裝必須使用水下機器人進行。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)。</p><p>　?。?）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行維護，這對集輸系統(tǒng)提出了一個要求：必須能長時間不間斷運行且數(shù)年無需維護。</p><p>　　第3章 緊湊型分離設(shè)備</p>&l

61、t;p>　　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。</p><p>　　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

62、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(fēng)險。</p><p>　　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)備的強度以及保溫性能提出了更高的要求，圖3-1是一種海底重力式分離器，可以看到，為了增加強度，分離器設(shè)計成了球形。</p><p&

63、gt;　　圖3-1 一種海底重力式分離器</p><p>　　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)定而強大的處理能力。</p><p>　　但是，重力分離器的設(shè)計也有很多缺點。</p><p>　　它們非常龐大，占有很大的海底空間。</p><p>　　對于高壓力系統(tǒng)和高水深區(qū)域的開發(fā)，重力分離

64、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。</p><p>　　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]</p><p>　　由于常規(guī)海底重力式分離器的上述缺點，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。</p><p>　　3.1 海底

65、增壓和注水站</p><p>　　挪威石油公司Statoil的Tordis油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)于2005年開始簽約動工，雖然水深僅有200m，但該工程將商業(yè)化運行世界上第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。</p><p>　　3.1.1 海底增壓注水站的結(jié)構(gòu)與原理&

66、lt;/p><p>　　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。</p><p>　　S

67、SBIS站分離模塊結(jié)構(gòu)如圖3-2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)申請了專利，與普通重力式分離器相比，它有

68、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3-3為分離器剖面圖。</p><p>　　圖3-2 SSBI站分離模塊結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖</p><p>　　1—氣液旋流分離器;2—氣體旁通管路;3—油-水-砂沉降分離器；</p><p>　　4—供水管線；5—液體分布組件</p><p>　　圖3-3 SSBI站分離器剖

69、面圖</p><p>　　分離模塊作為1個獨立裝置，可以對其回收。考慮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。</p><p>　　離心式注水泵和螺旋軸流式多

70、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)動電動機供電，都可用1個獨立的工具回收。此外，SSBI站還配備有2個多相流量計(Roxar)來測量油井產(chǎn)出物的組成，進而為分離系統(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

71、。[12]</p><p>　　3.1.2 SSBI站的優(yōu)勢</p><p>　　與傳統(tǒng)的水面分離方式相比，SSBI站具有以下幾點明顯的優(yōu)勢：</p><p>　　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]</p><p>　　SSBI站使開發(fā)含水率較高的邊際油田變的經(jīng)

72、濟可行。</p><p>　　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。</p><p>　　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??；把產(chǎn)出水處理后就地回注，防止對環(huán)境造成污染</p><p>

73、　　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。</p><p>　　3.2 垂直環(huán)形分離泵送系統(tǒng)</p><p>　　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

74、區(qū)，氣液兩相分離器于2001年投入運轉(zhuǎn)。[14]</p><p>　　3.2.1 VASPS的結(jié)構(gòu)與原理</p><p>　　VASPS分離器包括三個同心套管，其結(jié)構(gòu)如圖3-4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0.762m，總長度為30-70m。中間套管（螺旋分離器接頭）直徑為0.4-0.5m，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

75、液體排出管，直徑為0.2-0.25m，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)層氣體環(huán)空。</p><p>　　在承壓套管的頂部，井口來液進入螺旋水道中。在系統(tǒng)內(nèi)部，液體在螺旋水道的導(dǎo)向下直接進入分離器的底部，通過產(chǎn)生的離心力提高分離效果。</p><p>　　圖3-4 VASPS分離器結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　氣體從液體中分離出來后，通過螺旋管

76、壁的孔道流入氣體環(huán)空，向上進入氣體膨脹腔。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，并由液體入口進入液體排出管線，經(jīng)電潛泵增壓，將其舉升出VASPS，進入地面管線。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)。</p><p>　　VASPS樣機及海底構(gòu)件包括以下幾部分，如圖3-5所示：<

77、;/p><p>　　臨時導(dǎo)向基礎(chǔ)（TGB）：通過TGB安裝一個外徑0.762m、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0.762m。</p><p>　　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0.762m套管相連接。</p><p>　　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

78、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。</p><p>　　圖3-5 VASPS系統(tǒng)組成圖</p><p>　　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</p><p>　　（LDP）、電潛泵（ESP）組件和液面控制的靜止井。</p><p>　

79、　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。</p><p>　　螺旋分離器接頭：由外層焊有螺旋板的中心管制成。</p><p>　　LDP：容納ESP，并形成泵出原油從VASPS系統(tǒng)進入管線的通道。</p><p>　　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。</p>

80、<p>　　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提供的能量可達12000bbl/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。[15]</p><p>　　3.2.2 VASPS系統(tǒng)的優(yōu)勢</p><p>　　圖3-6 VASPS系統(tǒng)運行的簡要

81、說明</p><p>　　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3-6所示，多相井流一直到這里才進行分離，所以VASPS系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：</p><p>　　系統(tǒng)能夠方便和及時地進行維修，因為分離和增壓系統(tǒng)的主要組成部分都直接在表面設(shè)備以下。</p><p>　　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。</p&g

82、t;<p>　　海底井到VASPS系統(tǒng)只需要一根多相管道，所以減少了設(shè)備的投資。[16]</p><p><b>　　3.3 管式分離器</b></p><p>　　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)中。</p><p>　　圖

83、3-7 接合到Troll B半浮式平臺的管式分離器圖</p><p>　　Troll B地區(qū)安裝海底管式分離器的主要目的是通過降低生產(chǎn)回壓提高油氣采收率。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。分離出來的水被用于回注以獲得油田的穩(wěn)產(chǎn)和保持地層壓力。</p><p>　　3.3.1 管式分離器的結(jié)構(gòu)和原理</p><p>　　圖3-8 擁有氣體篩

84、、管式分離器段、出口段和氣體旁通管路的小型測試裝置</p><p>　　管式分離器被選用主要是因為它的緊湊的設(shè)計。管式分離器技術(shù)主要是基于大直徑管的重力式分離，但是借助于在管式分離器上游進行的氣-液分離而使其直徑大大地減小。當(dāng)然，在管式分離器出口段以后氣液又被混合。氣-液分離是由氣體篩完成的，氣體篩同時能減少段塞流的形成，所以使管式分離器的入口狀況非常平穩(wěn)。</p><p>　　管式分離器

85、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3-8所示，下面進行簡要的介紹：</p><p><b>　　入口氣體篩</b></p><p>　　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。由于在系統(tǒng)中安裝了液體鎖定元件而使自由氣體不能進入管式分離器段。氣體篩包括五個垂直的短管，它們

86、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。氣體篩的的短管提供了一定的滯留體積，這將使系統(tǒng)更加難于發(fā)生段塞流。</p><p><b>　　（2）管式分離器段</b></p><p>　　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0.1m／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

87、重新分散在油水乳化液中。這個設(shè)計準(zhǔn)則導(dǎo)致了臥式分離器的軸向長度較短而徑向直徑較粗。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。。Norsk Hydro的實驗證明，在管式分離器中，流體在高達1.0m／s的軸向平均流速能夠獲得有效的相分離，因此該技術(shù)能夠應(yīng)用于需要同時兼顧流體相分離和流體輸送的管線中。</p><p>　　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

88、。改變管式分離器的長徑比可以調(diào)整管式分離器的效率。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。</p><p>　　當(dāng)處理高粘度的流體時，乳狀液是很容易形成的，所以有效的分離是很困難的。但是管式分離的概念表明它能有效的分離高粘

89、度流體。乳化層分布在管式分離器中較大的油水交界區(qū)域上，因此變得非常薄。當(dāng)分離發(fā)生在全段管線上時，流體將分成速度不同的兩層。乳化層剛好在這兩層中間，所以速度差將使乳化層承受巨大的剪切力，這將幫助破乳加強分離。[17]</p><p><b>　?。?）出口段</b></p><p>　　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。出口段裝有用于控

90、制過程中壓力、溫度和液位的設(shè)備，同時還提供一定的緩沖空間來儲存分離出來的水，這樣可以使水注入泵穩(wěn)定地工作。</p><p>　　圖3-9 出口段液體密封段示意圖</p><p>　　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</p><p>　　圖3-9為出口段的液體密封段的放大示意圖。液體密封段被設(shè)計成位于管式分離器下游尾端的彎曲段

91、，實際上是一個用于將分離后的水從原油主流中去除的 “水封”。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。來自井口的三相流在管式分離器進行分離后，油相和含量較少的氣體通過液體密封段進入下游的輸送管線中；排出的水用于回注。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。</p><p>　　3.3.2 管式分離器的優(yōu)勢</p><

92、p>　　與常規(guī)重力式分離器相比，管式分離器擁有以下優(yōu)勢：</p><p>　　水滴有較短的沉降距離</p><p>　　對乳化層有較大的剪切</p><p>　　水相能夠通過較大的交界面</p><p>　　流體在分離器入口能夠保證平穩(wěn)</p><p>　　由于以上的優(yōu)勢，管式分離器能夠減少設(shè)備重量和提高分離效率

93、。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。典型的油-水乳化液分離效果如下：①具有中等乳化穩(wěn)定性的Troll原油，在含水質(zhì)量分數(shù)低于60％時得到了有效分離，而此時常規(guī)的重力分離器卻難以奏效；②具有較高的乳化穩(wěn)定性Grane重質(zhì)原油，在含水質(zhì)量分數(shù)低于30％時重力分離器幾乎難以奏效，而管式分離器在含水質(zhì)量分數(shù)低于30％時能夠進行有效分離(此時的分離效率與裝配有VIEC的重

94、力分離器在50％的設(shè)計載荷下運行時相當(dāng))。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。管式分離器在100％設(shè)計載荷下所允許的氣-液比(GLR)為1.0，在75％設(shè)計載荷下為1.8，在50％設(shè)計載荷下，GLR為4.0時仍然不會對油水分離產(chǎn)生負面影響。目前，F(xiàn)MC 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。根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果，在同樣的處理能力和效率下，常規(guī)重力分離器的質(zhì)量約320噸(整個分離站的

95、總質(zhì)量為450噸)，而管式分離器僅60噸(相應(yīng)的總質(zhì)量為212噸</p><p>　　3.4 超音速氣-液分離器</p><p>　　3.4.1 超音速氣-液分離器簡介</p><p>　　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?；A(chǔ)理論研究和數(shù)值模擬研究主要在荷蘭的埃因霍恩科技大學(xué)等幾所大

96、學(xué)、Stork Product Engineering公司和Shell的研究機構(gòu)中進行，開發(fā)了一些描述分離器內(nèi)部復(fù)雜流動的分析和數(shù)值模擬工具。Shell公司于2000年與Beacom風(fēng)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。</p><p>　　世界上第一個商業(yè)化運行的Twister超音速氣-液分離器于2003年12月在Petronas和Shell的B11P—A開發(fā)中用于天然氣脫水。

97、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。該脫水系統(tǒng)包括6 個超音速分離器，每個分離器的處理能力約為280×104m3／d，總處理能力接近850×104m3／d(有備用分離器)，壓力降達25％-30％，出口水露點達10℃，大修時間間隔可達20000h。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高，還節(jié)約投資和操作費用3-8千萬美元 。</p><

98、;p>　　由于Twister超音速氣-液分離器可以在非常低的環(huán)境溫度下從氣體種中分離液體，因此完全可以將其直接應(yīng)用于海底。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。雖然有幾個部件在海底安裝和運行之前還需要做進一步研發(fā)和資質(zhì)認證，但已經(jīng)報批了一個由歐盟資助的4年的研發(fā)計劃，將于2007年完成小規(guī)

99、模海底天然氣處理裝置樣機的設(shè)計制造和安裝調(diào)試。</p><p>　　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公司在前期研發(fā)階段，計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬扮演了重要角色。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)。</p><p>　　3.4.2 超音速氣

100、-液分離器的原理</p><p>　　超音速氣-液分離技術(shù)的實質(zhì)是低溫冷凝法，超音速分離器(或稱為露點分離器)為其中的核心部件。如圖3-10所示，超音速分離器沿著軸向可分為膨脹段、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?zé)N冷凝形成微米級的細霧狀液滴。帶有凝析液的氣體進入中間

101、的旋流分離段，液滴在強旋渦運動作用下向外離心運動，從而在內(nèi)壁形成大約幾毫米厚的薄液膜層，通過環(huán)形槽清除后流人后面的液-液分離裝置中。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％ 。</p><p>　　圖3-10 Twister超音速氣-液分離器工作原理及典型工作參數(shù)</p><p>　　3.4.3 超音速氣-液分離器的結(jié)構(gòu)</p>&

102、lt;p>　　超音速噴管的主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)主要有：</p><p><b>　　(1)拉瓦爾噴管 </b></p><p>　　拉瓦爾噴管是一種具有精確幾何形狀的收縮-擴張管道，可以將氣流的速度提高到超音速水平，并導(dǎo)致溫度急劇下降。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。在噴管的喉道處，速度為350-400m／s。在喉道的后面

103、是膨脹管，氣體繼續(xù)膨脹，壓力和溫度繼續(xù)降低。到達噴管出口時，氣體的溫度與進口相比可以降低50-80℃。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)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)。由于停留時間非常短，水合物不容易形成和發(fā)展，也可能是高速氣流破壞了水合物的形成，或者兩者都起一定的作用?？諝夂退脑囼灡砻?，雖然氣流的溫度達到-100oC，但是沒有結(jié)冰。</p><p&g

104、t;　　水蒸氣冷凝過程中，將形成大量的尺寸非常小的液滴，并且釋放出一定的熱量，此熱量可能導(dǎo)致流場中出現(xiàn)激波，使流動變得非常復(fù)雜 。</p><p><b>　　(2)分離葉片</b></p><p>　　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。液滴被旋轉(zhuǎn)的氣流拋向管道的壁面，形成很薄的液膜，僅幾毫米厚，通過氣-液分離器(一個同軸的管子和管壁

105、上的環(huán)形縫)將液體排出。液體被輸送到一個常規(guī)的液-液分離器。由于存在超音速兩相流動，分離系統(tǒng)內(nèi)部的流動非常復(fù)雜。由于出現(xiàn)激波，流動壓力的損失也很大。</p><p><b>　　(3)擴壓器</b></p><p>　　分離后的干氣體進入擴壓器。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％。[20]</p

106、><p>　　(4)系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)節(jié)</p><p>　　Twister BV公司的天然氣超音速脫水裝置Twister安裝在直徑304.8mm的管子內(nèi)部，分離器總長3.75m。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100×104-500×104m3／d。單管處理能力是一固定值，調(diào)節(jié)范圍約10％，可以用多個分離器達到需要的流量調(diào)節(jié)范圍。Twi

107、ster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。為了使裝置的優(yōu)勢最大化，原則上應(yīng)在高壓下應(yīng)用，進口壓力為7-15MPa。</p><p>　　3.4.4 超音速氣-液分離器的優(yōu)勢</p><p>　　超音速氣-液分離器具有很多的優(yōu)勢，它們是：</p><p>　　(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)。由于天然氣高速通過脫

108、水系統(tǒng)，因此在相同處理能力下，其體積較小。 </p><p>　　(2)天然氣超音速脫水系統(tǒng)沒有大的轉(zhuǎn)動部件和化學(xué)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。 </p><p>　　(3)天然氣超音速脫水技術(shù)利用天然氣本身的壓力工作，能夠在瞬間啟動和停止工作，并且不需要大量的外部能源供應(yīng)。</p><p>　　(4)工藝工程中不添加