Marlim油田水下卧式盘管多相分离系统及资质认证

程玉雪，陈家庆，孟 迪，邵天泽，姜 勇

(1.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；2.中海油能源发展股份有限公司 安全环保分公司，天津 300456)①

·专题研究·

Marlim油田水下卧式盘管多相分离系统及资质认证

程玉雪1，陈家庆1，孟 迪2，邵天泽2，姜 勇2

(1.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；2.中海油能源发展股份有限公司 安全环保分公司，天津 300456)①

管式多相分离技术是水下生产系统的关键组成部分，具有承压能力强、结构紧凑、处理效率高等优势，已逐渐成为深海油气开采中海底处理技术的核心。世界多家石油公司围绕多相管式分离技术展开了一系列研究工作，其中Marlim油田卧式单根盘管式多相分离系统(SSAO系统)得到了成功的工程应用。介绍了SSAO系统的结构组成、相应设备的工作原理及SSAO系统内各主要设备的技术流程资质认证；阐述了该系统的安装技术关键及试运行情况。为国内自主研发管式多相分离技术提供参考。

管式多相分离系统；结构组成；资质认证；安装技术

随着陆上油田逐渐进入开发的中后期，海上油田尤其是深水油田将成为未来石油开发的主战场，而水下生产系统在深海油气开发中扮演着重要角色[1-2]。深海环境压力大、水温低，生产平台建造难度较大，承重限制严格，因此研发结构紧凑、承压能力强的水下多相分离系统已成为国内外各大石油公司关注的焦点[3]。与压力容器式多相分离技术相比，压力管道式多相分离技术格外引人注目，先后出现了意大利Saipem公司的立式多管分离器和SpoolSep卧式管分离器、美国FMC Technologies公司开发的多相管分离器、巴西石油公司(Petrobras)与挪威国家石油公司(Statoil)联合开发的卧式单根盘管式多相分离系统(简称SSAO系统)等创新结构设计或方案构思。其中SSAO系统已经在Marlim油田得到了现场应用，成为世界上首个实施海底分离和水回注系统的工程案例[4-5]。鉴于目前国内关于水下分离技术的研究开发工作大多围绕卧式压力容器类结构来开展，很少关注并实施水下管式分离技术的研究开发，笔者介绍了SSAO系统的组成、技术流程资质认证、系统安装及试运行情况，旨在推动我国在该领域的自主研发进程。

1 SSAO系统概况

SSAO系统于2011年安装在巴西石油公司Marlim油田的MRL-141油井，平均工作水深900 m，外廓长29.0 m，宽8.4 m，总质量392 t。SSAO系统主要由多相除砂器、消泡器、U型管式分离器、出口容器、水力除砂器、水力旋流器、注水泵、含油量监测器等组成，如图1所示。

A—多相除砂器；B—消泡器；C—U型管式分离器；D—出口容器；E—水力除砂器；F—水力旋流器；G—注水泵(Pump)；H—含油量监测器。

SSAO系统的工作流程主要分为多相分离流程和水处理及回注流程。油井采出物依次进入多相除砂器、消泡器、U型管式分离器、出口容器，进行固液分离、气液分离、油水分离，分离后的油和天然气输送到FPSO生产单元；采油污水进入后续水处理及回注流程，在水力除砂器、两级串联的水力旋流器内分别进行固液分离和油水分离，使采油污水中的含油量和含砂量达到回注标准，通过离心泵回注入注水井[6]。

1.1 除砂器

SSAO系统中的除砂器采用美国FMC Technologies公司与Statoil合作研制的紧凑型管式除砂器，主要用于去除油井采出物与采油污水中的固体砂粒，结构简单、实用，无需动力消耗与活动部件。其工作原理如图2所示。该紧凑型管式固/液分离技术(管式除砂器)主要基于创新性气旋分离原理和径向流场中固体颗粒平衡方程，利用静止起涡单元产生强化的离心力实现固液分离。

除砂器的操作部分包括入口单元、起涡单元、分离单元和提取单元。油井采出物由入口轴向进入除砂器，在起涡单元内流体压能转化为动能，形成高转速旋流，进入分离单元；由于重力沉降和惯性力作用，分离后的泥砂相对于连续相流体向壁面处移动，从排砂口排出，进入回收容器或其它处理设备；处理后的液体在锥段内反向运动，由溢流口排出[7]。

图2 管式除砂器工作原理

1.2 管式分离器

SSAO系统中的管式分离器采用原挪威Norsk Hydro公司(现已与Statoil公司合并)的管式分离技术，主要包括消泡器(气液分离)、U型管式分离器(油水分离)和出口容器(流量与液位控制)。

1.2.1 消泡器

消泡器位于管式分离器入口处，后部与U型管式分离器相连。消泡器主要由一组与入口管道相通的垂直脱气管和倾斜集气管组成，且入口管与气体歧管均高于后续的U型管式分离器；气体通过垂直脱气管进入倾斜集气管，由集气管将气体输送到出口容器，如图3所示。

消泡器仅用于分离游离气，液体中的溶解气将随液相进入后续分离段[8]。消泡器结构关键在于消除段塞流，可简单高效地避免高剪切力对油井采出物中气液分离产生的影响。

1—流体段塞；2—脱气管；3—气体歧管；4—集气管；5—扩展管体；6—气体段；7—入口管。

1.2.2 U型管式分离器

U型管式分离器的设计理念主要基于4点：①减小分离器直径，降低水颗粒沉降距离和沉降时间；②增大水相界面区域面积，减小界面水力负荷；③增大油水乳化层所受的剪切力，加速乳化层分解，使管式分离系统能分离更为稳定的乳化液和高黏度的采出液；④增大轴向平均流速(约1.0 m/s)，使油井产出液处于湍流流态，提高油水分离效率[9]。基于基本设计理念，将SSAO系统管式分离段设计为轴向长度较长而直径较小的U形管式结构。

U型管式分离器主要由U形管体、输送管、清管器发送器、清管器接收器等组成，来自消泡器的多相流体进入U型管式分离器，在主体U形管内进行油水分离，最终进入出口容器，如图4所示。

与传统重力分离器相比，该U型管式分离器具有水颗粒沉降时间短、界面水力负荷小、轴向平均流速大、油水分离效率高、结构紧凑等优势，且其在外形结构、质量体积、工程造价等方面更符合未来海洋油气资源向深水、超深水领域发展的要求[10]。

1—输送管；2—清管器发送器；3—清管器接收器；4—U形管体；5—出口容器。

1.2.3 出口容器

出口容器位于U型管式分离器的后部，主要基于流体在管中的层流流动和重力沉降原理实现油水分离。出口容器为圆柱形容器，由隔板、入口、水相出口、油相出口、气相出口、流体供给管、腔室等组成，如图5所示。为确保流体流动状态为层流，出口容器前端管式分离段水平布置，且分离器直径大于供给管直径，在柱形容器的端部布置隔板，避免水相进入右侧腔室。工作过程中，油井采出物经过U型管式分离器后以层流流动状态进入出口容器，在出口容器内，水相由水相出口排出，油相通过隔板进入右侧腔室内，由油相出口排出，由于气体重力远小于液相，到达容器后迅速升高至液体表面，并通过顶部气相出口排出[11]。

1—腔室；2—隔板；3—气相出口；4—柱形容器；5—入口；6—管式分离段；7—流体供给管；8—水相出口；9—油相出口。

1.3 水处理及回注设备

SSAO系统的水处理及回注设备主要包括水力除砂器、两级串联的水力旋流器、离心泵、含油及含砂量检测器等。其中水力除砂器与多相除砂器工作原理相同，用于去除采油污水中的固体砂；两级串联的水力旋流器主要基于旋流离心原理实现油水分离。工作过程中，采油污水进入水力除砂器进行固液分离，经水力除砂器处理达标后，进入两级串联的水力旋流器进行油水分离，处理后经含油量检测器检测合格后，由离心泵回注入注水井。

2 SSAO系统技术流程资质认证

SSAO系统作为首个深水多相分离和水回注系统，在各设备安装应用方面，均采用非常规技术，且无相应安装应用经验可以借鉴。鉴于此，需模拟真实工作条件对系统进行技术流程资质认证，以确保系统应用的安全性和稳定性[12-14]。

2.1 固体沉积物处理资质认证

2.1.1 除砂器测试

除砂器测试系统的工艺流程主要由缓冲罐、砂供给罐、油泵、水泵、泥浆泵、气罐、压缩机、除砂器、过滤器、循环泵等组成，如图6所示。工作过程中，水、油、砂、气分别由水泵、油泵、泥浆泵、压缩机泵送至管线中并充分混合，然后进入除砂器进行固液分离，气液两相由除砂器右侧出口排出，固相砂由底部出口排出，最后由不同管线输送至过滤器，经过滤后由循环泵重新泵送至缓冲罐。经测试，除砂器的结构设计、操作等均符合资质认证要求。

在多相分离流程中，不仅需要测试除砂器内固液分离能否正常进行，而且需讨论除砂器的最优安装位置以减小长期固液冲击对除砂器的影响。若除砂器安装在消泡器上游，则需要注意以下几个问题：①需选择最优结构配置以维持消泡器支管到出口容器的压力平衡；②影响消泡器内气液分离过程；③除砂器受来流冲击波动的影响。若除砂器安装在消泡器下游，则需要注意以下几个问题：①为保证消泡器支管内气液平衡，需在管道内控制压力变化；②影响U型管式分离器油水分离过程；③除砂器不受来流冲击影响；④消泡器受固体砂腐蚀磨损严重。经综合考虑设计、安装等因素的影响，选择将多相除砂器安装在消泡器上游。

图6 除砂器测试系统工艺流程

2.1.2 喷射装置测试

喷射装置主要用于防止砂沉积导致设备堵塞，主要由缓冲罐、砂供给罐、液体泵、泥浆泵、U型管式分离器、观测窗口、出口容器、喷射泵、过滤器、循环泵等组成。测试系统的工艺流程如图7所示。在U型管式分离器上安装观测窗口，观测砂沉积及液体流动情况；在出口容器内安装喷头以防止砂沉积；在进行清洗操作功能时，内部喷射系统通过喷射自由水发挥除砂功能。测试介质为油、水、空气和固体砂(粒度与油储层砂类似)，工作过程中，测试液体与固体砂分别由液体泵和泥浆泵泵送至U型管式分离器前端入口处充分混合，共同进入U型管式分离器，经U型管式分离器实施分离后进入出口容器，在出口容器内固液两相分别通过不同管道进入过滤器，经过滤后，液体由再循环泵重新泵送至缓冲罐进行循环测试。经测试可知，内部喷射装置符合资质认证要求。

图7 喷射装置测试系统工艺流程

2.2 消泡器资质认证

为确定消泡器结构尺寸和位置的可行性并考察设备遇到如管道阻塞、起泡等问题时的特性和适应状况，需进行消泡器的资质认证，测试系统的工艺流程如图8所示。主要由缓冲罐、油再循环加热泵、压缩机、空气罐、供给泵、消泡器、储罐、洗涤塔、再循环泵等组成。工作过程中，油、气分别由供给泵、压缩机泵送入消泡器前端管线内充分混合，然后共同进入消泡器进行气液分离，在消泡器内部，气体由消泡器上部出口排至洗涤塔，经过滤后排到大气中，油由消泡器下部出口排至油罐内，由再循环泵重新泵送至缓冲罐进行循环测试。经测试得出，消泡器的结构尺寸和位置均符合SSAO系统的资质认证要求。

图8 消泡器测试系统工艺流程

2.3 管式分离器资质认证

管式分离器资质认证主要是为了检测分离器对Marlim油田原油的处理效果，如图9所示。测试系统主要由测试环路分离器、压缩机、冷却器、多相泵、加热器、管式分离器(消泡器、U型管式分离器、出口容器)、水取样口、油取样口等组成。其中管式分离器按Marlim油田管式分离器等比例缩小，试验介质为Marlim油田API19°的原油、水(与Marlim油田含盐度相同)和该测试系统产生的天然气。工作过程中，原油在测试环路分离器经初步分离得到油、水、天然气，然后油经加热器加热至所需温度后与经冷却器冷却的天然气、水在多相泵前混合，由多相泵泵送至消泡器内进行气液分离，分离出的气相直接输送至出口容器内，液相流经U型管式分离器进行油水分离后进入出口容器，分别在U型管式分离器前、后以及出口容器后通过油、水取样口进行取样检测。经测试认证后，由消泡器、U型管式分离器、出口容器组成的管式分离器处理效果均达到SSAO系统的资质认证要求。

图9 管式分离器测试系统工艺流程

2.4 出口容器液面控制系统资质认证

为确保管式分离效果，需控制管式分离器中的油/水界面高度，并确保在回注泵变速驱动系统控制下出口容器液面控制的准确性，同时测试系统的操作容积。出口容器液面控制测试系统的工艺流程主要由缓冲罐、开口容器、油罐、油泵、水泵、压缩机、U型管式分离器、出口容器、变速驱动系统、循环泵等组成，如图10所示。工作过程中，油、水、气(少量)分别由油泵、水泵、压缩机泵送至管线中充分混合，然后混合物依次进入U型管式分离器、出口容器，在U型管式分离器内进行油水分离，分离后的油、水在出口容器内分别通过不同管线输送到缓冲罐进行循环测试。经测试后，容器内部界面控制系统的精度符合资质认证要求。

图10 油/水界面控制测试系统工艺流程

3 SSAO系统安装与试运行

3.1 系统安装技术关键

3.1.1 模块化安装

为确保系统设备的工艺要求、操作性能和维修维护，SSAO系统采用模块化安装，将其划分为旁路模块、多相除砂器模块、管式分离器模块、水力除砂器模块、水力旋流器模块、泵模块、注水喷嘴模块、再循环和冲洗模块、复合控制电动液压模块等多个安装模块，按照Marlim油田水下系统设备安装要求，在水上进行模块安装。模块化安装有利于实现设备重组或重新定位，方便系统的维修和维护，且安装简单。

3.1.2 动态调平系统

对于SSAO系统安装而言，确保水下管式分离器的水平度至关重要。由于受系统水下出油管线、管路脐管等连接模块的限制，管式分离器最大倾斜极限为0.5°，比常规设备要求更高，且需补偿2.3°的海底斜坡。通过对已有水下设备倾角偏差的评估可知，即使补偿海底斜坡后，最大倾角依然可能超出极限。为消除此风险，设计了管式分离器模块的动态调平系统，主要包括沿管式分离器分布的4个机械千斤顶系统以及具有机械自锁功能的液压工具(位于分离器模块的4个水准点处)，可补偿任何方向1°的偏差，即最大倾斜极限从0.5°增大到1.5°[15]。

3.2 系统试运行

由于Marlim油田的MRL-141油井停运时间较长，井中油水重新混合致使含水率降低，并未达到SSAO系统最小设计含水率(70%)要求，故需约7个月时间使其达到关闭前的状态。试运行前对油井采出物成分进行检测发现，MRL-141井具有结垢风险，故需通过采取3种措施避免设备结垢堵塞：①安装一条用于注入防垢药剂的控制管线；②选择一种与反乳化剂相容的新型H2S清除剂三氮化苯，将两种药剂一同注入管线；③在系统中添加防垢喷射装置[16-17]。

SSAO系统于2013-02正式开启，由于实际含水率(58%)尚未达到系统设计最小含水率(70%)要求，故将此阶段命名为试运行阶段。2013-03-31，油井采出物经水下生产系统处理后，达到了回注水质量要求并成功注入到Marlim储油层，预示着系统试运行阶段的初步成功。由于生产井中自由水量太少，系统运行依然不稳定，并发现破乳剂变化对自由水影响较大，其任何的中断都将引起系统自由水量变化并迫使系统运行停止。为使油井采出物含水率尽快达到设计值70%，采用手动操作，即未验证控制系统的可行性。

4 结论

1) Marlim油田采用水下管式多相分离和水回注系统，由于其结构紧凑、承压能力强等优势，不仅克服了环境压力大、水温低等问题，而且能够提高处理量和采收率，且其外形结构、质量体积、工程造价等方面更符合未来海洋油气资源向深水、超深水领域发展的要求。

2) SSAO系统的管式分离器(消泡器、U型管式分离器、出口容器)主要基于重力沉降原理进行多相分离，除砂器利用静止起涡单元产生强化的离心力实现固液分离；SSAO系统分离的可靠性和稳定性均通过了流程资质认证，并利用模块化和添加动态调平系统等先进安装手段成功安装且投入工程应用，为管式多相分离系统的工程化应用奠定了基础。

3) 国内近几年开始关注高效紧凑型油气水多相分离技术，但大多尚处于试验室研究阶段，尚未建立完整的设计理论和可靠的设计技术，工业量级的分离处理设备更是未能投入工业应用，而且大多围绕压力容器类结构开展研究，尚未围绕管式水下分离系统开展实质性研究工作。上述局面的必然后果就是，国内深水海洋油气开发在关键场合仍然耗费巨资引进国外的成套设备，使海上油气开发付出高昂的经济成本，因此必须引起关注。

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reliability of the system，increases the rated operating depth.The system gradually becomes the standard configuration of subsea BOP system.

Keywords：subsea BOP；acoustic control；subsea electronic module；control

Technical Research and Qualification Certification of Marlim Subsea Horizontal Pipe Multiphase Separation System

CHENG Yuxue1，CHEN Jiaqing1，MENG Di2，SHAO Tianze2，JIANG Yong2

(1.SchoolofMechanicalEngineering，BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology，Beijing102617，China； 2.Enertech-safety&EnvironmentalProtectionCo.，CNOOC，Tianjin300456，China)

The pipe multiphase separation technology is the core of the subsea oil and gas processing technology in offshore petroleum development as well as a key composition part of underwater production system because it has strong bearing ability，compact structure and high treating efficiency.Many distinguished and international petroleum companies did some research about pipe multistage separation technology.Marlim SSAO (Marlim Subsea Horizontal Pipe Multiphase Separation System) has been applied to engineering practice successfully.The structural and operating principle of Marlim SSAO is introduced in this paper.Process qualification certification for main equipment in Marlim SSAO is introduced as well.A sound analysis and exposition of crucial installation technology and the running situation are also made，which provides the reference for domestic researchers in independent of the pipe multistage separation technology.

SSAO；structural；qualification certification；installation technology

2016-09-12 基金项目：北京市属高等学校“长城学者”培养计划资助项目(CIT&TCD20150317) 作者简介：程玉雪(1992-)，女，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事多相流分离方面的研究。

1001-3482(2017)02-0001-07

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.001