三相分离器内件调整对分离效果影响的研究

彭 宇，陈文峰，王 沙，鞠朋朋

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

三相分离器是海上油田集输、处理的关键设备，担负着对井口来液进行油气水三相分离重任，其分离效果直接影响油田天然气系统、储存和外输系统、生产水系统运转的效果。但由于油田开发的特点，井口产液的性质随着油田开发的进展不断发生变化，三相分离器的分离效果在油田开发的各阶段表现迥异，尤其是油田开发的后期，伴生气减少，井口产液含水显著增加，三相分离器中井口混合液的停留时间缩短，影响油水分离效果。且在分离器混合区中随着含水量的变化，混合液可能会从水包油形态的乳状液转变成油包水形态的乳状液，存在粘度的突变，将进一步影响油水分离的效果。

文章从油品性质、停留时间、不同含水率下脱水效果、内件调整后分离器辅助设施调整等方面对内件调整，对三相分离器分离效果的影响进行研究。

2 工艺流程概况

某油田从井口来液经海管进入中心处理设施，中心处理设施的油气水分离工艺为化学药剂加热重力沉降分离。分离合格的原油经冷却后进入油舱储存并外输，天然气进入天然气脱水和压缩系统外输，生产水进入生产水系统处理合格后回注。分离器底部的泥沙经过砂处理系统进行浓缩、脱水、装载送至陆地处置。油田经过10余年开发，已经进入高含水期，井口产液的平均含水率已经从高峰期的50%左右上升至接近80%，通过分离器处理的原油含水已经上升至20%左右，极大地影响了油舱储存的效率，并影响了外输原油的品质。

3 油品性质和脱水实验

油田原油20 ℃时密度936.6 kg/m3，50 ℃时密度916.9 kg/m3， 20 ℃时粘度1 182 mm2/s，50 ℃时粘度151.7 mm2/s，为中质高粘原油，反相点67%。

为验证油田原油脱水的效果，针对不同温度、不同含水率、不同破乳剂浓度下的油水分离效果开展了静态脱水实验，为分离器内件调整提供数据支持。

根据现场流程情况，进行了以下实验：在60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、97 ℃恒温下80%、70%、60%、40%、30%、20%、10%含水率的混合流体在不同时间内静态脱水速率；在97 ℃恒温下再增加100 mg/kg的破乳剂对50%、30%、20%、10%含水混合流体的破乳促进作用。

通过实验，可得出以下结果：

(1)在70 ℃下静置30 min，上层净化油含水可降低至6%～7%左右；在80 ℃下静置30 min，上层净化油含水可降低至6%～7%左右；在90 ℃下静置30 min，上层净化油含水可降低至5%～7%左右；含水率在10%及5%的原油脱水速率较慢。

(2)温度的升高对脱水有明显改善作用。

(3)加入100 mg/kg破乳剂对脱水过程没有明显促进作用。

(4)不同温度下脱水速率明显加快，时间出现在10 min～20 min之间。

4 内件调整(堰板高度)对三相分离器的影响研究

根据对配产的分析，由于伴生气量的减小，三相分离器对气相空间的需求减小。在保证气相空间的前提下，可以通过增加油水混合室堰板的高度，增加油水混合室的体积，增加停留时间来提高油水分离的效果。

4.1 分离器计算理论公式

水中油滴和油中水滴在分离器内的运动一般属于层流范围内, 重力沉降速度可用下式计算[1]：

受以上四个方面的综合影响，我国以出口加工和国际贸易为主要功能的保税区面临着严峻的发展瓶颈，亟须“转型升级”，尤其是由传统的关税政策与监管制度向外商投资、税收政策、金融制度等“非关税”领域拓展。与此同时，新的发展阶段释放出的发展潜力亦呈现出诸多新的改革窗口期。在此背景下，自由贸易试验区应运而生。截至2017年，国务院共批准11个自由贸易试验区。每一个自贸区在遵循政策制度创新这一共同核心任务的基础上，都基于自身的发展基础与区位条件进行了差异化的战略定位(见表1)。

式中：W——油滴上升或水滴沉降速度, m/s；do——油滴或水滴直径, m；ρw、ρL——重、轻组分密度, kg/m3；μ——连续相的粘度, Pa·s。

由于油的粘度远远大于水的粘度, 故从水中分出油滴要比从油中分出水滴容易。水在容器中停留时间也相应比油停留时间短。由于油、水密度差小于油、气密度差, 故要求油、水在分离器内有较长的停留时间。简化计算时, 可以将油、水停留时间考虑相同，计算油中分离出水滴的沉降速度。

根据堰板高度计算出堰板油水混合室的容积，从而根据来液流量计算液体的停留时间，最终根据液体的停留时间和实验数据分析出各级分离器的脱水效果。

4.2 气相空间的考虑

混合流经分离器入口分流获得初步分离后, 携带大量油滴的气体进入沉降部分, 气速突然减慢, 油滴在重力作用下开始加速下沉, 随着油滴下降速度的加大，其所受气流阻力越来越大。当油滴所受合力为零时, 开始匀速下降。显然, 油滴沉降分离至集液部分所需时间应小于气流把油滴带出分离器所需时间, 所以均匀沉降速度的大小关系到能否把油滴从气流中分离出来。从气体中分出油滴的计算首先应计算油滴沉降速度。

计算沉降速度时, 一般取液滴直径极限为100 μm, 且假设:(1)油滴为球形, 在沉降过程中不碎也不与其它油滴合并；(2)油滴与油滴、油滴与器壁及其它构件间没作用；(3)油滴在分离器的沉降速度是稳定的, 任一点流速不随时间变化；(4)作用在油滴上的合力为零, 油滴沉降速度不变[1]。根据以上假设, 按流态推荐选用以下计算公式:

式中:Wo——油滴均匀沉降速度, m/s；do——油滴直径, m；ρL——油滴的密度, kg/m3；ρg——分离条件下气体的密度, kg/m3；μg——分离条件下气体动力粘度,Pa·s。

为判断某一直径的油滴在给定的分离条件下处于什么流态区, 引入阿基米德准数Ar:

求出Ar后查出雷诺数Re, 即可按流态选用油滴沉降速度计算公式。

不同流态下Ar-Re关系如表1。

表1 不同流态下Ar-Re关系

卧式分离器, 气流方向与油滴沉降方向垂直, 因此, 油滴能够沉降至集液部分的必要条件是：油滴沉降至集液部分液面所需时间应小于油滴流过重力沉降部分所需时间，即：

式中：λe——重力沉降部分的有效长度, 即入口分流器至气体出口的水平距离，m；Wg——气体流速，m/s；h——油滴沉降高度(一般为1/4～1/2D)，m。

此次调整尽量增加堰板高度，同时对气相空间的考虑满足卧式分离器的液滴沉降时间小于液滴从气体入口到气体出口水平距离所需要的时间。

考虑油年气量最大工况，二级分离器分离出来的气体流量1 008 kg/h，三级分离器分离出来的气体3 012 kg/h,从气体中脱出100 μm以上的液滴。根据STOKES定律和INTERMEDIATE定律，气相液滴沉降速度为0.22 m/s。

由于二级分离器和三级分离器出气量较小，考虑预留最小气相空间100 mm，则二级分离器和三级分离器的垂直沉降时间为0.5 s；二级分离器和三级分离器气相入口到捕集器水平距离为22 m，二级气体流速0.37 m/s,通过时间为59 s，三级气体流速为2.4 m/s，通过时间为9 s，气体沉降时间小于水平通过时间，因此预留100 mm最小气相空间可行。

4.3 自由液面厚度的考虑

根据实际生产需要，在极端情况下，考虑二级分离器和三级分离器在满足油水界面刚好在堰板高度处时，含水原油在油水界面上会建立起一定的自由液面厚度，该厚度的计算采用流体力学工程中的计算明渠流流体高度的曼宁公式：

式中：V——截面的平均速度，m/s；k——转换系数;n——Gauckler-曼宁系数，为无因次量；Rh——水力半径,m；S——水力坡线或是线性扬程损失的斜率，L/L。

计算出二级分离器中自由液面厚度为340 mm，三级分离器中自由液面厚度为290 mm。

4.4 内件调整对分离效果的评估结果

根据油田三相分离器内部构造和静态脱水实验数据，针对不同的停留时间，分析了调整堰板高度后各分离器油出口含水的情况，如表2。

表2 LAH～LAHH之间3 min反应时间计算出的堰板高度结果

通过计算得出二级和三级分离器停留时间与堰板高度的关系图如图1和图2。

图1 二级分离器停留时间与堰板高度关系图

图2 三级分离器停留时间与堰板高度关系图

按照二级分离器和三级分离器LAH至LAHH保留3 min操作反应时间来调整堰板高度，脱水效果如表3和表4。

表3 调整内件(堰板高度)后的脱水效果

表4 不调整内件(堰板高度)的脱水效果

对比不优化内件(堰板高度)的分离器分离效率，调整内件后，脱水效果将会有明显的提高，下舱油中含水有效的降低，有利于油品的储存和外输。

5 内件调整后分离器的分离效果

经过评估后，该油田逐步开展了内件调整工作，至2018年初见成效。内件调整后，整个分离系统的分离效果显著提升，原油从分离系统下舱的含水率由40%降低至5%以下。同时，由于二级分离器增加了脱水量，二级分离器出口的加热器负荷显著降低，经评估通过此次内件调整工作油田的年节能量达25 269.6 t标准煤，极具节能减排效果。

内件调整工作完成后原油入舱含水曲线如图3。

图3 偃板高度调整后原油处理效果

6 总结

某油田在开发后期，根据油田伴生气大幅减少，含水显著增加的特点，有针对性地对油田生产分离器进行内件优化调整，在保证安全生产的前提下有效增加了油气水分离器的停留时间，显著增加了分离器的效率，极大降低了原油入舱含水率，对原油的储存和输送提供了保证。

此次尝试的成功，对部分开发后期油田的分离器适应性改造具有一定的参考意义。