渤海地區(qū)某FPSO分離器水堰管高度調(diào)節(jié)探討

梁煜奇，侯嘉民，呂 濤

（中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300450）

渤海地區(qū)某油田以重質(zhì)油為主，原油密度較大，稠度中～高，同時具有伴生水和伴生氣的產(chǎn)出，原油生產(chǎn)處理過程中需要對油、氣、水進行三相分離。該油田由1個FPSO和數(shù)個井口平臺組成。FPSO原油生產(chǎn)流程由兩級三相分離器和一級電脫水器構(gòu)成，共有兩個系列，共同處理這些井口平臺來液。FPSO三相分離器如何保證油、氣、水分離過程的穩(wěn)定和高效是日常工作中的一個重點，三相分離器中水堰管具有合適的高度是保證生產(chǎn)穩(wěn)定、高效的一個重要環(huán)節(jié)。長期以來FPSO上三相分離器水堰管的最佳拔高并沒有確定，經(jīng)常調(diào)整水堰管拔高致使分離室油水界面過高或過低[1]，油相或水相沒有足夠的停留時間，導致原油處理流程時有波動甚至出現(xiàn)處理過后油品、水質(zhì)不合格的現(xiàn)象。

1 FPSO原油處理流程及三相分離器水堰管原理簡介

FPSO上共有兩套完全一樣的原油處理流程，原油流程可以簡述為：井口平臺未處理的原油匯集到FPSO單點，首先進入一級自由水分離器（圖1A），原油脫去大部分伴生水和伴生氣；然后進入二級熱化學分離器（圖1B），經(jīng)加熱和化學藥劑作用再脫去部分伴生水和伴生氣；最后經(jīng)增壓和加熱進入電脫水分離器脫去剩余的水，合格原油進入貨油艙，脫去的伴生水進入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，伴生氣進入天然氣處理系統(tǒng)。其中，一級自由水分離器和二級熱化學分離器均為油、氣、水三相分離器，水室都具有一個可手動調(diào)節(jié)高度的水堰管。

1.1 一級自由水分離器

一級自由水分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1A）包括旋風分液包、一級二級填料函、板槽式布液器、捕霧器、油堰板、水堰管、防渦器及防浪板，油堰板高度固定，水堰管調(diào)節(jié)高度范圍為0～200 mm。一級自由水分離器實際操作為190～330 kPa/60 ℃。

一級自由水分離器的處理原理包括重力沉降法和化學破乳脫水法。重力沉降法是利用油、水密度差進行重力沉降脫水。化學破乳脫水法是通過加入化學藥劑，破壞原油乳化液的強度，促進油、水分離。通過以上兩種方法，將原油含水率從百分之七十幾降到百分之三十幾。

圖 1 FPSO三相分離器示意圖Fig. 1 The pictorial view of FPSD three phase separator

1.2 二級熱化學分離器

二級熱化學分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1B）包括旋風分液包、一級二級填料函、板槽式布液器、捕霧器、油堰板、水堰管、防渦器及防浪板，油堰板高度固定，水堰管調(diào)節(jié)高度范圍為0～250 mm，與自由水分離器不同的是熱化學分離器內(nèi)部裝有兩個加熱盤管，高度分別為2 100 mm和2 600 mm。二級熱化學分離器實際操作為50 kPa/（60～90） ℃，由于存在加熱盤管，上部油相溫度為90 ℃，下部水相溫度為60 ℃。

二級熱化學分離器的處理原理包括重力沉降法和加熱化學破乳法。重力沉降法是利用油、水密度差進行重力沉降脫水。加熱化學破乳法是通過提高溫度使加入的化學藥劑起到最佳的分離效果。通過以上兩種方法，V-102將原油含水由進口的百分之三十幾降到百分之二十以下。

1.3 水堰管原理

根據(jù)“U”型連通器壓力平衡原理[2]，在“U”型連通器的兩側(cè)，油水混合區(qū)的壓強應與進入水室的壓強保持一致。原油與水具有不同的密度，一般是油在上水在下，當油堰板或撇油槽高度一定時，只需調(diào)節(jié)連通管線水室部分的高度就可調(diào)節(jié)分離室的油水界面高度并使之保持[3]。

可以理解為在三相分離器中，通過調(diào)節(jié)水堰管高度保證油相和水相具有足夠的停留時間來達到預期油、水分離效果的油水界面調(diào)節(jié)器。通過油、水之間的密度差，也就是重力作用，再輔之以化學藥劑等作用完成油、水分離。通過水堰管調(diào)控油水界面來控制油相和水相在分離器分配到的有效容積和停留時間從而控制油、水分離器效果。

2 水堰管拔高影響因素分析

影響三相分離器油水界面的因素主要有化學藥劑、油田生產(chǎn)情況、船體傾斜、內(nèi)部積砂、油和水密度等。

2.1 化學藥劑影響

在FPSO原油處理流程中，共加入三種化學藥劑，分別是消泡劑、破乳劑和清水劑。其中破乳劑和清水劑的作用至關(guān)重要，這兩種藥劑在分離器中的處理效果直接影響著原油分離效果。一般來說，油和水在相應化學藥劑的作用下時間越長其分離效果越好，但是兩者的停留時間則是因油水界面高度變化而此消彼長。如何保證油相、水相達到化學藥劑處理效果是重點問題。

根據(jù)FPSO化驗員的《油田藥劑最佳濃度總結(jié)報告》，可知在模擬實際生產(chǎn)情況下，在注入合適濃度破乳劑的原油樣品中，停留15～20 min時間內(nèi)藥劑效果最好，20～25 min后則無效果。報告還顯示清水劑在加入合適濃度情況下，停留35 min時效果優(yōu)于15 min，停留4 h之后水很清澈，說明時間越長效果越好，但是時間越長藥劑的處理效率也越低。為保證化學藥劑處理效果，油相在各級分離器中的停留時間最好在20～25 min之間，至少多于15 min，水相停留時間越長越好，但是不要少于15 min。

2.2 油田生產(chǎn)情況

每天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)并不是固定的，包括啟、停油井以及油井提頻、降頻等緣故，總會有一些波動。根據(jù)油田三個月的實際生產(chǎn)情況，目前FPSO原油日處理量約為5 300 m3/d，伴生水日處理量約為16 700 m3/d，含水率為75.9%。

一級自由水分離器處理后比較理想的效果是油相出口油中含水率不超過50%，實際多在30%～40%之間，水相出口水中含油則在100～900 ppm之間；對于二級熱化學分離器來說，其進液量主要受一級自由水分離器油相出口原油的含水情況所限，處理后比較理想的效果是油相出口油中含水率不超過20%，實際多在5%～15%之間，水相出口水中含油在100 ppm以下，一般在30～40 ppm之間。

2.3 船體傾斜影響

FPSO是海上浮式生產(chǎn)儲卸油船，甲板可以看作一個與海面近似平行的面，但是由于各種各樣的原因，船體總會有一定的傾斜度，包括船體艏傾和左、右傾，三相分離器也會出現(xiàn)相應的傾斜情況。

船體艏傾一般不超過1.5 m，最大時不超過2 m，最小時不小于0.5 m，根據(jù)船體長度可計算出艏傾角度。一級自由水分離器的油、水室是在船艉側(cè)，二級熱化學分離器的油、水室是在船艏側(cè)，故艏傾會使一級自由水分離器的分離室有效容積略有增加，而二級熱化學分離器的分離室有效容積略有下降。

同樣，左、右傾對一、二級分離器有一定影響。兩級分離器內(nèi)油室、水室是并列排布的，一級自由水分離器的油室在左側(cè)，水室在右側(cè)；二級熱化學分離器正好相反，水室在左側(cè)，油室在右側(cè)，不論左、右傾都會導致油堰板實際高度下降，使分離室有效容積變小。根據(jù)觀察，F(xiàn)PSO左、右傾都出現(xiàn)過，傾斜角度最大不超過1°。

計算得出：一級自由水分離器在艏傾最大無左、右傾時分離室有效容積最大為152.36 m3，艏傾最小左傾1°時有效容積最小為149.59 m3；二級熱化學分離器在艏傾最小無左、右傾時分離室有效容積最大約為210.66 m3，艏傾最大右傾1°時有效容積最小為208.01 m3；船體傾斜也會降低分離器水堰管實際高度，但是高度最多降低1.4 mm。

2.4 內(nèi)部積砂影響

油井產(chǎn)出原油時總會攜帶出一些地層泥砂，其中一部分就會沉積到三相分離器底部，這些泥砂占據(jù)一定空間不僅會減小分離室有效容積還會造成水相水質(zhì)變差，故需要定期清理底部泥砂。

一級自由水分離器每兩周清理一次泥砂，每次最多不超過50 L。二級熱化學分離器由于底部泥砂積攢比較緩慢而長期沒有清理過，估算底部積攢泥砂厚約500 mm，目前只能緩慢排出，短期內(nèi)無法排凈。故可知一級自由水分離器底部泥砂影響極小可以忽略，二級熱化學分離器受底部泥砂影響較大，估算單臺分離器底部泥砂體積約占5.26 m3。

2.5 油、水密度影響

液體在壓力較低的情況下的密度主要受溫度的影響，前述一級自由水分離器操作溫度為60 ℃，二級熱化學分離器由于分離室內(nèi)存在加熱盤管，導致上部油相和下部水相溫度不同，目前只能觀察到水室溫度60 ℃，油室溫度為90 ℃。為了保證計算的準確性，必須考慮溫度對密度的影響。這里取分離室上部油相及其含水溫度為90 ℃，下部水相為60 ℃。

該油田原油為重質(zhì)油，20 ℃測定密度為0.930 3 g/mL，根據(jù)《石油溫度密度系數(shù)表》和原油密度計算公式[4]，可推算出60 ℃原油密度為0.907 1 g/mL，90 ℃原油密度為0.889 7 g/mL；水的密度通過查詢《水的密度溫度表》[5]，可知60 ℃水密度為983.191 kg/m3，90 ℃水密度為965.304 kg/m3。該油田伴生水礦化度較低，對水密度影響極小，故不考慮水礦化度對水密度的影響。

2.6 影響三相分離器處理效果的其它因素

首先是段塞流影響，生產(chǎn)過程中海管經(jīng)常會出現(xiàn)段塞流，表現(xiàn)為一級自由水分離器壓力在190～330 kPa之間波動，瞬時處理量也隨之變化，二級熱化學分離器壓力非常穩(wěn)定，瞬時處理量受段塞流影響很小。

其次是惡劣天氣影響，渤海地區(qū)有時出現(xiàn)大風大浪天氣，目前許多海上平臺都裝有消除風浪影響的裝置[6]，但是該FPSO并沒有這類裝置。故在惡劣天氣下FPSO會出現(xiàn)明顯搖擺，導致三相分離器處理效果變差，甚至出現(xiàn)分離器油相出口含水率和水相出口含油率不達標的情況。

3 水堰管最佳拔高計算

根據(jù)“U”型連通器原理，通過水堰管不同拔高可以計算出分離室內(nèi)的油水界面，計算出分離室內(nèi)油相和水相的有效容積，再根據(jù)實際生產(chǎn)情況計算出油相和水相在分離室內(nèi)的停留時間，從而反推出最佳拔高。這里的油水界面并不是指油相和水相之間的乳化層[7]，而是一個理想化便于計算的純油與純水的油水界面。

根據(jù)前文影響因素分析，一級自由水分離器在有效容積最小的情況下，原油平均停留時間為19 min 34 sec，水堰管拔高在175～200 mm時滿足化學藥劑不少于15 min的處理要求。二級熱化學分離器處理量主要受一級自由水分離器油相含水率控制，含水率越高二級分離器的處理量越大。假設(shè)一級自由水分離器處理后油相含水達到70%，原油在二級分離器分離室內(nèi)平均停留時間也能達到33 min，一般情況下含水率不超過50%，原油平均停留時間不少于55 min。為滿足化學藥劑處理要求，油相、水相停留時間均不低于15 min，可以推算出水堰管拔高范圍在100～220 mm之間可滿足要求。

考慮到油田實際生產(chǎn)情況及段塞流等影響，一級自由水分離器水堰管拔高最好在190 mm，這樣油相、水相平均停留時間一樣均為19 min 34 sec，段塞流對分離器油相、水相瞬時處理量影響最小。二級熱化學分離器水堰管拔高最好在175～180 mm之間，保證極端工況下油相、水相都有足夠的停留時間，保證化學藥劑處理效果，后期二級分離器底部泥砂排凈之后還可以下調(diào)2～3 mm。得出結(jié)論后FPSO操作人員將一級、二級分離器水堰管拔高調(diào)整到最佳高度并保持不動，觀察生產(chǎn)流程可長期保持穩(wěn)定，只要化學藥劑系統(tǒng)正常運行，在極端工況、惡劣天氣下分離器油、水處理也能達標。

4 結(jié)論

本文根據(jù)油田實際生產(chǎn)情況并結(jié)合化學藥劑等影響因素，通過水堰管的“U”型連通器原理計算得出一級自由水分離器和二級熱化學分離器水堰管的最佳拔高并實際驗證。在各個影響因素中，油田實際生產(chǎn)情況和化學藥劑是最主要的影響因素，油、水密度隨溫度的變化是比較關(guān)鍵的因素，船體傾斜和底部積砂影響很小。當分離器水堰管在最佳拔高時可將段塞流影響降到最小，惡劣天氣下處理效果可以達標。由此可知，在油田生產(chǎn)情況及含水率基本穩(wěn)定時，將分離器水堰管拔高調(diào)整到最佳高度并保持就是最有利于原油處理流程穩(wěn)定的。同時，本文還為未來油田產(chǎn)量變化、含水率變化以及相關(guān)化學藥劑換型，重新確定分離器水堰管最佳拔高提供了方法和依據(jù)。