三相分離器油水界面 高度控制的理論分析及研究

張彥鑫，楊家梁，雷鍇，馬亮

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在原油生產(chǎn)處理中，處理的流體主要是地層中油氣水三相的混合液，同時(shí)其中包含部分泥沙、雜質(zhì)、乳化液等混合物。因此需要對(duì)原油進(jìn)行初步的分離處理，以提高原油外輸品質(zhì)，供給下游使用。

目前，海上油田主要是在臥式三相分離器中對(duì)油氣水三相的混合液進(jìn)行分離。而臥式三相分離器中對(duì)混合室油水界面高度的合理調(diào)節(jié)，能使得處理后原油的含水率以及污水的含油率符合要求。根據(jù)分離器入口含水情況及時(shí)調(diào)整油水界面高度，才能確保混合室內(nèi)原油中的乳化水和污水中的油滴有充足的時(shí)間分離出來。

1 三相分離器概述

1.1 三相分離器工作原理

油氣水三相分離器主要可分為入口分流區(qū)，集液區(qū)，捕霧器區(qū)及重力沉降區(qū)四大部分[1]，當(dāng)混合液進(jìn)入三相分離器后，通過擋板改變其混合液的方向，吸收其動(dòng)能，達(dá)到氣液的初步分離，氣體進(jìn)入氣體通道經(jīng)過整流器和重力沉降，分離出大液滴，在氣相出口處設(shè)置了捕霧器，氣體經(jīng)過捕霧器除去小液滴后由出口輸出。液體進(jìn)入集液區(qū)，經(jīng)過波紋板的穩(wěn)定后，在混合室進(jìn)行沉降，油向上流動(dòng)，水向下流動(dòng)，并在化學(xué)藥劑的作用下得以油水分離，油從頂部經(jīng)過溢流堰板進(jìn)入油室并從油相出口流出，而污水則從底部管線進(jìn)行排出。

1.2 三相分離器分類

三相分離器按照結(jié)構(gòu)來分類，可以分成立式、臥式兩種。立式三相分離器通常用于中等或較低油氣比的場(chǎng)合[2]，以便去除液體中含有的氣體，與臥式三相分離器相比，具有承受較大的液體波動(dòng)能力，對(duì)液面控制要求不是十分嚴(yán)格。

而臥式三相分離器則主要作為生產(chǎn)分離器，在處理高油氣比、大流量的氣體和液體時(shí)表現(xiàn)得更好。臥式三相分離器與立式三相分離器相比，臥式三相分離器有處理量大，氣液界面面積大有利于氣液分離，油氣流路長，分離效果好等優(yōu)點(diǎn)。故而對(duì)于海上油田而言，臥式三相分離器應(yīng)用較多。

兩室式三相分離器水從下部水相出口排出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩室式三相分離器結(jié)構(gòu)示意圖

兩室式三相分離器的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于檢修，但是其調(diào)節(jié)油水界面時(shí)，僅能通過控制水相出口閥的開度，直接對(duì)油水界面進(jìn)行調(diào)節(jié)，閥門打開，油水界面降低；閥門關(guān)閉，油水界面上升，容易造成液位的波動(dòng)，致使油水界面不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致水相出口含油率過高，或者油相出口含水率過高。

三室式三相分離器和兩室式三相分離器對(duì)比，擁有獨(dú)立的混合室、油室和水室，在混合室下部有一根水管直接和水室聯(lián)通，水從聯(lián)通管進(jìn)入水室后從水向出口流出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三室式三相分離器結(jié)構(gòu)示意圖

三室式臥式三相分離器調(diào)節(jié)油水界面時(shí)，是通過控制水相出口的閥開度控制水室液位，根據(jù)U型管原理控制混合室的油水界面，可以避免出現(xiàn)油水界面過低或者過高的情況，從而獲得更好的污水含油率以及原油含水率。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后續(xù)清理維保時(shí)難度較高。

2 油水界面高度計(jì)算

油水界面高度是三相分離器設(shè)置的一個(gè)重要參數(shù)，保持合理的油水界面高度是控制原油含水率以及污水含油率的重要手段。油水界面位于混合室油層和水層中間，油水界面過高或者過低，容易導(dǎo)致油水混層，分離效果差。油水界面向上移，則油相含水率上升，水相含油率下降；油水界面下移，則油相含水率下降，水相含油率上升。水室水管的高度影響油水界面的高度，可以以此實(shí)現(xiàn)油水界面的調(diào)節(jié)[3]。

以三室式臥式三相分離器為例，如圖3所示。

圖3 油水界面計(jì)算示意圖

油水界面控制采用U型管原理，此時(shí)油水界面隨水室液位波動(dòng)，公式為：

可得：

此時(shí)可通過調(diào)節(jié)水相出口閥開度控制H2，從而調(diào)節(jié)油水界面的高度。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中，為避免混合室油水界面過高造成混合室油相溢流進(jìn)水室，及避免水室液位過高造成水室水再回流混合室，還需滿足條件：

為避免混合室油水界面過高造成混合室水相溢流進(jìn)油室，需滿足hw＜h，從而確定出水管調(diào)節(jié)的范圍。

3 應(yīng)用實(shí)例

某油田分離器參數(shù)為h=1900 mm，H=2600 mm，ρo=0.8 g/cm3，ρw=1 g/cm3，按理想情況下，油水在分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部分離，即hw與ho比值與含水呈線性關(guān)系，得出分離器入口不同含水情況hw與H2關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 油水界面與水室液位高度關(guān)系曲線

根據(jù)H≥hw+ho≥h，計(jì)算混合室油水界面高度與水室液位高度滿足條件，如表1所示。

表1 油水界面高度與水室液位高度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)hw≤1900 mm，計(jì)算得出不同含水情況下H2的最大值，如表2所示。

表2 含水與水室液位限定高度計(jì)算結(jié)果

該油田目前綜合含水在70%，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，水室液位應(yīng)控制在1781＋～2436 mm，使混合室油水界面保持在1329～1818 mm之間。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處理中，分離器液位還受分離器溫度、分離器藥劑注入濃度等因素影響。在保持溫度及藥劑濃度穩(wěn)定的情況下，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整分離器水室液位閥開度，使分離器水室液位保持不同高度，化驗(yàn)水相含油及油相含水。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示如下。

表3 水室液位高度及分離器出口化驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，作出關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 水室液位高度及分離器出口化驗(yàn)數(shù)據(jù)變化曲線

由數(shù)據(jù)可知，在水室液位不斷提升過程中，油水界面不斷上升，水相含油下降，油相含水上升。在水室液位超過2100 mm之后，繼續(xù)上調(diào)水室液位，油相含水上升幅度加大，水相含油下降幅度減小。在同時(shí)滿足分離器下游處理設(shè)備入口含水和含油要求下，水室高度控制在2100 mm左右為最佳選擇。

4 結(jié)語

由表1及表2中數(shù)據(jù)可以看出，在油田處于低含水開發(fā)期時(shí)，需注意控制水室液位使得混合室內(nèi)液位高度到達(dá)油室堰板溢流高度達(dá)到油室集油效果，同時(shí)注意混合室內(nèi)液位高度不超過水室堰板高度。在油田進(jìn)入中高含水期時(shí)，要根據(jù)理論計(jì)算值及時(shí)調(diào)整水室液位設(shè)定值，通過水相出口管線調(diào)節(jié)閥控制水位平穩(wěn)，避免混合室油水界面過高造成水溢流進(jìn)油室，造成油相高含水。現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)水相含油及油相含水化驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)對(duì)水室液位高度進(jìn)行調(diào)整來控制分離器油水界面，以達(dá)到最佳處理效果。

本文通過建立臥式三相分離器水室液位高度和混合室油水界面高度的方程，得到了通過控制水室液位高度從而控制混合室油水界面高度的計(jì)算方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，為油田不同含水開發(fā)生產(chǎn)時(shí)期控制油水界面的高度提供了計(jì)算方法，對(duì)不同參數(shù)的分離器均可參照此公式進(jìn)行計(jì)算。