渤海某平臺生產分離器分液不均問題分析及改進措施

楊海波 閆旭 徐振

【摘 ?要】生產分離器一般多為三相分離器，它能將從井下產出的油氣水三相混合物進行初步的分離，是油氣水分離的核心設備。論文主要針對某中心處理平臺兩臺生產分離器并聯運行時，其兩臺生產分離器之間的液體分布不均的情況，通過利用某商業(yè)多相流軟件，對從井口區(qū)管匯至生產分離器入口管匯處的管道內液體的流型進行模擬，利用模擬出的管道內的流型來分析兩臺生產分離器分液不均的原因，并給出合理的處理方法。

【Abstract】Production separators are generally three-phase separators， which can preliminarily separate the three-phase mixture of oil， gas and water produced from underground. It is the core equipment of oil， gas and water separation. In this paper， aiming at the uneven distribution of liquid between two production separators of a central processing platform when two production separators operate in parallel， the flow pattern of liquid in the pipeline from the wellhead manifold to the inlet manifold of production separator is simulated by using a commercial multiphase flow software. The reason of uneven liquid separation between the two production separators is analyzed by using the simulated flow pattern in the pipeline， and the reasonable treatment method is given.

【關鍵詞】生產分離器并聯;分液不均;段塞流;流型;油氣處理

【Keywords】parallel connection of production separator; uneven liquid separation; slug flow; flow pattern; oil and gas processing

【中圖分類號】TE937 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2022）02-0190-04

1 引言

渤海油田某中心處理平臺是一座8腿導管架平臺，設有100人生活樓。平臺共60個井槽，6×10排列，井槽間距為2.0 m×1.8 m，設置模塊鉆機進行鉆完井。

該中心處理平臺分為上、中、下三層甲板，主要設施有油氣生產系統設備、污水處理系統設備、公用系統設備、注水系統設備、開閉排系統、天然氣壓縮機系統、電氣設備房間等。平臺通過棧橋和某井口集輸平臺相連。該中心平臺各油井所產流體在生產管匯匯合后與來自井口集輸平臺的部分產液一同進入中心處理平臺的生產分離器進行油氣水三相分離。生產分離器分離出來的含水50%的原油經外輸泵增壓后送至井口集輸平臺，與井口集輸平臺剩余部分油井所產出的流體匯合后，通過井口集輸平臺至某終端處理設施的兩條已建混輸管線送至終端處理設施進行進一步處理。分離出來的氣進入中心平臺的天然氣壓縮系統，經天然氣壓縮系統壓縮后，匯入混輸管線和原油一同送往終端處理設施供透平發(fā)電。該中心處理平臺生產分離器分離出來的水進入斜板除油器和加氣浮選器進行處理。處理合格后生產水通過注水增壓泵和注水泵進行增壓回注。

2 研究背景

該中心處理平臺設計處理液量83 116 m3/d，處理油量4 497 m3/d，處理氣量1.14×105 Sm3/d，設有兩臺生產分離器并聯運行。單臺生產分離器的設計處理油量為97 m3/h，處理水量1 735 m3/h，氣量為2 380 Sm3/h。平臺投產初期，由于本平臺的開發(fā)井未上線，該中心平臺的主要處理的是井口集輸平臺通過管線跨越棧橋輸送來的井液。所以在投產初期該中心處理平臺只投用了一臺生產分離器。隨著本平臺的開發(fā)井的上線以及井口集輸平臺的提頻增液，該中心平臺處理液量也隨之增大。投產初期時運行的一臺生產分離器已經不能夠滿足需求，但當投用第二臺生產分離器時，出現了兩臺生產分離器分液嚴重不均的情況，生產分離器A的進液量極少，進入的氣體很多，而主要進入生產分離器B的則是液，很少有氣體的進入。為了探究生產分離器分液不均的原因，本文利用多相流的流型分析管道中流體的狀態(tài)，進而分析分離器分液不均的原因。

該中心處理平臺的兩臺生產分離器入口管線僅有一道自動控制關斷閥門，并不能作為調節(jié)流量的閥門來使用。所以兩臺生產分離器的入口流量僅通過入口管線的布置及調整生產分離器的設定壓力來進行分液，圖1為生產分離器入口管線的三維布置圖。從圖1可以看到，兩臺生產分離器入口管線是從26英寸管線的上端與下端引入生產分離內。

在研究了平臺設計方模擬的數據結果得知，在26英寸主管線內氣量為41 300 Sm3/d，液量為65 000 m3/d的情況下，26英寸管線內的流體為氣泡流流型。此時，天然氣以氣泡的形式均勻分布在液相中，是一種穩(wěn)定的均相流動狀態(tài)。在這種流型下，氣液將均勻地進入生產分離器A/B的入口管線，此時生產分離器應氣液均勻地進入生產分離器A/B進行處理。但中心平臺的處理液量不可能直接達到65 000 m3/d，其需要一個緩慢增加至該液量的過程，而一臺生產分離器的最大處理液量只有41 640 m3/d，由于兩臺生產分離器進液不均衡，無法實現液量從41 640 m3/d增加到65 000 m3/d，從而造成無法實現管道內流體達到氣泡流流型的狀態(tài)。

為了緩解一臺生產分離器的壓力，后期通過調節(jié)兩個分離器內的壓力差等措施均不能完全將兩個分離器均勻分液，所以分離器分液不均的問題已經嚴重制約了該中心處理平臺的處理能力。為解決此問題，本文主要是通過某商業(yè)多相流軟件來模擬在井口集輸平臺來液量40 000 m3/d，氣量47 000 Sm3/d，中心處理平臺產液量21 000 m3/d，氣量25 000 Sm3/d情況下，對管線內的流體流態(tài)進行模擬，以此來分析兩臺生產分離器分液不均的原因，并制定相關解決辦法，結合現場實際情況擇優(yōu)選取，最終取得了兩臺生產分離器分液均衡的效果。

3 流型的基本介紹

3.1 流型的定義與分類

多相流中，不同的壓力、流量、管路布置狀況和管道的幾何形狀等都會造成相界面的形狀（分布）的不同，即形成不同的流動結構模式，對此稱為流型（流態(tài)，流譜）。

多相流的流型劃分通常有兩類方法：一類是按照流體的外觀形狀來分;另一種是根據相的分布特點來劃分。以水平氣液兩相流為例，按照流體的外觀形狀，可以分為氣泡流、塞狀流、分層流、波浪流、彈狀流、環(huán)狀流。按照相的分布特點可以分為間歇流、分散流、分離流[1]。

3.2 水平管流流型的特征

水平管流流型主要分為以下幾類，其流型如圖2所示[2]。

3.3 彈狀流（段塞流）形成原因及危害

彈狀流，又稱段塞流、沖擊流、塊狀流。在彈狀流流型中，氣液分界面由于劇烈波動而在某些部位直接和管子上部接觸，將位于管子上部的氣相分隔為氣彈而形成彈狀流動結構。在水平流動時，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動[3]。

彈狀流一般容易發(fā)生在原油的混輸管道和油井的立管出口處，由于阻力損失和管線布置等原因，混輸管道內或井筒內壓力的降低，原油中的天然氣逐漸析出。氣泡逐漸匯聚，就會容易形成段塞流。段塞流由于其具有高流速與高動能，容易對閥體和管線造成損壞，同時也會對下游流程造成沖擊。以本平臺為例，若分離器入口管線內形成了段塞流，則會對分離器的液位與壓力造成沖擊，使生產流程造成較大的波動，分離器水相出口水質變差，嚴重時還有可能導致平臺的關斷停產，甚至造成環(huán)境的污染。

4 流型的模擬及分析

本文對中心處理平臺的來液管線以及生產分離器入口管線內的流體流型進行模擬。由于管線走向復雜，我們分別分析每一條管線的模擬結果。

首先模擬的是從井口集輸平臺輸送至中心處理平臺的20英寸管線內的管線布置圖（見圖3）。

模擬后的結果顯示，在井口集輸平臺來液管道中，它的流型是隨著管道起伏的變化而發(fā)生變化的。在井液流經井口集輸平臺至中心處理平臺的管線時，首先需要經過垂直向上的管段。這時，管道內的流型從開始的彈狀流逐漸轉變?yōu)闅馀萘?。隨后經水平管線穿過棧橋，其流型從氣泡流變回彈狀流。在穿越棧橋時，中間雖有一些彎道，但其流型并未發(fā)生改變，依舊是彈狀流。穿越棧橋后，又連續(xù)經歷兩次“U”型彎，其流型又在彈狀流和氣泡流之間來回變化，最終經過水平管道輸送至中心處理平臺的26英寸管匯中，此時其流型為彈狀流。

如圖4所示，中心處理平臺來液管線較為簡單，井液從各個井口生產管匯匯聚到24英寸的管道上進行輸送，由于中心處理平臺生產井未完全開發(fā)完成，所以其井液比較少，在流經24英寸管道時，其流型呈分層流的狀態(tài)，在經歷一段豎直向下的管段時，其流型逐漸過渡為氣泡流流型。隨后又經歷一段水平管流，它的流型再一次變?yōu)榉謱恿髁餍汀ｋS后經過豎直向上管段，流型從分層流過渡為氣泡流。最后流經一段與豎直方向成45°角的傾斜管段匯入26英寸的管道，與井口集輸平臺來液匯合。此時其流型從氣泡流過渡為彈狀流。

兩個平臺來液匯入26英寸的管線中，由于26英寸管線位于同一水平面且沒有彎曲，所以其內流型并沒有發(fā)生變化，始終保持彈狀流流型。通過圖2我們可以看到，在彈狀流流型中，當在水平管內流動時，氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動。而該中心處理平臺的兩臺生產分離器的入口管線分別從26英寸管線的上端與下端進行引入，所以生產分離器的入口從26英寸管線上端引入生產分離器A，該生產分離器中進入的天然氣量與油量比較多。而生產分離器的入口從26英寸管線下端引入生產分離器B，則其內主要進去的是生產水，天然氣的進入量很少，除非出現較大的段塞流，天然氣會進入生產分離器B。而從油井井底攜帶的雜質以及陶粒和沙礫，也更容易進入生產分離器B中，這也正符合現場實際生產情況。

在26英寸管道中，由于管道內的流體流型為彈狀流流型，又稱為段塞流，其對管線的沖擊以及對下游流程的沖擊較大，但在實際生產過程中，并未發(fā)現管道劇烈震動以及生產流程有太大的波動。由管線內出現段塞流而對流程造成波動的情況很少發(fā)生。所以，結合現場實際生產情況以及流型模擬進行分析，在26英寸的管線中，其內流型雖為彈狀流，但其氣彈較為均勻，并未形成嚴重的段塞流，所以分離器雖然分液不均，但流程仍然能夠正常平穩(wěn)地運行。

5 解決方案

由模擬后的結果分析可知，在上述流量的情況下，在26英寸管道中，由于管道內的流體流型為彈狀流流型，又稱為段塞流，其對管線的沖擊以及對下游流程的沖擊較大，但在實際生產過程中，并未發(fā)現管道劇烈震動以及生產流程有太大的波動。由管線內出現段塞流而對流程造成波動的情況很少發(fā)生。所以，結合現場實際生產情況以及流型模擬進行分析，在26英寸的管線中，其內流型雖為彈狀流，但其氣彈較為均勻，并未形成嚴重的段塞流，所以分離器雖然分液不均，但流程仍然能夠正常平穩(wěn)地運行。為了解決兩臺分離器分液不均的這一問題，特給出以下幾種解決方案。

5.1 在生產分離器入口前加裝段塞流捕集器

段塞流捕集器按照結構來分主要分為兩大類，分別為管式和容積式。這兩種段塞流捕集器都能夠起到分離油氣的作用，同時也能夠為下游設備輸送穩(wěn)定的液量進行處理。

容積式段塞流捕集器的結構與緩沖罐相似，它能夠為混輸管線內的油氣段塞提供充足的緩沖時間，以減輕段塞流對下游處理流程的影響。同時它也能為化學藥劑提供充足的反應時間，能夠最大限度地消除原油表面的氣泡，減輕下游外輸泵由于原油中帶有天然氣而對泵造成汽蝕。同時它還具有結構簡單和占地面積小的優(yōu)點，適用于海上生產設施。

管式段塞流捕集器主要由多根傾斜的管子并聯組成。它的占地面積較大，不適用于海上生產設施，通常用于天然氣-凝析液海底管道的陸上終端。

在實際應用當中，由于油井預估的產量與實際產量并不完全相符，段塞流捕集器常常會出現設備選型不經濟和分離不徹底的情況。所以選擇此方案時，應與現場實際產量和現場所處空間以及平臺的承重和經濟性等相關因素相結合。

5.2 在入口增設截止閥

截止閥在石油生產方面有著較為廣泛的應用，截止閥除了起著截斷其所在管線中的介質的作用外，還具有調節(jié)流量的重要作用。在生產分離器A/B入口關斷閥前增設一個截止閥，通過控制兩個截止閥的開度來對進入兩臺生產分離器的液量進行調節(jié)，能夠有效解決兩臺分離器分液不均的問題。同時，截止閥后的關斷閥可設置為自動狀態(tài)，僅作為關斷閥來使用，降低流程運行風險。此方法各油田都有廣泛的使用，但當分離器的處理量較大時，流體對閥桿的沖擊較大，有將截止閥閥桿沖斷的風險。

5.3 對入口管線進行改造

對現有入口進行改造有很多種方法，但其改造的核心就是不再讓兩臺分離器入口管線分別從26英寸管線的上端和下端引入。在對入口管線進行改造時，可將兩個分離器入口管線均從26英寸管線的下端引入，使26英寸管內的流體依次經過兩個分離器的入口管線，從而進入兩臺生產分離器進行處理。通過其他油田的設計和實際應用來看，該方案可靠且能夠穩(wěn)定運行。此外，本方案還具有施工量少、改造時間短、經濟性好的特點。

5.4 將兩個生產分離器的入口進行分離

將井口集輸平臺來液與中心處理平臺自己的產出液分開進行處理，使兩個平臺的液分別進入兩個分離器，即分成兩個系列。同時兩個系列之間加裝一條管線和一個球閥與截止閥，可以調節(jié)兩個系列的流量。由于中心處理平臺是新建平臺，在投產初期，該中心處理平臺的處理液量較少，此時可以只投用一臺生產分離器，將中心處理平臺所產的液通過兩個系列之間的球閥與截止閥進入生產分離器。隨著中心處理平臺產液量的增加，可將中心處理平臺的液量轉入另一臺生產分離器進行處理，兩個系列之間通過球閥與截止閥進行隔離。如果井口集輸平臺來液增加，甚至超過單臺生產分離器的最大處理量，可以通過調節(jié)兩臺生產分離器的壓力或者兩個系列之間截止閥的開度，讓流體分流一部分液至處理中心平臺來液的生產分離器內，以緩解另一臺分離器的處理壓力。但此種方法雖能徹底解決分離器的分液問題，但是在實際生產過程中，用此種方法進行改造所需的工作量較大，改造時間長，停產所造成的經濟損失較大，所以此方案從經濟角度來考慮，不經濟可行。

6 實際效果

通過以上分析可知，造成兩臺生產分離器分液不均的主要原因是流體在26英寸管道里形成了彈狀流流型，而氣彈主要沿著管道上部進行流動，再加上分離器入口管線的特殊布局，造成了兩臺生產分離器的分液不均。按照設計方所設計模型分析的結果，分離器液量在65 000 m3/d以上可以實現穩(wěn)定氣泡流，理論上若三臺注水泵在線，提高液處理量65 000 m3/d以上可以實現均勻分液，不需改造。但由于現場實際生產過程中，油田產氣量比設計方所選取的參數大，流體在管道中的流型會發(fā)生變化，且因為油田電量等一直未能提液試驗。僅僅通過調整生產分類器壓力設定參數來實現處理液量的增加非常困難，因此，在平臺進行停產檢修時完成分離器的優(yōu)化改造。其所采用的方案是兩臺分離器的入口均從26英寸管道的下方引入，同時在分離器入口關斷閥前增設了一個截止閥（見圖5），在調整管線布局以改變分液狀況的同時，也可以通過截止閥開度來對分離器的進液量進行調節(jié)。目前，兩臺分離器均勻分液，兩臺生產分離器水相出口水質明顯改善，現場流程也能夠平穩(wěn)運行，改造效果良好。

圖5 ?中心處理平臺分離器入口管線改造后效果圖

7 結語

通過對生產分離器入口管線的布局進行改造并加裝截止閥，從根本上實現了兩臺生產分離器的進液均衡，兩臺生產分離器水相出口水質明顯改善，現場流程平穩(wěn)運行。該研究及解決問題的方法將為后續(xù)平臺建造及具有相同生產瓶頸的平臺提供指導意義。

【參考文獻】

【1】陳家瑯，陳濤平.石油氣液兩相管流[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

【2】李長俊，賈文龍.油氣管輸與礦道多相流[M].北京：化學工業(yè)出版社，2014.

【3】馮叔初，郭揆常.油氣集場加工[M].東營：中國石油大學出版社，2006.