劉巍巍

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京100029)

SDPSO平臺(tái)儲(chǔ)油系統(tǒng)油水置換工藝設(shè)計(jì)

劉巍巍

(北京高泰深海技術(shù)有限公司， 北京100029)

新型Spar鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)(SDPSO)是一種新型的集“鉆-采-儲(chǔ)-運(yùn)”四大功能為一體，具有干樹鉆井和干樹采油能力的Spar平臺(tái)。由于采用了經(jīng)典Spar平臺(tái)形式，新型SDPSO平臺(tái)深吃水的浮體結(jié)構(gòu)中部存在很大的自然空間，具備大量?jī)?chǔ)油條件，因此可利用其進(jìn)行原油儲(chǔ)存，擺脫對(duì)浮式儲(chǔ)油輪的依賴。利用Spar的結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行原油儲(chǔ)存涉及油水置換問題，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證油水置換工藝的可行性。針對(duì)中輕質(zhì)原油，進(jìn)行新型SDPSO平臺(tái)浮式儲(chǔ)油裝置油水置換系統(tǒng)的工藝方案設(shè)計(jì)。

SDPSO平臺(tái)；油水置換；工藝設(shè)計(jì)；界面監(jiān)測(cè)

0 引言

SDPSO儲(chǔ)油系統(tǒng)主要利用一個(gè)立式儲(chǔ)油艙通過油水置換方法來儲(chǔ)存處理合格的原油。立式儲(chǔ)油艙是儲(chǔ)油系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，利用Spar的浮體結(jié)構(gòu)設(shè)置。一個(gè)油沉箱連接到儲(chǔ)油艙頂部，一個(gè)水沉箱連接到儲(chǔ)油艙的底部。油沉箱頂部至上部組塊之間設(shè)有中心井，各鉆井/生產(chǎn)立管布置在中心井內(nèi)。采油樹位于Spar平臺(tái)上部組塊的中心位置，共設(shè)有9口生產(chǎn)井及鉆井/生產(chǎn)立管[1]。單根立管穿過儲(chǔ)油艙的部分設(shè)置有隔水套管，以隔水套管內(nèi)的環(huán)空作為外水管。外水管的頂端穿過油沉箱頂部的水密甲板至上部中心井靠近底部的位置。外水管的底端穿過水沉箱底部至儲(chǔ)油艙外部，外水管將中心井內(nèi)設(shè)置的水沉降艙與外部大海相連通。在儲(chǔ)油艙與水沉降艙之間設(shè)置了1根30″(1″=0.025 4 m)的內(nèi)水管，內(nèi)水管頂端位于積水槽內(nèi)液面以下的位置，底端則位于儲(chǔ)油艙下部的水沉箱靠近底部的位置，內(nèi)水管將儲(chǔ)油艙和水沉降艙相連通，進(jìn)油管從平臺(tái)上部設(shè)施經(jīng)中心井進(jìn)入油沉箱。位于儲(chǔ)油艙之上,中心井與Spar艙壁之間的環(huán)空部分設(shè)有多個(gè)艙室，利用部分艙室作為泵艙，用于放置原油外輸泵、乳化油泵、浮油泵、開排槽和開排泵，泵艙布置于-21.3 m的位置。儲(chǔ)油艙結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)油艙結(jié)構(gòu)示意圖

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

Spar儲(chǔ)油艙的設(shè)計(jì)進(jìn)油量為4萬桶/天(265 m3/h)，外輸油量為50萬桶/天(3 312.5 m3/h)。儲(chǔ)油艙有效容積約50萬桶(79 493.5 m3)，水沉降艙有效容積約4.1萬桶(6 532 m3)。

油品特性參考南海幾個(gè)典型油田的原油特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，原油物性見表1，海水密度為1.025 g/cm3，南海海域海水溫度見表2。

表1 原油物性參數(shù)

表2 南海海域水溫度

2 原油存儲(chǔ)工藝方案設(shè)計(jì)

Spar平臺(tái)上部組塊處理合格的原油經(jīng)過位于上部組塊的原油進(jìn)料泵(Spar-P-2001A/B/C)增壓后，經(jīng)進(jìn)油管由上部組塊向下進(jìn)入Spar平臺(tái)儲(chǔ)油艙(Spar-T-2001)進(jìn)行儲(chǔ)存。原油進(jìn)料泵設(shè)計(jì)流量為4萬桶/天(約265 m3/h)，當(dāng)合格原油以設(shè)計(jì)流量進(jìn)入儲(chǔ)油艙時(shí)，儲(chǔ)油艙內(nèi)的油水界面將以0.35 m/h的速度下降。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的進(jìn)油流量將隨平臺(tái)產(chǎn)油量的變化而變化。

當(dāng)合格原油以一定流量進(jìn)入儲(chǔ)油艙時(shí)，艙內(nèi)相應(yīng)流量的海水在壓力作用下首先通過水沉箱底部至水沉降艙頂部的內(nèi)水管被置換進(jìn)入水沉降艙(Spar-T-2002)。水沉降艙內(nèi)的海水則在海水靜壓作用下，以同樣的流量通過水沉降艙下部至儲(chǔ)油艙底部排水口的內(nèi)水管排入大海。

從儲(chǔ)油艙排到水沉降艙中的海水可能含有微量原油，但由于水沉降艙的容量大(超過6 500 m3)、深度深(超過50 m)，海水從儲(chǔ)油艙被置換到水沉降艙后，至少能在水沉降艙停留25 h以上，才會(huì)最終由水沉降艙外排至大海，足夠長的停留時(shí)間給海水中的微量原油提供了充分的二次分離時(shí)間。由于不斷被置換出來的海水進(jìn)入，海水在水沉降艙中慢慢向下沉降，海水中的微量原油在油水比重差的作用下逐漸上浮并最終聚積在水沉降艙頂部，實(shí)現(xiàn)了油水的二次分離。經(jīng)過長時(shí)間的二次分離，由水沉降艙經(jīng)外水管排放入海的海水將達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，確保不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染，而在水沉降艙頂部聚集的浮油，可定期通過浮油排放泵打入平臺(tái)上部組塊的閉排系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)入處理流程。工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3 原油外輸工藝方案設(shè)計(jì)

在平臺(tái)生產(chǎn)期間，合格原油將不斷通過原油進(jìn)料泵進(jìn)入儲(chǔ)油艙儲(chǔ)存，油水界面隨之下降。當(dāng)油水界面到達(dá)-171.8 m時(shí)，立即協(xié)調(diào)穿梭油輪在24 h內(nèi)抵達(dá)Spar平臺(tái)準(zhǔn)備外輸卸油作業(yè)。當(dāng)油水界面達(dá)到-180.2 m ～-177.4 m時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)原油外輸流程進(jìn)行卸油。原油外輸時(shí)，啟動(dòng)布置在泵艙的原油外輸泵(Spar-P-2002A/B/C/D)中的三臺(tái)，另外一臺(tái)備用。儲(chǔ)油艙內(nèi)存儲(chǔ)的原油通過原油外輸泵增壓后進(jìn)入上部組塊，經(jīng)計(jì)量后進(jìn)入穿梭油輪。等量的海水在靜壓作用下將由水沉降艙經(jīng)內(nèi)水管進(jìn)入儲(chǔ)油艙下部，補(bǔ)充置換被外輸?shù)脑汀Ｍ瑫r(shí)，等量的海水在壓力作用下將由外水管的底端經(jīng)外水管補(bǔ)充進(jìn)入上部中心井的水沉降艙。設(shè)計(jì)的外輸流量為3 300 m3/h，對(duì)應(yīng)的油水界面上升速度為4.39 m/h。當(dāng)油水界面到達(dá)儲(chǔ)油艙上部-75.7 m的位置時(shí)，關(guān)停原油外輸泵，結(jié)束原油外輸流程。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Spar平臺(tái)原油儲(chǔ)存和油水置換工藝實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是能對(duì)儲(chǔ)油艙油水界面實(shí)現(xiàn)有效地監(jiān)測(cè)和控制。油水界面過高，會(huì)導(dǎo)致原油外輸時(shí)外輸泵將海水外輸至穿梭油輪，造成外輸原油不合格。油水界面過低，會(huì)導(dǎo)致原油經(jīng)內(nèi)水管、外輸管溢流排入海中，造成環(huán)境污染。因此，需將油水界面控制在儲(chǔ)油艙內(nèi)大約10%(EL-75.7 m)～90%(EL-180.2 m)深度的位置，保證Spar平臺(tái)在儲(chǔ)油和外輸過程中不會(huì)出現(xiàn)環(huán)境污染事故，也不會(huì)出現(xiàn)外輸原油不合格的情況。實(shí)際項(xiàng)目中，油水界面的上下極限位置可根據(jù)Spar結(jié)構(gòu)的具體形式及艙容要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整[2]。

儲(chǔ)油艙內(nèi)海水進(jìn)入油水界面在儲(chǔ)油艙上部時(shí)，采用雷達(dá)式界面檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)油水界面在儲(chǔ)油艙下部時(shí)，目前沒有成熟的工業(yè)產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)對(duì)油水界面的直接測(cè)量。經(jīng)過進(jìn)一步研究，推薦采用間接測(cè)量方法對(duì)下部油水界面進(jìn)行測(cè)量，即通過密度、壓力與流量計(jì)算三種方法進(jìn)行下部油水界面的測(cè)量。三種方法相互校驗(yàn)，確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

4.1 密度測(cè)量方案

在儲(chǔ)油艙90%深度位置附近由上往下設(shè)置五個(gè)取樣點(diǎn)，各取樣點(diǎn)通過取樣管分別向上連接至泵艙位置。在泵艙內(nèi)，五個(gè)取樣管均設(shè)置一個(gè)電動(dòng)隔離閥，并匯入取樣管匯、取樣管匯下游設(shè)置兩個(gè)密度檢測(cè)儀(AE-2001A/B)，用于檢測(cè)對(duì)應(yīng)取樣位置的密度。

由于泵艙位置位于海平面以下(EL-21.3 m)，打開某個(gè)取樣管線上的隔離閥，則對(duì)應(yīng)取樣點(diǎn)的液體在靜壓的作用下可自流到泵艙位置，經(jīng)過取樣管匯進(jìn)入密度檢測(cè)儀進(jìn)行密度檢測(cè)。如果檢測(cè)到的密度為海水密度，則證明油水界面未達(dá)到對(duì)應(yīng)取樣點(diǎn)位置，原油進(jìn)料泵可繼續(xù)注油。如果檢測(cè)到的密度小于海水密度到一定程度，則證明乳化層或油層已到達(dá)該點(diǎn)，應(yīng)采用相應(yīng)的報(bào)警和處置工藝。

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)進(jìn)油速度通常低于設(shè)計(jì)流量，油水界面下降的速度也會(huì)低于0.35 m/s，對(duì)于給定的進(jìn)油速度，用進(jìn)油流量除以儲(chǔ)油艙有效截面積，即可計(jì)算出相應(yīng)的界面下降速度。用儲(chǔ)油艙高度方向上任意兩點(diǎn)的高差除以界面下降速度，即可計(jì)算出界面經(jīng)過這兩點(diǎn)所需的時(shí)間。

當(dāng)油水界面以0.35 m/s的最大速度下降時(shí)，由儲(chǔ)油艙上部10%的位置下降至下部90%的位置，需要經(jīng)過13天。因此，以設(shè)計(jì)流量進(jìn)油時(shí)，每次外輸之后，可在油水界面經(jīng)過儲(chǔ)油艙10%位置之后的第11天(264 h后)，啟動(dòng)下部油水界面位置檢測(cè)流程。實(shí)際的進(jìn)油速度低于設(shè)計(jì)流量時(shí)，油水界面由油艙10%的位置下降至90%位置所經(jīng)歷的時(shí)間會(huì)更長。進(jìn)行下部油水界面監(jiān)測(cè)時(shí)，當(dāng)密度分析結(jié)果為1.0或以上時(shí)，說明被檢測(cè)位置為海水，油水界面尚未到達(dá)該位置，當(dāng)密度分析結(jié)果減小到一定程度時(shí)(具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)原油物性、含水量及分析儀精度綜合考慮確定)，說明油水界面已下降至此處。這時(shí)應(yīng)在中控進(jìn)行報(bào)警并進(jìn)行生產(chǎn)關(guān)斷，避免原油經(jīng)內(nèi)水管進(jìn)入水沉降艙后最終排入大海，造成污染。

4.2 壓力測(cè)量方案

為防止由于密度測(cè)量的誤差或故障造成儲(chǔ)卸油系統(tǒng)誤操作，同時(shí)采用壓力測(cè)量方案對(duì)油水界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在水面以下5 m處設(shè)置一個(gè)壓力傳感器PIT2010，另外在-66.9 m處(儲(chǔ)油艙與壓載艙的交接處)設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器PIT2011A/B。由于油水界面在儲(chǔ)油艙的不同位置時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)到的壓力值不同，因此，根據(jù)壓力值可反推油水界面的位置。設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警關(guān)斷值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)油水界面的監(jiān)控。

4.3 流量測(cè)量方案

擬采用流量計(jì)算測(cè)量的方法對(duì)油水界面進(jìn)行分析評(píng)估。原油進(jìn)料泵出口設(shè)有質(zhì)量流量計(jì)FIT-2001，可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)油艙原油的實(shí)時(shí)流量以及累計(jì)流量的檢測(cè)計(jì)量。如密度測(cè)量方案的相關(guān)描述，對(duì)于給定的進(jìn)油流量，用進(jìn)油流量除以儲(chǔ)油艙有效截面積，即可計(jì)算出相應(yīng)的界面下降速度。用儲(chǔ)油艙高度方向上任意兩點(diǎn)的高度差除以界面下降速度，即可計(jì)算出界面經(jīng)過這兩個(gè)點(diǎn)所需的時(shí)間。用某個(gè)時(shí)間段的累積流量除以儲(chǔ)油艙的有效截面積，即可得出該段時(shí)間內(nèi)油水界面的高度。該方案可作為密度測(cè)量的指導(dǎo)和補(bǔ)充。

5 其他配套工藝方案設(shè)計(jì)

5.1 乳化油處理方案設(shè)計(jì)

儲(chǔ)油艙內(nèi)的油水界面處由于平臺(tái)晃動(dòng)和界面的不斷移動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生原油乳化現(xiàn)象并形成乳化油。如果乳化油長期得不到處理，乳化油層的厚度將隨時(shí)間的累積不斷增加，這樣勢(shì)必增加進(jìn)油和輸油時(shí)的摩阻，減小儲(chǔ)油艙能夠利用的有效艙容，甚至造成外輸原油和外排海水不達(dá)標(biāo)。因此，為了及時(shí)排出乳化油層，在泵艙設(shè)置了乳化油排放泵(Spar-P-2004A/B)，用于乳化油的排放。排放泵的吸入口設(shè)定在儲(chǔ)油艙10%深度的位置附近，即油水界面在儲(chǔ)油艙上部的目標(biāo)控制點(diǎn)。每次輸油操作結(jié)束后，油水界面到達(dá)這個(gè)位置，作業(yè)者可根據(jù)需要將形成的乳化油打回上部組塊的生產(chǎn)流程進(jìn)行再處理[3]。乳化油處理工藝流程如圖2所示。

5.2 浮油處理方案設(shè)計(jì)

隨著合格原油進(jìn)入儲(chǔ)油艙，等量的海水由儲(chǔ)油艙經(jīng)內(nèi)水管被置換到水沉降艙。這部分海水可能含有微量原油，在進(jìn)入水沉降艙后利用其巨大的容量可進(jìn)行數(shù)十小時(shí)的二次沉降分離。微量原油會(huì)逐漸上浮并聚積在積水槽頂部，隨著時(shí)間的推移，浮油層會(huì)逐漸增厚，需要及時(shí)處理這些浮油，避免浮油過多污染排海海水，或是在原油外輸時(shí)被攜帶進(jìn)入儲(chǔ)油艙的海水部分。因此設(shè)置了浮油輸送泵(Spar-P-2003A/B)，實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)需要將浮油打回上部組塊生產(chǎn)流程進(jìn)行再處理[4]。

6 結(jié)語

該文主要介紹了Spar儲(chǔ)油艙的結(jié)構(gòu)，根據(jù)進(jìn)油量為4萬桶/天，外輸油量為50萬桶/天以及南海的原油特性，對(duì)Spar儲(chǔ)油艙的儲(chǔ)卸油工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)。雷達(dá)液位檢測(cè)儀的量程無法達(dá)到油水界面的下界面，所以使下界面的監(jiān)測(cè)密度測(cè)量法、壓力測(cè)量法和流量測(cè)量法三種方法相互校驗(yàn)，以確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性。對(duì)SDPSO平臺(tái)儲(chǔ)油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)水下儲(chǔ)油的基本設(shè)計(jì)，在以后的科研研究中還需對(duì)油水界面乳化層的形成，增長速度的影響、儲(chǔ)油艙溫度場(chǎng)的變化對(duì)乳化層的影響、含蠟及低凝原油物性對(duì)儲(chǔ)油艙下部油水界面取樣監(jiān)測(cè)的影響做進(jìn)一步研究。

[1] 盧佩瓊，陳毓琛，王惟成，等.水下油罐貯存高凝原油采用油水置換工藝可行性研究[J].石油學(xué)報(bào)，1987(3)：100-108.

[2] 趙雅芝, 全燮, 薛大明，等. 水下貯油技術(shù)油水置換技術(shù)工藝模擬實(shí)驗(yàn)[J]. 中國海洋平臺(tái), 1999(1): 18-22.

[3] 徐松森. 油水隔離置換水下儲(chǔ)油技術(shù)探討[J]. 船海工程, 2008,37(4):62-65.

[4] 初新杰，徐松森. 海上儲(chǔ)油技術(shù)現(xiàn)狀及水下無污染儲(chǔ)油模式探討[J]. 裝備制造技術(shù), 2011(4):141-143.

Oil-water Displacement Process Design of SDPSO Oil Storage System

LIU Wei-wei

(COTEC Offshore Engineering Co., Ltd, Beijing 100029, China)

A new concept Spar(spar drilling production storage offloading, SDPSO) with the capability of dry-tree drilling and dry-tree oil recovery has “drilling- recovery-storage-transport” functions. As a result of the classic Spar platform, there is a great of natural space in the center of the deep draft floating structure SDPSO platform, which have a large number of oil-storage conditions. It can be used for crude oil storage, away from dependence on floating storage tanker. Using the structure space for Spar to carry on the oil storage and oil-water displacement, the feasibility of oil-water displacement process was verified by experiment.This paper is SDPSO oil-water displacement process design for the light crude oil.

SDPSO platform; oil-water displacement; process design; interface monitoring

1001-4500(2016)06-0042-06

2016-07-15

劉巍巍(1981-)，女，工程師。

P75

A