吉效科

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2.長慶油田公司設(shè)備管理處，陜西西安 710018）

0 引言

隨著油田的日益開采，原油含水率不斷上升，原油處理成本居高不下。解決好原油脫水，確保油氣密閉處理工藝的正常運(yùn)行，使原油處理保持較低的生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為油田地面工程發(fā)展的迫切需要[1]。長慶油田于2003年在西一聯(lián)成功試驗(yàn)油氣水三相分離器技術(shù)，并在油田全面推廣應(yīng)用。但是，隨著油田開采工況和工藝條件的變化，三相分離器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)4個(gè)問題：①油水界面調(diào)整費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可調(diào)范圍??；②來液波動(dòng)大，影響分離效果，處理效率降低；③設(shè)備內(nèi)部部件腐蝕嚴(yán)重，使用壽命縮短；④沖砂、清淤、防泥砂能力不足。

針對(duì)長慶油田三相分離器在應(yīng)用過程中存在的上述問題，結(jié)合油田場(chǎng)站的生產(chǎn)工況和簡(jiǎn)化的地面工藝現(xiàn)狀，于2013年開始積極探索、引進(jìn)三相分離器先進(jìn)的工藝技術(shù)，優(yōu)化改進(jìn)三相分離器結(jié)構(gòu)、配置和工藝，并在油田試驗(yàn)評(píng)價(jià)和規(guī)模應(yīng)用，取得顯著效果。

1 三相分離器的技術(shù)分析

1.1 工作原理

油氣水混合來液進(jìn)入三相分離器后，初步進(jìn)行液氣兩相分離。伴生氣通過一級(jí)分離、二級(jí)捕霧器處理后，進(jìn)入站內(nèi)氣處理系統(tǒng)。油水混合物進(jìn)入預(yù)分離室，經(jīng)過整流、消泡、聚集等處理后，至沉降室開始分離，形成油水層。通過調(diào)節(jié)水室導(dǎo)水管的高度，形成穩(wěn)定的油水界面。沉降室上部的油溢流進(jìn)油室，通過浮子液面調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)出油閥的開度，自動(dòng)控制油室液面高度。而沉降室底部的水通過導(dǎo)水管流入水室，通過浮子液面調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)出水閥的開度，自動(dòng)控制水室液面高度。

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.2.1 采用旋流分離技術(shù)

將傳統(tǒng)三相分離器重力沉降分離結(jié)構(gòu)改為旋流分離結(jié)構(gòu)。在入口構(gòu)件上，采用旋流分離器作為氣、液預(yù)分離，并輔以二級(jí)氣體旋流除沫器設(shè)計(jì)。氣相基本不進(jìn)入沉降室，這樣減少了氣流對(duì)預(yù)分離室內(nèi)的液相擾動(dòng)，有利于沉降室的油水分離。根據(jù)Trapp和Mortensen提出的離散顆粒模型理論，用拉格朗日法將流體主相視為連續(xù)相并求解其Navier-Stokes方程，同時(shí)選擇通用性較好的歐拉方法結(jié)合雷諾應(yīng)力湍流模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。氣液旋流預(yù)分離器、氣沫旋流除沫器結(jié)構(gòu)型式如圖1、圖2所示。

1.2.2 采用消能器技術(shù)

經(jīng)旋流預(yù)分離器分離出的液相進(jìn)入三相分離器沉降室，設(shè)計(jì)安裝橢圓型消能器進(jìn)行消能，流體通過消能器轉(zhuǎn)向整流，減少流體對(duì)設(shè)備的沖擊、沖蝕。消能后的來液通過布液板、整流板整流后形成平穩(wěn)流態(tài)。

1.2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

（1）布液、整流裝置采用防腐性能好的非金屬材質(zhì)加工，并設(shè)計(jì)采用可拆裝結(jié)構(gòu)。

（2）罐內(nèi)設(shè)計(jì)整流凝聚、一級(jí)捕霧填料。整流凝聚、一級(jí)捕霧填料采用316不銹鋼材料的刺孔壓延波紋填料，提高油水分離效果；依據(jù)潤濕、聚結(jié)作用原理，除去>50 μm的液滴。

圖1 氣液旋流預(yù)分離器

圖2 氣沫旋流除霧器

（3）油出口設(shè)計(jì)內(nèi)置式油室，采用非金屬防腐材料。分離出的原油通過溢流進(jìn)入油室，起到原油緩沖存儲(chǔ)作用，使流體流態(tài)平穩(wěn)，溢流口設(shè)置在流體路徑的最遠(yuǎn)端，盡量延長油相的有效停留時(shí)間。出水口設(shè)置于盡量遠(yuǎn)的油室結(jié)構(gòu)下方，增大有效停留容積，且有更佳的防渦效果。

（4）沉降室設(shè)計(jì)集砂斜板、沖砂排管和多個(gè)集砂斗。分離器液相出口設(shè)置防渦流擋板，分離器氣出口設(shè)置擋板，減少氣相夾帶霧沫。

1.2.4 沉降技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

沉降室的總體尺寸計(jì)算主要取決于液相有效停留時(shí)間。所需的有效停留時(shí)間與分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)、流體的物性參數(shù)等有關(guān)。液相流經(jīng)沉降室中有效停留時(shí)間取決于沉降室的有效停留容積。沉降室的有效停留容積為穩(wěn)流狀態(tài)、油水共存。因此確定液相的有效停留時(shí)間需考慮2個(gè)方面：①原油沉降時(shí)間要保證水足以從油中脫出；②水的沉降時(shí)間要保證油足以從水中脫出。

根據(jù)沉降理論中的Navier-Stokes方程式，計(jì)算進(jìn)入沉降室的氣相和液相的體積比，確定為1∶5。

1.2.5 防腐處理工藝技術(shù)

（1）在工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，選用耐腐蝕材料，簡(jiǎn)化罐內(nèi)結(jié)構(gòu)，內(nèi)構(gòu)件拆裝方便，便于組裝部位在防腐處理時(shí)不留死角

（2）防腐處理采用內(nèi)表面及內(nèi)構(gòu)件噴鋁工藝，厚度指標(biāo)（150～200）μm，并加涂厚度 50 μm 的環(huán)氧樹脂。

（3）增加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，提供三相分離器內(nèi)部所需的保護(hù)電流，使內(nèi)壁的各種材料整體達(dá)到保護(hù)電位，消除電偶腐蝕。

優(yōu)化后的三相分離器主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的三相分離器結(jié)構(gòu)示意

2 應(yīng)用實(shí)例

2015年7月，長慶油田A聯(lián)合站改進(jìn)后的三相分離器投產(chǎn)使用。該站來液量2000 m3/d，波動(dòng)范圍較大，含水率60%～80%。2016年3月1—3日連續(xù)對(duì)該三相分離器的運(yùn)行狀況連續(xù)跟蹤，取樣時(shí)間間隔為1 h，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出，改進(jìn)后三相分離器進(jìn)口原油含水率>73%，出口原油評(píng)價(jià)含水率<0.15%，出口水中含油<98 mg/L，三相分離器運(yùn)行平穩(wěn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

表1 A聯(lián)合站改進(jìn)后的三相分離器運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）針對(duì)長慶油田三相分離器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，結(jié)合油田實(shí)際工況和工藝要求，優(yōu)化改進(jìn)三相分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用旋流分離、消能器消能、沉降室優(yōu)化等技術(shù)，采用特殊的防腐處理工藝，提高三相分離器的油氣水分離能力，延長內(nèi)部部件的使用壽命。

（2）改進(jìn)后的三相分離器出口原油含水率<0.15%，出口水中含油<98 mg/L，三相分離器運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。