自封闭式油气分离气包原理及设计

田相雷，蒋海岩，赵黎明，李青青，周 静

(1.中石化胜利油田分公司 现河采油厂，山东 东营 257068；2.西安石油大学 石油工程学院，西安 710065； 3.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580) ①

·设计计算·

自封闭式油气分离气包原理及设计

田相雷1，蒋海岩2，赵黎明2，李青青3，周 静3

(1.中石化胜利油田分公司 现河采油厂，山东 东营 257068；2.西安石油大学 石油工程学院，西安 710065； 3.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)①

目前，采油现场计量站所采用的油气分离气包多数是用套管改制的简易气包，这种气包工作性能差，油气分离效率低，且存在一定的安全隐患。根据离心力和受力平衡原理，设计了一种自封闭式油气分离气包，在油气进入气包后，先利用双螺旋结构最大程度地将油气分离；在气量较小，气包内液面上升到一定位置后，浮球-浮筒结构由于受到浮力的作用，其位置升高，此时气包的天然气出口就会自动关闭，可有效避免串油事故的出现。自封闭式油气分离气包可以应用在计量站或油气集输的加热炉前，具有广阔的应用前景。

油气分离；自封闭；计量站

地层中的石油通过举升工艺到达井口，进入地面出油管、集油管时，随压力和温度条件的变化，地层中的石油将形成气、液两相。油气集输的首要任务就是将油井产出的混合物按液体和气体分开，该分离过程称为气液分离，也称油气分离[1]。在采油现场采出的原油需要及时地进行输送，由于野外工作条件的限制，在原油输送工程中，管线冻堵的问题时常发生。一般情况下，将伴随原油采出的天然气作为原料对管线进行加热，但是油井的出气量变化范围较大，容易造成加热炉进料不均匀，加热效果差，气温较低时容易发生管线冻堵等问题。管线冻堵以后容易造成设备憋压，每次冻堵后需要关闭多个阀门以解除冻堵问题，降低了设备的使用寿命，同时也存在较大的安全隐患[2]。因此，在寒冷的自然条件下，特别是偏远地区的管线冻堵预防十分必要。设计了一种防窜气自闭式油气分离气包，该装置可以应用到采油计量间，有效回收天然气，又可以应用到集输加热炉前，解决加热炉进料不均匀的现象，很好地解除或者预防管线冻堵问题，为实际生产提供了便利。

1 油气分离装置应用现状

油气分离装置的原理主要包括重力分离、折流分离、离心分离、旋流分离等[3]，将以上方法进行优化组合形成配套的油气分离装置，分离效果较好。但是，在实际生产中，原有的简易油气分离装置只对油气进行初步分离，工作性能差，不能很好地满足现场生产的需要，而应用优化组合后的油气分离装置成本大，维修周期短，造成不必要的资源浪费[4]。

由于现场环境和需求的不同，油田所应用的油气分离装置类型较多，但是它们有共同的特点：充分利用进料流体的内能，采用高效的内部分离结构，具有较高的油气分离效率[5]。采油一线油站需要加热炉保外输流程，降低流程干压，加热用气源主要是来自简易分离气包，常用的分离气包一般采用内径500 mm左右的套管，通过油气进入空腔内自然分离出天然气，为加热炉供气[6]。当来液变化比较大、气量不稳定时，经常会出现气管线串油事件，增加了管理难度，处理时间较长。特别在冬季，若不及时发现就会出现管线冻堵事件，为确保加热炉温度，此时就需要及时的处理气管线[7]。

基于以上原因，研制了一种防串油自封闭式油气分离气包，该装置可以很好地应用于油田现场，对油井产出的流体进行初步分离。

2 自封闭式油气分离气包结构原理

自封闭式油气分离气包根据离心力和受力平衡原理[8]，不仅很好地对油气进行分离，而且气包的天然气出口可以根据气量的大小自动关闭或打开，可以有效避免串油事故的发生。

2.1 结构

防串油自闭式油气分离气包内部通过隔板分为2部分，一部分利用双螺旋分离结构对油气进行分离；另一部分采用浮球-浮筒结构对天然气出口进行自封闭，根据油气管线流量的不同，对分离出的天然气流出进行限制。如图1所示。

1—双螺旋油气分离结构；2—弹簧及连接装置；3—浮筒；4—浮球；5—限位壳体及除沫器；6—隔板。

井口产出流体由油气入口进入分离装置中，利用密度差及离心力原理[9]，经双螺旋油气分离结构进行旋流，将流体中的气体和流体较为彻底地分离出来。分离出的液体从液体出口流出，气体从气体出口流出，经过充分分离的天然气从气包天然气出口流出分离装置。隔板将油气分离装置分为2部分，同时起到缓冲作用，防止进入装置的高速流体未分离彻底就排出油气分离装置。弹簧及连接装置将浮筒与气包天然气出口的阀球连接起来，达到控制气体进出的目的；浮筒内的液体通过浮力作用将浮球托起，关闭天然气出口；当装置内的液体较少时，浮球封堵流体出口。限位壳体及除沫器可限制浮球的活动范围，同时消除流体中的泡沫，防止气体随流体流出。经过充分分离的产出液从气包流体出口流出分离装置。

2.2 原理及力学分析

2.2.1 原理

在满足油田现场正常生产的情况下，根据离心力和受力平衡原理，在油气进入气包后，为了尽可能地避免气量较小时串油情况的发生。利用双螺旋结构更大程度地将油气分离；在气量较小，气包内液面上升到一定位置后，气包天然气出口就会自动关闭，可以有效避免串油事故出现。

2.2.2 力学分析

1) 油气入口进入全为气体。气包内无液面，浮筒和弹簧及其连接装置在重力作用下，弹簧处于伸长状态，气包天然气出口打开，进入的气体经过双螺旋油气分离结构后直接通过气包天然气出口排出。同时，由于气包内外压力差的原因，流体出口被限位壳体内浮球封堵，防止气体从流体出口排出。

2) 油气入口来液气量大，液量小。

气包内满足：

F1

(1)

F1=ρgV

(2)

式中：m1为浮筒质量，kg；m2为弹簧及连接装置质量，kg；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；F1为分离出的液体对浮筒所产生的浮力，N；ρ为分离出的液体密度，kg/m3；V为浮筒排开液体的体积，m3。

气包内液面较低，浮筒和弹簧及连接装置的重力大于浮力，弹簧处于伸长状态，天然气出口打开。液体的来量不足以将第2浮球浮起时，流体出口封堵，直至液体的来量将第2浮球浮起时，液体从液体出口排出。

3) 油气入口来液液量大，气量小。

气包内满足：

F2>m1g+m2g+Fq

(3)

式中：Fq为分离出气体对液面产生的压力，N。

限位壳体内的浮球浮起，液体从流体出口排出；气包内液面上升后，浮力大于浮筒和弹簧及连接装置的重力，弹簧被压缩，使天然气出口关闭；当气量增大时，液面由于气体压力会逐渐下降，此时浮筒会因浮力减小而下降，浮力降至F2

4) 油气入口来液全为液体。气包内满足式(3)，限位壳体内的浮球浮起，气包内液面上升后，浮力大于浮筒和弹簧及连接装置的重力，弹簧被压缩，天然气出口关闭，防止液体从天然气出口排出。

3 自闭式油气分离装置现场应用

3.1 油气集输流程

一般的油气分离计量站承担着6～10口生产井产出原油的处理任务，每个计量站都会有1个油气分离气装置对油气进行分离，当通过计量分离器的油气汇总为一条管线后，在该管线上连接1个油气分离装置对油气进行分离[10-11]。如图2所示。

当生产井所产出的气液混合物汇集到计量站时，每一口生产井产出的原油通过阀门到达计量间，最后连接到油气分离计量器上，用来计量计量站的液量。然后所有生产井的液量汇集到一条总管线，该管线再连接一个气包进行进一步气液分离，利用升压输油泵对管线增压，使分离出来的混合液体输往联合站进行收集和进一步的处理。

图2 计量站油气集输流程示意

3.2 应用实例

以某联合输油站所辖全部采油井为例。该油井油层静压25 MPa，原油饱和压力8 MPa，油层井底流压7 MPa，含水率40%，井口产出油气流量为0～4.5 m3/h，输油站平均日产液量为120 m3/h。选取的油气分离装置气包的流体出口流量为2.5 m3/h，装置高度1.0 m，气包流体出口管内径为60 mm，原油相对密度0.95，天然气相对密度0.82，水相对密度1。利用以上数据对自闭式油气分离装置应用的可行性进行分析：

1) 当进入输油站的流体流量小于油气分离装置气包流体出口流量时，由于浮筒没有受到浮力的作用，在浮筒自身重力的作用下，气包天然气出口一直处于打开的状态。随着时间推移，装置内的液面上升，当液面上升至100 mm时浮球受浮力最大，浮球浮起，气包流体出口打开，装置达到进出平衡状态。

2) 当进入输油站的流体流量大于油气分离装置气包时流体出口流量时，随着液面的上升，在液面高度达到0.5 m时，浮筒所受到的浮力与浮筒、弹簧及连接装置的重力相等，浮筒开始上升，液面高度到达0.75 m时，气包天然气出口关闭，此时只有流体出口打开，天然气不再流出，只有液体流出。

4 结论

1) 自封闭式油气分离装置能够有效防止油气分离过程中串油情况的发生，尽可能地避免管线堵塞等生产事故的发生。

2) 在实际生产过程中，进入到自封闭式油气分离装置内的油气，首先经过双螺旋油气分离结构进行分离，再通过重力分离作用，可以使油气得到充分的分离。该装置大幅加长了现场维修的时间间隔，且减少了维修过程中原油的泄漏，有效地减少了油气集输过程中人员的工作量。

[1] 李永军，夏政.长庆低渗透油田油气集输[M].北京：石油工业出版社，2011：124-125.

[2] 吴秀全，申长云，郑强，等.注汽锅炉冬季点停炉排空管线冻堵问题探讨[J].新疆石油科技，2015，25(1)：73-74.

[3] 宋中华，朱卫红.塔里木油气开发配套技术[C]//塔里木油田开发事业部成立20周年系列专题之三.北京：石油工业出版社，2012.

[4] 吴梧桐.生物制药工艺学[M].北京：中国医药科技出版社，2013：114-115.

[5] 李世超.油气分离器[J].油气田地面工程，2006，25(3)：61-62.

[6] 许彦博，许铁.输油管道加热炉技术现状与发展方向[J].油气储运，2009，28(12)：1-3.

[7] 曹云，李军武.油气分离设备在油气集输中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2013，1(24)：98-98.

[8] 郭长会.对油气分离器液面及压力控制的分析及改进[J].石油矿场机械，2011，30(5)：42-43.

[9] 冯叔初，郭揆常.油气储运[M].东营：中国石油大学出版社，1988：70-107.

[10] 赵炜，王敏谦.螺旋式油气分离器的研究与试验[J].国外石油机械，1998(2)：37-42.

[11] 莫丽，刘清友，杨建忠，等.井下油气分离器试验装置设计[J].石油矿场机械，2005，34(2)：37-39.

Abstract：In order to avoid destroying the bodies by the vibration of the hydraulic constant torque rotary percussion tool，the bodies’ 3D models have been simulated by FEA software.The first five order natural frequencies and vibration types of bodies have been acquired.The results prove that the working vibration frequency doesn’t couple with the natural frequency of bodies.The bodies won’t be destroyed by the resonance because of working vibration.The theoretical supports for the safety of the tool on vibrating working state is provided in this paper.This paper provides references for the further improvement.

Keywords：percussion tool；hydraulic constant torque rotary；modal；FEA

Principle and Design of Self-closed Oil-gas Separator

TIAN Xianglei1，JIANG Haiyan2，ZHAO Liming2，LI Qingqing3，ZHOU Jing3

(1.XianheOilProductionPlant，ShengliOilfield，SINOPEC，Dongying257068，China； 2.CollegeofPetroleumEngineering，Xi'anShiyouUniversity，Xi'an710065，China； 3.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

At present，the oil and gas separator used in the oil field metering station are mostly modified by casing，this separator had disadvantage of bad working performance，low separation efficiency and insecurity.Aiming at these problems，the self-closed oil-gas separator has been designed.It is based on principle of centrifugal force and the equilibrium condition of forces.Firstly，the oil and gas are separated by double helix structure of the maximum degree.For avoiding the serial connection when the inlet gas quantity was less，when liquid level to a certain height，the natural gas outlet will be closed by the buoy-floating ball structure.The self-closed oil-gas separator can be applied to the oil field metering station and the heating furnace of oil and gas gathering.This separator has simple structure，low price and a wide application prospect.

oil-gas separation；self-close；metering station

2016-06-15 基金项目：国家自然科学基金(51404199) 作者简介：田相雷(1980-)，男，山东沂水人，工程师，硕士，现从事油气田开发工程研究工作，E-mail：tianxianglei.slyt@sinopec.com。

1001-3482(2017)02-0027-04

TE974.7

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.006