水下分离器设计的影响因素

(中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028)

0 引 言

随着深水、超深水油气田的不断开发，“浮式平台+水下生产系统”开发模式的应用越来越多。在这种开发模式下，由于海上平台处于多变的海洋环境中，规模有限，因此对平台设备的尺寸和重量都有严格的限制。为了节省宝贵的平台空间，水下增压、水下分离等创新技术被逐渐应用到各大油气田中。

水下分离技术作为水下集输处理技术的一种，对水下生产系统的流动安全起着至关重要的作用。对油气田的生产流体进行气液分离，不仅能够减少乙二醇的用量，而且能够减小输送海管的管径，有利于降低开发成本。在油气田开发初期使用水下分离器，可以提高油气田的采收率达20%以上；在油气田开发后期使用水下分离器，可以降低井口背压，解决生产后期压力降低的问题，提高油气田的采收率：因此，水下分离器的设计成为各大厂家争相研究的热点问题，如FMC公司的沉箱式分离器和三相海底分离系统、GE公司的海底分离泵送系统等。目前，国内水下分离器的设计技术处于起步阶段。成熟的深海分离技术可以高效经济地开发深海蕴藏的巨大油气资源，对我国海洋油气工业的发展具有重要的战略意义。因此，有必要先研究影响水下分离器设计的因素，进而对水下分离器结构设计展开研究。

1 水下分离器类型与结构

从油井中开采出来的生产流体往往是油、气(天然气或油田伴生气)、水以及含有CO2、H2S等杂质的混合流体，并可能夹带少量泥砂，它们离开井口后遇低温易形成水合物和乳化液。因此，常采用水下分离器将油、气、水和砂等分开，再输送到下游系统。

水下分离器有多种类型：按照分离介质可将水下分离器分为液液分离器、气液分离器和气液固分离器；按照分离原理可将水下分离器分为重力分离器、在线分离器和旋流分离器，如图1～图3[1-3]所示；按照安装方式，可将水下分离器分为撬装式水下分离器和沉箱式水下分离器，如图4和图5[2,4]所示。

图1 重力分离器 图2 在线分离器 图3 旋流分离器

图4 撬装式水下分离器 图5 沉箱式水下分离器

重力式水下分离器的结构[5]如图6所示，它由分离器、仪控系统、控制面板、连接部件、保护撬、附属模块(配重、阳极保护块)等结构组成。

图6 重力式水下分离器的结构示例

2 水下分离器设计的影响因素

在水下生产系统中，分离设备通常安装在上部平台上。图7为典型的水下生产系统图。目前，针对产水量较高的油气田或者采收率较低的油气田，水下生产系统在设计时则将分离设备布置在水下，如图8[6]所示。

图7 典型的水下生产系统图 图8 采用水下分离器的水下生产系统示例

水下分离器安装在海底，外部处于低温环境中，内部流经生产流体，处于高温环境中，因此，其设计需考虑水深、油藏压力、油藏温度、油藏组分和安装位置等综合因素的影响。

2.1 水深

水深是影响水下分离器设计的重要参数之一，影响着水下分离器设计的多个方面，如保护结构的设计、流动保障设计、防腐设计等。在安装和正常生产阶段，安装工具的脱落、来往船只货物的跌落等均可能造成水下分离器结构的损坏，因此必须设计保护结构。

(1) 水深不同，水下分离器保护结构的作用和设计就不同。在浅水区，考虑渔业活动的影响，水下分离器保护结构的主要作用是防渔网拖挂和防落物；而在深水区，保护结构的主要作用是防落物，如图9[7]所示。因此，保护结构在型式、承载力和结构强度设计等方面均有所不同。

(2) 水深不同，水下分离器所处的温度环境和所承受的外压均不同。水深越深，温度越低。此时，要着重考虑水下分离器的流动保障设计，避免因高压低温环境产生水合物，从而造成管线的堵塞，影响分离后管线的正常输送。水深越深，水压越大。此时，需考虑水下分离器的外压强度设计。

(3) 水深不同，水下分离器所处的海洋环境(风、浪、流等)不同，海水对水下分离器钢材结构的腐蚀速率也不同，从而影响水下分离器的外防腐设计。在外防腐设计方面，除需要考虑增加防腐涂层外，还需考虑牺牲阳极块的数量和位置。

2.2 油藏压力

在水下生产系统中，水下分离器的作用是对生产流体进行分离。因此，油藏压力决定着水下分离器的设计压力，影响着水下分离器的强度设计，也是水下分离器强度和稳定性数值模拟的基础参数。

2.3 油藏温度

油藏温度决定着水下分离器的设计温度，是进行水下分离器结构设计的重要参数。在相同处理量的要求下，当设计压力和设计温度不同时，所设计出的水下分离器的结构尺寸不一样。另外，温度不同，油藏组分的体积、密度等物性参数均不同，从而影响水下分离器的最大处理量和结构尺寸设计。

2.4 油藏组分

油藏组分直接影响水下分离器材料类型的选择。若油藏中含有酸性介质，则需考虑采用耐腐蚀的材料，且在进行壁厚设计时，留有充分的腐蚀裕量。此外，还应按照DNV-RP-F301标准进行材料选择，并配以合适的腐蚀防护方法。

油藏组分影响水下分离器的结构设计。根据油藏组分可以得到各组分的占比，从而得出油藏的气液比，在已知水下分离器所需处理总量的情况下，即可得到水下分离器所需处理的气量和液量，进而进行具体结构的设计。此外，油藏组分还影响水下分离器类型的选择。对于气液两相分离的油气田，常选用旋流分离器；对于油气水三相分离或者油气水砂四相分离的油气田，常选用重力分离器。

图10 安装在单井后的水下分离器示例

2.5 安装位置

水下分离器的安装位置在设计之初就须确定，这决定着水下分离器的处理量，影响水下分离器的结构尺寸设计，是最重要、最主要的参数。

水下分离器可以安装在单井后，如图10[7]所示。

水下分离器也可以安装在管汇后或者多个单井后，如Perdido 油田的开发方案(安装在管汇后)和Pazflor 油田的开发方案(安装在多个单井后)，分别如图11和图12[7-8]所示。

图11 Perdido 油田的开发方案 图12 Pazflor 油田的开发方案

根据水下分离器的安装位置及各井油藏产量，即可得到水下分离器的处理量，从而进行具体结构设计。

图13 Tordis油田的开发方案

3 水下分离器应用项目实例

以Tordis油田水下分离器的设计为例说明各影响参数的应用。

3.1 背景介绍

Tordis油田位于挪威北海，于1994年投产，水深220 m。Tordis油田生产后期，产出水不断增加，Gullfaks C平台已无法处理，为此于2005年在距离Gullfaks C平台12 km处设置海底分离、增压和注水系统。图13为Tordis油田的开发方案[9]。

图14 Tordis油田水下分离器的保护结构

3.2 水下分离器的结构设计

Tordis油田的水下分离器如图6所示。

(1) Tordis油田水深220 m，属于浅水区。因此，水下分离器保护结构[10]的主要作用是防渔网拖挂和防落物，如图14所示。

(2) Tordis油田正常生产时的工作压力为2.482 2～3.999 1 MPa，工作温度为75 ℃[5]。因此，水下分离的设计压力为20.685 MPa，设计温度为75 ℃。

(3) 油藏组分中含有油气水，因此水下分离器类型选用基于重力沉降原理的重力分离器。

(4) Tordis油田的液体总量为每天18.9×104桶，水下分离器安装在管汇后，因此，水下分离器设计的处理量为每天20×104桶。

4 结 语

目前，世界范围内仅有9个油气田应用水下分离器。水下分离器的关键设计技术均掌握在国外手中，国内仅处于起步阶段。分析影响水下分离器设计的因素是进行水下分离器国产化设计的基础。通过对水深、油藏压力、油藏温度、油藏组分和安装位置等因素的分析、研究，得出如下结论：

(1) 综合考虑油藏组分、分离器的安装位置和油藏特性等方面的因素，在确定水下分离器类型的基础上进行水下分离器具体结构的设计。

(2) 水下分离器在设计时应同时考虑油藏压力和水压，进行外压设计和内压设计，以确保水下分离器的结构满足强度设计的要求。

(3) 水下分离器在设计时应同时考虑油藏组分对结构的内腐蚀影响和海水对结构的外腐蚀影响，进行防腐设计，并依据标准采用合适的腐蚀防护方法。

(4) 水下分离器处于高压低温的使用环境中，且内部流经高温高压流体，因此在设计时需要考虑流动保障设计，并应进行相应的传热分析和数值模拟计算。