(中海油研究總院有限責任公司， 北京 100028)

0 引 言

隨著深水、超深水油氣田的不斷開發(fā)，“浮式平臺+水下生產(chǎn)系統(tǒng)”開發(fā)模式的應(yīng)用越來越多。在這種開發(fā)模式下，由于海上平臺處于多變的海洋環(huán)境中，規(guī)模有限，因此對平臺設(shè)備的尺寸和重量都有嚴格的限制。為了節(jié)省寶貴的平臺空間，水下增壓、水下分離等創(chuàng)新技術(shù)被逐漸應(yīng)用到各大油氣田中。

水下分離技術(shù)作為水下集輸處理技術(shù)的一種，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)的流動安全起著至關(guān)重要的作用。對油氣田的生產(chǎn)流體進行氣液分離，不僅能夠減少乙二醇的用量，而且能夠減小輸送海管的管徑，有利于降低開發(fā)成本。在油氣田開發(fā)初期使用水下分離器，可以提高油氣田的采收率達20%以上；在油氣田開發(fā)后期使用水下分離器，可以降低井口背壓，解決生產(chǎn)后期壓力降低的問題，提高油氣田的采收率：因此，水下分離器的設(shè)計成為各大廠家爭相研究的熱點問題，如FMC公司的沉箱式分離器和三相海底分離系統(tǒng)、GE公司的海底分離泵送系統(tǒng)等。目前，國內(nèi)水下分離器的設(shè)計技術(shù)處于起步階段。成熟的深海分離技術(shù)可以高效經(jīng)濟地開發(fā)深海蘊藏的巨大油氣資源，對我國海洋油氣工業(yè)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。因此，有必要先研究影響水下分離器設(shè)計的因素，進而對水下分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究。

1 水下分離器類型與結(jié)構(gòu)

從油井中開采出來的生產(chǎn)流體往往是油、氣(天然氣或油田伴生氣)、水以及含有CO2、H2S等雜質(zhì)的混合流體，并可能夾帶少量泥砂，它們離開井口后遇低溫易形成水合物和乳化液。因此，常采用水下分離器將油、氣、水和砂等分開，再輸送到下游系統(tǒng)。

水下分離器有多種類型：按照分離介質(zhì)可將水下分離器分為液液分離器、氣液分離器和氣液固分離器；按照分離原理可將水下分離器分為重力分離器、在線分離器和旋流分離器，如圖1～圖3[1-3]所示；按照安裝方式，可將水下分離器分為撬裝式水下分離器和沉箱式水下分離器，如圖4和圖5[2,4]所示。

圖1 重力分離器 圖2 在線分離器 圖3 旋流分離器

圖4 撬裝式水下分離器 圖5 沉箱式水下分離器

重力式水下分離器的結(jié)構(gòu)[5]如圖6所示，它由分離器、儀控系統(tǒng)、控制面板、連接部件、保護撬、附屬模塊(配重、陽極保護塊)等結(jié)構(gòu)組成。

圖6 重力式水下分離器的結(jié)構(gòu)示例

2 水下分離器設(shè)計的影響因素

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，分離設(shè)備通常安裝在上部平臺上。圖7為典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)圖。目前，針對產(chǎn)水量較高的油氣田或者采收率較低的油氣田，水下生產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計時則將分離設(shè)備布置在水下，如圖8[6]所示。

圖7 典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)圖 圖8 采用水下分離器的水下生產(chǎn)系統(tǒng)示例

水下分離器安裝在海底，外部處于低溫環(huán)境中，內(nèi)部流經(jīng)生產(chǎn)流體，處于高溫環(huán)境中，因此，其設(shè)計需考慮水深、油藏壓力、油藏溫度、油藏組分和安裝位置等綜合因素的影響。

2.1 水深

水深是影響水下分離器設(shè)計的重要參數(shù)之一，影響著水下分離器設(shè)計的多個方面，如保護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、流動保障設(shè)計、防腐設(shè)計等。在安裝和正常生產(chǎn)階段，安裝工具的脫落、來往船只貨物的跌落等均可能造成水下分離器結(jié)構(gòu)的損壞，因此必須設(shè)計保護結(jié)構(gòu)。

(1) 水深不同，水下分離器保護結(jié)構(gòu)的作用和設(shè)計就不同。在淺水區(qū)，考慮漁業(yè)活動的影響，水下分離器保護結(jié)構(gòu)的主要作用是防漁網(wǎng)拖掛和防落物；而在深水區(qū)，保護結(jié)構(gòu)的主要作用是防落物，如圖9[7]所示。因此，保護結(jié)構(gòu)在型式、承載力和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計等方面均有所不同。

(2) 水深不同，水下分離器所處的溫度環(huán)境和所承受的外壓均不同。水深越深，溫度越低。此時，要著重考慮水下分離器的流動保障設(shè)計，避免因高壓低溫環(huán)境產(chǎn)生水合物，從而造成管線的堵塞，影響分離后管線的正常輸送。水深越深，水壓越大。此時，需考慮水下分離器的外壓強度設(shè)計。

(3) 水深不同，水下分離器所處的海洋環(huán)境(風、浪、流等)不同，海水對水下分離器鋼材結(jié)構(gòu)的腐蝕速率也不同，從而影響水下分離器的外防腐設(shè)計。在外防腐設(shè)計方面，除需要考慮增加防腐涂層外，還需考慮犧牲陽極塊的數(shù)量和位置。

2.2 油藏壓力

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，水下分離器的作用是對生產(chǎn)流體進行分離。因此，油藏壓力決定著水下分離器的設(shè)計壓力，影響著水下分離器的強度設(shè)計，也是水下分離器強度和穩(wěn)定性數(shù)值模擬的基礎(chǔ)參數(shù)。

2.3 油藏溫度

油藏溫度決定著水下分離器的設(shè)計溫度，是進行水下分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。在相同處理量的要求下，當設(shè)計壓力和設(shè)計溫度不同時，所設(shè)計出的水下分離器的結(jié)構(gòu)尺寸不一樣。另外，溫度不同，油藏組分的體積、密度等物性參數(shù)均不同，從而影響水下分離器的最大處理量和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。

2.4 油藏組分

油藏組分直接影響水下分離器材料類型的選擇。若油藏中含有酸性介質(zhì)，則需考慮采用耐腐蝕的材料，且在進行壁厚設(shè)計時，留有充分的腐蝕裕量。此外，還應(yīng)按照DNV-RP-F301標準進行材料選擇，并配以合適的腐蝕防護方法。

油藏組分影響水下分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)油藏組分可以得到各組分的占比，從而得出油藏的氣液比，在已知水下分離器所需處理總量的情況下，即可得到水下分離器所需處理的氣量和液量，進而進行具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。此外，油藏組分還影響水下分離器類型的選擇。對于氣液兩相分離的油氣田，常選用旋流分離器；對于油氣水三相分離或者油氣水砂四相分離的油氣田，常選用重力分離器。

圖10 安裝在單井后的水下分離器示例

2.5 安裝位置

水下分離器的安裝位置在設(shè)計之初就須確定，這決定著水下分離器的處理量，影響水下分離器的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，是最重要、最主要的參數(shù)。

水下分離器可以安裝在單井后，如圖10[7]所示。

水下分離器也可以安裝在管匯后或者多個單井后，如Perdido 油田的開發(fā)方案(安裝在管匯后)和Pazflor 油田的開發(fā)方案(安裝在多個單井后)，分別如圖11和圖12[7-8]所示。

圖11 Perdido 油田的開發(fā)方案 圖12 Pazflor 油田的開發(fā)方案

根據(jù)水下分離器的安裝位置及各井油藏產(chǎn)量，即可得到水下分離器的處理量，從而進行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖13 Tordis油田的開發(fā)方案

3 水下分離器應(yīng)用項目實例

以Tordis油田水下分離器的設(shè)計為例說明各影響參數(shù)的應(yīng)用。

3.1 背景介紹

Tordis油田位于挪威北海，于1994年投產(chǎn)，水深220 m。Tordis油田生產(chǎn)后期，產(chǎn)出水不斷增加，Gullfaks C平臺已無法處理，為此于2005年在距離Gullfaks C平臺12 km處設(shè)置海底分離、增壓和注水系統(tǒng)。圖13為Tordis油田的開發(fā)方案[9]。

圖14 Tordis油田水下分離器的保護結(jié)構(gòu)

3.2 水下分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

Tordis油田的水下分離器如圖6所示。

(1) Tordis油田水深220 m，屬于淺水區(qū)。因此，水下分離器保護結(jié)構(gòu)[10]的主要作用是防漁網(wǎng)拖掛和防落物，如圖14所示。

(2) Tordis油田正常生產(chǎn)時的工作壓力為2.482 2～3.999 1 MPa，工作溫度為75 ℃[5]。因此，水下分離的設(shè)計壓力為20.685 MPa，設(shè)計溫度為75 ℃。

(3) 油藏組分中含有油氣水，因此水下分離器類型選用基于重力沉降原理的重力分離器。

(4) Tordis油田的液體總量為每天18.9×104桶，水下分離器安裝在管匯后，因此，水下分離器設(shè)計的處理量為每天20×104桶。

4 結(jié) 語

目前，世界范圍內(nèi)僅有9個油氣田應(yīng)用水下分離器。水下分離器的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)均掌握在國外手中，國內(nèi)僅處于起步階段。分析影響水下分離器設(shè)計的因素是進行水下分離器國產(chǎn)化設(shè)計的基礎(chǔ)。通過對水深、油藏壓力、油藏溫度、油藏組分和安裝位置等因素的分析、研究，得出如下結(jié)論：

(1) 綜合考慮油藏組分、分離器的安裝位置和油藏特性等方面的因素，在確定水下分離器類型的基礎(chǔ)上進行水下分離器具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

(2) 水下分離器在設(shè)計時應(yīng)同時考慮油藏壓力和水壓，進行外壓設(shè)計和內(nèi)壓設(shè)計，以確保水下分離器的結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計的要求。

(3) 水下分離器在設(shè)計時應(yīng)同時考慮油藏組分對結(jié)構(gòu)的內(nèi)腐蝕影響和海水對結(jié)構(gòu)的外腐蝕影響，進行防腐設(shè)計，并依據(jù)標準采用合適的腐蝕防護方法。

(4) 水下分離器處于高壓低溫的使用環(huán)境中，且內(nèi)部流經(jīng)高溫高壓流體，因此在設(shè)計時需要考慮流動保障設(shè)計，并應(yīng)進行相應(yīng)的傳熱分析和數(shù)值模擬計算。