延长测试平台高效原油处理系统分析

李 勇，谷 伟，李 顺，张洪涛，谭静轩

(中海油能源发展股份有限公司边际油田开发项目组 天津300457)

延长测试平台高效原油处理系统分析

李 勇，谷 伟，李 顺，张洪涛，谭静轩

(中海油能源发展股份有限公司边际油田开发项目组 天津300457)

延长测试平台作为延长测试设备，为油田开发提供准确的参数，确保油田经济效益。为降低油田生产操作费用，需要增加原油处理系统对采出液进行处理，待达到合格原油要求后进入原油舱储存待输。鉴于延长测试平台的特性，针对试采油田油藏产能、原油基本性质等基础数据，确认延长测试平台原油处理系统要求及能力，并制定了工艺专业设计原则。在设计原则的指导下，通过工艺方案分析比选，最终确定最优的高效原油处理系统。

管式油水分离器 柱状气液旋流分离器 高效分离器

0 引 言

延长测试平台主要服务于渤海湾地质构造复杂、开发风险较大的油田，并不针对某一具体目标油田。由于渤海是中国海上发现稠油储量最多的海域，在迄今已发现的石油储量中，稠油占85%,。鉴于以上情况，延长测试平台工艺系统需要具备较强的适应性，具备稠油处理能力，能满足渤海湾75%,油田的不同工况的工艺处理要求。另外，延长测试平台由于有限的上部空间，不能满足常规油气水处理设备的空间要求，因此需要采用一种高效、小型化的原油处理系统。本文基于工艺系统设计原则，进行上部工艺系统比选，最终形成一套适用于延长测试平台的高效原油处理系统。

1 工艺系统设计原则

1.1 系统设计原则

①工艺系统要求具有简单、高效、适应性强等特点；②油、气、水处理系统中的设备能满足工作时的横倾和纵倾要求；[1]③延长测试平台作业时间较短，一般在半年至一年，不能进行生产水回注，另外限于平台生产空间有限，不考虑生产水处理系统；④积极采用国内外先进、成熟的工艺和技术，降低工程投资；⑤延长测试平台具备蒸汽注采功能，在现有生产区预留出蒸汽注采所需设备空间，并预留出热采设备流程接口及燃料和电力接口；⑥工艺系统处理后的伴生气要满足燃料气的使用需求(包括总量和压力)，同时尽量降低工艺能耗；⑦工艺系统设备及管线具备防腐蚀能力；⑧考虑生产、操作和维修的要求。

1.2 系统处理能力

原油：800,m3/d；总液量：1,000,m3/d；可燃气体：20×104,sm3/d。

1.3 系统处理标准

原油处理要求：原油含水率≤1%,，蒸汽饱和压在最高储存温度下的设计值不超过当地大气压的0.7倍。[2]

2 工艺系统介绍

2.1 高效原油处理工艺系统介绍

来自井口流体与延长测试平台火炬分液罐(兼闭式排放罐)、燃料气系统收集的液烃混合后，进入 GLCC(柱状气液旋流分离器)进行初步气液分离。经初级脱气的液体进入管式油水分离器进行初步的油水分离，脱除井口来液中绝大部分的游离水。脱游离水后的液体(含水率≤40%,)由原油换热器、原油加热器加热后进入高效分离器进行油气水分离，分离出的原油达到标准(含水率≤1%,，储存温度下饱和蒸汽压小于70,kPaA)后进入原油舱储存，分离出的气体通过燃料气处理系统除去气体中的液体及固体颗粒，分离出的生产水进入生产水舱。

2.2 高效原油处理工艺系统描述

井口区生产的流体经油嘴节流调压后为 1,200,kPaA，分别进入计量管汇和生产管汇。需计量的生产井流体(定期)进入测试分离器进行油、气、水三相计量。其他各井流体在生产管汇与计量系统来的物流汇合后，输入油气处理系统进行处理。

生产管汇和计量系统的流体与火炬分液罐(兼闭式排放罐)、燃料气系统收集的流体混合后，进入气液分离器进行初步气液分离。经初级脱气的液体进入管式油水分离器，进行初步的油水分离，脱除液体中的游离水，实现含水率≤40%,。初步脱水后的液体经原油换热器及加热器加热到 95,℃后，进入高效分离器进行油、气、水三相分离。

经高效分离器分离出的原油达到标准后(含水率≤1%,，储存温度下饱和蒸汽压≤70,kPaA)入舱储存。含水量不达标准的原油在原油换热器之前进入流程重新分离。分离出的燃料气进入燃料气处理系统，脱除气体中的液体及固体颗粒。

合格原油直接进入储油系统进行储存、外输，温度＞56,℃时，原油要进入原油冷却器中降温至≤56,℃，再进入储油系统进行储存、外输。

高效原油处理流程图见图1。

图1 柱状气液旋流分离器＋管式分离分离器＋高效分离器油气水处理工艺流程图Fig.1 Oil-gas-water treatment process flow diagram of gas-liquid cylindrical cyclone separator＋inline dewaterer＋high effiiency separator

2.3 主要设备技术特点

2.3.1 高效三相分离器(STS)

此设备已经在 QHD33-1、WZ11-1,N得到应用，并取得了很好的应用效果。[3]该分离器的结构有以下优点：

①采用 GLCC(柱状旋流式气-液分离器)进行气液预分离，气液分离后再进入卧式容器，大大减少了气体的扰动，提高了卧式容器中油水分离的效率。GLCC是一种高效的气液分离器，具有很高的气液分离效率。[4]②气液分离后，液体从底部进入卧式容器有利于降低来液对分离器的冲击，并且来液从水相进入分离器，利用“水中漂油”的方式，可以大大增强油水分离的效果(根据斯托克斯公式，油在水中的上浮速度远大于水在油中的下沉速度)[5]。③特别设计的高效布液板，使流体可以均匀、平稳地进入分离沉降段，而不至于对沉降段造成干扰，从而建立平稳的沉降分离场，使油水的分离基本符合斯托克斯公式，大大提高油水分离的效果。④提高堰板的高度，因气液经GLCC进行了分离，卧式容器用于油水分离的体积利用率大幅提高，有利于提高沉降分离段的体积，提高油水分离的时间，提高油水分离的效果。如果维持原油和水的沉降时间不变，可以大大减少卧式容器的体积。[6]

2.3.2 管式油水分离器(Inline Dewaterer)

管式油水分离器属FMC公司产品，其油气水处理工艺技术处于世界领先地位，其管式分离技术在国外普遍使用，但在国内还未有应用。FMC的分离设备基于离心力分离，管式分离设备替代传统的重力分离，具有更小的体积和重量，更换起来方便。其特点如下：

①设备适用性强，管式气液分离设备有 3种模式选择，可针对不同工况选择相应的生产模式，进一步提升了工艺处理范围；②重量轻、体积小，占地面积为 31.1,m2，重量为 20,t，可节省较大空间和重量，从而满足热采作业所需的空间及重量要求；③设备简单、高效，降低了人员操作维护成本；④标准化、组块化设计，零安装成本，在针对不同油田不同工况时，可通过简单的更换设备核心部件，满足不同工况要求。

管式油水分离器原理图见图2。

图2 管式油水分离器原理图Fig.2 Schematic diagram of Inline Dewaterer

管式油水分离器虽然在国外有较成熟的应用，但在国内尤其在渤海油田未采用过，为进一步确认其处理效果，针对管式油水分离器进行了相关试验。试验包括以下几方面研究内容：

①通过更换油品种类，研究不同油品性质下(3种油品)旋流分离器的分离性能；②通过改变油水乳状液的含水率，研究不同含水率下(4个含水率)旋流分离器的分离性；③通过变频调整搅拌器的转速，研究不同乳化程度下(4个乳化程度)旋流分离器的分离性能；④通过化验，分析管式油水分离器出口油中含水率，验证其处理效果。

油中含水率是指水力旋流器入口与溢流口所取油样中的含水率，以水的体积分数表示如下：

式中：V0——做空白试验时接受器中水体积的数值；V1——试样的体积数值；V2——接收器中水的体积数值。

油中含水率的测量采用蒸馏法，其工作原理为：通过加热使混合液汽化，蒸汽中低沸点组分的分压比高沸点组分的分压要大，即蒸汽中低沸点组分的相对含量比原混合液中的相对含量要高，将此蒸汽引出冷凝，便得到低沸点组分含量较高的溜出液。[7]

通过以上试验，对 48组数据进行分析，管式油水分离器满足轻质原油、中质原油的处理要求，针对稠油进行测试，由于稠油密度与水密度差较小，在稠油密度低于0.95,g/cm3的条件下可以满足其处理要求。

2.4 主要工艺设备参数确定

工艺设备操作参数是取设备在生产期内所出现的最恶劣工况，工艺设备热负荷是取设备在生产期内所出现的最大负荷。

以密度为 0.965,1,cm3/g(20,℃)、黏度为 2,300,cp(50,℃)的某油样为例，利用 ASPEN HYSYS软件对该方案的工艺流程进行了模拟，模拟工艺流程见图3。根据能量最优原则确定各设备的操作温度、操作压力及换热器的热负荷，各物流的物热表见表1。[8]

图3 柱状气液分离＋管式分离＋高效分离器流程的工艺模拟Fig.3 Processing simulation of gas-liquid cylindrical cyclone separator＋inline dewaterer＋high efficiency separator

表1 柱状气液分离＋管式分离＋高效分离器流程各物流的物热平衡表Tab.1 Material and heat balance of logistics of gas-liquid cylindrical cyclone separator＋inline dewaterer＋high efficiency 落separator

Name 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Phase Thermal Conductivity (Vapour Phase)[W/m-K] 3.32×10-23.31×10-23.31×10-23.08×10-2 3.22×10-22.96×10-22.73×10-2 0.0 Oil Phase Mass Heat Capacity (Liquid Phase)[kJ/kg-C] 1.76 1.75 1.75 1.75 1.84 2.06 2.06 2.06 2.06 1.85 1.90 Phase Actual Volume Flow (Liquid Phase)[m3/h] 17.40 17.40 0.00 17.39 17.65 18.32 0.00 18.28 0.00 17.62 17.78 Phase Liq Vol Flow @ Std Cond(Liquid Phase)[m3/h] 17.34 17.34 0.00 17.33 17.33 17.30 0.00 17.28 0.00 17.27 17.27 Phase Mass Flow (Liquid Phase)[kg/h] 16 219.7 16 216.4 0.0 16 187.816 182.3 16 153.9 0.0 16 135.2 0.0 16 131.2 16 131.8 Phase Thermal Conductivity (Liquid Phase)[W/m-K] 0.158 6 0.158 9 0.158 9 0.163 20.160 1 0.153 4 0.154 3 0.154 3 0.154 3 0.162 1 0.160 0 Water Phase Mass Heat Capacity (Aqueous Phase)[kJ/kg-C] 4.31 4.31 4.31 4.31 4.31 4.32 4.39 4.38 4.38 4.38 4.32 4.33 Phase Actual Volume Flow (Aqueous Phase)[m3/h] 21.38 21.38 0.00 10.69 10.69 10.87 11.31 0.00 0.17 11.10 0.17 0.17 Phase Liq Vol Flow@Std Cond(Aqueous Phase)[m3/h] 21.31 21.31 0.00 10.65 10.65 10.65 10.61 0.00 0.16 10.42 0.16 0.16 Phase Mass Flow (Aqueous Phase)[kg/h] 21 623.4 21 622.9 0.0 10 811.1 10 811.6 10 809.7 10 770.2 0.0 163.0 10576.3 166.9 166.4 Phase Thermal Conductivity (Aqueous Phase)[W/m-K] 0.603 4 0.603 3 0.603 3 0.603 7 0.603 7 0.603 7 0.678 5 0.607 8 0.607 8 0.607 8 0.635 8 0.649 6

模拟条件：井口区生产的流体通过油嘴节流后的温度为20,℃，压力为1,200,kPaA。

2.4.1 柱状气液旋流分离器操作参数的确定

井口区来液经过油嘴节流后进入 GLCC，进行初步气液分离。井口区来液温度即为 GLCC的操作温度，为 20,℃。操作压力为1,200,kPaA。

2.4.2 管式分离器

管式分离器经柱状气液旋流分离器进行初步气液分离后，液体不经过加热直接进入管式分离器，管式分离器的操作温度为 20,℃。柱状气液分离器的压降考虑为 50,kPa，管式分离器的压降考虑为 850,kPa，管式分离器的操作压力为1,150～300,kPaA。

2.4.3 原油换热器参数的确定

经过初级脱气、脱水后的液体进入原油换热器(由高效三相分离器出来的高温原油作为热流体给初级脱气的冷流体进行换热)。热流体进口温度为95,℃，冷流体进口温度为20,℃，总传热系数取 600,kJ/(m2,h·℃)，传热面积取 95,m2，热流体出口温度为43,℃，冷流体出口温度为40,℃。管程的操作压力为300,kPaA，壳程为150,kPaA。换热器热负荷为500,kW。

2.4.4 原油加热器参数的确定

为了提高高效分离器的分离效果，减小原油的乳化，采用原油加热器对换热后的原油进行加热，加热到 95,℃后进入高效三相分离器。原油加热器的操作压力为 250,kPaA。加热器热负荷为1,200,kW。

2.4.5 高效三相分离器参数的确定

前面流程中的管式分离器实现了游离水脱除，高效三相分离器就不再设置游离水脱除区，只设计一个堰板。为了满足原油饱和蒸汽压的要求，达到原油稳定的目的，同时也兼顾到火炬放空系统的背压设计，高效三相分离器的操作压力取150,kPaA。操作温度取 95,℃，经三相分离器实现油气水分离后的原油在常压下、56,℃储存时的饱和蒸汽压为 69,kPaA。可保证在小于 56,℃储存时原油的饱和蒸汽压小于 70,kPa的要求，需要的热负荷为1,200,kW。

主要工艺设备参数如下：

①柱状气液旋流分离器——操作压力：1,200,kPaA；操作温度：20,℃；尺寸：600,mm(I．D.)×3,600,mm(T/T)。

②管式分离器——操作压力：300～1,150,kPaA；操作温度：20,℃。

③原油换热器——操作压力：管程 300,kPaA/壳程150,kPaA；操作温度：管程20,℃→40,℃/壳程95,℃→43,℃；热负荷：500,kW。

④原油加热器——操作压力：250,kPaA；操作温度：40,℃→95,℃；热负荷：1,200,kW。

⑤高效三相分离器——操作压力：150,kPaA；操作温度：95,℃；SC-V-2001尺寸：2,300,mm(I．D.)×7,000,mm(T/T)。

⑥冷凝器——操作压力：120,kPaA；热负荷：250,kW。

2.5 常规工艺系统介绍

2.5.1 系统描述

井口区生产的流体经油嘴节流调压后为 700,kPaA，分别进入计量管汇和生产管汇。需计量的生产井流体(定期)进入多相流量计进行油、气、水三相计量。其他各井流体在生产管汇汇合后经一级加热器加热后与计量系统的物流汇合，然后依靠机采泵提供的余压输至原油处理系统。

生产管汇和计量系统的流体与火炬分液罐(兼闭式排放罐)、燃料气系统收集的流体混合后，进入一级分离器(400,kPaA/约 45,℃)进行油、气、水三相分离。一级分离器分出的气体去燃料气系统，分出的生产水去生产污水舱储存，分出的原油含水率约为 40%,，经合格原油/原油加热器和二级加热器加热至 105,℃后，进入二级分离器(150,kPaA/95,℃)中进行稳定脱气，在此分出的气体去火炬放空系统，分出的生产水去生产污水舱储存，分出的原油(含水率为 25%,)经电脱水器增压泵加压后，直接进入电脱水器预热器加热至 125,℃后进入电脱水器(500,kPaA/125,℃)，经电脱水器处理后的合格原油先经合格原油/原油换热器降温后再进入合格原油冷却器。经电脱水器脱出的水先通过生产水回流泵回掺到一级分离器入口进入生产水舱。然后合格原油直接进入储油系统进行储存、外输，温度＞72,℃时，原油要进入原油冷却器中降温至≤72,℃，满足饱和蒸气压≤70,kPaA的要求后，再进入储油系统进行储存、外输。

2.5.2 常规工艺系统特点分析

常规油气水处理工艺在中海油油田被广泛采用，进行油、气、水等分离、处理和稳定，满足储存的要求。为了达到这一目的，设置了一系列生产设备将井流混合物分成单一相态，其中分离器是主要设备，其他还包括换热器、泵、电脱水器等。

常规油气水处理工艺虽然能在中海油油田普遍应用，但应用于延长测试平台，针对延长测试平台的特殊性，有以下局限：

①占用空间大，设备多，重量大，如占地面积达到 100,m2以上，设备净重约 80,t，不能有效降低工艺能耗，没有达到控制工艺设备尺寸和重量的要求；②适用性差，而延长测试平台试采作业的范围较广，采用常规油气水处理工艺无法满足渤海大多数油田的油气水处理的工艺要求；③生产工艺设备多较复杂，生产人员操作维护成本高；④功能受局限，受常规油气水处理工艺设备的限制，无法满足平台在工艺区预留空间满足热采作业要求。

常规油气水处理工艺设备成熟可靠，普遍应用于渤海各油田平台，但若用于延长测试平台，与其他方案的油气水处理工艺比较，设备较多、流程复杂，有一定安全隐患。

2.6 高效原油处理系统优势分析

柱状气液旋流分离＋管式油水分离＋高效三相分离器的技术具有以下特点：

①经 GLCC(柱状气液旋流分离器)初步脱气后的液体进入管式分离器脱除游离水，有利于提高三相分离器的分离性能，如果维持液体在三相分离器中的停留时间不变，可以大大降低三相分离器的体积；②管式油水分离器设备基于离心力分离，管式油水分离设备替代传统的重力分离，具有更小的体积和重量，更换起来更方便；③流程中所有的加热步骤都放在脱除游离水之后，水的比热容约为原油比热容的 2倍，脱除游离水后加热可以大幅降低换热器的热负荷，达到节能降耗的目的；④柱状气液旋流分离、管式分离与高效三相分离器的分离技术均成熟可靠，采用柱状分离＋管式分离＋高效三相分离器相结合的工艺流程，设备简单、结构紧凑，简化了复杂的工艺流程，提高了工艺流程的安全性，降低了人员操作维护成本。

3 结 语

随着中海油加强勘探开发生产一体化建设的推进，延长测试平台已处于重要位置，今后延长测试平台将广泛应用于渤海湾小型油气田。高效原油处理系统满足延长测试平台上部工艺系统处理要求，适应性强，值得推广。■

［1］ 中国船级社. 海上浮式装置入级与建造规范[S]. 北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 中国船级社. 海上油气处理系统规范[S]. 北京：人民交通出版社，2014.

［3］ 刘焜.新型高效三相分离器现场试验研究[J]. 胜利油田：石油矿场机械，2005(34)：105-107

［4］ 金向红. 气-液旋流分离技术应用的研究进展[J]. 中国石油大学学报：化工机械，2007(34)：351-355.

［5］ 杨显志. 重力式油水分离器内部流场仿真及试验研究[J]. 中油辽河油田公司钻采工艺研究院：科学技术与工程，2010(10)：8230-8232.

［6］ 《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程设计概论与工艺设计[M]. 北京：石油工业出版社，2007.

［7］ 中国国家标准化管理委员会. GB/T 8929—2006. 原油水含量的测定 蒸馏法[S]. 北京，2006.

［8］ 国家经济贸易委员会. 海洋石油工程制图规范[S]. 北京：石油工业出版社，2002.

Analysis of an Extended Test Platform’s High Efficient Crude Oil Processing System

LI Yong，GU Wei，LI Shun，ZHANG Hongtao，TAN Jingxuan
(CNOOC Energy Technology & Services Marginal Oil Fields Development Project Group，Tianjin 300457，China)

As one of the extended test equipment，an extended test platform provides accurate parameters for oilfield development to ensure economic benefit．In order to reduce the operation cost of oilfield production，a crude oil treatment system is required to process the produced liquid until it transforms to qualified crude oil and then transfers to crude oil tank for offloading．In view of the characteristics of extended test platform，requirements and capability of extended test platform were confirmed on the basis of reservoir capacity，basic properties of crude oil of pilot production oil fields．In addition，the design principle was also worked out．Under the guidance of this principle，an optimal crude oil processing system was determined through scheme comparison and selection.

inline dewaterer；gas-liquid cylindrical cyclone separator；high efficiency separator

TE866

A

1006-8945(2015)09-0055-05

2015-08-07