三相分离器油水界面 高度控制的理论分析及研究

张彦鑫，杨家梁，雷锴，马亮

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在原油生产处理中，处理的流体主要是地层中油气水三相的混合液，同时其中包含部分泥沙、杂质、乳化液等混合物。因此需要对原油进行初步的分离处理，以提高原油外输品质，供给下游使用。

目前，海上油田主要是在卧式三相分离器中对油气水三相的混合液进行分离。而卧式三相分离器中对混合室油水界面高度的合理调节，能使得处理后原油的含水率以及污水的含油率符合要求。根据分离器入口含水情况及时调整油水界面高度，才能确保混合室内原油中的乳化水和污水中的油滴有充足的时间分离出来。

1 三相分离器概述

1.1 三相分离器工作原理

油气水三相分离器主要可分为入口分流区，集液区，捕雾器区及重力沉降区四大部分[1]，当混合液进入三相分离器后，通过挡板改变其混合液的方向，吸收其动能，达到气液的初步分离，气体进入气体通道经过整流器和重力沉降，分离出大液滴，在气相出口处设置了捕雾器，气体经过捕雾器除去小液滴后由出口输出。液体进入集液区，经过波纹板的稳定后，在混合室进行沉降，油向上流动，水向下流动，并在化学药剂的作用下得以油水分离，油从顶部经过溢流堰板进入油室并从油相出口流出，而污水则从底部管线进行排出。

1.2 三相分离器分类

三相分离器按照结构来分类，可以分成立式、卧式两种。立式三相分离器通常用于中等或较低油气比的场合[2]，以便去除液体中含有的气体，与卧式三相分离器相比，具有承受较大的液体波动能力，对液面控制要求不是十分严格。

而卧式三相分离器则主要作为生产分离器，在处理高油气比、大流量的气体和液体时表现得更好。卧式三相分离器与立式三相分离器相比，卧式三相分离器有处理量大，气液界面面积大有利于气液分离，油气流路长，分离效果好等优点。故而对于海上油田而言，卧式三相分离器应用较多。

两室式三相分离器水从下部水相出口排出，其内部结构如图1所示。

图1 两室式三相分离器结构示意图

两室式三相分离器的优点在于结构简单，易于检修，但是其调节油水界面时，仅能通过控制水相出口阀的开度，直接对油水界面进行调节，阀门打开，油水界面降低；阀门关闭，油水界面上升，容易造成液位的波动，致使油水界面不稳定，最终导致水相出口含油率过高，或者油相出口含水率过高。

三室式三相分离器和两室式三相分离器对比，拥有独立的混合室、油室和水室，在混合室下部有一根水管直接和水室联通，水从联通管进入水室后从水向出口流出，其内部结构如图2所示。

图2 三室式三相分离器结构示意图

三室式卧式三相分离器调节油水界面时，是通过控制水相出口的阀开度控制水室液位，根据U型管原理控制混合室的油水界面，可以避免出现油水界面过低或者过高的情况，从而获得更好的污水含油率以及原油含水率。缺点是结构复杂，后续清理维保时难度较高。

2 油水界面高度计算

油水界面高度是三相分离器设置的一个重要参数，保持合理的油水界面高度是控制原油含水率以及污水含油率的重要手段。油水界面位于混合室油层和水层中间，油水界面过高或者过低，容易导致油水混层，分离效果差。油水界面向上移，则油相含水率上升，水相含油率下降；油水界面下移，则油相含水率下降，水相含油率上升。水室水管的高度影响油水界面的高度，可以以此实现油水界面的调节[3]。

以三室式卧式三相分离器为例，如图3所示。

图3 油水界面计算示意图

油水界面控制采用U型管原理，此时油水界面随水室液位波动，公式为：

可得：

此时可通过调节水相出口阀开度控制H2，从而调节油水界面的高度。

在现场实际操作中，为避免混合室油水界面过高造成混合室油相溢流进水室，及避免水室液位过高造成水室水再回流混合室，还需满足条件：

为避免混合室油水界面过高造成混合室水相溢流进油室，需满足hw＜h，从而确定出水管调节的范围。

3 应用实例

某油田分离器参数为h=1900 mm，H=2600 mm，ρo=0.8 g/cm3，ρw=1 g/cm3，按理想情况下，油水在分离器内实现全部分离，即hw与ho比值与含水呈线性关系，得出分离器入口不同含水情况hw与H2关系曲线，如图4所示。

图4 油水界面与水室液位高度关系曲线

根据H≥hw+ho≥h，计算混合室油水界面高度与水室液位高度满足条件，如表1所示。

表1 油水界面高度与水室液位高度计算结果

根据hw≤1900 mm，计算得出不同含水情况下H2的最大值，如表2所示。

表2 含水与水室液位限定高度计算结果

该油田目前综合含水在70%，根据表1中的数据，水室液位应控制在1781＋～2436 mm，使混合室油水界面保持在1329～1818 mm之间。在现场实际处理中，分离器液位还受分离器温度、分离器药剂注入浓度等因素影响。在保持温度及药剂浓度稳定的情况下，现场调整分离器水室液位阀开度，使分离器水室液位保持不同高度，化验水相含油及油相含水。实验数据如表3所示如下。

表3 水室液位高度及分离器出口化验数据

根据表中数据，作出关系曲线，如图5所示。

图5 水室液位高度及分离器出口化验数据变化曲线

由数据可知，在水室液位不断提升过程中，油水界面不断上升，水相含油下降，油相含水上升。在水室液位超过2100 mm之后，继续上调水室液位，油相含水上升幅度加大，水相含油下降幅度减小。在同时满足分离器下游处理设备入口含水和含油要求下，水室高度控制在2100 mm左右为最佳选择。

4 结语

由表1及表2中数据可以看出，在油田处于低含水开发期时，需注意控制水室液位使得混合室内液位高度到达油室堰板溢流高度达到油室集油效果，同时注意混合室内液位高度不超过水室堰板高度。在油田进入中高含水期时，要根据理论计算值及时调整水室液位设定值，通过水相出口管线调节阀控制水位平稳，避免混合室油水界面过高造成水溢流进油室，造成油相高含水。现场要根据水相含油及油相含水化验结果，及时对水室液位高度进行调整来控制分离器油水界面，以达到最佳处理效果。

本文通过建立卧式三相分离器水室液位高度和混合室油水界面高度的方程，得到了通过控制水室液位高度从而控制混合室油水界面高度的计算方法，并结合现场实例，对该方法进行验证，为油田不同含水开发生产时期控制油水界面的高度提供了计算方法，对不同参数的分离器均可参照此公式进行计算。