內(nèi)聯(lián)式脫液器在油氣開發(fā)領域中的應用*

衛(wèi)德強 俞接成 蘇民德 石江淼

(1. 北京石油化工學院機械工程學院；2. 中石化石油工程設計有限公司北京分院)

內(nèi)聯(lián)式脫液器在油氣開發(fā)領域中的應用*

衛(wèi)德強**1俞接成1蘇民德1石江淼2

(1. 北京石油化工學院機械工程學院；2. 中石化石油工程設計有限公司北京分院)

在介紹內(nèi)聯(lián)式脫液器結構部件、分離過程工作原理的基礎上，歸納出內(nèi)聯(lián)式脫液器相比于常規(guī)氣液分離技術與設備的特點和在解決處理系統(tǒng)中存在的問題時所具有的優(yōu)勢，總結了內(nèi)聯(lián)式脫液器在油氣開發(fā)領域中的應用場合和能夠解決的工程問題，并對內(nèi)聯(lián)式脫液器氣液分離技術的應用前景進行了展望。

內(nèi)聯(lián)式脫液器 分離技術 油氣開發(fā) 多相流 水下處理 重力沉降

隨著海洋深水區(qū)油氣探明儲量的增加，油氣開采和處理設施面臨著自身分離設施技術受限、作業(yè)空間受限及氣液分離設備的處理能力不足等問題[1～3]。石油和天然氣運營公司也在不斷地為生產(chǎn)領域?qū)で蟾?jīng)濟、更有效的處理方法。目前，制約分離技術的主要因素是分離設備的尺寸、重量、占用空間和負載以及因此帶來的高額處理成本[4]。隨著處理系統(tǒng)中分離設備不斷地向小型化、輕型化、精密化的方向發(fā)展，內(nèi)聯(lián)式脫液器因可以減少自重和節(jié)省空間，從而有效降低投資和維護成本，并能夠最大限度地提高設備的分離效率[5]，已經(jīng)成為近年來新設施設計的新趨勢。除了新建設備之外，內(nèi)聯(lián)式脫液器也在消除技術受限和工藝設施升級中扮演著重要角色。對某些石油和天然氣領域而言，內(nèi)聯(lián)式脫液器是一種可替代傳統(tǒng)分離方法的分離技術[6]。在滿足生產(chǎn)領域需求的情況下，可最大化地實現(xiàn)油氣田利潤，并有效降低經(jīng)營風險，因而已成為發(fā)展新前景和振興成熟地區(qū)的重要工具[7]。其技術的發(fā)展歷史已在文獻[8]中有敘述。筆者在追蹤國外關于內(nèi)聯(lián)式脫液器相關技術發(fā)展的前提下，總結了它在油氣開發(fā)領域中的應用。

1 內(nèi)聯(lián)式脫液器的結構與工作原理

常規(guī)氣-液分離器是通過單獨重力沉降來實現(xiàn)分離的，而內(nèi)聯(lián)式脫液器是一種綜合了緊湊、高效性氣-液分離并在操作中恢復損失壓降的獨特新型技術的高效氣液分離裝置。在運行過程中，氣液混合物通過渦流發(fā)生器產(chǎn)生強旋流，并在幾千倍于重力的離心力作用下利用流體相間密度差來實現(xiàn)氣液分離。這使得內(nèi)聯(lián)式脫液器的分離速度得到顯著提高，從而消除長時間沉降的局限，減小分離設備的尺寸[9，10]。

1.1結構與部件

圖1顯示的是內(nèi)聯(lián)式脫液器的主要結構部件。氣液混合段的作用是將氣液混合物中的液相均勻分布于氣液混合物中，以便后續(xù)分離并防止氣液混合物發(fā)生分層現(xiàn)象。渦流元件是內(nèi)聯(lián)式脫液器的關鍵結構組件，渦流元件設計的合理與否直接影響著內(nèi)聯(lián)式脫液器整體性能的優(yōu)劣，其結構設計中的關鍵參數(shù)是葉片個數(shù)、葉片導向角度和葉片厚度。分離段的主要目的是將獲得強大離心力的氣液旋流進行充分分離，其長度直接影響氣液兩相之間的分離程度、設備自身重量和占用空間。氣體出口段的關鍵在于深入分離腔內(nèi)部的長度和自身管徑，深入長度過長會導致過多氣體進入導液管內(nèi)；而過短會出現(xiàn)分離出的液體沒有足夠時間進入導液管而隨氣體流出的問題；自身管徑過大會出現(xiàn)液體二次夾帶現(xiàn)象；而過小將導致脫液后的氣體不能及時排出，從而增加導液管的負載、脫液器整體壓降和能量損失。反渦流元件和氣體擴壓段的主要作用是恢復流體壓力，降低內(nèi)聯(lián)式脫液器的整體壓降損失。其中反渦流元件主要是恢復流體的正常流動狀態(tài)；氣體擴壓段是將脫液后的氣體流恢復至入口管徑，恢復壓力并使脫液器能夠很好地與標準輸氣管道連接。導液管是脫液器的主要儲液裝置，用于收集并排除分離出的液相，并與控制閥相互配合調(diào)節(jié)脫液器的處理流量范圍，防止氣體回注溢流。氣體旁路的作用是將攜帶至導液管內(nèi)的氣體回注至渦流元件，進行重新分離。

圖1 內(nèi)聯(lián)式脫液器結構圖

所有內(nèi)聯(lián)式脫液器都是特定操作條件下的氣液分離器，其設計都是壓降、分離效率和調(diào)節(jié)比或這些參數(shù)的優(yōu)化組合。內(nèi)聯(lián)式脫液器結構具有一些典型特征，總結見表1。

表1 內(nèi)聯(lián)式脫液器的典型特征

1.2工作原理

氣液混合物流經(jīng)內(nèi)聯(lián)式脫液器的氣液混合段，使液相均勻分布在氣液混合物內(nèi)，再經(jīng)固定渦流元件后發(fā)生自旋；氣液混合物在離心力的作用下利用氣液之間的密度差，使分離出的液體在分離段內(nèi)壁形成液膜；脫液后的氣體通過主配管內(nèi)氣體出口段上的反渦流元件，使脫出液相的氣體恢復正常流動狀態(tài)，進而經(jīng)過氣體擴壓段恢復部分壓降流出；分離出的液體進入分離段與氣體出口段之間的環(huán)形空間，并收集至垂直排液管內(nèi)；除液體之外，還會有少量氣體進入排液管內(nèi)，以便于更好地排出分離出的液體；因旋流作用促使渦流元件末端中心處形成低壓區(qū)，致使氣體通過氣體回注旁路重新進入渦流元件；氣體出口段安裝的反渦流元件和氣體擴壓段能夠使整個內(nèi)聯(lián)式脫液器具備低壓降的特性。脫液器的控制可以通過液體出口的液位控制來實現(xiàn)，脫液器導液管內(nèi)的液位是唯一的控制參數(shù)[11，12]。內(nèi)聯(lián)式脫液器分離過程示意圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)聯(lián)式脫液器分離過程示意圖

1.3優(yōu)勢與特點

相比于傳統(tǒng)的容積式分離器，內(nèi)聯(lián)式脫液器在保證具有相同分離功能的情況下，還具有工藝簡單、成本低、無需運動部件、易于安裝和操作、設備重量更輕和尺寸更小、無需添加任何化學藥劑及運行和維護費用低等優(yōu)點[13～15]。裝置的主要特點包括：超小型分離管段；可以有效地提高現(xiàn)有流程的處理能力；新建生產(chǎn)系統(tǒng)的緊湊型分離橇可以產(chǎn)生高離心力，因此更容易進行相間分離；可根據(jù)現(xiàn)有管道設計，制造工藝簡單，縮短安裝時間；在較低的壓降條件下，即可得到非常好的分離效果，以滿足復雜條件下和空間受限條件下對分離器尺寸、占用空間及分離效率等的要求。這些特點使得該裝置適合在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下進行設備新建和改造領域中的應用，尤其適用于海底和深水領域。

2 應用研究現(xiàn)狀

在過去十幾年中，內(nèi)聯(lián)式脫液器因具有可以減少自重和節(jié)省空間并可在平臺和海底應用而受到越來越多的關注，主要包括平臺、海底和陸上天然氣井中的工業(yè)化應用[16]。

2.1海上平臺中的首次工業(yè)化應用

2002年9月，挪威國家石油公司(Statoil)在位于北海的Sleipner-T油氣田海上平臺的有限空間內(nèi)經(jīng)過改建，安裝了一個14″內(nèi)聯(lián)式脫液器，用于解決因海洋油氣田中油氣產(chǎn)量和含水率增加，氣體速率上升，致使平臺處理系統(tǒng)中的換熱器內(nèi)存在液態(tài)冷凝水，導致洗滌器內(nèi)產(chǎn)生液體凝結和液滴破碎的問題。

Sleipner-T海上平臺上的內(nèi)聯(lián)式脫液器單元是內(nèi)聯(lián)式脫液器的首次工業(yè)化試驗和應用。安裝調(diào)試結果表明：根據(jù)現(xiàn)場流動條件的變化，測得其分離效率范圍為80%～95%。適當調(diào)節(jié)手動控制閥的開度可將分離效率提高到95%。鑒于海上平臺有限作業(yè)空間內(nèi)對氣體流量和液體流量的容積約束，在洗滌器上游安裝內(nèi)聯(lián)式脫液器能夠很好地提高系統(tǒng)的處理能力、解決平臺分離系統(tǒng)中存在的問題[17]。

2.2天然氣井中的首次撬裝化應用

2008年，PESD&FDD利用其專項預算項目為位于沙特的Khuff氣田引進了一套FMC的立式撬裝內(nèi)聯(lián)式脫液器(圖3)。安裝該撬裝化內(nèi)聯(lián)式脫液器的主要目的是對天然氣田氣井中的氣液混合物進行分離，并將脫出液體的氣體輸送至Shedgum天然氣生產(chǎn)廠，從而降低進入天然氣生產(chǎn)廠的液體含量，提高生產(chǎn)設備的使用壽命。同時，將分離出的含有油氣組分的液體輸送至GOSP-4液體處理廠，避免大量氣體進入管線和液體處理廠形成段塞流，造成管線發(fā)生強烈振動，出現(xiàn)嚴重的、不穩(wěn)定的安全和環(huán)境問題。

圖3 內(nèi)聯(lián)式脫液器撬裝圖

根據(jù)油氣田實際處理系統(tǒng)所需處理能力的要求，內(nèi)聯(lián)式脫液器操作參數(shù)的設計值如下：

操作溫度 150～170℉

操作壓力 1 300～1 400psig

氣體流量 60～225MMscfd(正常設計流量為180MMscfd)

冷凝水流量 1 800～7 000BPD(正常設計流量為5 500BPD)

水流量 240～2 000BPD(正常設計流量為1 600BPD)

實驗過程中，由于液體流量的突然變化導致氣體流量未達到設計時的最大值。當氣體流量達到175MMscfd時，冷凝水和水的流速超過了最初的設定值。綜合現(xiàn)場操作運行條件，最終設定了測試的操作參數(shù)如下：

操作溫度 160～192℉

操作壓力 1 200～1 450psig

氣體流量 60～175MMscfd

冷凝水流量 1 800～8 000BPD

水流量 240～3 500BPD

實測性能顯示：內(nèi)聯(lián)式脫液器能夠很好地降低處理系統(tǒng)中的壓力和能量損耗，同時使進出口壓降低于7lb；適當調(diào)節(jié)撬裝內(nèi)聯(lián)式脫液器下游節(jié)流閥的開度，可較好地控制液體進出口壓降；氣體分離效率達到95%以上；節(jié)流閥后溶解氣中最大液體含量為0.075%。

同時，首次對撬裝內(nèi)聯(lián)式脫液器分離管段的進出口分別進行了噪聲測量，并評價噪聲對處理系統(tǒng)和管道的影響。噪聲測量的操作條件是：環(huán)境溫度約30℃，測量時間間隔為1min，氣體流量為165MMscfd，液體流量為9 000BPD，操作壓力為1 300psig，操作溫度為190℉。圖4中的噪聲測試結果顯示：在分離過程中系統(tǒng)總體運行平穩(wěn)，測量的平均噪聲范圍為60～70dB。可有效地解決管道振動給管線和處理系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定問題，從而滿足處理系統(tǒng)和管道輸送對分離噪聲的要求。

圖4 內(nèi)聯(lián)式脫液器的噪聲測試

調(diào)試結果表明：撬裝內(nèi)聯(lián)式脫液器能夠很好地脫出氣體中所含的大量冷凝水和油氣組分，從而滿足Shedgum天然氣廠中天然氣采出液增加對處理能力的要求，提高了天然氣處理設備的使用壽命；同時可降低輸運管線中酸性水的含量和噪聲，減少管道中的腐蝕和振動問題。該項技術有效地解決了沙特阿美石油公司油氣田生產(chǎn)裝置中由于采出氣含水量過高而影響產(chǎn)量和新氣井開發(fā)的問題，同時也為內(nèi)聯(lián)式脫液器的海上平臺和水下撬裝化提供了借鑒[18～20]。

2.3在桑托斯沃特爾氣田的應用

2012年2月，ASCOM公司在桑托斯公司旗下的沃特爾油田(印度尼西亞近海淺水區(qū))安裝了兩級串聯(lián)的內(nèi)聯(lián)式脫液器(Twinline Gas-Liquid Separator)，以解決平臺空間受限的問題和滿足分離處理設施對流體操作范圍和分離效率方面的要求。

兩級串聯(lián)的內(nèi)聯(lián)式脫液器是ASCOM公司在經(jīng)過兩年的基礎設計計算和數(shù)值模擬的基礎上開發(fā)出的新一代內(nèi)聯(lián)式脫液器。兩級串聯(lián)內(nèi)聯(lián)式脫液器的結構如圖5所示，氣液混合物流經(jīng)脫液器內(nèi)部第一級固定渦流元件時發(fā)生自旋(高離心力)，利用氣液之間密度差分離出氣液混合物中的游離水；未及時脫出的液體隨氣體再經(jīng)過后端的第二級類似渦流元件形成極速旋流，可對氣液混合物中剩余液相進行分離、排出。其中第二級的設計不僅能夠提高設備的分離效率，而且可使內(nèi)聯(lián)式脫液器對氣液混合物和含液量變化具有較大的調(diào)節(jié)比。在現(xiàn)場安裝測試操作過程中，內(nèi)聯(lián)式脫液器的直徑為10in；流體入口溫度為±80°F；流體入口壓力為±1 050psig；氣體流量比標準設計的流量增加了15%。

圖5 兩級串聯(lián)的內(nèi)聯(lián)式脫液器的通用三維設計圖

運行結果表明：兩級串聯(lián)的內(nèi)聯(lián)式脫液器具有很好的工程實際可行性，并且實現(xiàn)了高效分離，分離效率可達99%以上；即使在不同的操作條件下，依然具有高可靠性和極高的分離效率；相比于傳統(tǒng)的分離器而言，擁有兩級分離和最小的空間體積，可以最大限度地減少設備的尺寸和重量，從而有效降低分離設備的成本；在達到相同渦流強度時，所需壓降僅是傳統(tǒng)渦流元件的55%～60%，并能有效降低流場湍流級別；相比于傳統(tǒng)內(nèi)聯(lián)單元，在保證壓降和尺寸相同的情況下，可拓寬工作量程范圍或提供非常高的分離效率。對于作業(yè)空間受限的地區(qū)優(yōu)勢更加明顯，可以利用它進行舊脫水設施改造和脫水裝置的新建。解決了操作條件變化范圍相對狹窄和設計規(guī)范未實現(xiàn)通用化的問題[21]。

2.4其他典型與潛在應用

內(nèi)聯(lián)式脫液器的發(fā)展主要是為了解決成熟油田現(xiàn)有設施技術受限的問題。根據(jù)上述情況和相關工業(yè)應用，總結出內(nèi)聯(lián)式脫液器的典型應用包括：解決高液相負荷洗滌器下游凝析液的問題；安裝在油氣田處理設備中用以替代凝析油分離器；設置于氣體壓縮機上游，脫出管道中的析出液，從而避免析出液對壓縮機葉片造成水蝕；與乙二醇接觸器組合使用可以很好地解決天然氣水露點問題；作為常規(guī)分離設備的預處理設備，能夠提高現(xiàn)有設施的分離性能和處理能力；進行處理系統(tǒng)中的多相流分離、海底處理等。

國外不斷對內(nèi)聯(lián)式脫液器進行工業(yè)化試驗和應用，擴展出內(nèi)聯(lián)式脫液器的其他潛在應用，包括：減少回氣井壓力和增加氣井產(chǎn)量；安裝在現(xiàn)有高壓或低壓常規(guī)分離器上游，可以顯著提高分離器的液體處理能力；也可應用于現(xiàn)有設備內(nèi)，以增加產(chǎn)能和降低化學試劑消耗；更可以利用內(nèi)聯(lián)式脫液器對油氣分離站內(nèi)現(xiàn)有設備進行改造與升級，從而降低投資和維護成本，縮短分離設備的安裝時間；對于需要增加設備且盡可能小的占用有限空間的水下回接或新油藏開發(fā)同樣是非常適用的。

隨著不斷地推廣應用，內(nèi)聯(lián)式脫液器從解決平臺問題逐漸向平臺、水下、陸上和極限地區(qū)氣田開發(fā)的方向發(fā)展。設備也逐漸向小型化、輕型化和抗惡劣條件的方向發(fā)展，為設備廣泛的工業(yè)化應用奠定了基礎。

3 實驗研究現(xiàn)狀

對內(nèi)聯(lián)式脫液器的基礎理論研究主要集中于實驗室實驗。研究的主要內(nèi)容包括內(nèi)聯(lián)式脫液器的結構參數(shù)設計、操作參數(shù)、流動參數(shù)和基礎分離機理。目前，國外關于內(nèi)聯(lián)式脫液器的研究資料主要集中在石油裝備巨頭FMC公司和專業(yè)從事三相分離的ASCOM公司，但鑒于該公司的保密問題，公開發(fā)表的文獻中只有少量可獲信息。

2002年，CDS技術系統(tǒng)公司以甲烷氣體和柴油為介質(zhì)，對低壓(1～4MPa)條件下的小直徑(3、8、14in)臥式內(nèi)聯(lián)式脫液器進行了初始實驗研究。實驗獲得了分離效率和壓降的測量值和理論值相吻合的結果；而相同條件下，立式內(nèi)聯(lián)式脫液器由于離心力和重力的共同作用顯示出了更好的分離效果；驗證了內(nèi)聯(lián)式脫液器結構參數(shù)設計的合理性，并為內(nèi)聯(lián)式脫液器的設計計算理論研究奠定了基礎[22]。

Hoffmann A C和Stein L E通過實驗裝置和計算流體力學精確地模擬了旋流流場的相態(tài)，確定了限制分離裝置整體液體捕獲效率的兩個獨立現(xiàn)象：初始液滴捕集和膜不穩(wěn)定性(液體二次夾帶)[23]。Austrheim T等進行了高氣體和液體負載條件下的實驗研究，實驗結果表明：分離設備性能會從初始主要受液體捕集限制變?yōu)橹饕苣げ环€(wěn)定性和液體二次夾帶影響；而當初始限制因素是液體捕集時，則分離效率將受較高氣體和液體負載影響；反之，當初始限制因素是膜不穩(wěn)定性時，則分離性能將在較高氣體和液體負載下惡化[24]。Austrheim T等在1 640psig高壓條件下，對液體體積分數(shù)范圍為0.01%～3.00%的烴類流體(天然氣和Exxsol D60)進行了實驗研究[25]。實驗結果證明：在高操作壓力下分離效率明顯降低；證明了不同設計的烴類流體對壓力分離的重要性，從而進一步理解了分離現(xiàn)象。Bymaster A S等在西南研究院采用FMC技術子公司——CDS分離系統(tǒng)公司的緊湊型分離裝置進行了高壓鑒定實驗。測試結果進一步理解了在壓力升高(1 500～2 600psig)條件下，氣液分離相關的邊界條件、限制因素和風險；同時發(fā)現(xiàn)操作壓力升高給氣液分離帶來的新挑戰(zhàn)，包括減少液體分布、增加再夾帶或膜不穩(wěn)定性的幾率[26]。蘇民德等在國外幾大公司對內(nèi)聯(lián)式脫液器的具體結構參數(shù)保密的情況下，通過查閱國外相關文獻，自主設計了內(nèi)聯(lián)式脫液器，并對內(nèi)聯(lián)式脫液器的結構參數(shù)和操作參數(shù)進行了相關計算流體力學數(shù)值模擬。獲得了結構參數(shù)中最優(yōu)葉片個數(shù)和最佳旋流葉片出口角，并對不同入口流速和液滴粒徑進行了數(shù)值模擬，同時也證明了結構設計的合理性[27]。

目前，國外對于內(nèi)聯(lián)式脫液器的研究已經(jīng)從最初的結構參數(shù)、操作參數(shù)和流動參數(shù)研究，過渡到了更本質(zhì)的分離機理的研究。而內(nèi)聯(lián)式脫液器的實驗與測試條件也從低壓、低流量逐漸向高壓、高流量、高液體負載的方向發(fā)展，并經(jīng)過十幾年的基礎理論研究、實驗研究和工業(yè)應用，逐漸總結和建立了內(nèi)聯(lián)式脫液器的結構設計、參數(shù)設定和分離機理的理論體系，為內(nèi)聯(lián)式脫液器廣泛的工業(yè)化應用奠定了堅實的基礎。國內(nèi)對于內(nèi)聯(lián)式脫液器的關注與研究尚處于初步認識階段，對內(nèi)聯(lián)式脫液器基本結構參數(shù)進行了初步的優(yōu)化設計，以及低壓、低流量下的數(shù)值模擬研究。急需對內(nèi)聯(lián)式脫液器的設計基礎理論進行進一步研究，建立自主結構參數(shù)設計理論，同時對內(nèi)聯(lián)式脫液器開展實驗與工業(yè)化應用研究。

4 結論

4.1內(nèi)聯(lián)式脫液器在陸上油氣田和海洋油氣開發(fā)領域中的應用試驗，有效地解決了現(xiàn)有生產(chǎn)和處理系統(tǒng)所面臨的眾多技術受限與空間受限問題，尤其是在設備更新等方面發(fā)揮了關鍵作用。

4.2當前我國在氣-液分離的研究重點主要是開發(fā)和優(yōu)化傳統(tǒng)氣液分離技術與設備，對于如內(nèi)聯(lián)分離等緊湊型氣液分離技術的研究還處于探索階段，而對于內(nèi)聯(lián)式氣液分離設備在油氣開發(fā)領域中的相關應用等室內(nèi)實驗和工業(yè)化試驗研究尚處于空白。對于國內(nèi)學術研究和工業(yè)應用是一個全新的課題領域。

4.3在這種形勢下，國內(nèi)相關高校和科研人員亟待進行內(nèi)聯(lián)式脫液器的國產(chǎn)化理論和實驗研究，研制出具有自主知識產(chǎn)權的內(nèi)聯(lián)式脫液器。以滿足國內(nèi)油氣開發(fā)領域?qū)庖悍蛛x設備的需求，減少因進口相關設備所帶來的高昂成本。

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ApplicationofInlineSeparatorinOil&GasDevelopment

WEI De-qiang1, YU Jie-cheng1, SU Min-de1, SHI Jiang-miao2

(1.SchoolofMechanicalEngineering，BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology，Beijing102617，China;2.SinopecPetroleumEngineeringDesignCo.,Ltd.，Beijing102200，China)

Basing on introducing inline separator’s components and gas-liquid separation process, its advantages compared to the conventional gas-liquid separators in the processing system were summarized, including its application scope and prospects.

inline separator, separation technology, oil and gas development,multiphase flow, underwater treatment, gravitational settling

*北京市屬高等學校“長城學者”培養(yǎng)計劃項目(CIT&TCD20150317)，北京石油化工學院優(yōu)秀學科帶頭人培養(yǎng)計劃項目(BIPT-BPOAL-2013)

**衛(wèi)德強，男，1988年11月生，碩士研究生。北京市，102617。

TQ051.8

A

0254-6094(2016)03-0272-07

2015-06-09，

2016-05-18)