Marlim油田水下臥式盤管多相分離系統及資質認證

程玉雪，陳家慶，孟 迪，邵天澤，姜 勇

(1.北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617；2.中海油能源發展股份有限公司 安全環保分公司，天津 300456)①

·專題研究·

Marlim油田水下臥式盤管多相分離系統及資質認證

程玉雪1，陳家慶1，孟 迪2，邵天澤2，姜 勇2

(1.北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617；2.中海油能源發展股份有限公司 安全環保分公司，天津 300456)①

管式多相分離技術是水下生產系統的關鍵組成部分，具有承壓能力強、結構緊湊、處理效率高等優勢，已逐漸成為深海油氣開采中海底處理技術的核心。世界多家石油公司圍繞多相管式分離技術展開了一系列研究工作，其中Marlim油田臥式單根盤管式多相分離系統(SSAO系統)得到了成功的工程應用。介紹了SSAO系統的結構組成、相應設備的工作原理及SSAO系統內各主要設備的技術流程資質認證；闡述了該系統的安裝技術關鍵及試運行情況。為國內自主研發管式多相分離技術提供參考。

管式多相分離系統；結構組成；資質認證；安裝技術

隨著陸上油田逐漸進入開發的中后期，海上油田尤其是深水油田將成為未來石油開發的主戰場，而水下生產系統在深海油氣開發中扮演著重要角色[1-2]。深海環境壓力大、水溫低，生產平臺建造難度較大，承重限制嚴格，因此研發結構緊湊、承壓能力強的水下多相分離系統已成為國內外各大石油公司關注的焦點[3]。與壓力容器式多相分離技術相比，壓力管道式多相分離技術格外引人注目，先后出現了意大利Saipem公司的立式多管分離器和SpoolSep臥式管分離器、美國FMC Technologies公司開發的多相管分離器、巴西石油公司(Petrobras)與挪威國家石油公司(Statoil)聯合開發的臥式單根盤管式多相分離系統(簡稱SSAO系統)等創新結構設計或方案構思。其中SSAO系統已經在Marlim油田得到了現場應用，成為世界上首個實施海底分離和水回注系統的工程案例[4-5]。鑒于目前國內關于水下分離技術的研究開發工作大多圍繞臥式壓力容器類結構來開展，很少關注并實施水下管式分離技術的研究開發，筆者介紹了SSAO系統的組成、技術流程資質認證、系統安裝及試運行情況，旨在推動我國在該領域的自主研發進程。

1 SSAO系統概況

SSAO系統于2011年安裝在巴西石油公司Marlim油田的MRL-141油井，平均工作水深900 m，外廓長29.0 m，寬8.4 m，總質量392 t。SSAO系統主要由多相除砂器、消泡器、U型管式分離器、出口容器、水力除砂器、水力旋流器、注水泵、含油量監測器等組成，如圖1所示。

A—多相除砂器；B—消泡器；C—U型管式分離器；D—出口容器；E—水力除砂器；F—水力旋流器；G—注水泵(Pump)；H—含油量監測器。

SSAO系統的工作流程主要分為多相分離流程和水處理及回注流程。油井采出物依次進入多相除砂器、消泡器、U型管式分離器、出口容器，進行固液分離、氣液分離、油水分離，分離后的油和天然氣輸送到FPSO生產單元；采油污水進入后續水處理及回注流程，在水力除砂器、兩級串聯的水力旋流器內分別進行固液分離和油水分離，使采油污水中的含油量和含砂量達到回注標準，通過離心泵回注入注水井[6]。

1.1 除砂器

SSAO系統中的除砂器采用美國FMC Technologies公司與Statoil合作研制的緊湊型管式除砂器，主要用于去除油井采出物與采油污水中的固體砂粒，結構簡單、實用，無需動力消耗與活動部件。其工作原理如圖2所示。該緊湊型管式固/液分離技術(管式除砂器)主要基于創新性氣旋分離原理和徑向流場中固體顆粒平衡方程，利用靜止起渦單元產生強化的離心力實現固液分離。

除砂器的操作部分包括入口單元、起渦單元、分離單元和提取單元。油井采出物由入口軸向進入除砂器，在起渦單元內流體壓能轉化為動能，形成高轉速旋流，進入分離單元；由于重力沉降和慣性力作用，分離后的泥砂相對于連續相流體向壁面處移動，從排砂口排出，進入回收容器或其它處理設備；處理后的液體在錐段內反向運動，由溢流口排出[7]。

圖2 管式除砂器工作原理

1.2 管式分離器

SSAO系統中的管式分離器采用原挪威Norsk Hydro公司(現已與Statoil公司合并)的管式分離技術，主要包括消泡器(氣液分離)、U型管式分離器(油水分離)和出口容器(流量與液位控制)。

1.2.1 消泡器

消泡器位于管式分離器入口處，后部與U型管式分離器相連。消泡器主要由一組與入口管道相通的垂直脫氣管和傾斜集氣管組成，且入口管與氣體歧管均高于后續的U型管式分離器；氣體通過垂直脫氣管進入傾斜集氣管，由集氣管將氣體輸送到出口容器，如圖3所示。

消泡器僅用于分離游離氣，液體中的溶解氣將隨液相進入后續分離段[8]。消泡器結構關鍵在于消除段塞流，可簡單高效地避免高剪切力對油井采出物中氣液分離產生的影響。

1—流體段塞；2—脫氣管；3—氣體歧管；4—集氣管；5—擴展管體；6—氣體段；7—入口管。

1.2.2 U型管式分離器

U型管式分離器的設計理念主要基于4點：①減小分離器直徑，降低水顆粒沉降距離和沉降時間；②增大水相界面區域面積，減小界面水力負荷；③增大油水乳化層所受的剪切力，加速乳化層分解，使管式分離系統能分離更為穩定的乳化液和高黏度的采出液；④增大軸向平均流速(約1.0 m/s)，使油井產出液處于湍流流態，提高油水分離效率[9]。基于基本設計理念，將SSAO系統管式分離段設計為軸向長度較長而直徑較小的U形管式結構。

U型管式分離器主要由U形管體、輸送管、清管器發送器、清管器接收器等組成，來自消泡器的多相流體進入U型管式分離器，在主體U形管內進行油水分離，最終進入出口容器，如圖4所示。

與傳統重力分離器相比，該U型管式分離器具有水顆粒沉降時間短、界面水力負荷小、軸向平均流速大、油水分離效率高、結構緊湊等優勢，且其在外形結構、質量體積、工程造價等方面更符合未來海洋油氣資源向深水、超深水領域發展的要求[10]。

1—輸送管；2—清管器發送器；3—清管器接收器；4—U形管體；5—出口容器。

1.2.3 出口容器

出口容器位于U型管式分離器的后部，主要基于流體在管中的層流流動和重力沉降原理實現油水分離。出口容器為圓柱形容器，由隔板、入口、水相出口、油相出口、氣相出口、流體供給管、腔室等組成，如圖5所示。為確保流體流動狀態為層流，出口容器前端管式分離段水平布置，且分離器直徑大于供給管直徑，在柱形容器的端部布置隔板，避免水相進入右側腔室。工作過程中，油井采出物經過U型管式分離器后以層流流動狀態進入出口容器，在出口容器內，水相由水相出口排出，油相通過隔板進入右側腔室內，由油相出口排出，由于氣體重力遠小于液相，到達容器后迅速升高至液體表面，并通過頂部氣相出口排出[11]。

1—腔室；2—隔板；3—氣相出口；4—柱形容器；5—入口；6—管式分離段；7—流體供給管；8—水相出口；9—油相出口。

1.3 水處理及回注設備

SSAO系統的水處理及回注設備主要包括水力除砂器、兩級串聯的水力旋流器、離心泵、含油及含砂量檢測器等。其中水力除砂器與多相除砂器工作原理相同，用于去除采油污水中的固體砂；兩級串聯的水力旋流器主要基于旋流離心原理實現油水分離。工作過程中，采油污水進入水力除砂器進行固液分離，經水力除砂器處理達標后，進入兩級串聯的水力旋流器進行油水分離，處理后經含油量檢測器檢測合格后，由離心泵回注入注水井。

2 SSAO系統技術流程資質認證

SSAO系統作為首個深水多相分離和水回注系統，在各設備安裝應用方面，均采用非常規技術，且無相應安裝應用經驗可以借鑒。鑒于此，需模擬真實工作條件對系統進行技術流程資質認證，以確保系統應用的安全性和穩定性[12-14]。

2.1 固體沉積物處理資質認證

2.1.1 除砂器測試

除砂器測試系統的工藝流程主要由緩沖罐、砂供給罐、油泵、水泵、泥漿泵、氣罐、壓縮機、除砂器、過濾器、循環泵等組成，如圖6所示。工作過程中，水、油、砂、氣分別由水泵、油泵、泥漿泵、壓縮機泵送至管線中并充分混合，然后進入除砂器進行固液分離，氣液兩相由除砂器右側出口排出，固相砂由底部出口排出，最后由不同管線輸送至過濾器，經過濾后由循環泵重新泵送至緩沖罐。經測試，除砂器的結構設計、操作等均符合資質認證要求。

在多相分離流程中，不僅需要測試除砂器內固液分離能否正常進行，而且需討論除砂器的最優安裝位置以減小長期固液沖擊對除砂器的影響。若除砂器安裝在消泡器上游，則需要注意以下幾個問題：①需選擇最優結構配置以維持消泡器支管到出口容器的壓力平衡；②影響消泡器內氣液分離過程；③除砂器受來流沖擊波動的影響。若除砂器安裝在消泡器下游，則需要注意以下幾個問題：①為保證消泡器支管內氣液平衡，需在管道內控制壓力變化；②影響U型管式分離器油水分離過程；③除砂器不受來流沖擊影響；④消泡器受固體砂腐蝕磨損嚴重。經綜合考慮設計、安裝等因素的影響，選擇將多相除砂器安裝在消泡器上游。

圖6 除砂器測試系統工藝流程

2.1.2 噴射裝置測試

噴射裝置主要用于防止砂沉積導致設備堵塞，主要由緩沖罐、砂供給罐、液體泵、泥漿泵、U型管式分離器、觀測窗口、出口容器、噴射泵、過濾器、循環泵等組成。測試系統的工藝流程如圖7所示。在U型管式分離器上安裝觀測窗口，觀測砂沉積及液體流動情況；在出口容器內安裝噴頭以防止砂沉積；在進行清洗操作功能時，內部噴射系統通過噴射自由水發揮除砂功能。測試介質為油、水、空氣和固體砂(粒度與油儲層砂類似)，工作過程中，測試液體與固體砂分別由液體泵和泥漿泵泵送至U型管式分離器前端入口處充分混合，共同進入U型管式分離器，經U型管式分離器實施分離后進入出口容器，在出口容器內固液兩相分別通過不同管道進入過濾器，經過濾后，液體由再循環泵重新泵送至緩沖罐進行循環測試。經測試可知，內部噴射裝置符合資質認證要求。

圖7 噴射裝置測試系統工藝流程

2.2 消泡器資質認證

為確定消泡器結構尺寸和位置的可行性并考察設備遇到如管道阻塞、起泡等問題時的特性和適應狀況，需進行消泡器的資質認證，測試系統的工藝流程如圖8所示。主要由緩沖罐、油再循環加熱泵、壓縮機、空氣罐、供給泵、消泡器、儲罐、洗滌塔、再循環泵等組成。工作過程中，油、氣分別由供給泵、壓縮機泵送入消泡器前端管線內充分混合，然后共同進入消泡器進行氣液分離，在消泡器內部，氣體由消泡器上部出口排至洗滌塔，經過濾后排到大氣中，油由消泡器下部出口排至油罐內，由再循環泵重新泵送至緩沖罐進行循環測試。經測試得出，消泡器的結構尺寸和位置均符合SSAO系統的資質認證要求。

圖8 消泡器測試系統工藝流程

2.3 管式分離器資質認證

管式分離器資質認證主要是為了檢測分離器對Marlim油田原油的處理效果，如圖9所示。測試系統主要由測試環路分離器、壓縮機、冷卻器、多相泵、加熱器、管式分離器(消泡器、U型管式分離器、出口容器)、水取樣口、油取樣口等組成。其中管式分離器按Marlim油田管式分離器等比例縮小，試驗介質為Marlim油田API19°的原油、水(與Marlim油田含鹽度相同)和該測試系統產生的天然氣。工作過程中，原油在測試環路分離器經初步分離得到油、水、天然氣，然后油經加熱器加熱至所需溫度后與經冷卻器冷卻的天然氣、水在多相泵前混合，由多相泵泵送至消泡器內進行氣液分離，分離出的氣相直接輸送至出口容器內，液相流經U型管式分離器進行油水分離后進入出口容器，分別在U型管式分離器前、后以及出口容器后通過油、水取樣口進行取樣檢測。經測試認證后，由消泡器、U型管式分離器、出口容器組成的管式分離器處理效果均達到SSAO系統的資質認證要求。

圖9 管式分離器測試系統工藝流程

2.4 出口容器液面控制系統資質認證

為確保管式分離效果，需控制管式分離器中的油/水界面高度，并確保在回注泵變速驅動系統控制下出口容器液面控制的準確性，同時測試系統的操作容積。出口容器液面控制測試系統的工藝流程主要由緩沖罐、開口容器、油罐、油泵、水泵、壓縮機、U型管式分離器、出口容器、變速驅動系統、循環泵等組成，如圖10所示。工作過程中，油、水、氣(少量)分別由油泵、水泵、壓縮機泵送至管線中充分混合，然后混合物依次進入U型管式分離器、出口容器，在U型管式分離器內進行油水分離，分離后的油、水在出口容器內分別通過不同管線輸送到緩沖罐進行循環測試。經測試后，容器內部界面控制系統的精度符合資質認證要求。

圖10 油/水界面控制測試系統工藝流程

3 SSAO系統安裝與試運行

3.1 系統安裝技術關鍵

3.1.1 模塊化安裝

為確保系統設備的工藝要求、操作性能和維修維護，SSAO系統采用模塊化安裝，將其劃分為旁路模塊、多相除砂器模塊、管式分離器模塊、水力除砂器模塊、水力旋流器模塊、泵模塊、注水噴嘴模塊、再循環和沖洗模塊、復合控制電動液壓模塊等多個安裝模塊，按照Marlim油田水下系統設備安裝要求，在水上進行模塊安裝。模塊化安裝有利于實現設備重組或重新定位，方便系統的維修和維護，且安裝簡單。

3.1.2 動態調平系統

對于SSAO系統安裝而言，確保水下管式分離器的水平度至關重要。由于受系統水下出油管線、管路臍管等連接模塊的限制，管式分離器最大傾斜極限為0.5°，比常規設備要求更高，且需補償2.3°的海底斜坡。通過對已有水下設備傾角偏差的評估可知，即使補償海底斜坡后，最大傾角依然可能超出極限。為消除此風險，設計了管式分離器模塊的動態調平系統，主要包括沿管式分離器分布的4個機械千斤頂系統以及具有機械自鎖功能的液壓工具(位于分離器模塊的4個水準點處)，可補償任何方向1°的偏差，即最大傾斜極限從0.5°增大到1.5°[15]。

3.2 系統試運行

由于Marlim油田的MRL-141油井停運時間較長，井中油水重新混合致使含水率降低，并未達到SSAO系統最小設計含水率(70%)要求，故需約7個月時間使其達到關閉前的狀態。試運行前對油井采出物成分進行檢測發現，MRL-141井具有結垢風險，故需通過采取3種措施避免設備結垢堵塞：①安裝一條用于注入防垢藥劑的控制管線；②選擇一種與反乳化劑相容的新型H2S清除劑三氮化苯，將兩種藥劑一同注入管線；③在系統中添加防垢噴射裝置[16-17]。

SSAO系統于2013-02正式開啟，由于實際含水率(58%)尚未達到系統設計最小含水率(70%)要求，故將此階段命名為試運行階段。2013-03-31，油井采出物經水下生產系統處理后，達到了回注水質量要求并成功注入到Marlim儲油層，預示著系統試運行階段的初步成功。由于生產井中自由水量太少，系統運行依然不穩定，并發現破乳劑變化對自由水影響較大，其任何的中斷都將引起系統自由水量變化并迫使系統運行停止。為使油井采出物含水率盡快達到設計值70%，采用手動操作，即未驗證控制系統的可行性。

4 結論

1) Marlim油田采用水下管式多相分離和水回注系統，由于其結構緊湊、承壓能力強等優勢，不僅克服了環境壓力大、水溫低等問題，而且能夠提高處理量和采收率，且其外形結構、質量體積、工程造價等方面更符合未來海洋油氣資源向深水、超深水領域發展的要求。

2) SSAO系統的管式分離器(消泡器、U型管式分離器、出口容器)主要基于重力沉降原理進行多相分離，除砂器利用靜止起渦單元產生強化的離心力實現固液分離；SSAO系統分離的可靠性和穩定性均通過了流程資質認證，并利用模塊化和添加動態調平系統等先進安裝手段成功安裝且投入工程應用，為管式多相分離系統的工程化應用奠定了基礎。

3) 國內近幾年開始關注高效緊湊型油氣水多相分離技術，但大多尚處于試驗室研究階段，尚未建立完整的設計理論和可靠的設計技術，工業量級的分離處理設備更是未能投入工業應用，而且大多圍繞壓力容器類結構開展研究，尚未圍繞管式水下分離系統開展實質性研究工作。上述局面的必然后果就是，國內深水海洋油氣開發在關鍵場合仍然耗費巨資引進國外的成套設備，使海上油氣開發付出高昂的經濟成本，因此必須引起關注。

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reliability of the system，increases the rated operating depth.The system gradually becomes the standard configuration of subsea BOP system.

Keywords：subsea BOP；acoustic control；subsea electronic module；control

Technical Research and Qualification Certification of Marlim Subsea Horizontal Pipe Multiphase Separation System

CHENG Yuxue1，CHEN Jiaqing1，MENG Di2，SHAO Tianze2，JIANG Yong2

(1.SchoolofMechanicalEngineering，BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology，Beijing102617，China； 2.Enertech-safety&EnvironmentalProtectionCo.，CNOOC，Tianjin300456，China)

The pipe multiphase separation technology is the core of the subsea oil and gas processing technology in offshore petroleum development as well as a key composition part of underwater production system because it has strong bearing ability，compact structure and high treating efficiency.Many distinguished and international petroleum companies did some research about pipe multistage separation technology.Marlim SSAO (Marlim Subsea Horizontal Pipe Multiphase Separation System) has been applied to engineering practice successfully.The structural and operating principle of Marlim SSAO is introduced in this paper.Process qualification certification for main equipment in Marlim SSAO is introduced as well.A sound analysis and exposition of crucial installation technology and the running situation are also made，which provides the reference for domestic researchers in independent of the pipe multistage separation technology.

SSAO；structural；qualification certification；installation technology

2016-09-12 基金項目：北京市屬高等學校“長城學者”培養計劃資助項目(CIT&TCD20150317) 作者簡介：程玉雪(1992-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事多相流分離方面的研究。

1001-3482(2017)02-0001-07

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.001