自封閉式油氣分離氣包原理及設計

田相雷，蔣海巖，趙黎明，李青青，周 靜

(1.中石化勝利油田分公司 現河采油廠，山東 東營 257068；2.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065； 3.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580) ①

·設計計算·

自封閉式油氣分離氣包原理及設計

田相雷1，蔣海巖2，趙黎明2，李青青3，周 靜3

(1.中石化勝利油田分公司 現河采油廠，山東 東營 257068；2.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065； 3.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)①

目前，采油現場計量站所采用的油氣分離氣包多數是用套管改制的簡易氣包，這種氣包工作性能差，油氣分離效率低，且存在一定的安全隱患。根據離心力和受力平衡原理，設計了一種自封閉式油氣分離氣包，在油氣進入氣包后，先利用雙螺旋結構最大程度地將油氣分離；在氣量較小，氣包內液面上升到一定位置后，浮球-浮筒結構由于受到浮力的作用，其位置升高，此時氣包的天然氣出口就會自動關閉，可有效避免串油事故的出現。自封閉式油氣分離氣包可以應用在計量站或油氣集輸的加熱爐前，具有廣闊的應用前景。

油氣分離；自封閉；計量站

地層中的石油通過舉升工藝到達井口，進入地面出油管、集油管時，隨壓力和溫度條件的變化，地層中的石油將形成氣、液兩相。油氣集輸的首要任務就是將油井產出的混合物按液體和氣體分開，該分離過程稱為氣液分離，也稱油氣分離[1]。在采油現場采出的原油需要及時地進行輸送，由于野外工作條件的限制，在原油輸送工程中，管線凍堵的問題時常發生。一般情況下，將伴隨原油采出的天然氣作為原料對管線進行加熱，但是油井的出氣量變化范圍較大，容易造成加熱爐進料不均勻，加熱效果差，氣溫較低時容易發生管線凍堵等問題。管線凍堵以后容易造成設備憋壓，每次凍堵后需要關閉多個閥門以解除凍堵問題，降低了設備的使用壽命，同時也存在較大的安全隱患[2]。因此，在寒冷的自然條件下，特別是偏遠地區的管線凍堵預防十分必要。設計了一種防竄氣自閉式油氣分離氣包，該裝置可以應用到采油計量間，有效回收天然氣，又可以應用到集輸加熱爐前，解決加熱爐進料不均勻的現象，很好地解除或者預防管線凍堵問題，為實際生產提供了便利。

1 油氣分離裝置應用現狀

油氣分離裝置的原理主要包括重力分離、折流分離、離心分離、旋流分離等[3]，將以上方法進行優化組合形成配套的油氣分離裝置，分離效果較好。但是，在實際生產中，原有的簡易油氣分離裝置只對油氣進行初步分離，工作性能差，不能很好地滿足現場生產的需要，而應用優化組合后的油氣分離裝置成本大，維修周期短，造成不必要的資源浪費[4]。

由于現場環境和需求的不同，油田所應用的油氣分離裝置類型較多，但是它們有共同的特點：充分利用進料流體的內能，采用高效的內部分離結構，具有較高的油氣分離效率[5]。采油一線油站需要加熱爐保外輸流程，降低流程干壓，加熱用氣源主要是來自簡易分離氣包，常用的分離氣包一般采用內徑500 mm左右的套管，通過油氣進入空腔內自然分離出天然氣，為加熱爐供氣[6]。當來液變化比較大、氣量不穩定時，經常會出現氣管線串油事件，增加了管理難度，處理時間較長。特別在冬季，若不及時發現就會出現管線凍堵事件，為確保加熱爐溫度，此時就需要及時的處理氣管線[7]。

基于以上原因，研制了一種防串油自封閉式油氣分離氣包，該裝置可以很好地應用于油田現場，對油井產出的流體進行初步分離。

2 自封閉式油氣分離氣包結構原理

自封閉式油氣分離氣包根據離心力和受力平衡原理[8]，不僅很好地對油氣進行分離，而且氣包的天然氣出口可以根據氣量的大小自動關閉或打開，可以有效避免串油事故的發生。

2.1 結構

防串油自閉式油氣分離氣包內部通過隔板分為2部分，一部分利用雙螺旋分離結構對油氣進行分離；另一部分采用浮球-浮筒結構對天然氣出口進行自封閉，根據油氣管線流量的不同，對分離出的天然氣流出進行限制。如圖1所示。

1—雙螺旋油氣分離結構；2—彈簧及連接裝置；3—浮筒；4—浮球；5—限位殼體及除沫器；6—隔板。

井口產出流體由油氣入口進入分離裝置中，利用密度差及離心力原理[9]，經雙螺旋油氣分離結構進行旋流，將流體中的氣體和流體較為徹底地分離出來。分離出的液體從液體出口流出，氣體從氣體出口流出，經過充分分離的天然氣從氣包天然氣出口流出分離裝置。隔板將油氣分離裝置分為2部分，同時起到緩沖作用，防止進入裝置的高速流體未分離徹底就排出油氣分離裝置。彈簧及連接裝置將浮筒與氣包天然氣出口的閥球連接起來，達到控制氣體進出的目的；浮筒內的液體通過浮力作用將浮球托起，關閉天然氣出口；當裝置內的液體較少時，浮球封堵流體出口。限位殼體及除沫器可限制浮球的活動范圍，同時消除流體中的泡沫，防止氣體隨流體流出。經過充分分離的產出液從氣包流體出口流出分離裝置。

2.2 原理及力學分析

2.2.1 原理

在滿足油田現場正常生產的情況下，根據離心力和受力平衡原理，在油氣進入氣包后，為了盡可能地避免氣量較小時串油情況的發生。利用雙螺旋結構更大程度地將油氣分離；在氣量較小，氣包內液面上升到一定位置后，氣包天然氣出口就會自動關閉，可以有效避免串油事故出現。

2.2.2 力學分析

1) 油氣入口進入全為氣體。氣包內無液面，浮筒和彈簧及其連接裝置在重力作用下，彈簧處于伸長狀態，氣包天然氣出口打開，進入的氣體經過雙螺旋油氣分離結構后直接通過氣包天然氣出口排出。同時，由于氣包內外壓力差的原因，流體出口被限位殼體內浮球封堵，防止氣體從流體出口排出。

2) 油氣入口來液氣量大，液量小。

氣包內滿足：

F1

(1)

F1=ρgV

(2)

式中：m1為浮筒質量，kg；m2為彈簧及連接裝置質量，kg；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；F1為分離出的液體對浮筒所產生的浮力，N；ρ為分離出的液體密度，kg/m3；V為浮筒排開液體的體積，m3。

氣包內液面較低，浮筒和彈簧及連接裝置的重力大于浮力，彈簧處于伸長狀態，天然氣出口打開。液體的來量不足以將第2浮球浮起時，流體出口封堵，直至液體的來量將第2浮球浮起時，液體從液體出口排出。

3) 油氣入口來液液量大，氣量小。

氣包內滿足：

F2>m1g+m2g+Fq

(3)

式中：Fq為分離出氣體對液面產生的壓力，N。

限位殼體內的浮球浮起，液體從流體出口排出；氣包內液面上升后，浮力大于浮筒和彈簧及連接裝置的重力，彈簧被壓縮，使天然氣出口關閉；當氣量增大時，液面由于氣體壓力會逐漸下降，此時浮筒會因浮力減小而下降，浮力降至F2

4) 油氣入口來液全為液體。氣包內滿足式(3)，限位殼體內的浮球浮起，氣包內液面上升后，浮力大于浮筒和彈簧及連接裝置的重力，彈簧被壓縮，天然氣出口關閉，防止液體從天然氣出口排出。

3 自閉式油氣分離裝置現場應用

3.1 油氣集輸流程

一般的油氣分離計量站承擔著6～10口生產井產出原油的處理任務，每個計量站都會有1個油氣分離氣裝置對油氣進行分離，當通過計量分離器的油氣匯總為一條管線后，在該管線上連接1個油氣分離裝置對油氣進行分離[10-11]。如圖2所示。

當生產井所產出的氣液混合物匯集到計量站時，每一口生產井產出的原油通過閥門到達計量間，最后連接到油氣分離計量器上，用來計量計量站的液量。然后所有生產井的液量匯集到一條總管線，該管線再連接一個氣包進行進一步氣液分離，利用升壓輸油泵對管線增壓，使分離出來的混合液體輸往聯合站進行收集和進一步的處理。

圖2 計量站油氣集輸流程示意

3.2 應用實例

以某聯合輸油站所轄全部采油井為例。該油井油層靜壓25 MPa，原油飽和壓力8 MPa，油層井底流壓7 MPa，含水率40%，井口產出油氣流量為0～4.5 m3/h，輸油站平均日產液量為120 m3/h。選取的油氣分離裝置氣包的流體出口流量為2.5 m3/h，裝置高度1.0 m，氣包流體出口管內徑為60 mm，原油相對密度0.95，天然氣相對密度0.82，水相對密度1。利用以上數據對自閉式油氣分離裝置應用的可行性進行分析：

1) 當進入輸油站的流體流量小于油氣分離裝置氣包流體出口流量時，由于浮筒沒有受到浮力的作用，在浮筒自身重力的作用下，氣包天然氣出口一直處于打開的狀態。隨著時間推移，裝置內的液面上升，當液面上升至100 mm時浮球受浮力最大，浮球浮起，氣包流體出口打開，裝置達到進出平衡狀態。

2) 當進入輸油站的流體流量大于油氣分離裝置氣包時流體出口流量時，隨著液面的上升，在液面高度達到0.5 m時，浮筒所受到的浮力與浮筒、彈簧及連接裝置的重力相等，浮筒開始上升，液面高度到達0.75 m時，氣包天然氣出口關閉，此時只有流體出口打開，天然氣不再流出，只有液體流出。

4 結論

1) 自封閉式油氣分離裝置能夠有效防止油氣分離過程中串油情況的發生，盡可能地避免管線堵塞等生產事故的發生。

2) 在實際生產過程中，進入到自封閉式油氣分離裝置內的油氣，首先經過雙螺旋油氣分離結構進行分離，再通過重力分離作用，可以使油氣得到充分的分離。該裝置大幅加長了現場維修的時間間隔，且減少了維修過程中原油的泄漏，有效地減少了油氣集輸過程中人員的工作量。

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Abstract：In order to avoid destroying the bodies by the vibration of the hydraulic constant torque rotary percussion tool，the bodies’ 3D models have been simulated by FEA software.The first five order natural frequencies and vibration types of bodies have been acquired.The results prove that the working vibration frequency doesn’t couple with the natural frequency of bodies.The bodies won’t be destroyed by the resonance because of working vibration.The theoretical supports for the safety of the tool on vibrating working state is provided in this paper.This paper provides references for the further improvement.

Keywords：percussion tool；hydraulic constant torque rotary；modal；FEA

Principle and Design of Self-closed Oil-gas Separator

TIAN Xianglei1，JIANG Haiyan2，ZHAO Liming2，LI Qingqing3，ZHOU Jing3

(1.XianheOilProductionPlant，ShengliOilfield，SINOPEC，Dongying257068，China； 2.CollegeofPetroleumEngineering，Xi'anShiyouUniversity，Xi'an710065，China； 3.SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

At present，the oil and gas separator used in the oil field metering station are mostly modified by casing，this separator had disadvantage of bad working performance，low separation efficiency and insecurity.Aiming at these problems，the self-closed oil-gas separator has been designed.It is based on principle of centrifugal force and the equilibrium condition of forces.Firstly，the oil and gas are separated by double helix structure of the maximum degree.For avoiding the serial connection when the inlet gas quantity was less，when liquid level to a certain height，the natural gas outlet will be closed by the buoy-floating ball structure.The self-closed oil-gas separator can be applied to the oil field metering station and the heating furnace of oil and gas gathering.This separator has simple structure，low price and a wide application prospect.

oil-gas separation；self-close；metering station

2016-06-15 基金項目：國家自然科學基金(51404199) 作者簡介：田相雷(1980-)，男，山東沂水人，工程師，碩士，現從事油氣田開發工程研究工作，E-mail：tianxianglei.slyt@sinopec.com。

1001-3482(2017)02-0027-04

TE974.7

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.006