水下分离回注系统设计研究

本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：水下分离回注系统设计研究学生姓名：许永超学 号：10021214专业班级：石油工程 10-5 班指导教师：张黎明2014 年 6 月 18 日中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)水下分离回注系统设计研究 摘 要本文采用 SolidWorks 2010 SP0.0 软件绘制多级分离系统模型，包括各类挡板及立式、单根盘管式分离器。在此基础上，通过采用 COMSOL Multiphysics 4.4 数值模拟软件对所绘制的分离器在不同内部构件条件下内部气-液、液-液流场进行三维数值模拟的方法，研究分析了不同构件、不同类型分离器的分离效率。基于标准 湍流模型模拟出了分离器内部的混合物密度场、分散相体积因子及各处入口的密度及分散相体积因子变化趋势，比较了不同构件的分离特性。 通过改良分离器内部构件，优化分离器结构，提高分离效果，综合设计一套完整的水下分离回注方案。关键词：立式分离器；内部构件；盘管式分离器；数值模拟；流场中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)The design of Underwater separator and rejection systemAbstractThis article presents how to use SolidWorks 2010 SP0.0 to draw multi-stage separation system model, including various types of baffles ,vertical gravity separator, pipe separator. On this basis, we use simulation software COMSOL Multiphysics 4.4 to drawn separator and Simulate gas - liquid/liquid - liquid flow field under different condition, involves analysing the efficiency of different components and different types of separators. Simulation of Mixture density field, Dispersed phase volume factor, entrance density inside separator are based on standard K- model. We compare the different components of the separation characteristics. Through improving separator internals, optimizing separator structure to improve the separation efficiency, then design a complete program of underwater separation and reinjection. Keywords：vertical separator; pipe separator; numerical simulation; flow field ;internals 中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)目 录第 1 章 引言.11.1 水下分离器研究背景及意义.11.2 国内水下分离系统研究现状.21.3 国外水下分离系统研究现状及发展.21.3.1 卧式分离器.21.3.2 管式分离器.41.3.3 立式分离器.51.3.4 重力分离器内部构件.71.4 主要研究内容.9第 2 章 模型建立及边界条件.102.1 软件介绍及使用.102.1.1 COMSOL Multiphysics4.4.102.1.2 SolidWorks 2010 SP0.0.102.2 一级气-液分离器模拟 .112.2.1 湍流模型的选择.122.2.2 数值模拟的设置.122.2.3 模拟结果及改进.142.3 二级油水分离器模拟.252.3.1 数值模拟.262.4 回注设备.26第 3 章 分离及回注系统整体设计.283.1 3.1 设备及布局.283.2 强度及防腐保温要求.31第 4 章 结论.33致 谢.34参考文献.35第 1 章 引言1第 1 章 引言1.1 水下分离器研究背景及意义石油和天然气作为当今世界最重要的能源，一直处于国家发展的基础和战略地位。从 Edwin L.Drake 在 1859 年钻成第一口油井开始，近代石油工业已经发展了 150 多年。随着陆上石油资源的勘探和开采步入中后期，海洋石油以其丰富的储量逐渐成为能源开采领域所关注的焦点，有机构预测未来油气资源有 44%来自海洋深水区 1。自 1887年 Summerland 建立第一个海上钻井平台以来，海洋石油勘探开发发生了巨大的变化和发展，从浅海逐步向深海进军。海上石油和天然气资源在中国主要分布在渤海盆地，黄海盆地，东中国海盆地，珠江口盆地南部，中国南海盆地等多个海域，且储量丰富。勘探和开采深海石油和天然气资源，相比于陆地浅海而言，环境条件更差，更复杂，对设备的要求相应地也比较严格。在初期的海洋油气资源开发过程中, 把油井采出液输送到海上平台或岸基设施中,之后进行后续的油气水分离处理，其综合效益都要优于水下生产系统，然而在深水油气资源开发的过程中无法照搬陆上油气开采系统。海洋油气水下处理系统应运而生，该处理系统将一些设备移到水底，平台的有效控油面积增大，能够经济有效地开发边际油气田和中小油气田。随着国家对能源需求的不断增长，以及建设海洋强国战略目标的实施，对海洋油气资源的开发和水下装备的设计研究提出了更高的要求。初期油气水分离主要在地面进行，这样使得无用的水相也被输送到地面，输送效率降低。因此在油气水分离方面需要将处理设备从水上转移至海底，这样使得处理后的油气直接输送到地面设施，水相不必输送往地面而是直接被回注入地层。生产效率由此得到提升。其基本原理就将油水分离系统进行一定的改进以适应深水环境，将采出液中的绝大部分水相在运往平台之前预先进行分离处理，从而降低立管静压及井口背压，减少了举升所需动力，进而使得采收效率得以进一步提升 2。探索深水油气开发系统的设计研究，在技术和设备上得到突破，对于我国海洋油气资源的勘探开发有着非常重要的地位。油气水分离是解决海洋石油开采过程中油气水分相输送和精确计量等问题的关键技术之一。虽然目前的海底油气水三相分离与回注技术已成功应用于多国油田的常规第 1 章 引言2水深环境，形成了比较完整的多相分离回注方案，但在深水领域仍面临着巨大挑战。与常规水深相比较，深水环境下其外部条件存在明显改变，油井产出液自身也发生了明显变化。1.2 国内水下分离系统研究现状我国海洋油气水下处理体系的研发相对于欧美石油大国起步较晚。目前的勘探活动主要集中在大陆架浅水区，设备数量少、装备条件差是制约我国发展深海水下处理的因素。目前我国石油公司使用的水下处理系统都来自国外。截止 2012 年国内尚未有相应公司能够独立制造和设计，只在对水下多相泵输的数模分析和流体分析、旋流分离领域有零星几所高校进行实验研究3。总体来说，尚处在起步阶段，具有有很大的发展空间。1.3 国外水下分离系统研究现状及发展国外深水水下分离系统早在 1994 年便陆续有大型石油公司设计开发，包括基于重力沉降原理的海底油水分离与回注系统（SUBSIS ） 、海底分离、增压与注水系统（SSBIS） 4以及道达尔公司在 Pazflor5油田建立的海底分离系统。笔者就查阅的资料将油水分离器按其形式及原理作了简单的归纳。1.3.1 卧式分离器典型的卧式分离器有应用于 SUBSIS 项目的常规卧式重力分离器，如图 1-1 所示其基本尺寸为长 11.8m，设计分离器直径 为 2.8m，设计的额定压力为 16Mpa，最大绝对压力则为 18Mpa6。它是第一个成功地商业化运行深海水下分离回注系统的案例。整个系统开始于 2001 年 8 月投入试运行，直到 2002 年 8 月完全进入正常运行状态。工作区域的水深达到 340 m、距离平台 315 km。海底分离站的作用是对油水进行分离，之后将分离出来的水通过注水泵增压重新注入海底地层, 而分离出来的油气则通过管线送往位于海面的平台。第 1 章 引言3图 1-1 Troll 油田油水分离器剖面及外观示意图重力沉降 7的基本原理：分散在连续相中的液滴在浮力、惯性力和切割的扩散阻挡效果的影响下，逐渐相互接近，从而增加了碰撞的频率。在这种情况下，界面膜的接触概率增加，直至界面膜破裂，小分散液滴聚结成大滴 8。在反复的碰撞过程中，液滴受浮力和重力的作用，不断聚并并且上下运动，最终实现两相之间的分离。分散液滴上下运动遵循 Stokes 方程式，即（1-1）所示：(1-1)=2()18sPa cmdmkgmkgvc d,为 连 续 相 粘 度 ；为 分 散 相 颗 粒 粒 径 ，为 重 力 加 速 度 ；为 分 散 相 相 密 度 ， ；为 连 续 相 相 密 度 ，；为 分 散 相 沉 降 速 率式 中 ： 3 3由上述公式可以判断, 两相分离时分散相颗粒的沉降速度与其自身直径的平方成第 1 章 引言4正比,增大分散相粒径可以有效地加快分散相在连续相中的运动速率。一种思路就是在分离器内部加入聚结构件。聚结构件的加入能够加快分散相液滴的聚结和聚并速度,由于表面力的作用液滴在靠近聚结构件表面时被捕获，较小粒径的液滴在聚结板上互相碰撞聚并，形成连续相并分离。另外，利用静电聚结预先将小颗粒的水滴聚结，使得水滴的直径增加，对于减少液滴的沉降时间、提升分离效率比有很大的帮助 9。在静电聚结原油脱水技术方面，国外进行了一系列的研究开发，形成了一系列具有较强代表性的设备，如KPS公司研发的紧凑型静电聚结(Compact Electrostatic Coalescer，CEC) 以及容器内置式静电聚结器(Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC)和低含水率聚结器(Low Water Content Coalescer,Lowacc)等。1.3.2 管式分离器管式分离是一种新的重力分离概念，在设计理念上创新性地对常规分离器进行了改造，由于管式分离器的直径较小，使得其在同等壁厚条件下更能够适应深水的高温高压环境。正是其紧凑、承受更高压力的特点使它能够适用于深水和超深水水下环境。管式分离器在设计上的突出优势在于：减小分离器直径，增加长径比，减小沉降距离，缩短沉降时间；轴向平均流速大，液体的流动状态能够很好地保持湍流，提升分离效率；增大两相界面面积，减小水力载荷；油-水乳化层的剪切力起到加速乳化层分解的作用，使分离出的乳化液更为稳定同时采出液的粘度更高。本节主要介绍卧式单根盘管式分离器，典型的管式分离器主要用于液-液分离，挪威StatoilHydro公司在盘管式分离系统的设计研究方面具有代表性。类似的盘管式分离系统完整的结构如图1-2所示，主要由三部分组成 10。第 1 章 引言51-管式分离器、2-入口“Gas Harp” 、3- 出口区域图1-2 单根盘管式分离器结构图游离气预先在“Gas Harp”结构处得到分离，相应的溶解气则需要往前输送至管式分离器，在内部得到分离，随后通过支路管道进入出口位置。 “Gas Harp”由多根竖直管道组成，能够有效地抑制段塞流的产生达到稳定采出液的目的。分离出来的水相通过水回注系统输送至地层，油气则被输送至海面平台。1.3.3 立式分离器立式分离器多用于水下气-液的分离，学者按其原理将其分为立式容器类、立式沉箱类以及立式多管式等。Pazflor 油田水下生产系统总体布局如图 1-3 所示，主要包括采油树、立式气- 液分离器、混输泵、跨接管、脐带和输送举升管线等。该项目在海底共采用 3 个气液分离器及混输泵组合对油井采出液进行直接气-液分离。采用的气-液分离器的结构高约 9 米、直径约 3.5 米、质量约 800 吨，日处理原油量为 1.5 万吨，日气体处理量为 100 万立方米 2。第 1 章 引言6图 1-3 Pazflor 油田用