三相分离器及地面集输系统.doc

三相分离器及地面集输系统 三相分离器及地面集输 系统 油气分离设备 从井中出来的碳氢化合物流体常常带有一部分液体和固体杂质如凝析油游离水或地层水岩屑粉尘等这些机械杂质具有很大的危害性不仅腐蚀设备仪表管道而且还可以堵塞阀门管线影响正常生产也可能造成油气处理厂的塔器化学溶液的污染和液泛等麻烦因此从井场来的流体首先在集气油站进行脱除机械杂质的操作然后再进入输气油干线另外油气产品输送到各类用户之前还需要再次脱除产品中的机械杂质 油气分离设备 从井口出来的流体是 不同的碳氢化合物的复杂混合物它们具有不同的密度蒸气压以及其他物理特征从高温高压储油气层出来的 流体压力和温度要逐渐减低气体从流体中逸放出来 流体的性质发生变化由于气体的速度它将夹带液滴同时液体也将包含气泡这些物相的物理分离是油气生产加工和处理的基本操作 油气分离设备 分离器可以这样来分类如果是从整个液流中分离出气体则称为两相分离器如果还要将液流分离成原油部分凝析油和游离水甘富醇液则称为三相分离器 根据液体流动的方向和安装形式分离器又可分为卧式的立式的和球形的等几种 所有分离设备尽管它们的名称不同形状也各异但都是为了一个基本的目的从气流中分离掉液体和固体从油流中分离掉气体和固体以及游离水利用相对密度的差异将混合的液体分离成两种或三种流体等 油气分离设备 为实现对油液气混合物分离的上述要求在工程上常采用不同型式和各种设计的分离装置必须指出合理的分离器设计是非常重要的因为在任一设施或生产过程中分离器通常是初始加工设备这一过程设备设计得不合理将限制或减少整个设施的处理能力同时也达不到所期望的目的和要求 油气分离设备 油气混合物或气液混合物在分离设备中进行分离时应当完成四个操作要求功能 1油和气或气和液的基本相的分离 2脱除气相中所夹带的液沫雾状 3脱除液相中所包含的气泡 4从分离器内分别引走已经分离出来的气相和液相不允许它们彼此有重新夹带渗混的机会 油气分离设备 为了实现上述的操作要求所有类别的分离设备不管其整个外形或结构如何都应当包括四个部分 1基本相分离段-当流体从管线进入分离器时首先通过基本相分离段使流体带有的能量得到控制或消减 2重力沉降段-使气体和液体的流量能保证流体在分离器内的速度经常在最大的允许线性速度以内以便它们得到分离和沉降 3除雾段或聚集段-减少气体的紊流使气体中夹带的液沫聚集分离出来 4液体收集和引出段-使已分离的液固和气相不再彼此重新夹带渗混将它们分别引走 卧式分离器 有些直径非常小的液滴在重力沉降段不容易分离出来在气体离开分离器以前它流经一个聚结板或捕雾器在这个段中使用翼片丝网或者薄板等元件来聚结微小的液滴在气体离开分离器以前这些小液滴在这个最后的分离过程中被引走 分离器中的压力用压力控制器来保持压力控制器在感受到分离器中的压力变化以后就相应地发送一个信号到常开式或常关式压力控制阀在这里控制流量的办法使气体在离开分离器的气相空间时分离器内的压力得以保持通常卧式卧式分离器在气液界面最大面积时液体半满的情况下进行工作 立式分离器 立式分离器 立式分离器液体是从侧面进入容器的如同在卧式分离器一样在进口挡板处进行初始的预分离液体向下流到分离器的液体沉降段液体继续向下流经过这一段直到液体出口当液体达到平衡时气体向着液体流动的反方向流动最后聚集到气体空间内液位控制器和液体泄放阀的操作与卧式分离器的操作完全一样 气体流过进口挡板然后垂直向上直达气体出口在重力沉降段液滴垂直向下降落与气流方向相反在气体离开分离器以前要流经捕雾器压力和液位的保持与卧式分离器的相同 球形分离器 球形分离器 球形分离器同样有四个段当立式分离器在两封头之间没有圆筒部分的特殊情况时就成球形分离器 从承受压力的观点来看球形分离器可能是非常有效的但是由于具有受限制的波动容量和展示出来的制造困难性它们在油气田设施上通常不被采用 卧式分离器与立式分离器的比较和选择 在处理大产量的气体时卧式分离器通常效果更大些在分离器的重力沉降段液滴垂直于气流方向向下沉降这样液滴就更容易从气体连续相中沉降出来还有在卧式分离器中因为其气液界面比立式分离器的气液界面要大些所以当液体趋于平衡时从溶液中出来的气泡就比较容易到达气体空间这样从纯气体或液体的分离过程来看卧式分离器将是优先选用的 在某些情况下就优先选用立式分离器 1在处理固体颗粒方面卧式分离器就不如立式分离器那样好立式分离器的液体排放口可以布置在底部的中心这样固体就不会在分离器内堆积起来但是在生产过程中它可以继续流到下一个容器内此时可以就在这个位置设置一个排污口这样当液体在离开具有某种高程的分离器时固体颗粒可以定期被排走 在卧式分离器上有必要沿着分离器的长度设置许多排污口因为固体质点具有45到60的静止角排污口必须布置在非常紧靠的区段上以便排除分离器内的固体质点 2在实现相同的分离操作时卧式分离器占地面积要比立式分离器多些 3卧式分离器具有较小的液体波动容量当给定一个液面升高变化时在卧式分离器内液体的体积增加量将明显地比处理相同流量的立式分离器更大些然而由于卧式分离器的几何形状将使任何高液位的开关装置安装在紧靠正常工作液位的地方而在立式分离器上开关装置可以安装在液位控制器所允许的相当高的地方排液阀就有较多的时间对波动作作出反应 立式分离器也有与生产过程无关的某些缺点 1卸压阀和某些控制器在没有特别的扶梯和平台时可能是难以操作维修的 2由于高度的限制分离器在搬动时必须从滑撬上拆卸下来 对于正常的油气分离特别是出现乳化泡沫或高气油比的场合卧式分离器可能是最经济的在低气油比的场合立式分离器工作的最有效 特殊的分离器 两相分离的理论 1颗粒沉降 为创造有效的分离条件必须知道颗粒在介质中沉降的规律 在一般情况下作垂直运动的颗粒可能有下面的三种情况 A当介质不流动时推动颗粒运动的力仅仅是重力此时颗粒沉降的速度随颗粒尺寸D和密度L的增大而增加与随介质的密度粘度u的减小而增加实际上介质粘度只对微小颗粒的运动有影响 B当气流向上流动时在介质与颗粒都运动的情况下如果我们考虑颗粒对介质作相对运动那么就可以不去注意气流的速度当颗粒在分离器内沉降时知道颗粒相对于分离器壁的速度是很重要的因为它是分离效果的标志如果wvw-颗粒相对于分离器壁的速度v-气流速度则颗粒被气流带走此时颗粒将以速度w w-v向上运动当w v亦即w 0时颗粒将成悬浮状态处于气流中而当w v时则颗粒将以速度w w-v向下沉降 C当气体向下流动时颗粒只向下沉降此时其沉降速度w wv 先假定在静止的气流中有一球形颗粒它受三种力的作用 1颗粒液滴本身的重力G 2介质给与的阻力R 3浮力A 两相分离的理论 2颗粒的大小 分离器的气体分离段的作用是用雾沫脱除器使气体脱尽气体中的雾沫根据实际的矿场经验发现100um的微粒可以在气体分离段被脱除雾沫脱除器不会被侵渍能够完成脱除直径在10100um颗粒的任务 在气体分离段气体负荷设计方程是基于脱除100um的颗粒 3停留时间 保证液体和气体在分离器压力下能达到平衡某种型式的液体存储是必需的这个定义为停留时间或者在假定停止流动的情况下一个液体分子保留在容器内的平均时间这样停留时间就等于容器内存储的液体体积除以液体的流速 对于最常应用的情况发现停留时间为30秒到3分钟就足够了在原油发泡的情况停留时间可能需要高达这个数字的四倍 油气水三相分离器 除了油和气之外油气流中常含有大量的水水或者是单独存在或者是与油形成乳状液在进行油气的集输时就需将部分游离水脱出通常采用三相分离器在脱除油的同时分出游离水 当油和水以某种程度强度混合后然后令其静置下来相当干净的一层游离水将出现在底层这个水层随着时间的增长将遵循一条曲线来进行如图某一个时间以后范围是从3分钟到20分钟的某个地方水的高度的变化就可以忽略不计了由于重力沉降所得到的水称为游离水在处理留下的油和乳化液层之前将游离水分离走通常是很有好处的 油气水三相分离器 流体进入分离器并冲击到进口挡板上由于液流的动量突然发生变化就产生液体和气体的初始预分离在最常用的设计中进口挡板包括一个降液器将液流导向油气界面的下边到达油水界面的附近分离器的液体收集段提供足够的时间以便油和乳化形成的液层或油垫层位于上面游离水沉降到底部下图为一个典型的带有界面控制器和堰板的卧式分离器堰板保持油位液位控制器保持水位油则 掠过堰板堰板下流的油位则由液位控制器来控制排油阀又由液位控制器来操纵 三相分离设备的工作过程 三相分离设备的工作过程 废水经过位于分离器油堰板上流的喷嘴而流出界面控制器接受油水界面高度的讯号然后控制器就将此讯号传送到排水阀这样就使规定的水量从分离器内流走以保持油水界面稳定在设计的高度 气体成水平方向流经除雾器而流出通过压力控制阀来保持分离器内的压力不变油气界面则根据气液分离的相对重要性可从直径的一半变到直径的75最为常见的情况是半满状态 三相分离设备的工作过程 上图为槽和堰设计的代替结构这种结构就不需要液体界面控制器油和水二者流经堰板在堰板处液位的控制是用简单的变位浮子来实现的油溢过堰板进到油槽内而油槽内的液位是由一个能操纵放油阀的液位控制器来控制的水从油槽下面流过然后再流过水堰板这个堰板下流的液位是由一个能操纵放水阀的液位控制器来操纵的 油堰板的高度控制着分离器内的液位油堰板和水堰板的高度差控制着由于油水的相对密度差而形成的油垫层之厚度这是对分离器操作的关键所作分离器内的水堰板高度要比油堰板高度足够低这样就给油垫层厚度提供了充分的油停留时间如果水堰板过于低而相对密度之差又不是如预期的那样大则油垫层厚度的增长可能达到某一位置使油在油箱下面掠过而从水的出口处流走通常油堰板或者水堰板做成可调节的这样就可以适应油水相对密度的变化或者流量的变化 为了得到所期望的油垫层高度水堰板应当放置在低于油堰板一个距离这个距离可由公式计算 -低于油堰板的距离 -期望的油垫层的高度 -油的密度 -水的密度 界面控制具有容易调节的优点它便于应付油或水的相对密度变化或其流量的变化然而应用于重质油或者有大量乳化物或石蜡的场合可以预想到难于感受到界面的位置在这种情况下推荐采用油槽和堰板来控制 立式分离器通常采用三种不同的控制方法 右图是严格的液位控制一个正规的位移浮筒用来控制油气界面并调节一个从存油段内放油的控制阀另一个界面浮筒用来控制油水界面并调节水的出口控制阀因为没有使用内部挡板或堰板这种系统是最容易制造对付带有砂粒和固体的生产情况为最好 右图使用一个堰板来控制油-气界面处于一个不变的位置这就使得在当所有的油上升到油堰板离开分离器之前水从油中更好地分离它的缺点是油箱占据了容器的部分空间并且要多花钱制造另外沉积物和砂子可能集积在油箱内很难排除以及还需要一个单独的低液位关闭器以防止排油阀开启失效 右图使用了两个堰板这样就取消了一个界面浮筒油水界面位置是用相对于油堰高度或出口高度的外部水堰板的高度来控制的这个类似于卧式分离器的油槽和堰板的设计这种系统的优点是取消了界面液位控制缺点是它需要另外的外部管线和空间 分离器外壳为内部承受压力的容器它是一个圆形筒体其内径及长度的尺寸根据液体和气体的处理量以及操作压力和温度等参数来设计确定两端通常是椭圆形或球形的封头 1聚结板 聚结板在分离器的大小方面能有某些节约由于有潜在的堵塞问题在现有三相分离器或者在空间上受到严重限制场合时才推荐使用聚结板来扩大工作容量 2喷砂嘴和排出口 要排出固体物需将排砂口打开呈控制状态然后用泵将高压流体通常是井产出的地层水经过喷嘴喷出以搅动固体物质将其冲洗出排出口喷砂嘴通常设计成具有6ms的喷嘴出口速度其目的是在这样的情况下喷出的液流可以较好地覆盖容器底部 为防止沉积的砂子阻塞排砂口通常用溜砂槽或排砂沟来覆盖排出口它们是带有侧面狭缝开口的倒装沟槽 1气体分离 2油水的沉降 围绕着水中的沉降油滴或在油中的沉降水滴之流动为层流Stokes定律起支配作用颗粒的最终速度为 3在油中的水滴尺寸 要预测从油相中必须沉降出来的水滴大小是困难的除非有可供利用的试验数据或附件油气田的生产数据从估计油垫层的尺寸能获得良好结果这样使500um和更大一些的水滴沉降出来如果满足这个准则在下游设备所处理的乳化液在没有过多的化学处理方案的情况下应包含少于5和10的含水量 4在水中的油滴尺寸 从公式上看由于油的粘度远大于水的粘度一般为水的520倍故从水中分离油滴要比从油中分离水滴容易些三相分离的主要目的是为进一步处理加工油液作准备实际经验表明三相分离器所产水中的含油量可以期望在2kgm3以下 5停留时间 需要将某种数量的油加以存储以保证油达到平衡使闪蒸气逸放出来还需要存储一些数量的油以保证游离水有时间聚结成颗粒的大小按照公式来向下沉降实验或矿场数据通常使用的停留时间在3分钟到30分钟的范围内如果没有可供利用的数据建议在设计时油的停留时间为10分钟 类似地需要储存某种数量的水以保证包含在水中大量的大油滴有充足的时间聚结并上升到油水界面依据实验或矿场数据通常对水相使用的停留时间在3分钟的范围内同样如果没有可供使用的数据推荐设计时水的停留时间为10分钟 我国气田上常用的各类型分离器 天然气矿场集输系统 天然气矿场集输系统是重要的组成部分由集输管网气体净化与加工装置输气干线输气支线以及各种用途的场站所组成是一个统一的密闭的水动力系统 站场种类和作用 1井场一般设于气井附件从气井出来的天然气经节流调压后在分离器中脱除游离水凝析油及机械杂质经过计量后送入集气管线 2集气站一般是将两口以上的气井用管线分别从井口连接到集气站在集气站对各气井输送来的天然气分别进行节流分离计量后集中输入集气管线 3压气站当气田开采后期或低压气田当地层压力不能满足生产和输送要求时需设矿场压气站将低压天然气增压至工艺要求的压力然后输送到天然气处理厂或输气干线 4天然气处理厂当天然气中硫化氢二氧化碳凝析油等含量和含水量超过管输标准时则需设置天然气处理厂进行脱硫化氢二氧化碳脱凝析油脱水使气体质量达到管输标准 5调压计量站配气站接收输气管线来气进站进行除尘分配气量调节压力计量后将气体直接送给用户或通过城市配气系统送给用户 6集气管网和输气干线在矿场内部将各气井的天然气输送到集气站的输气管道叫做集气管网从矿场将处理好的天然气输送到远处的用户的输气管道叫输气干线 7清管站为清除管内铁锈和水等污物以提高管线输送能力常在集气干线和输气干线设置清管站通常清管站与调压计量站设计在一起以便于管理 8阴极保护站为防止和延缓埋在土壤内的输气干线的电化学腐蚀在输气干线上每隔一定距离设置一个阴极保护站 矿场集输系统 气田集输流程分为集输系统流程和集输站流程两类 一集输系统流程 1线型管网集输系统流程 该流程适用于气藏面积狭长且井网距离较大的气田四川卧龙河气田就是采用这种流程 2放射型管网集输系统流程 适用于气田面积较大井数较多且地面被几条深沟所分割的气田 3成组型管网集输系统流程 适用于若干口气井相对集中的一些井组的集气每组井中选一口设置集气站其余各单井到集气站的采气管线成放射状亦称多井集气流程 4环型管网集输系统流程 适用于面积较大的方圆形或椭圆形气田四川威远气田采用此流程 矿场集输系统 矿场集输系统 3低温分离集气站流程 对于压力高产气量大的气井在气体中除主要组分甲烷外还有含量较高的硫化氢二氧化碳和凝析油以及呈液态和气态的水分在这种情况下宜采用低温分离的流程即在集气站用低温分离的方法分离出天然气中的凝析油使管输天然气的烃露点达到管输标准要求防止烃凝析出来影响管输能力对含硫天然气而言脱除凝析油还能避免天然气净化过程中的溶液污染 3低温分离集气站流程 形成低温的方法很多已使用的有节流膨胀制冷法热分离机制冷法和外加冷源法 节流膨胀法利用焦尔-汤姆逊效应工艺流程和设备简单没有运动部件因而能长期连续运行其操作维护方便等优点操作弹性大可在设计值的50120范围内正常操作能适应高压大流量条件下的操作流量和压力易于调节 B型液烃和甘醇富液在站内不进行分离以混合方式出料将混合液直接输至液烃稳定处理装置 卧式分离器 油气分离设备 三相分离设备的工作过程 卧式分离器 油气分离设备 三相分离设备的工作过程 卧式分离器 油气分离设备 三相分离设备的工作过程 卧式分离器 油气分离设备 三相分离设备的工作过程 卧式分离器 油气分离设备 三相分离设备的工作过程 立式分离器 如果在生产中砂粒成为预料的大麻烦问题时就可以使用具有锥形底部的三相分离器设计锥体通常具有一个与水平线成45 和60 角度产出的砂子有粘附在45 壁上的趋势 油气分离设备 三相分离设备的工作过程 立式分离器 油气分离设备 油气分离设备 三相分离设备的工作过程 立式分离器 油气分离设备 立式分离器 三相分离设备的工作过程 油气分离设备 三相分离器的外壳及内部构件 油气分离设备 三相分离的理论 三相分离的理论 油气分离设备 三相分离的理论 油气分离设备 油气分离设备 我国气田上常用的各类型分离器 油气分离设备 我国气田上常用的各类型分离器 油气分离设备 天然气矿场集输系统 站场种类和作用 天然气矿场集输系统 天然气矿场集输系统 站场种类和作用 天然气矿场集输系统 天然气矿场集输系统 制定合理的气田集输流程必须从气田的地质地理条件出发根据国家对产气量的要求和当时的技术条件并考虑到气田开发的各个阶段 集气管网的压力等级分为 1高压集气压力在10MPa以上为高压集气 2中压集气压力在16MPa到10MPa范围内为中压集气