CN103742123B - 利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统与方法，液相为含水90%以上特高含水原油在管式分离器（3）中分出游离气后，液相进入脱水加热炉（5）升温并引发溶解气析出，再经出炉立管（6）的气液涡流混合，生成油珠‑气泡组合体，进入水平分离管道（7）后，形成有气液和油水界面的气、油、水三相层状流动型态，伴随着管输压力逐渐下降、溶解气不断析出，不断生成油珠‑气泡组合体，并在管道中作气浮浅池油水分离，加快油水分离速度，最后游离气体和低含水油从分离容器（8）的油气出口排出，水从水出口排出，大幅度提高油水分离效率、降低工程投资。

Description

利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统与方法

技术领域

本发明属于油田地面工程采出液油、气、水分离技术领域，具体涉及一种利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统与方法。

背景技术

先介绍一下石油采出液分离技术领域的几个现有技术。

（1）气浮法油水分离技术

气浮技术作为提高油水分离效率的有效技术，已广泛应用于油田采出水处理中。该技术的主要原理是向含油污水中加入气体，使气体溶解于水相中，而后降压，使溶解气在析出过程形成小气泡并吸附在油珠上，形成油-泡组合体，因该组合体的密度远小于原油，将使带气油珠在水相中的浮升速度大幅度提高，从而加快油水分离。目前，国内外工程上所应用的气浮技术主要采用向水相中加入空气的方法，但这一方法主要存在以下不足：

1）需要设置加气设备、增加工程投资和能耗。

2）主要用于含油污水处理领域，尚未应用到特高含水原油采出液处理领域。

（2）油、气、水三相分离技术

对于液相为高含水原油的油井采出油、气、水混合物，国内外广泛采用三相分离器进行油、气、水分离，主要原理是依靠气液密度差进行气、液重力分离和利用油水的密度差进行油、水重力分离。

这种方法存在的主要不足是：没有考虑利用采出液中含有的溶解气进行油、水气浮分离，没有建立气浮分离机制，油水分离效率低，设备体积大、投资高。

发明内容

本发明针对现行油田采出油、气、水三相分离成本高、效率低的问题，提出一种利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统和方法，解决现行工艺和设备油水分离效率低、工程投资高的问题。

本发明将气浮技术应用于含水超过90%的特高含水原油采出液中来提高油水分离效率，减少油气水分离设备的尺寸，并利用来自油井原油采出液中自身含有的溶解天然气作为气浮介质源，克服现有技术额外设置加气设备进行加气的不足，降低工程投资和运行成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统，包括管式分离器、出液进炉管、脱水加热炉、出炉立管、水平气浮管道、分离容器、堰板；管式分离器的出液进炉管连接脱水加热炉的入口，出炉立管连接在脱水加热炉出口，水平气浮管道连接在出炉立管末端，分离容器连接在水平气浮管道末端，堰板设在分离容器末级管段内尾部端头处，在分离容器底部处位于堰板的前方设置油气出口，位于堰板的后方设置水出口。

进一步讲，水平气浮管道的起点与出炉立管呈90°连接，末点与分离容器呈顶部同标高方式连接，水平气浮管道沿程各点的标高相等。

分离容器采用多级渐扩管径结构形式，以偏心大小头连接各级管段，偏心大小头与各级管段的管顶标高相等。

水平气浮管道的长度，满足规定的加热炉与脱水器之间的防火间距；所确定的水平气浮管道和分离容器连接体的各部分尺寸，确保在其截面上产生至上而下竖直分布的气、油、水层状流动型态。

由分离容器中的堰板高度限定水平气浮管道和分离容器连接体的气液界面。

堰板顶部高度与水平气浮管道中心线高度相同。

一种上述系统进行的原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离方法，包括以下过程：

1）将来自油井群的油气水混合物(即采出液)，经生产系统管道进入管式分离器中，使其中的游离天然气分离出去，并通过气出口输至后续油气分离缓冲罐，将脱除游离天然气后的采出液经出液进炉管输至脱水加热炉中加热升温；

2）将脱水加热炉的温度升高，在促使原油粘度降低、有利油水分离的同时，也使含在油相和水相中的溶解气处于开始析出的状态；

3）将开始析出溶解气状态的采出液经脱水加热炉的末端出口输入至出炉立管，使气液混合物在竖直向上流动的过程中，产生油气水三相涡流，使溶解气与液相充分接触，气泡吸附在油珠上，形成密度低于原油的油-泡组合体；

4）使含有油-泡组合体的采出液流出出炉立管进入水平气浮管道，并形成气、油、水分层流动型态，伴随管输压力的逐渐下降，使溶解气不断从液相油珠中析出，持续生成油-泡组合体，油-泡组合体在浮力作用下，利用与水相和油相的密度差从水连续相中快速上升至油水界面，提高油水分离速度；

5）将处于油水逐渐分离状态的采出液经水平气浮管道输至分离容器，利用在分离容器中设置的堰板建立气液界面，使采出液中析出的天然气和分离出来的低含水原油一起从油气出口排出，使水从水出口排出，从而完成通过气浮方法进行快速油水分离的过程。

其中所述的采出液为液相含水90%以上的特高含水原油。

所述的管式分离器采用小尺寸管式分离器，采出液在管式分离器中以小于油气正常分离的时间停留。

本发明采用以上方案，将液相为含水90%以上特高含水原油的油井群产出气液混合物在管式分离器中分出游离气后，液相进入脱水加热炉升温并引发溶解气析出，再经出炉立管的气液涡流混合，生成油珠-气泡组合体，进入连接分离容器的水平分离管道后，形成有气液和油水界面的气、油、水三相层状流动型态，伴随着管输压力逐渐下降、溶解气不断析出，不断生成油珠-气泡组合体，并在管道中作气浮浅池分离，从而，大幅度提高油水分离效率、降低工程投资。

附图说明

图1为利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统构成图。

图中：1-进口，2-气出口，3-管式分离器，4-出液进炉管，5-脱水加热炉，6-出炉立管，7-水平气浮管道，8-分离容器，9-堰板，10-油气出口，11-水出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明建立了一套利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统，包括管式分离器3，在管式分离器3上设置有原油采出液进口1、气出口2和出液进炉管4；出液进炉管4自炉顶连接到脱水加热炉5的入口端，脱水加热炉5出口端顶部连接出炉立管6；水平气浮管道7则连接在出炉立管6的末端，分离容器8连接在水平气浮管道7末端。这里，管式分离器3和脱水加热炉5均可使用已有设备。

水平气浮管道7的起点与出炉立管6呈90°连接（水平气浮管道7为水平，出炉立管6为垂向），末端与分离容器8呈顶部同标高方式连接，且水平气浮管道7顶部沿程各点的标高相等。

分离容器8采用多级渐扩管径结构形式，以偏心大小头连接各级管段，偏心大小头及各级管段的管顶标高相等。在分离容器8末级管段内的尾部端头处垂向设有堰板9，堰板9顶部高度与水平气浮管道7中心线高度相同。

由分离容器8中的堰板9的高度限定了水平气浮管道7和分离容器8连接体的气液界面。在分离容器8末级管段底部处即堰板9下端之后的位置设置油气出口10，堰板9下端之前的位置设置水出口11。

所确定的水平气浮管道7和分离容器8连接体的各部分尺寸，应能保证在其垂向截面上产生至上而下竖直分布的气、油、水层状流动型态。

所确定的水平气浮管道7的长度，既要满足规定的防火间距（脱水加热炉与分离容器之间）将特高含水原油输送至脱水设备，又要保证气浮油、水分离的充分进行。

利用以上系统进行油气水分离过程：工作液相为含水90%以上特高含水采出液的油气水混合物，混合物经进口1进入管式分离器3，分离出的天然气经气出口2输至后续油气分离缓冲罐，分离出的液体经出液进炉管4进入脱水加热炉5被加热升温，在降低原油粘度、促进油水分离的同时，借助液相升温引发油相和水相中溶解气析出，达到所需要的脱水温度后，水相、油相以及析出的溶解气进入出炉立管6（此时，溶解气一方面借助从油滴中析出时自然形成油滴-气泡组合体，另一方面，借助在该立管中通过涡流流动油气混合，形成油滴-气泡组合体），而后进入水平分离管道7，以较低的流速形成在重力方向上以密度差自上而下分布的气、油、水三相层状流动型态，并伴随管输压力的逐渐下降，使溶解气不断从液相中析出，在水平分离管道7的1/2管径的液位高度（由堰板9建立）下，进行浅池气浮油水分离，而后进入分离容器8，继续气浮油水分离过程；在由堰板9建立的液面下，聚集经气浮分离后的油相和水相，并由仪表自控系统建立油水界面，将分出来的水相经水出口11输至后续的污水缓冲罐，将分出来的连续聚集的油相和气相漫过堰板9经油气出口10输至后续的油气分离缓冲罐，从而完成油气水分离过程。

以上过程可见，来自油井群的天然气-特高含水原油混合物进入管式分离器3，分离出的液相经出液进炉管4进入脱水加热炉5，由出炉立管6进入水平气浮管道7、分离容器8，从分离容器8的油气出口10和水出口11分离出天然气、原油和水，完成气浮分离。整个分离过程主要经历以下五个阶段：

（1）分出游离气，留存液相和液相中的溶解气

油井产出物为由天然气和特高含水原油采出液组成的气液混合物，采用小尺寸管式分离器3，以小于油气正常分离的停留时间，将该混合物中的游离天然气分离出来，以降低气液混合物中游离气的含量并将部分溶解气保留在液相之中，在减少进入加热炉的气体流量、降低加热炉压降的同时，也使液相的蒸汽压处于不饱和状态。

（2）液相加热升温引发溶解气析出并形成油-泡组合体

将脱除游离气的特高含水原油采出液输入脱水加热炉5加热升温，在将其温度提高至达到脱水所需要温度的同时，也使含在油相和水相中的溶解气处于开始析出的状态（加热脱水为常规脱水工艺），使从油珠中析出的溶解气与油珠自然结合，形成油-泡组合体。

（3）涡流流动促使析出的溶解气与油珠结合生成油-泡组合体

开始析出溶解气状态的特高含水原油由温度升高处经脱水加热炉出口进入到出炉立管6，气液混合物在竖直向上流动的过程中，产生紊动程度较高的油气水三相涡流流动，使溶解气与液相充分接触，气泡吸附在油珠上，形成油-泡组合体。

（4）管道压降促使形成油-泡组合体并在管道中产生油水气浮分离作用

含有油-泡组合体的特高含水原油，流出脱水加热炉出炉立管6之后进入水平气浮管道7，该管道既是以规定防火间距（脱水加热炉与分离容器之间）的长度将特高含水原油输送至分离容器的管道，又是特高含水原油的“浅池”气浮油、水分离段。该管段中设有气液界面和油水界面，并伴随管输压力的逐渐下降，使溶解气不断从液相油珠中析出，形成油-泡组合体。油-泡组合体从水连续相中快速上升至油水界面，提高了水相的油水分离速度，降低了水相含油量。

（5）油气水聚集和排出

在水平气浮分离管道7的末端设有分离容器8，水平气浮分离管道7与分离容器8顶部同标高，分离容器8采用多级渐扩管径结构形式，在末级管段内部的尾部端头处设有堰板9，由堰板9的高度限定水平气浮管道7和分离容器8连接体的气液界面，可将从采出液中析出的天然气和分离出来的原油和水，以可控制的稳定的气液界面和油水界面将天然气、原油、水分离开来，并分别排出，从而完成气浮分离过程。

综合所述，一种利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离方法，可以总结为以下步骤：

1）将来自油井群的油气水混合物（采出液），经系统进口1输入管式分离器3中，使其中的游离天然气分离出去，并通过气出口2输至后续油气分离缓冲罐，将脱除游离天然气后的采出液经出液进炉管4输至脱水加热炉5中加热升温；

2）将脱水加热炉5的温度升高，在促使原油粘度降低、有利油水分离的同时，也使含在油相和水相中的溶解气处于开始析出的状态；

3）将开始析出溶解气状态的采出液经脱水加热炉5的末端出口输入至出炉立管6，使气液混合物在竖直向上流动的过程中，产生油气水三相涡流，使溶解气与液相充分接触，气泡吸附在油珠上，形成密度低于原油的油-泡组合体；

4）使含有油-泡组合体的采出液流出出炉立管6进入水平气浮管道7，并形成气、油、水分层流动型态，伴随管输压力的逐渐下降，使溶解气不断从液相油珠中析出，持续生成油-泡组合体，油-泡组合体在浮力作用下，利用与水相和油相的密度差从水连续相中快速上升至油水界面，提高油水分离速度；

5）将处于油水逐渐分离状态的采出液经水平气浮管道7输至分离容器8，利用在分离容器8中设置的堰板9建立气液界面，使采出液中析出的天然气和分离出来的低含水原油一起从油气出口排出，使水从水出口排出，从而完成通过气浮方法进行快速油水分离的过程。

上述采出液为液相含水90%以上的特高含水原油。

上述管式分离器3采用小尺寸管式分离器，采出液以小于油气正常分离的时间停留在管式分离器中。

其中的水平气浮管道的长度，既要满足规定的防火间距，又要保证气浮油、水分离的充分进行。

水平气浮管道7和分离容器8连接体的各部分尺寸，应能保证在其截面上产生至上而下竖直分布的气、油、水层状流动型态。

实施例：

按照本发明的技术方法，建立了一套利用原油采出液中溶解气自然气浮油水分离方法的工业规模天然气-特高含水原油分离系统，该系统中的水平气浮分离管道的直径为DN700，有效容积11m³；分离容器的直径为DN1400，有效容积为24.5m³。该系统接收来自油井群的天然气-特高含水原油采出液混合物，经管式分离器分出游离气后，对采出液进行加热和自然气浮脱水，取得的工业化现场试验数据如下：

表1溶解气自然气浮系统油水分离试验数据

从表1数据可以看出，在液相含水率为96.7%、温度由30℃上升为35.3℃、压力由0.26MPa下降到0.12MPa、溶解气气浮分离型系统总停留时间为5.26min的条件下，脱后油中含水率为15.8%、水中含油量为896mg/L，达到了要求的采出液游离水脱除指标。如果采用同样处理能力的常规Ф4×24m三相分离器（油田常用最大尺寸分离设备），其采出液油、水分离处理的停留时间为38.5min，本发明与该常规设备相比，停留时间缩短了33.2min，提高油水分离效率6.3倍。

经济评价结果表明，采用本发明自然气浮法建设的油气水分离系统可比采用同样处理能力的三相分离技术建立的油气水分离系统，降低工程投资62.5%，经济效益十分显著。

Claims (7)

1.利用原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离系统，其特征为：包括管式分离器(3)、出液进炉管(4)、脱水加热炉(5)、出炉立管(6)、水平气浮管道(7)、分离容器(8)和堰板(9)；管式分离器(3)的出液进炉管(4)连接脱水加热炉(5)的入口，出炉立管(6)连接在脱水加热炉(5)的出口，水平气浮管道(7)连接在出炉立管(6)末端，分离容器(8)连接在水平气浮管道(7)末端，堰板(9)设在分离容器(8)末级管段内尾部端头处，在分离容器(8)的底部位于堰板(9)的前方设置油气出口(10)，位于堰板(9)的后方设置水出口(11)；

水平气浮管道(7)与出炉立管(6)呈90°，水平气浮管道(7)与分离容器(8)顶部同标高，水平气浮管道(7)沿程各点的标高相等；分离容器(8)采用多级渐扩管径结构形式，以偏心大小头连接各级管段，偏心大小头与各级管段的管顶标高相等；堰板(9)顶部高度与水平气浮管道(7)中心线高度相同。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征为：水平气浮管道(7)的长度，满足规定的脱水加热炉与分离容器之间的防火间距。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征为：水平气浮管道(7)以及分离容器(8)连接体的各部分尺寸，满足其垂向截面上产生自上而下竖直分布的气、油、水层状流动型态。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征为：由分离容器(8)中的堰板(9)高度限定水平气浮管道(7)和分离容器(8)连接体的气液界面。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征为：由分离容器(8)中的堰板(9)高度限定水平气浮管道(7)和分离容器(8)连接体的气液界面。

6.利用权利要求1-5任一所述系统进行的油井原油采出液中溶解气自然气浮的油水分离方法，包括以下过程：

1)将来自油井群的油气水混合物，即采出液，经生产系统管道进入管式分离器(3)中，使其中的游离天然气分离出去，并通过其上部设的气出口(2)输至后续油气分离缓冲罐，将脱除游离天然气后的采出液经出液进炉管(4)输至脱水加热炉(5)中加热升温；

2)将脱水加热炉(5)的温度升高，在促使原油粘度降低、有利油水分离的同时也使含在油相和水相中的溶解气处于开始析出的状态；

3)将开始析出溶解气状态的采出液经脱水加热炉的末端出口输入至出炉立管(6)，使气液混合物在竖直向上流动的过程中，产生油气水三相涡流，使溶解气与液相充分接触，气泡吸附在油珠上，形成含有密度低于原油的油-泡组合体的采出液；

4)使含有油-泡组合体的采出液流出出炉立管(6)进入水平气浮管道(7)，并形成气、油、水分层流动型态，伴随管输压力的逐渐下降，使溶解气不断从液相油珠中析出，持续生成油-泡组合体，油-泡组合体在浮力作用下，利用与水相和油相的密度差从水连续相中快速上升至油水界面，提高油水分离速度；

5)将处于油水逐渐分离状态的采出液经水平气浮管道输至分离容器(8)，利用在分离容器中设置的堰板(9)建立气液界面，使采出液中析出的天然气和分离出来的低含水原油一起从油气出口(10)排出，使水从水出口(11)排出，从而完成通过气浮方法进行快速油水分离的过程。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征为：所述采出液为液相含水90％以上的特高含水原油。