分离器液面和压力的控制.docx

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分离器液面和压力的控制

浅谈分离器液面和压力的控制

郭长会　侯志峰

　　摘要　分离器要能保持良好的分离效果，需对其液位和压力进行控制。

传统分离器液位和压力的控制采用定压控制技术。

在分离器的变压力液面控制中，利用浮子液面控制器带动油和气调节阀，使其联合动作，控制原油和天然气的液量，完成对分离器中液位的调节，而不对分离器的压力进行控制。

变压力的液面控制方法可以最大程度地减小油气出口阀的节流，减小分离器的压力，提高分离效果。

　　主题词　三相分离器　油气分离　油水分离　调节阀　浮子

　　油气分离器和油气水三相分离器在油田接转站和联合站中有着广泛的应用。

分离器要能保持良好的分离效果，需要对其液位和压力进行控制。

本文从减小工艺流程中的节流损失、节能降耗、提高分离效率的角度，分析了传统分离器液面和压力的控制工艺，提出了一种简单可靠、降低能耗的分离器变压力液面控制方法。

1.传统分离器液位和压力的控制

1.1　油气两相分离器

　　油气两相分离器将油气混合物来液分离成单一相态的原油和天然气，压力由天然气出口处的压力控制阀控制，液面由控制器控制的出油阀调节。

　　天然气出口处的压力控制阀通常是自力式调节阀或配套压力变送器、控制器、气源的气动薄膜调节阀等。

出油阀通常为配套液位传感器、控制器、气源的气动薄膜调节阀或浮子液面调节器操纵的出油调节阀等。

　　有的油气两相分离器是用气动薄膜调节阀控制分离器的压力，用浮子液面调节器操纵出油阀控制分离器液面。

1.2　油气水三相分离器

　　油气水三相分离器在油井产物进行气液分离的同时，还能将原油中的部分水分离出来。

随着油田的开发，油井产出液的含水量逐渐增多，三相分离器的应用也逐渐增多。

结构不同，三相分离器的控制方法也不同。

两种典型分离器的控制原理如下：

（1）油气水混合物进入分离器后，进口分流器把混合物大致分成汽液两相，液相进入集液部分。

集液部分有足够的体积使自由水沉降至底部形成水层，其上是原油和含有较小水滴的乳状油层。

原油和乳状油从挡板上面溢出。

挡板下游的油面由液面控制器操纵出油阀控制于恒定的高度。

水从挡板上游的出水口排出，油水界面控制器操纵排水阀的开度，使油水界面保持在规定的高度。

分离器的压力由设在天然气管线上的阀门控制。

（2）分离器内设有油池和挡水板。

原油自挡油板溢流至油池，油池中油面由液面控制器操纵的出油阀控制。

水从油池下面流过，经挡水板流入水室，水室的液面由液面控制器操纵的出水阀控制。

2.传统分离器液位和压力控制中存在的问题

　　分离器定压控制中，天然气管线上的压力控制阀对天然气进行一定程度的节流，以保证分离器内压力的稳定。

气量减小或者气出口处压力降低时，阀门节流程度增加；反之，阀门节流程度减小。

　　分离器液面控制中，油水出口阀门也对液体进行节流。

液量增大时，节流程度减小；液量小时，节流程度加强，以使液面保持稳定。

　　为保证液量较大的情况下能够正常排液，分离器具有较高的压力。

但是在液量减小时，必须通过油水出口阀对液体节流，使液面不至于降低。

因此生产中，分离器一般在较高的压力下工作，液相阀门处于节流状态。

　　分离器压力过高影响分离器的进液，使中转站或计量站的输出口以及井口回压增高，不利于输油。

目前，我国的油井多为机械采油，井口回压升高，增加了采油的能源消耗。

此外，在较高压力下油中含有的饱和溶解气，在出油阀节流后，压力下降时，从油中分离出来，易使下游流程中的油泵产生气浊。

因此较高的分离器压力不但影响油气的分离效率，增加生产能耗，而且影响安全生产。

3.变压力液面控制

　　浮子液面控制器带动两个调节阀，一个调节阀控制天然气，另一个调节阀控制原油，实现原油和天然气出口处阀门的联合调节。

当浮子上升时，连杆机构使气路调节阀的开口减小，油路调节阀的开口增大；反之，当浮子下降时，连杆机构将使气路调节阀的开口增大，油路调节阀的开口减小。

通过改变调节阀的开度，改变天然气和原油的相对流量，对分离器的液面进行控制。

这种控制方法不对分离器的压力进行定值控制，分离器的压力为天然气出口处或液体出口处的压力与天然气调节阀或液体调节阀前后的压力差之和。

当气量和液量以及分离器下游压力变化时，分离器的压力是变化的，所以这种控制方法为变压控制。

3.1　变压力液面控制在油气两相分离器中的应用

　　进出油气分离器的液量和气量不变时，液面稳定在某一位置上；当进入分离器的液量或气量发生变化，而使液面上升时，浮子连杆机构将使天然气调节阀的开口关小，原油调节阀的开口开大，使排气量减小而排液量增大，直到进出分离器的液量和气量相等时，液面将重新稳定在一个较原来高的位置上；当进入分离器的液量或气量发生变化，而使液面下降时，浮子连杆机构将使天然气调节阀的开口开大，原油调节阀的开口关小，使排气量增大而排液量减小，直到进出分离器的液量和气量相等时，液面将重新稳定在一个较原来低的位置上。

这样随着进入分离器的液量或气量发生变化，浮子连杆机构带动调节阀产生相应的动作，从而使液面保持相对稳定（见图1）。

3.2　变压力液面控制在油气水三相分离器中的应用

（1）变压力液面控制在油气水三相分离中的应用见图2，原油液面的控制与油气分离器的液面控制相同，油水界面由油水界面控制器操纵的排水阀控制。

（2）变压力液面控制在油气水三相分离器中的应用见图3。

油池的液面由其液面控制器操纵的原油调节阀和天然气调节阀控制，水池的液面由其液面控制器操纵的出水调节阀和天然气调节阀控制。

图1　油气两相分离器的变压力液面控制原理

1—天然气调节阀　2—浮子液面调节器　3—原油调节阀

图2　油气水三相分离器的变压力液面控制原理

1—油气水混合物入口　2—进口分流器

3—重力沉降部分　4—天然气出口调节阀　5—挡板

6—浮子连杆机构　7—原油出口调节阀　8—界面控制阀

图3　油气水三相分离器的变压力液面控制原理

1—油气水混合物入口　2—进口分流器

3—重力沉降部分　4、5—天然气出口调节阀

6—气体出口　7—挡油板　8—挡水板

9—水池浮子连杆机构　10—出水调节阀　11—出水口

12—油池浮子连杆机构　13—出油调节阀　14—出油口

　　两个天然气调节阀串联在天然气的出口管线上。

不论油池或水池的液面升高时，相应的浮子连杆机构都使液相调节阀开口增大、天然气调节阀开口减小，进行憋气排液。

如果此时水池或油池的液面较低时，虽然相应的浮子连杆机构使液相调节阀开口减小、天然气调节阀开口增大，进行放气并对液体节流，但是由于两个天然气调节阀是串联的，它们共同作用的结果仍然是增加对天然气的节流，对分离器进行

低产油井新型计量装置技术研究

顾克江任福妹

江苏石油勘探局

（扬州225009）

摘要低产油井的计量技术已研究多年，但始终未从根本上解决问题。

试图从分离器的结构上进行改造，从而进一步改进工艺流程，达到提高油井计量准确度的要求。

同时参照国外油井计量的先进技术，通过改造传统的计量流程，以达到提高油田计量技术的目的。

主题词油井计量分离器计量工艺计量装置

AbstractTechnicalstudiesonthemeasurementofstripperwellshavebeenmadeformanyyears,buttheproblemshavenotbeensolvedcompletely.Thisstudyisaimedattransformingthestructureoftheseparatortofurtherimprovetechnologicalprocessandincreaseaccuracyofmeasurement.Traditionalprocessofmeasurementshouldalsobeinnovatedbyapplyingadvancedtechniquesofmeasurementabroad.

SubjectHeadingsWellmeasurement,Separator,Measurementprocess,Measurementmechanism

　　随着老油田进入高含水期，油井计量的难度越来越大。

再加之生产的发展及经营管理的需要，对油田计量技术的要求也在提高。

因此，认真解决油田井口计量问题，提高目前井口计量精度和管理水平，已成为油田生产中亟待解决的一个重要课题。

油井计量现状与存在问题

　　目前，油田油井计量基本上采用的是立式两相分离器作气液分离，用玻璃管量油，人工取样化验含水率，双波纹管差压计测气，这种计量方式在高含水期主要存在以下问题。

1两相分离器玻璃管量油，计量时间短，误差大

　　玻璃管量油的优点是操作简单，维修方便，经久耐用，在低含水期尚能满足生产要求，进入高含水期后，液量有所增加，量油时间也只有1～2min，甚至更短。

在如此短的时间内计量24h的产量，造成的误差就较大，相对误差约大于10%。

2人工测定原油含水率，误差大

　　要准确测量油井的产油量，就必须准确测出原油平均含水率。

目前由于人工取样的代表性与具体操作者的技能因素有很大关系，几次的平均差值高达20%～30%，这就难以量准单井的产油量与产水量。

3气产量计量大多未运行

　　井口气产量的计量，虽然配置了孔板流量计，但从现场调研情况看，使用得都不理想，大部分仪表未能投入正常运行，许多计量站还从未使用过，加之孔板多年不检定，即使在用也很难说清其计量精度。

高含水期油井计量的特点

1油井含水率高，且波动较大

　　使用两相计量分离器计量高含水原油时，尽管流量计与在线含水分析仪都能正常地在测量范围内工作，但测量出来的油井纯油产量仍然误差较大，不符合标准要求。

假设计量总液量的流量计工作时没有误差，仅2.0级精度的高含水在线分析仪（一般高含水分析仪的可靠精度均不高于2.0级）或人工化验造成的纯油计量误差就为2.2%～100%，详见表1。

表1含水率与纯油精度误差对照表

含水率

（%）

10

20

30

40

50

60

70

80

90

95

98

纯油精度误差

（%）

2.2

2.5

2.86

3.33

4

5

6.7

10

20

40

100

　　这是含水率测量误差为±2%时对纯油计量精度的影响。

2油、气、水三相计量分离器

　　从表1可知，在高含水期要想把油井的纯油量计量准确，必须把混合液中的游离水分离出来，使得进量油仪表的原油含水率降到一定程度（如30%），总计量精度才能有所保证。

使用三相分离器，把油、气、水按一定要求分开，才能较为准确地计量油井的油、气、水产量，对于泡沫原油进入DN600的计量分离器后，采用腰轮流量计计量液量，测量值要偏高4.5%（与质量法相比）。

实践证明，只有分得清，才能量得准。

因此，三相分离器成了高含水期油井计量的关键技术。

国外油井计量状况

　　油井计量主要特点有以下几个方面：

（1）美国在油田井口计量中，低含水期采用两相分离，中高含水期采用三相分离，定时连续计量。

在油田建设设计时，均设计三相分离器，在低含水期，三相分离器当两相使用，中高含水期，开始使用三相分离功能。

美国油田计量的特点是小站流程。

计量站设置计量分离器和生产分离器两套装置，生产分离器用来计量整个计量站的油、气、水总产量，油井计量中的选井多采用多通阀。

（2）采用三相分离器计量大多与仪表配套使用，如配备流量计和在线含水分析仪可实现连续计量。

　　（3）计量站二次表基本智能化、数字化、流量、含水率等数据的采集、处理、运算、输出都采用微机，可随时显示、定时打印、输出净油、净水、气量、含水率等数据。

　　（4）计量制度，一般每口油井计量8h或24h，计量周期为7d、12d、30d不等。

新型油井计量装置的研制与试验

　　在多年研究三相分离器计量技术的基础上，并借鉴了国外的分离计量技术，我们研制了三相计量分离器并在现场进行了试验，试验结果证明，该分离器在工艺结构的设计上有所突破，取得了良好的使用效果。

1分离器设计方案的形成

　　在20世纪70年代初期，有人曾经对法国卧式三相自动计量分离器进行了大量的现场试验。

在对其应用条件及我国油田的实际情况了解不够的前提下，对其进行机械地仿制，如油水界面的控制浮球，最后还是失败了。

失败的主要原因是分离器内油水界面控制不灵，经常发生水中跑油或油中跑水现象。

油水界面控制不灵在其它集输设备如原油立式或卧式沉降脱水罐、电脱水器等设备中普遍存在，这个问题在以后的十多年里一直困拢着油气集输工作者，人们在设定的油水界面位置上安装过各式各样的仪表，效果都不理想。

虽然仿制法国三相分离器的试验失败了，但使我们认识到，要想获得三相分离器的成功，必须攻克界面控制的难关。

为了弄清三相分离器油水界面在工作条件下的实际状况，我们进行了如下的试验：

设计了一台Φ1000的卧式三相分离器，如图1所示。

在分离器侧面液体部分自上而下等距离设计了一列取样阀。

在运行时通过大量取样分析得知，分离器在运行状态下液体部分并不总是存在着一个上面是油，下面是水的清晰的油水界面，而常常是液体部分的顶部为含水率很低的纯油层，分离器底部为清水层，在其间是一个含水率渐变过渡层。

多年的大量现场实验使我们得到了如下宝贵的经验：

①界面控制是分离器成败的关键技术；②以前用各种各样的仪表来直接控制油水界面的尝试是不可取的，在提高仪表控制精度上下功夫是方向性失误。

工艺条件对仪表的成败起决定性作用。

　　鉴于以上认识，我们在参阅了国外的一些资料后得到了启示，拟定了以下三相分离器设计方案（见图2）。

　　考虑油井计量中油中杂质多，且高含水井含气量不高，所以选用立式结构。

分离器外附有集油桶和集水桶，各桶上下两端设有液位控制器，该分离器把通常对油水界面的直接控制变成了由可调水堰管调节水的出口高度，与固定的油出口高度对应，从而间接控制了油水界面高度，使得分离出的油和水分别进入油桶和水桶，如果排出的油或水的指标不符合要求，只要调节水的出口高度就可方便地达到要求。

油桶与水桶的液面控制是很容易实现的成熟技术，能够可靠地运行。

2油井计量装置的构成与计量原理

　　单井来油经三相分离后，原油进入油桶，当液面达到上浮球时，浮球发出信号使气动薄膜阀全开排油，原油经过在线含水分析仪，刮板流量计、薄膜阀等排出；分离后的水经水堰管口溢出，进入集水桶。

同样，当水位升到上浮球时，薄膜阀打开排水，水经过流量计、薄膜阀排出，当油或水液位降到下浮球位置，薄膜阀关闭，进行下一桶的油或水的积累。

在分离器顶部的气出口处，设有温度、压力变送器、过滤器、气体腰轮流量计、自动式调压阀、单流阀等。

三相分离器的进油管线装有一套加药装置，可连续可控地给来油加破乳剂。

3三相分离器的主要技术指标

　　结构尺寸：

Φ1600×4300

　　工作压力：

0.6MPa

　　工作温度：

40℃～47℃

　　液体处理量：

200m3/d

　　液体停留时间：

＞30min

　　分离后指标：

油中含水≤30%

　　污水含油≤0.4%

4分离器在计量方面的优点

（1）采用立式分离器，允许油水界面在较大范围内波动，有利于分离效果的控制。

（2）采用集油桶、集水桶，可调水堰结构，把难度大的直接控制油水界面的控制方法变成容易实施的液面控制和开关控制。

　　（3）间断排液方式使得一块计量仪表的量程可以适应产量相差悬殊的各口油井，即在分离器处理量范围内，不论哪口油井的产量为多少，只要控制好流量计前后的压差，流量计在计量时就不会超量程。

因此在计量站内不必用不同量程的多个流量计来适应产量参差不齐的各口井的计量。

　　（4）分离器内部的沉降分离过程不受排流时液体流动的扰动，分离效果不受影响。

5与三相分离器配套的主要仪表

　　弹性刮板流量计，用于量油、量水精度：

±1.0%

　　在线含水分析仪（0%～100%）精度：

±2.0%

　　气体腰轮流量计精度：

±1.0%

　　单片机及打印输出设备

6试验效果

　　①三相分离效果满足计量要求。

油中含水率＜30%；水中含油＜0.4%；②用可调水堰管控制油水界面主动、灵活，很有效，使最终分离出的油中含水率和水中含油率得以控制，这是技术上的一个突破；③单片机用于油井计量中，对油、水液位进行控制，自动采集油、气、水流量信号和温度、压力信号并加以处理、运算，可随时或定时打印结果。

7误差分析

　　由于仪表的直接测量值x与间接测量值y之间存在着函数关系y=f（x），则由微分学可知，直接测量值的测量误差引起的间接测量值的误差为函数的增量，而该增量可用函数的微分来表示。

同样，有n个直接测量值xi（i=1，2，…n）与间接测量值的函数关系为

　　　　　　　　　　　　　　　　y=f（x1,x2…xn）

　　则测量的总误差可用函数的全微分表示为

　　上式是函数误差计算的一般公式。

对于我们所研究的计量装置其仪表的误差性质为随机误差。

其计算公式为：

　　式中R为相关项也称协方差。

在实际测量中，各个直接测量值之间是相互独立的，即R项为零。

　　计量分离器上单个仪表的测量误差xi有随机误差，且相互独立。

根据独立变量误差叠加原理，其计量装置的误差可由下式进行计算：

　　整个计量分离器是一个完整的计量系统，其测量总误差来源于四个方面：

含水分析仪的准确度、弹性刮板流量计的准确度、水中含油的测量误差以及未考虑因素的附加误差。

　　含水分析仪的准确度为2.0%；

　　弹性刮板流量计的准确度为1.0%；

　　水中含油的测量误差为±0.2%；

　　未考虑因素的附加误差为±0.1%。

　　则装置的总误差为

　　通过以上计算可以得出计量装置的不确定度为2.5%。

　　此套装置于近几年先后在大庆、江苏等油田试用，效果良好，基本解决了高含水油井的计量问题，具有良好的推广价值。

8需改进之处

　　①分离器体积太大，对于小断块低产井，需要设计小型化的、轻便的、撬装式的；②对低气液比井，尽管伴生气较少，但在三相分离器内气相空间所占的比例要合适，气相空间大小对分离效果的影响是不容忽视的。

对小断块油田低产低气油井计量的设想

　　小断块低产井的计量问题，长期以来一直未能很好解决。

我们试想，在气体分离后作两相计量，根据互不相溶的两种液体混合物的总体积等于这两种液体体积之和的原理，通过测定与混合物的总体积和质量相关的两个物理量，求解相关方程组得到这两种液体的各自体积（质量）。

　　另一种方法就是采用活动式计量站，效果可能会更好些。

用小型三相分离器配油、气、水计量仪表和油泵、水泵连续计量，计量后输入管网进转油站。

按合理的计量周期巡回计量。

这种计量方式有以下特点：

（1）将传统的"米"字形丛式固定计量站集输流程改为串联型集输流程，大大减少了管线投资，同时降低了管理难度。

（2）实现了单井油、气、水三相分离，仪表连续自动计量，保证计量精度。

油与水±5%，气±10%。

　　（3）实现了计量专业化管理，微机自动采集处理数据，打印油、气、水日产量。

消除了人为因素，为无人值守创造了条件。

　　（4）用拖车运载、全天候计量取代目前的固定式计量站。

其效果显著。

参考文献

1中国石油天然气总公司计量测试研究所国内外油气计量技术现状石油工业技术监督，1996

2JJG（石油）26一92油井计量分离器

3MckeeRJ.Pulsationeffectsonturbinemeters.FlowmeasurementandInstrumentation.1992

4FlowMeasurementEngineeringHandbook,R.W.Miller,ThirdEdition,1997,MCGRAW-HILLBOOKGOMPANY

5孙延祚流量检测技术及仪表北京：

北京化工大学出版社，1992

6吕崇德等热工参数测量与数据处理北京：

清华大学出版社，1990

7李建国仪表防雷设计初探炼油化工自动化，1997

8钟玉声王克光流体力学和热工理论基础北京：

机械工业出版社，1988

）工作原理

油井产出的油、气、水混合物进入三相分离器后，首先碰到入口分流器，使液流的冲量突然改变，并使液体与气体初步分离。

气体流过入口分流器后水平地在液体上方通过分离器的重力沉降部分，在此未被入口分流器分离的小液滴靠重力分离并下沉至气液界面。

某些小直径液滴在重力沉降部分内不易分离，因此在气体流出分离器之前，必须经过除雾器，使液滴撞击金属网并聚结。

一个适当尺寸的金属网除雾器可以消除99%的直径大于10μm的液滴。

分离后的气体由分离器出口进入气计量管线，通过气体旋进旋涡流量计及与之配套的温度、压力变送器，实现标准状态下气产量的计量。

在分离器的气管路还装有自力式差压调节阀，使分离器内压力与计量间汇管压力之间始终保持一个稳定的压差。

经气液分离后，液体经折流板在油气界面下流动，然后又经防波板进一步降低搅动，使液体进入层流状态。

容器下部集液设有波纹板，使液体有足够的滞留分离时间。

乳化油在液相上部增多，当达到溢流管以上时，将漫过溢流管流入油计量筒。

在油计量筒安装有上下液位浮球，上下浮球之间的容积为标准计量容积。

当油计量筒化乳化油的液位上升到上液位浮球时，打开电动球阀，乳化油在分离器内压力作用下排出，通过含水分析仪测量乳化油的含水率；当油室内液位下降到下液位浮球时，控制系统将电动球阀关闭，计量乳化油液位从下浮球到上浮球的时间，再根据计量筒的容积和乳化油密度计算出含水原油和水的质量。

分离器底部的游离水堰管进入计量筒，水计量筒也装有上下液位浮球，在排水管线上安装有电动球阀，计量过程与油计量筒相同。

但水堰管的高度可以调节，以适用不同的油水密度差。

通过调整水堰管的高度，可以改变油水界面的位置。

由油、水电动球阀，分离器上部的浮球液位计，气路上的电接点压力表和计量保护器构成的计量保护系统，在分离器超压、过液位以及停电等故障状态下强行打开电动球阀，把系统压力泄向汇管，确保安全生产，为无人值守创造了条件。

三相分离器 

WS型三相分离器适用于油、气、水三相分离，是油田地面工程中广泛使用的设备。

分离原理

　　从油井开采出来的油、气、水混合物。

经采油树进入水套炉加热后，进入三相分离器，首先在初级分离段进行气、液分离，初级分离段分离出来的气相中含有雾滴，其雾滴直径大都在50-250μm左右。

分离器设有稳定聚结装置和捕雾装置，促使这些雾滴聚结、增大，从气相中沉降分离出来。

         初级分离段出来的液相在分离器的下部进行油、水分离，利用油、水重渡的差异，水沉入下部，油浮在上部。

分离器有较大的分离空间和分离的界面，油、水能充分地进行分离，同时液相中气泡逸出而进入气相中去。