1.油气集输处理概述

　　地下油气藏中的石油是极其复杂的混合物。在成分上以烃类为主，含有数量不等的非烃类化合物及多种微量元素；在相态上以液态为主，溶有大量烃类气体及少量非烃类气体，并溶有数量不等的烃类和非烃类固态物质。与此相对应，油井产出物中往往含有原油、凝析油、天然气（包括自由气、溶解气、凝析蒸气）、水、杂质和外来物质（如驱油剂）。油气集输就是把各分散油井的油井产出物集中起来，经过必要的处理、初加工，得到合格油和天然气的工艺全过程，主要包括油气计量、集油、集气、油-气-水两相或三相分离、原油脱水、原油稳定、原油储存、天然气处理（水、硫、碳等）、天然气凝液回收、凝液储存、采出水及其他脱出物处理等工艺。

　　油-气-水的多相分离总体上可以分为平衡分离和机械分离两大类。根据相平衡原理，组成一定的油井产出物，在某一压力和温度下，就有确定的气、液相组成和数量。压力、温度改变时，气、液相组成和数量也随之改变，这就是平衡分离。平衡分离是自发过程，贯穿于油气井开采的全过程。把集输管路压力、温度下，自发形成并交叉存在的气液两相，人为设法分离成单一相态液体和气体的过程，称为机械分离。机械分离常在分离器内进行，是油气田使用最多、最重要的设备之一。分离器的种类有很多，按功能可以分为计量分离器、生产分离器、段塞流捕集器等，按所分离物料的相态可分为油气两相分离器、油气水三相分离器，按外形可分为卧式、立式、球形分离器等。

　　油-气-水的多相分离过程可以在一个设备中进行，也可以采用多级分离工艺先后在几个不同的设备中进行。具体的分离工艺与油井产出物的组分、压力、温度有关，当油井产出物的含气量（气液比）或压力较高时，宜采用多级分离工艺，此时“气液分离”往往首当其冲，相应的设备就是气液分离器。令人遗憾的是，油井无水开采期很短，在生产的中、后期，油井产出物中的含水率逐步上升、气液比逐渐减小，而且所含水有相当一部分以游离状态出现。含水油井产出物进入分离器后，在油、气分离的同时，由于密度差，游离水将与原油分离沉降至分离器底部。因此，处理这种油井产出物的分离器就必须有油、气、水三类出口，相应称之为三相分离器。

　　2.三相分离器的基本结构

　　三相分离器之目的是有效分离油气水砂等不同成分，以备后续装置进行进一步的处理，基本结构包括入口预分离部件、重力沉降室、挡板和除雾器等。混合流体进入分离器，首先撞击入口分离部件，运动方向的突变使得气液实现初步分离，保证液体中不会含有较多的气体，避免气体对油气界面和油水界面造成影响。一般情况下，入口预分离部件有导引管，直接将液体输送到油水界面以下，然后油滴由于重力作用向上流动，通过油水界面进入油层，这就是水洗过程，促进油相中水滴的聚结分离。分离器中一般还设有整流器和聚结器，加强油水分离效果。集液区应有足够的沉降空间，在该区内依靠油水密度差使油水分层，底部为分出的水层，依次向上为含有分散相水颗粒的乳化油层和原油层。原油和乳化油从堰板上方溢流至油室，经由液位控制的出油阀排出；水从集液区底部、堰板上游的出水阀排出。入口预分离部件分出的气体水平通过重力沉降区，经捕雾器后流出分离器，分离器的工作压力由安装在气体管线上的控制阀控制。三相分离器也有立式和卧式之分，各自的优缺点、适用场合与气液两相分离器相同。卧式分离器中液滴的下降方向和气流方向相互垂直，液滴更易从气流中分离出来，适合处理气油比较大的流体，并且气液界面较大，气体浮升面积大，分离所得的原油中含气量少。此外，卧式分离器还具有单位处理量成本较低，易于操作安装和检验等优点。立式分离器适合处理入口含固体杂质较多的混合物，具有占地面积小，液面控制较为容易等优点。

　　分离器内部构件设置和运行控制的好坏，对设备的流动特性及分离特性影响甚大，因此这方面的研究较为活跃，围绕入口预分离部件、聚结构件、稳流构件、自控计量等方面的新技术不断出现。

　　（1）入口预分离部件

　　入口预分离部件作为整个分离器的起始段，主要功能是能有效地进行气液初步分离，尽量使分离的气液在各自的流道内分布均匀，因此其分离效果的好坏直接影响后续气液分离和油水分离过程以及设备尺寸大小。早期的入口构件通常就是一块挡板，当人们认识到可以对较高的入口流体速度加以利用后，新开发的入口构件往往还被赋予了第二功能即预分离作用，随之各种结构形式的入口预分离部件大量出现，如碰撞式、窄缝式、稳流式、旋流式、上孔箱式、下孔箱式和叶片式等。碰撞式预分离部件使混合物碰撞在碟形挡板或半开管上，迅速改变流体速度和方向，使气液得到初步分离；窄缝式预分离部件为头部封闭的水平管，沿管长度方向有多条窄缝，气液混合物经窄缝流出实现气液初步分离；旋流式预分离部件依靠混合物切向进入产生旋转运动，气液由于所受离心力不同而得以分离，如PORT A-TEST REVOLUTION等。

　　（2）聚结构件

　　聚结构件作为三相分离器油水分离的核心部件，从20世纪中后期工业应用以来得到较快发展。目前使用的三相分离器聚结材料可分为亲油疏水性材料和亲水疏油性材料。常用的亲油疏水性材料有聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯等；常用的亲水疏油性材料有普通碳钢、不锈钢、金属铝、金属锌和陶瓷等。从几何结构上来说，聚结构件主要有平板、斜板和波纹板等形式。其中，波纹板形状的曲折性迫使水流产生多次方向转折，增加了油珠碰撞概率，加快了小油珠间的聚结速度，分离效果较好，国内外聚结除油设备也多选用波纹板。在此基础上还衍生出一系列聚结填料和构件，例如六角蜂窝斜管填料、丝网波纹填料、带折边及升油管的聚结平板等。

　　（3）自控计量

　　三相分离器的自控计量系统主要由气路、油路和水路3部分构成，多数情况下可以分别采用常规仪表对三相分离器油室（池）、水室（池）的液位和压力以及气相空间的压力进行控制，并对油-气-水的流量分别进行计量。常规控制系统由被控对象（液位、压力）的检测单元、调节器和执行器组成。压力检测采用气动或电动压力变送器，油室（池）、水室（池）的液位检测采用气动或电动浮球液位变送器、雷达液位计等，现场显示采用磁翻板（柱）液位计；调节器采用气动或电动调节阀，现场执行器采用气动薄膜调节阀或电动调节阀、浮球液面调节阀。油水界面控制对于保证三相分离器出水口和出油口的分离质量指标至关重要，但随着当前油井采出液的组分日趋复杂、乳化程度较高，分离器内油水界面不清晰，乳化层较为显著，且乳化层上下部密度相差无几，致使传统差压式和浮子式界面检测元件不能长期可靠运行。为解决上述问题，可以由射频导纳界面变送器和刚性传感器组成油水界面检测仪，配以油-气-水自控调节阀和油-气-水流量计等，共同构成三相分离器的自控计量部分。油气水在分离器内分离后，天然气经气出口流量计计量流量和控制压力后，进入天然气处理系统；低含油污水经射频导纳油水界面仪控制的调节阀排出速度，从而控制油水界面；低含水原油经溢油堰板进入油腔，油腔内的液面由浮子液面调节器控制，调节排油速度。当然，油腔内的液面也可以由液面计检测，并且控制电动调节阀，调节排油速度。

　　3.三相分离器的发展趋势  

　　存在众多参数影响三相分离器的分离有效性，具体包括：①进料特性，如采出液成分和理化组成、瞬时流量、温度、压力、密度差等；②分离元件与工作方式，如入口预分离、聚结、防晃、均流、堰板、油水离开方式等；③操作工况，如段塞工况、温度、压力、液位、界位、控制方式及测量等；④强化分离的工艺，如添加破乳剂、施加电场/气浮/超声作用等。针对某一具体分离场景与上下游要求，可以采用不同分分离器结构与强化工艺；对于在役分离器，随着外部环境变化，其工艺组成与各类参数应不断优化与改进。

　　经过多年的发展，油气水三相分离器的性能不断完善，分离效率不断提高，在油田开发过程中得到了大量应用，但同时也存在一些问题。具体表现在：①分离效率低，油田采出液在不断被开采的过程中，其组分和含量都在不断变化，油气水流量的波动会影响设备对气液和油水的分离效果，进而导致分离器分离性能下降。②适应范围窄，抗波动能力差。当前应用的油气水三相分离器都根据现场的具体情况设计，只能够满足该条件下的油气水分离，若在其他油田应用，很可能会出现分离效果差的问题。③设备体积大。一般的油气水三相分离器体积都较大，尤其是卧式结构占地面积更大，如果应用到海上平台上，会占用巨大的空间资源。④设计依靠经验。目前的油气水三相分离器没有行之有效的国家设计标准，设计时仅依靠设计人员的工作经验或一些近似公式进行论证，部分近似公式已经沿用了数十年。

　　本研究团队认为，未来对油气水三相分离器的研究主要体现在以下三个方面：①开发出操作弹性大的入口预分离部件，能够解决较多工况的入口分离问题，减少后续分离负荷；②基于计算流体动力学（CFD）数值模拟等手段，结合集群平衡模型（PBM），充分考虑分离器内分散相液滴的碰撞聚结或剪切破碎问题，研发高效的内部构件，缩短分离时间，稳定内部流场，提高分离效率，从而减小分离器尺寸；③应对高含水复杂采出液三相分离的现实需求，充分结合重力、惯性、离心、膨胀(气液分离)及电场破乳等多种分离原理，将各种分离原理协同作用，开发多场组合式三相分离器（如三相分离器内置式静电聚结技术，Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC），实现油气水的高效分离，助力整个油气集输处理环节的降本增效。