刘巍巍, 王　晋, 张益公, 高　爽, 倪明晨

(北京高泰深海技术有限公司, 北京 100029)



SDPSO油水置换模拟试验研究

刘巍巍, 王晋, 张益公, 高爽, 倪明晨

(北京高泰深海技术有限公司, 北京 100029)

摘要：SDPSO 是一种集国外成熟的Spar平台技术与传统FPSO技术于一体的新型深水浮式平台形式，其深吃水的主体内部有巨大的空间可以通过油水置换技术来对生产出的原油进行储油和卸油。为了验证该储油系统的实用性，该项目在完成1∶83缩尺比的模型试验后，又进行了1∶50缩尺比的模型试验，旨在通过油水置换工艺模拟试验，对新概念Spar深水钻井生产储卸油平台(SDPSO)的储油系统油水置换工艺进行功能验证，通过检测并分析两次油水分离后水中含油量和油中含水量，确定SDPSO在满足储油功能的同时，置换出的水达到排放标准且不致油中含水量过高。

关键词：SDPSO平台；油水置换；模拟试验

0引言

干树立柱式钻井生产储卸油平台(Spar Drilling Production Storage Offshore Loading，SDPSO)作为一种新型的集钻井、储卸油为一体的多功能平台，其较强的存储能力大大降低了海洋石油开采成本，如图1所示，其中油水置换分离技术为该存储方式关键性技术。

图1　干树立柱式钻井生产储卸油平台

油水置换储油技术可将原油贮存置于水下，避开风浪和雷电袭击，使用安全；避免“油气呼吸”现象，降低了空气污染和作业风险；降低了水下储油成本，便于大吨位置换存储，且连续生产能力强；在一定程度上简化了海洋石油开发系统，对结构强度要求低，无需昂贵的转塔系统；利于平台实现“自采自储自输”功能，且成效高，经济性好，利于边际油田的开采和存储。但油水置换需要考虑高凝原油的保温问题，以及海陆对Spar平台舱体涡激振动等，而对油水置换工艺，国内技术尚不成熟，亟待通过开展相关试验来完善关键技术，实现国产化。

对于油水置换过程的研究，由于其属于复杂的非牛顿流体多相流问题，很难通过解析方法获得理论解，一般通过试验方法进行模拟。该文针对SDPSO平台的储油卸油关键技术—油水置换工艺进行模型试验研究。

1试验原理及试验模型

1.1实验原理

模拟试验装置的设计尽可能符合SDPSO平台储卸油系统实际特征。试验主罐体满足几何相似，因为实际管径的限制，使得无法保证动力相似中谐时准数相等。由于罐体中流场主要受重力影响，保证动力学相似中的弗里德准数相似，粘性阻力不是主要影响因素，不考虑雷诺数相似。

整个试验装置主要包括主罐体、储油罐、注油罐、集水罐、注水罐和储水罐。主罐体被隔水板分成上下两个空间，下罐体较大，主要实现油水的第一次分离，上罐体较小，油水在此完成第二次分离，进一步降低排出水中油含量。油水置换工艺如图2所示。

图2　油水置换工艺示意图

油水置换试验包括注水、注油排水和排油注水三个主要流程，并测量一次和二次油水分离后水中含油量，以及排出的油中含水量。

(1) 注水

注水流程是将10℃的海水注入主罐体的过程。首先，利用水泵将海水从海水池导入储水桶中，并用加热器加热海水到10℃左右，以模拟南海海域的海水温度。考虑到海水沿管线流动会有一定的热量损失，所以一般将海水加热到20℃左右，再通过水泵抽到试验台架上的集水槽中。为控制注水流量，在水泵处加1个三通回流装置调节注水流量。

上方集水槽的主要作用是模拟实际海平面，具体原理是通过控制集水槽注水Qc和排水流量Qa、Qb满足Qa≤Qc≤Qa+Qb关系，使得集水槽水位稳定在模拟海平面附近。注水时需保持细罐体的出水管路关闭，细罐体内的海水会通过罐体外部管线自上而下流入粗罐体中，同时打开出油管路的三通放气阀，将罐体内的空气排出。

(2) 注油排水

注油排水流程是将50℃的原油注入主罐体并排出海水的过程。加热后的原油经油泵、控制阀等缓慢注入罐体中，同时关闭注水管路和出油管路，罐体内的海水会从粗罐体经外部管线自下而上排入细罐体中，并沿出水管路进入台架上的废水收集桶中，当油水界面下降到安全高度后即可停止注油。

在此过程中，可在粗罐体下部出水口取样，测量1次油水分离的水中含油量，在废水收集桶中取样测量2次油水分离的水中含油量，同时可以读取罐体内不同高度处的温度T，以及油水界面下降速率V。

(3) 排油注水

排油注水流程是将罐体内的原油排入原油收集桶中，同时向罐体注入海水的过程。该过程中可采样测量排出原油中的含水量。

1.2试验模型

油水置换系统的结构组成主要包括注水管路、出水管路、注油管路、出油管路、水浴加热系统、高台塔架、设备平台及储水池。油水置换系统三维布置图如图3所示。

图3　油水置换系统三维布置图

2试验内容

油水置换工艺主要包括注油排水和抽油注水两个工艺流程。在注油排水流程中，注油量要维持恒定，储油舱罐体内油水界面由顶部70%处开始向下缓慢移动，至储油舱底部40%处停止注油排水，整个试验流程设计耗时120 min；在抽油注水流程中，抽油量依然维持恒定，抽油流量大约为2.588 cm/min，油水界面运动为注油排水的逆过程，试验设计耗时30 min。

油水置换试验参数检测主要是对水中含油量、油中含水量、原油特性参数和海水特性参数的检测。水中含油量检测主要参照《GB/T 17923-1999》，即《海洋石油开发工业含油污水分析方法》的要求进行检测；油中含水量的检测按照《GBT 11146-2009》，即《原油水含量测定 卡尔.费休库仑滴定法》中规定的方法进行检测。检测水沉箱取样中的第一次油水置换后水中含油量、排水管内水样为第二次油水置换后的水中含油量和每完成一个置换周期(包括一次注油排水和一次抽油注水)后的油中含水量测量。试验用原油特性参数检测，主要包括试验用原油密度、粘度、凝点等参数。试验用海水应确保所有置换周期内所用海水为新海水，其密度、水中含油量及温度等均需预先检测。

3试验结果分析

根据试验工艺流程，在注油排水过程中，需要对不同置换周期的不同油水界面高度(距储油舱底距离70%，60%，50%及40%)下的一些主要参数进行测试：水沉箱水中含油量(一次置换水中含油量)、 出水管水中含油量(二次置换水中含油量)、水浴油箱内油中含水量、油水界面运动时程。图4、图5分别为油水界面至70%位置处和油水界面至40%位置处时样品水中含油量的变化曲线。

图4　油水界面至70%时水中含油量分布　　　　　　　　　　图5　油水界面至40%时水中含油量分布

从4、图5中可以看出，所有取样的水中含油量均低于0.4 ppm，且当油水界面至70%处取样时，外排水的水中含油量一直在0.2 ppm～0.35 ppm之间变动。样品2水中含油量变化幅度最大，这是由于样品2为二次分离后的顶部取样，该空间位置受到水通道水流的扰动较大。

为方便看出每个取样点在不同油水界面高度取样时随置换周期的变化趋势，将检测数据结果整理如图6～图8所示。

图6　不同取样高度(70%、40%)时样1水中含油量随置换周期变化　　　　　图7　不同取样高度(70%、40%)时样2水中含油量随置换周期变化

图8　不同取样高度(70%、40%)时样3水中含油量随置换周期变化

由图6～图8可以看出，对于同一个取样点，其样品的水中含油量呈现以下特点：油水界面越高，其外排水的水中含油量越高。出现这种现象的主要原因是：(1) 原油存在严重挂壁现象；(2) 注水出油过程历时较短。

由于原油粘度较大，在注水出油过程中，有机玻璃罐体内壁存在“严重挂壁”现象，且注水出油时间较短，储油舱下部的海水流动性较强，海水中掺杂着少许原油微粒，待进入下次循环的取样周期时(油水界面70%处)，立即取样致使少许原油微粒进入样品，导致测得水中含油量略大。此外，油水界面由70%运动至40%处，历时约1.5 h，夹杂在海水中的少许原油微粒已静置分离，海水中含油量略有下降；由于原油粘度较大，且几乎不溶于水，在注油出水过程中，油水界面平缓下移，可视为油水置换的“静置分离”过程，这也间接说明了油水界面几乎无乳化现象存在，在水层厚度较小情况下，罐体内的海水含油量不会因此有所增加。

(1) 误差分析

依据检测实验室的统计数据，经过计算分析，在该试验的水中油含量浓度下，实验室检测的误差率为8%～10.5%，考虑到油水置换现场试验和取样过程对结果的影响，正常情况下浓度误差范围为0.025 mg/L～0.045 mg/L。总体来说，由于该试验样品的水中含油浓度较低，因此相对误差值对结果的影响不容忽视，在分析数据时应当注意。

(2) 置换次数对水中含油量的影响情况

由图6～图8可知，随着油水置换次数的增多，不同油水界面以及不同取样点的水中含油量未见明显上升。具体原因分析如下：

a) 试验用油为原油与润滑油的调和油品，粘度较小、凝点较低，因此原油粘壁效应较弱，且试验过程不存在凝固现象。

b) 试验的安全距离较大，油水界面在最下端时距离罐体底面也有40%的垂直高度距离。由于取样口距离油水界面较远，置换次数对最终的浓度影响非常微弱。

(3) 取样点位置对水中含油浓度的影响

由于试验的水中油含量较低，因此难以体现集水槽二次分离的效果，不同取样点的水中含油量呈现波动趋势。

(4) 相关浓度标准

按照《GB 4914-2008》，即《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》，在海洋石油勘探中生产水的排放标准见表1。

表1　海洋石油勘探工业污水排放标准

其中：一级标准适用于渤海、北部湾，国家划定的其他海洋保护区域和其他距最近陆地4海里以内的海域；二级标准适用于除渤海、北部湾，国家划定的其他海洋保护区域外，其他距最近陆地大于4海里且小于12海里的海域；三级标准适用于一级和二级海区以外的其他海域。

4结论

(1) 在油水置换过程中，该试验工况下油水界面清晰，无乳化现象。

(2) 当油水置换系统在适当工况及条件下运行时(油水温度，油水界面高度，油品性质等)，置换次数对水中含油量的影响并不明显。具体原因为：该试验用油为原油与润滑油的调和油品，粘度较小，凝点较低，因此原油粘壁效应较弱，且试验过程不存在油品凝固现象；此次试验的安全距离较大，油水界面在最下端时距离罐体底面有40%的垂直高度距离。由于取样口距离油水界面较远，置换次数对最终的浓度影响非常微弱。

(3) 水中含油量检测结果均低于0.35 mg/L，符合《GB 4914-2008》，即《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》的相关要求。

(4) 初始阶段，油中含水量较少，为0.084 3 wt%，随着置换次数的增加，油中含水量逐渐增加，第5次置换的含水量为0.111 4 wt%，第9次置换的含水量为0.252 9 wt%。第9次置换之后，油中含水量趋于稳定。在实际工况中，原油通常经过一次油水置换就进行外输过程，一般原油参与置换的次数不会超过5次。依据相关文献，规定商品原油的含水量不得大于1%，出口原油不得大于0.5%。因此，经过油水置换过程的原油符合相关输运要求。

(5) 水中油含量检测值远低于国家相关排放标准，可以进行更加恶劣工况下的试验，如降低原油输运温度，选用高凝原油，减小油水界面安全距离，加速油水流动速度，考虑罐体进气等工况。

参考文献

[1]卢佩琼，陈毓琛.水下油罐贮存高凝原油采用油水置换工艺可行性研究[J].石油学报，1987，8(3)：100-108.

[2]赵雅芝, 全燮, 薛大明,等. 水下贮油技术油水置换技术工艺模拟实验[J]. 中国海洋平台, 1999,14(1): 18-22.

[3]徐松森. 油水隔离置换水下储油技术探讨[J]. 船海工程, 2008,37(4):62-65.

[4]初新杰，徐松森. 海上储油技术现状及水下无污染储油模式探讨[J]. 装备制造技术, 2011,31(4):141-143.

SDPSO Oil-water Displacement Model Test Study

LIU Wei-wei, WANG Jin, ZHANG Yi-gong, GAO Shuang, NI Ming-chen

(COTEC Offshore Engineering Co., Ltd， Beijing 100029, China)

Abstract：SDPSO (Spar Drilling Production Storage Offloading) is a newly developed type of deep-water floating platform in-built with proven techniques of Spar and traditional FPSO techniques. It is equipped with sufficient space in main body of the draft part which can be used for produced oil storage and offloading using oil-water displacement technique. In order to verify the feasibility of the process, two model tests had performed, one is 1∶83 model scale test, the other is 1:50 model scale test. The oil-water displacement process of new concept Spar deepwater drilling production storage and offloading oil platform (SDPSO) is verified by conducting oil-water displacement process model test. Through testing and analyzing oil content in water and water content in oil after two oil/water displacement process, we could confirm that the displacing water meet discharge standards while SDPSO can meet storage function.

Keywords：SDPSO platform； oil-water displacement process； model test

中图分类号:P75

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2016)02-0049-06

作者简介：刘巍巍(1981-)， 女，工程师。

收稿日期：2015-12-14