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摘 要：海洋钻修机液气分离器是钻修井作业过程中重要的井控装备之一。但由于液气分离器设计依据较少，且缺少应用经验，导致液气分离器设计、建造标准不统一，给海洋钻修机的设计工作者带来了一定的困惑。该文开展了海洋钻修机液气分离器处理能力的分析研究，并对液气分离器本体内径、筒体高度及液封高度等进行了校核计算，给出了设计推荐值，同时对液气分离器配套部件的配置、安装等进行了要求和建议，为今后海洋钻修机液气分离器的设计、建造提供了一定的参考依据。
关键词：海洋钻修机 液气分离器 标准化设计 液封高度 配套部件
中图分类号：TE95 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（b）-0039-04
Research on Standardized Design of Liquid-gas Separator for Offshore Drilling and Workover Rig
DING Hui
（Tianjin Branch， CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin， 300459 China）
Abstract： The liquid-gas separator of offshore drilling and workover rig is one of the important well control equipment in the process of drilling and workover. However， due to the lack of design references and practical application experience， the design and construction standards of liquid-gas separator are not unified， which brings some confusion to the designers of offshore drilling and workover rig. This paper carries out the analysis and research on the processing capacity of the liquid- gas separator of the offshore drilling and workover rig， checks and calculates the inner diameter， height and liquid seal height of the liquid gas separator body， and gives the design recommended value， makes requirements and suggestions on the configuration and installation of the supporting parts of the liquid-gas separator， which provide reference for the design and installation of the liquid-gas separator of the offshore drilling and workover rig in the future.
Key Words： Offshore drilling and workover rig; Liquid-gas separator; Standardization design; Liquid seal height; Matching parts
海洋鉆修机液气分离器是在钻修井作业过程中处理钻井液气侵的专用设备。由于海洋钻修机液气分离器的设计、建造及安装等参考文献较少，且钻井液气分离器实际应 用较少，导致在液气分离器的设计选型、液封高度、防洪吸管及安全阀等方面存在标准不统一、建造不一致等问题，给海洋钻修机液气分离器的设计建造、完整性管理及安全作业带来了一定难度。
该文依据海洋钻修机液气分离器处理能力要求，开展了液气分离器本体内径、筒体高度及液封高度等参数的校核计算，给出了相应的设计推荐值，并对液气分离器配套部件的配置、安装等进行了要求和建议，为今后海洋钻修机液气分离器的设计、建造提供了一定的参考依据。
1 液气分离器
海洋钻修机一般配置常压式、立式液气分离器[1]，并安装于海洋钻修机钻台阻流管汇附近。海洋钻修机液气分离器工作原理较为简单，当出现溢流、井涌或井喷时，井内循环钻井液或油气混合液通过节流管汇缓冲管进入液气分离器，通过液体分离器内部多层斜挡板使液体、气体分离，液体在重力作用下通过U型管排至泥浆罐，气体通过放空管线直接排出，实现液气分离的功能。
海洋钻修机液气分离器的处理能力不小于4 320 m3/d，内径一般不小于762 mm[1]，液气分离器的进液管线一般不小于阻流管汇主通径，排气管线一般配置6"（内径152 mm）或8"（内径203 mm）管线，排液管线一般配置8"（内径203 mm）管线，防虹吸管线一般配置6"及以下管线，以上管线一般为钢制硬管[2]。
2 液气分离器内径标准化设计
当出现溢流、井涌或井喷时，液气分离器将含气的混合液速度降到临界携液速度以下，保证含气的混合液能够顺利分离。比如：含气的混合液速度超过临界携液速度，混合液将被高速气流携带从排气管排出，液气分离器失效。 根据修正的斯托克斯定律校核液气分离器的气体处理能力，液气分离器处理能力按照给定速度下运动气流中沉降出来的最小液滴颗径的原则。在操作条件下，气体最大允许表观速度和气体处理量计算公式如（1）和（2）：
（1）
（2）
式中，Va为最大允许表观流速，m/s;K为常数，取决于设计和操作条件;ρ1为操作条件下液体密度，kg/m3;ρg为操作条件下气体密度，kg/m3;QGS为气体处理量，m3/d;Dmin为液气分离最小内径，m;MW为气体摩尔质量，kg/mol;VMS为气体摩尔体积，m3/mol。
从式（1）和式（2）可以看出，液气分离器的内径与液气分离器气体处理量成正比，因此液气分离器的内径越大，气体处理量越大。同时，液气分离器气体处理量与操作条件下气体密度成正比，因此液气分离器排气管线内径越大，气体处理量越大[3]。参考SY/T0515油气分离器规范，海洋钻修机液气分离器内径、排气管线内径推荐值如表1所示。
3 液气分离器筒体高度标准化设计
液气分离器液体处理能力取决于停留时间和油气界面面积，基本要求是使处理液有足够长的停留时间，并有足够的界面面积使处理液中夹带的气体能充分逸出。基于停留时间所需的液体处理量或沉降容积量的计算公示如式（3）：
（3）
式中：W为流动条件下液体处理能力，m3/d;t为停留时间，min;h为液体沉降高度，m。
处理液停留时间t取1 min（假设原油的相对密度小于0.846 7（API度大于35°）的两相分离设计所需的停留时间），根据表1中推荐的液气分离器内径尺寸，计算液体沉降高度h，同时考虑液体沉降体积应不超过液气分离器总容积的1/3，海洋钻修机液气分离器筒体高度推荐值见表2所示。
4 液气分离器液封高度标准化设计
海洋钻修机液气分离器是通过排液口U型管来避免含气的混合液直接从液气分离器的排液口排出，而导致液气分离器失效。液气分离器液封高度的确定，需要依据所处理气侵钻井液中氣体溢出的峰值，而气体溢出的峰值与地层气在钻井液中的溶解度密切相关，因此从钻井液角度分析、计算液气分离器液封高度。
4.1 水基钻井液作用下的液封高度
采用水基钻井液时，液气分离器液封高度计算公式如式（4）和（5）：
（4）
式中hw为液气分离器液封高度，m;ρ为混合气体密度，kg/m3;L为排气管线长度，m;λ为紊流状态下的管路沿程阻力系数，取0.074;v为排气流速，m/s;d为排气管线直径，m;δml为钻井液密度梯度，Pa/s;q为单泵排量，m3/min;P为节流阀压力，MPa。
研究水基钻井液下的液气分离器液封高度，需要将现场数据带入（4）和（5）式中进行计算。暂设定单泵排量为0.4 m3/min，节流阀压力为10 MPa，混合气体密度为0.72 kg/m3，钻井液密度梯度为5 700 Pa/s，海洋钻修机液气分离器液封高度推荐值见表3所示。
4.2 油基钻井液作用下的液封高度
采用油基钻井液时，液气分离器液封高度计算公式[4]：
式中，hw为液气分离器液封高度，m;Z为液气分离器的液面高度，m;g为重力加速度标准值;?p为液气分离器内气室压力与标准大气压的差;ρw为钻井液密度，kg/m3;v2为排液口最小流速，m/s;v1为液气分离器液面下降流速，m/s;λw为排液管路沿程阻力系数;Lw为排液管路长度，m;d为排液管线直径，m;∑.ξ为局部阻力系数。
从式（6）可以看出，液气分离器液封高度与液体沉降高度、液面下降速度级排液口最小流速等有关，液面下降速度一般可以忽略不计，因此液气分离器的液封高度只要不小于2 600 mm时，可以满足在油基钻井液的使用要求。
从水基、油基钻井液角度分析计算，液气分离器的液封高度应不小于2 600 mm，目前海洋钻修机液气分离器的液封高度一般为3 000 mm，因此液封高度可以满足任何钻井液的使用要求。
5 液气分离器配套部件标准化设计
5.1 安全阀的配置要求
海洋钻修机液气分离器一般为常压式结构液气分离器，其配置的排气管线直通大气，无法实现密闭，不属于压力容器，因此无须配置安全阀。但由于液气分离器使用的特殊性，仍建议选配相应等级的安全阀，且安全阀的泄放管线出口应避开逃生路线和安全区域[5]。
5.2 仪表的配置要求
海洋钻修机液气分离器一般配置两块压力表，一块表为顶部压力表，安装于液气分离器顶部或排气管线入口处，用于监测排出气体的压力;另一块表为液封监测压力表，安装于液气分离器底部或U型管的底部，用于监测液封高度。为了便于观察，建议将两块表引至便于司钻观察的位置，同时建议压力传感器前可安装截止阀，便于后期传感器的更换或维护[6]。
5.3 防洪吸管线的配置要求
当出现溢流、井涌或井喷时，液气分离器一旦失效，含气的液体可能会从排气管线、防虹吸管线喷出，因此建议防虹吸管线应引至井架，并高出天车至少3 m。
6 结语
（1）该文依据标准规范和经验公式，对海洋钻修机液气分离器标准设计值进行了推荐，但在海洋钻修机液气分离器设计时，还应充分对钻井期间的井控条件、钻井装备的配置等分析研究，并借助于井控手册、辅助软件等进行系统校核。
（2）海洋钻修机液气分离器的设计、选型应尽量遵循“内径大、高度高、液封高”的原则，并尽可能地增大液气分离器的进液管线、排气管线、排液管线等内径，同时还需考虑降低各管线的摩阻。
（3）由于SY/T6962标准中规定了液气分离器的最小内径、最小处理量的要求，因此在海洋钻修机液气分离器设计时，应先确定液气分离器本体内径和排气、排液管线内径，再进行液气分离器的高度设计，以满足最小处理量的设计要求。
参考文献
[1] 国家能源局.海洋钻井装置井控系统配置及安装要求：SY/T 6962-2018[S].北京：石油工业出版社，2018.
[2] 国家能源局.钻井井控装置组合配套、安装调试与使用规范：SY/T 5964-2019[S].北京：石油工业出版社，2019.
[3] 张玉山，赵维青，严德.重力式气液分离器处理能力分析[J].石油矿场机械，2017，46（1）：25-28.
[4] 任美鹏，杨向前.海上钻井井控期间液气分离器处理能力研究[J].石油钻采工艺，2020，42（2）：172-180.
[5] 张岩，陈金国.液气分离器现场安装要点分析[J].石化技术，2020，27（5）：193-194.
[6] 艾绍磊，田恒，张利宾.钻井液气分离器常见隐患分析及对策[J].设备管理与维修，2019（2）：54-55.
关键词：海洋钻修机 液气分离器 标准化设计 液封高度 配套部件
中图分类号：TE95 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（b）-0039-04
Research on Standardized Design of Liquid-gas Separator for Offshore Drilling and Workover Rig
DING Hui
（Tianjin Branch， CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin， 300459 China）
Abstract： The liquid-gas separator of offshore drilling and workover rig is one of the important well control equipment in the process of drilling and workover. However， due to the lack of design references and practical application experience， the design and construction standards of liquid-gas separator are not unified， which brings some confusion to the designers of offshore drilling and workover rig. This paper carries out the analysis and research on the processing capacity of the liquid- gas separator of the offshore drilling and workover rig， checks and calculates the inner diameter， height and liquid seal height of the liquid gas separator body， and gives the design recommended value， makes requirements and suggestions on the configuration and installation of the supporting parts of the liquid-gas separator， which provide reference for the design and installation of the liquid-gas separator of the offshore drilling and workover rig in the future.
Key Words： Offshore drilling and workover rig; Liquid-gas separator; Standardization design; Liquid seal height; Matching parts
海洋鉆修机液气分离器是在钻修井作业过程中处理钻井液气侵的专用设备。由于海洋钻修机液气分离器的设计、建造及安装等参考文献较少，且钻井液气分离器实际应 用较少，导致在液气分离器的设计选型、液封高度、防洪吸管及安全阀等方面存在标准不统一、建造不一致等问题，给海洋钻修机液气分离器的设计建造、完整性管理及安全作业带来了一定难度。
该文依据海洋钻修机液气分离器处理能力要求，开展了液气分离器本体内径、筒体高度及液封高度等参数的校核计算，给出了相应的设计推荐值，并对液气分离器配套部件的配置、安装等进行了要求和建议，为今后海洋钻修机液气分离器的设计、建造提供了一定的参考依据。
1 液气分离器
海洋钻修机一般配置常压式、立式液气分离器[1]，并安装于海洋钻修机钻台阻流管汇附近。海洋钻修机液气分离器工作原理较为简单，当出现溢流、井涌或井喷时，井内循环钻井液或油气混合液通过节流管汇缓冲管进入液气分离器，通过液体分离器内部多层斜挡板使液体、气体分离，液体在重力作用下通过U型管排至泥浆罐，气体通过放空管线直接排出，实现液气分离的功能。
海洋钻修机液气分离器的处理能力不小于4 320 m3/d，内径一般不小于762 mm[1]，液气分离器的进液管线一般不小于阻流管汇主通径，排气管线一般配置6"（内径152 mm）或8"（内径203 mm）管线，排液管线一般配置8"（内径203 mm）管线，防虹吸管线一般配置6"及以下管线，以上管线一般为钢制硬管[2]。
2 液气分离器内径标准化设计
当出现溢流、井涌或井喷时，液气分离器将含气的混合液速度降到临界携液速度以下，保证含气的混合液能够顺利分离。比如：含气的混合液速度超过临界携液速度，混合液将被高速气流携带从排气管排出，液气分离器失效。 根据修正的斯托克斯定律校核液气分离器的气体处理能力，液气分离器处理能力按照给定速度下运动气流中沉降出来的最小液滴颗径的原则。在操作条件下，气体最大允许表观速度和气体处理量计算公式如（1）和（2）：
（1）
（2）
式中，Va为最大允许表观流速，m/s;K为常数，取决于设计和操作条件;ρ1为操作条件下液体密度，kg/m3;ρg为操作条件下气体密度，kg/m3;QGS为气体处理量，m3/d;Dmin为液气分离最小内径，m;MW为气体摩尔质量，kg/mol;VMS为气体摩尔体积，m3/mol。
从式（1）和式（2）可以看出，液气分离器的内径与液气分离器气体处理量成正比，因此液气分离器的内径越大，气体处理量越大。同时，液气分离器气体处理量与操作条件下气体密度成正比，因此液气分离器排气管线内径越大，气体处理量越大[3]。参考SY/T0515油气分离器规范，海洋钻修机液气分离器内径、排气管线内径推荐值如表1所示。
3 液气分离器筒体高度标准化设计
液气分离器液体处理能力取决于停留时间和油气界面面积，基本要求是使处理液有足够长的停留时间，并有足够的界面面积使处理液中夹带的气体能充分逸出。基于停留时间所需的液体处理量或沉降容积量的计算公示如式（3）：
（3）
式中：W为流动条件下液体处理能力，m3/d;t为停留时间，min;h为液体沉降高度，m。
处理液停留时间t取1 min（假设原油的相对密度小于0.846 7（API度大于35°）的两相分离设计所需的停留时间），根据表1中推荐的液气分离器内径尺寸，计算液体沉降高度h，同时考虑液体沉降体积应不超过液气分离器总容积的1/3，海洋钻修机液气分离器筒体高度推荐值见表2所示。
4 液气分离器液封高度标准化设计
海洋钻修机液气分离器是通过排液口U型管来避免含气的混合液直接从液气分离器的排液口排出，而导致液气分离器失效。液气分离器液封高度的确定，需要依据所处理气侵钻井液中氣体溢出的峰值，而气体溢出的峰值与地层气在钻井液中的溶解度密切相关，因此从钻井液角度分析、计算液气分离器液封高度。
4.1 水基钻井液作用下的液封高度
采用水基钻井液时，液气分离器液封高度计算公式如式（4）和（5）：
（4）
式中hw为液气分离器液封高度，m;ρ为混合气体密度，kg/m3;L为排气管线长度，m;λ为紊流状态下的管路沿程阻力系数，取0.074;v为排气流速，m/s;d为排气管线直径，m;δml为钻井液密度梯度，Pa/s;q为单泵排量，m3/min;P为节流阀压力，MPa。
研究水基钻井液下的液气分离器液封高度，需要将现场数据带入（4）和（5）式中进行计算。暂设定单泵排量为0.4 m3/min，节流阀压力为10 MPa，混合气体密度为0.72 kg/m3，钻井液密度梯度为5 700 Pa/s，海洋钻修机液气分离器液封高度推荐值见表3所示。
4.2 油基钻井液作用下的液封高度
采用油基钻井液时，液气分离器液封高度计算公式[4]：
式中，hw为液气分离器液封高度，m;Z为液气分离器的液面高度，m;g为重力加速度标准值;?p为液气分离器内气室压力与标准大气压的差;ρw为钻井液密度，kg/m3;v2为排液口最小流速，m/s;v1为液气分离器液面下降流速，m/s;λw为排液管路沿程阻力系数;Lw为排液管路长度，m;d为排液管线直径，m;∑.ξ为局部阻力系数。
从式（6）可以看出，液气分离器液封高度与液体沉降高度、液面下降速度级排液口最小流速等有关，液面下降速度一般可以忽略不计，因此液气分离器的液封高度只要不小于2 600 mm时，可以满足在油基钻井液的使用要求。
从水基、油基钻井液角度分析计算，液气分离器的液封高度应不小于2 600 mm，目前海洋钻修机液气分离器的液封高度一般为3 000 mm，因此液封高度可以满足任何钻井液的使用要求。
5 液气分离器配套部件标准化设计
5.1 安全阀的配置要求
海洋钻修机液气分离器一般为常压式结构液气分离器，其配置的排气管线直通大气，无法实现密闭，不属于压力容器，因此无须配置安全阀。但由于液气分离器使用的特殊性，仍建议选配相应等级的安全阀，且安全阀的泄放管线出口应避开逃生路线和安全区域[5]。
5.2 仪表的配置要求
海洋钻修机液气分离器一般配置两块压力表，一块表为顶部压力表，安装于液气分离器顶部或排气管线入口处，用于监测排出气体的压力;另一块表为液封监测压力表，安装于液气分离器底部或U型管的底部，用于监测液封高度。为了便于观察，建议将两块表引至便于司钻观察的位置，同时建议压力传感器前可安装截止阀，便于后期传感器的更换或维护[6]。
5.3 防洪吸管线的配置要求
当出现溢流、井涌或井喷时，液气分离器一旦失效，含气的液体可能会从排气管线、防虹吸管线喷出，因此建议防虹吸管线应引至井架，并高出天车至少3 m。
6 结语
（1）该文依据标准规范和经验公式，对海洋钻修机液气分离器标准设计值进行了推荐，但在海洋钻修机液气分离器设计时，还应充分对钻井期间的井控条件、钻井装备的配置等分析研究，并借助于井控手册、辅助软件等进行系统校核。
（2）海洋钻修机液气分离器的设计、选型应尽量遵循“内径大、高度高、液封高”的原则，并尽可能地增大液气分离器的进液管线、排气管线、排液管线等内径，同时还需考虑降低各管线的摩阻。
（3）由于SY/T6962标准中规定了液气分离器的最小内径、最小处理量的要求，因此在海洋钻修机液气分离器设计时，应先确定液气分离器本体内径和排气、排液管线内径，再进行液气分离器的高度设计，以满足最小处理量的设计要求。
参考文献
[1] 国家能源局.海洋钻井装置井控系统配置及安装要求：SY/T 6962-2018[S].北京：石油工业出版社，2018.
[2] 国家能源局.钻井井控装置组合配套、安装调试与使用规范：SY/T 5964-2019[S].北京：石油工业出版社，2019.
[3] 张玉山，赵维青，严德.重力式气液分离器处理能力分析[J].石油矿场机械，2017，46（1）：25-28.
[4] 任美鹏，杨向前.海上钻井井控期间液气分离器处理能力研究[J].石油钻采工艺，2020，42（2）：172-180.
[5] 张岩，陈金国.液气分离器现场安装要点分析[J].石化技术，2020，27（5）：193-194.
[6] 艾绍磊，田恒，张利宾.钻井液气分离器常见隐患分析及对策[J].设备管理与维修，2019（2）：54-55.