一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置及操作方法

摘要

本发明公开了一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置，包括：水池、试验模型和油水置换系统，试验模型通过系泊组件悬浮设于水池内，油水置换系统位于水池外并与试验模型通过注油管线和卸油管线连接，试验模型上设有油水界面位置在线监测仪，试验模型内设有水下摄像系统，还包括与试验模型底部相连且与后者内部连通的水中含油在线测量系统，水池中还设有用于检测试验模型实时温度的温度测量系统。本发明还提供一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的操作方法。本发明的试验装置仿真度高、便于操作且安全系数高，可准确研究多种不同试验条件对油水置换结构的影响，同时能系统验证水下油水置换技术应用于浮式海洋平台的可行性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟海上油水置换储油系统储卸油过程的试验装置，具体而言，特别涉及一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置及操作方法。

背景技术

随着近海油气资源的日益减少和油气田开发的总成本不断增加，对深水海洋平台“钻-采-储-运”综合能力的要求不断提高，中国专利CN103912245A和美国专利US9327805B2共同提出了一种“新型深水钻井生产立式储油平台”，它采用油水置换技术把Spar平台生产的原油储存在平台主体位于水面以下的储油舱中。

油水置换技术也叫湿式储油技术，该技术已被国外石油公司广泛用于重力式混凝土储油平台和海底储油舱。油水置换储油技术的原理为：油水不相溶且油的密度低于水；储油时，原油以较低的速度从舱顶注入储油舱，油会浮在水的上面，相同体积的海水则从舱底被排出舱外，同时，油和水在舱内会自发地形成一个油水界面；卸油时，从舱顶以较高的速度抽取原油，由于舱底的海水与外界海水连通，海水受静水压力的作用从舱底进入储油舱并填充原油空间。在储卸油过程中，油水界面上下移动，不断调整舱内原油和海水的相对体积，使储油舱始终保持充满液体状态。由于湿式储油舱内始终充满油和水且位于水面以下，受风浪、海流和冰等影响较小，结构承受载荷较小，需要的舱容和压载量较小，因此，与传统干式储油技术相比，油水置换技术的储油成本较低，且储油安全性较高，优势非常明显。

浮式Spar储油平台的提出可以极大地提高深水工程技术解决方案的灵活度和降低深水油田开发的总成本，但在浮式Spar平台中采用油水置换技术，不可避免会带来以下几个问题：（1）油水置换操作导致海水对舱壁凝油层的剪切作用会使得部分凝油脱离沉积层而进入海水中，当海水中的含油量超过一定程度时可能会对海洋环境造成污染；（2）油水置换过程中，受到流场扰动、表面活性剂、温度和压力等诸多因素的影响，油水界面附近会产生乳化层，进而影响油水界面监测仪的测量精度；（3）平台在进行储油操作时，进入储油舱内的原油温度较高，热油与低温舱壁和低温海水直接接触，原油的热量会通过舱壁和油水界面传递给舱内外的海水。因此，研究浮式Spar储油平台油水置换过程是十分必要的。

中国专利CN205487085U和CN201710874834.9分别提出了一种“深水钻井生产储卸油平台油水置换小型试验装置”和一种“深水钻井生产立式储油平台动态油水置换试验装置与方法”，可以模拟立式储油平台油水置换过程。但是，此专利存在很多不足之处：没有把平台模型放置在水池内，不能准确模拟注油流程中储油舱内部海水被挤压出储油舱的过程以及卸油流程中水池内海水受静水压力作用自动流入储油舱内的过程，也不能准确模拟储油舱内热油与外部常温水的热量传递过程，仿真度低；没有增设制氮机，试验安全性低；不能自动连续提取置换水样并进行化验，操作复杂；不能实时准确测量油水界面的位置，不能实现注油排水和注水排油过程自动切换，自动化程度低。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。有鉴于此，本发明需要提供一种仿真度高、便于操作且安全系数高，可准确研究多种不同试验条件对油水置换结构的影响，同时能系统验证水下油水置换技术应用于浮式海洋平台的可行性的浮式油水置换储卸油平台水池试验装置及操作方法。

本发明提供一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置，包括：水池、试验模型和油水置换系统，所述试验模型通过系泊组件悬浮设于所述水池内的海水中，所述油水置换系统位于所述水池的外侧并与所述试验模型通过注油管线和卸油管线连接，所述试验模型的上顶面设有油水界面位置在线监测仪，所述试验模型的内部设有水下摄像系统，还包括与所述试验模型底部相连，且与所述试验模型内部连通的水中含油在线测量系统，所述水池中还设有用于检测所述试验模型实时温度的温度测量系统。

根据本发明的一个实施例，所述试验模型包括储油舱、油沉箱、水缓冲舱、浮舱、内水管和外水管，所述储油舱与所述油沉箱连通，所述外水管贯通所述储油舱且其两端分别与所述水缓冲舱和所述水池连通，所述内水管连通所述储油舱和所述水缓冲舱，所述内水管的顶端所处高度位置高于所述外水管的顶端，所述内水管的底端与所述储油舱的底部间隔预定距离设置，所述油水界面位置在线监测仪设在所述油沉箱的顶面上。

根据本发明的一个实施例，所述油水置换系统包括原油储罐、原油加热器、制氮机、注油泵和卸油泵，所述原油储罐内通过隔板分为顶部连通的第一隔间和第二隔间，且所述第一隔间和所述第二隔间的底部通过带有阀门的连通管道连接，所述制氮机与所述第一隔间连通，所述第一隔间与所述油沉箱通过所述注油管线连通，所述第二隔间与所述油沉箱通过所述卸油管线连通，所述卸油管线伸入所述油沉箱内部的距离大于所述注油管线伸入所述油沉箱内部的距离，所述注油泵设在所述注油管线上，所述卸油泵设在所述卸油管线上，所述原油加热器通过分支管路设在所述卸油泵和所述第二隔间之间。

根据本发明的一个实施例，进一步包括滑动廊桥，所述滑动廊桥位于所述水池的上方，且包括廊桥通道和移动导轨，所述移动导轨固定在所述水池两侧的地面上，所述廊桥通道两侧底部设有与所述移动导轨配合使用的滑轮。

根据本发明的一个实施例，所述系泊组件包括固定在所述水池底部的多个系泊环、设在所述试验模型外壁上的多个系泊板以及连接所述系泊环和所述系泊板的系泊缆。

根据本发明的一个实施例，所述水下摄像系统包括固定在所述储油舱底部的水下摄像机和光源，所述光源为多个且均匀设在所述水下摄像机的周围。

根据本发明的一个实施例，所述水中含油在线测量系统包括水中含油在线分析仪、第一取样管道和第二取样管道，所述第一取样管道的两端分别与所述水中含油在线分析仪和所述内水管的底端相连，所述第二取样管道的两端分别与所述水中含油在线分析仪和所述外水管的底端相连。

根据本发明的一个实施例，所述温度测量系统包括支架、设在支架上的多个温度传感器以及与所述温度传感器连接的温度记录仪，所述支架设在所述水池内部以及所述储油舱内部。

根据本发明的一个实施例，还包括配电设备和中控设备，所述配电设备包括依次连接的配电柜和输电缆，以满足试验装置所需的供电需求；所述中控设备包括用于控制试验装置各部件动作的操控台以及用于数据测量设备的计算机采集软件和硬件。

本发明还提供一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的操作方法，包括以下步骤：

S1、将原油储罐中的原油加热到设定温度：打开原油储罐和原油加热器之间的加热管线阀门，并关闭其他管线中的阀门，启动卸油泵和原油加热器，当原油储罐中的温度计检测到原油温度达到设定温度时，原油加热器、卸油泵和原油加热管线阀门自动关闭；

S2、注油排水流程：打开注油管线上的阀门，启动注油泵并调节注油泵流量，原油从注油管线进入油沉箱，储油舱底部海水受挤压后从内水管进入水缓冲舱，同时，水缓冲舱底部海水受压后从外水管流出，进入水池，当油水界面位置在线监测仪显示储油舱已注满时，注油泵自动关闭，该流程结束；

S3、卸油注水流程：打开卸油管线上的阀门，启动卸油泵，调节卸油泵流量，原油从油沉箱进入卸油管线，储油舱外部海水受静水压力的作用从外水管进入水缓冲舱，同时，水缓冲舱顶部海水从内水管进入储油舱底部，当油水界面位置在线监测仪显示储油舱已排空时，卸油泵自动关闭，该流程结束；

S4、数据采集及检测：注油排水流程和卸油注水流程中，全程开启水下摄像机和光源，记录储油舱内油水界面的上下移动过程导致的油水界面形状变化，全程开启各种数据测量设备，采集流量、温度、油水界面位置、水中含油量等信号。

本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置及操作方法，将试验模型悬浮于水池内的海水中，能准确模拟水下油水置换过程以及平台储油舱内热油与舱内外常温海水之间的热量传递过程；原油储罐采用氮封，安全性高；装置可自动提取置换水样并实时进行化验分析，测量精度高；可准确测量油水界面位置，从而可实现注油排水和注水排油过程自动切换；整套装置系统仿真度高、操作方便，可准确研究多种不同的试验条件对油水置换结果的影响，同时能系统验证水下油水置换技术应用于浮式海洋平台的可行性；与海上试验相比，水池试验的成本较低，试验环境条件和平台运动参数可控，风险较小，而且可以重复开展试验，全面系统地研究浮式油水置换储卸油平台的各类问题。

附图说明

图1是根据本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的结构示意图。

图2是根据本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的试验模型内部的结构示意图。

图3是根据本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的试验模型顶部的横截面结构示意图。

图4是根据本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的部分结构的俯视图。

图5是是根据本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的操作方法的流程示意图。

附图标记：1-水池；2-试验模型；3-油水置换系统；4-系泊组件；5-注油管道；6-卸油管道；7-油水界面位置在线监测仪；8-水下摄像系统；9-水中含油在线测量系统；10-温度测量系统；11-滑动廊桥；12-通气孔；13-阀门；21-储油舱；22-油沉箱；23-水缓冲舱；24-浮舱；25-内水管；26-外水管；31-原油储罐；32-原油加热器；33-制氮机；34-注油泵；35-卸油泵；36-流量计；37-温度计；41-系泊环；42-系泊板；43-系泊缆；81-水下摄像机；82-光源；91-水泵；101-支架；102-温度传感器；103-温度记录仪；111-廊桥通道；112-移动导轨；113-滑轮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图4所示，一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置包括：水池1、试验模型2和油水置换系统3，试验模型2通过系泊组件4悬浮设于水池1内的海水中，油水置换系统3位于水池1的外侧并与试验模型2通过注油管线5和卸油管线6连接，试验模型2的上顶面设有油水界面位置在线监测仪7，试验模型2的内部设有水下摄像系统8，还包括与试验模型2底部相连，且与试验模型2内部连通的水中含油在线测量系统9，水池1中还设有用于检测试验模型2实时温度的温度测量系统10，需要理解的是，水池1可部分位于地面以下，也可整体位于地面以下，水池1形状为圆筒形钢筋混凝土结构，水池1直径可取四倍于试验模型2直径，水池1深度可取1.2～1.5倍试验模型2直径。

本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置及操作方法，将试验模型2悬浮于水池1内的海水中，能准确模拟水下油水置换过程以及平台储油舱内热油与舱内外常温海水之间的热量传递过程；原油储罐31采用氮封，安全性高；装置可自动提取置换水样并实时进行化验分析，测量精度高；可准确测量油水界面位置，从而可实现注油排水和注水排油过程自动切换；整套装置系统仿真度高、操作方便，可准确研究多种不同的试验条件对油水置换结果的影响，同时能系统验证水下油水置换技术应用于浮式海洋平台的可行性；与海上试验相比，水池试验的成本较低，试验环境条件和平台运动参数可控，风险较小，而且可以重复开展试验，全面系统地研究浮式油水置换储卸油平台的各类问题。

如图1和图2所示，试验模型2为圆柱形钢结构的浮式油水置换储卸油平台的模型，分为上下两段，试验模型2包括储油舱21、油沉箱22、水缓冲舱23、浮舱24、内水管25和外水管26，上段由油沉箱22、水缓冲舱23和浮舱24组成，下段为储油舱21，其中油沉箱22的横截面为正方形，和水缓冲舱23的横截面共同组成一个更大的正方形，且上段横截面的其余部分为浮舱24，储油舱21与油沉箱22连通，外水管26贯通储油舱21且其两端分别与水缓冲舱23和水池1连通，内水管25连通储油舱21和水缓冲舱23，内水管25的顶端所处高度位置高于外水管26的顶端，内水管25的底端与储油舱21的底部间隔预定距离设置，油水界面位置在线监测仪7设在油沉箱22的顶面上，其中油沉箱22和水缓冲舱23顶部开有通气孔12，与外部大气连通。

如图1所示，油水置换系统3包括原油储罐31、原油加热器32、制氮机33、注油泵34和卸油泵35，原油储罐31为卧式圆柱形钢罐，外部包裹有保温及电伴热层，内部通过隔板分为顶部连通且均设有温度计37的第一隔间和第二隔间，其中第一隔间的顶部设有与外界大气连通的通气孔12，第一隔间和第二隔间的底部通过带有阀门的连通管道连接，制氮机33与第一隔间连通，制氮机33以空气为原料，利用物理方法将其中的氧气和氮气进行分离而获得氮气并对原油进行氮封，安全系数高，第一隔间与油沉箱22通过注油管线5连通，第二隔间与油沉箱22通过卸油管线6连通，卸油管线6伸入油沉箱22内部的距离大于注油管线5伸入油沉箱22内部的距离，注油泵34设在注油管线5上，卸油泵36设在卸油管线6上，原油加热器32通过分支管路设在卸油泵35和第二隔间之间，其中在所有管线中均设有阀门13并采用气动控制，气源来自制氮机，注油管线5和卸油管线6上还设有流量计36，注油泵34为离心泵，卸油泵35为齿轮泵，其中原油加热器32为电加热器，由电器控制柜、外壳、保温层、电热元件、进油管道、出油管道、温度计和高温报警点组成，电热元件为不锈钢U型管，温度计采集的数据可传送至中控设备中，从而控制原油加热器32的开启与关闭。

如图4所示，进一步包括滑动廊桥11，滑动廊桥11位于水池1的上方，且包括廊桥通道111和移动导轨112，移动导轨112固定在水池1两侧的地面上，廊桥通道111两侧底部设有与移动导轨112配合使用的滑轮113，廊桥通道111可沿移动导轨112从水池1的一侧移动到另一侧，用于即时观察试验装置的动态。

如图1所示，系泊组件4包括固定在水池1底部的多个系泊环41、设在试验模型2外壁上的多个系泊板42以及连接系泊环41和系泊板42的系泊缆43，其中系泊板42中部开设有系泊孔，试验模型2和水池1注水之前，通过系泊缆43将试验模型2和水池1连接在一起，注水之后，由于浮舱24内充满空气，试验模型2在浮力和系泊缆43拉力的共同作用下，悬浮于水池1的海水中。

如图1和图2所示，水下摄像系统8包括固定在储油舱21底部的水下摄像机81和光源82，光源82为多个且均匀设在水下摄像机81的周围，水下摄像机81焦距可调，光源82亮度可调。

如图1所示，水中含油在线测量系统9包括水中含油在线分析仪、第一取样管道和第二取样管道，第一取样管道的两端分别与水中含油在线分析仪和内水管25的底端相连，第二取样管道的两端分别与水中含油在线分析仪和外水管26的底端相连，其中两个取样管道中均设有水泵91和阀门，以对注油排水流程和卸油注水流程中水中含有量进行实时检测并分析。

如图1所示，温度测量系统10包括钢管制成的支架101、设在支架101上的多个温度传感器102以及与温度传感器102连接的温度记录仪103，支架101设在水池1内部以及储油舱21内部，实时检测试验模型2在试验过程中各个运动状态的温度。

还包括配电设备和中控设备，配电设备包括依次连接的配电柜和输电缆，以满足试验装置所需的供电需求；中控设备包括用于控制试验装置各部件动作的操控台以及用于数据测量设备的计算机采集软件和硬件，其中操控台用于操控制氮机33、原油加热器32、注油泵34、卸油泵35、水泵91、气动阀门、阀门、水下摄像头81和光源82的动作状态，计算机采集软件和硬件用于流量计36、温度计37、水下摄像机81、温度记录仪103、油水界面位置在线监测仪7、水中含油在线分析仪等数据测量设备使用。

如图1至图5所示，一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的操作方法，包括以下步骤：

S100、将原油储罐31中的原油加热到设定温度：打开原油储罐31和原油加热器32之间的加热管线阀门，并关闭其他管线中的阀门，启动卸油泵35和原油加热器32，当原油储罐31中的温度计检测到原油温度达到设定温度时，原油加热器32、卸油泵35和原油加热管线阀门自动关闭；

S200、注油排水流程：打开注油管线5上的阀门，启动注油泵34并调节注油泵流量，原油从注油管线5进入油沉箱22，储油舱21底部海水受挤压后从内水管25进入水缓冲舱23，同时，水缓冲舱23底部海水受压后从外水管26流出，进入水池，当油水界面位置在线监测仪7显示储油舱21已注满时，注油泵34自动关闭，该流程结束；

S300、卸油注水流程：打开卸油管线6上的阀门，启动卸油泵35，调节卸油泵流量，原油从油沉箱22进入卸油管线6，储油舱21外部海水受静水压力的作用从外水管26进入水缓冲舱23，同时，水缓冲舱23顶部海水从内水管25进入储油舱21底部，当油水界面位置在线监测仪7显示储油舱21已排空时，卸油泵35自动关闭，该流程结束；

S400、数据采集及检测：注油排水流程和卸油注水流程中，全程开启水下摄像机81和光源82，记录储油舱21内油水界面的上下移动过程导致的油水界面形状变化，全程开启各种数据测量设备，采集流量、温度、油水界面位置、水中含油量等信号。

本发明的一种浮式油水置换储卸油平台水池试验装置的操作方法，可自动提取置换水样并实时进行化验分析，测量精度高；可准确测量油水界面位置，从而可实现注油排水和注水排油过程自动切换；整套系统仿真度高、操作方便，可准确研究多种不同的试验条件对油水置换结果的影响，同时能系统验证水下油水置换技术应用于浮式海洋平台的可行性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。