2016年第45卷 第9期第67页
文章编号：1001-3482(2016)09-0067-04
OIL FIELD EQUIPMENT
石油矿场机械
2016, 45(9) ：67-70
半潜式生产平台油气水处理设备配置选型研究
吴磊，肖文生，刘琦，谷向郁
(中国石油大学机电工程学院，山东青岛
266580)
摘要：选用流花16-2油田所处的南海深水海域作为目标作业海域的环境条件，对生产平台的油气
水处理系统配置选型问题进行研究。针对目标平台油气水处理系统，选取三相分离器作为研究对 象，对满足性能要求的三相分离器建立基于模糊层次分析法的分析模型，并通过M A T T L A B 编程计 算，得出了最优配置选择。应用该方法，可在降低成本的基础上，充分发挥设备性能，从而提高整个 平台的作业效率以及油田的综合效益。
关键词：半潜式生产平台；三相分离器；模糊层次分析法
中图分类号：TE 952
文献标识码：A
doi ：10. 3969/j . issn . 1001-3482. 2016. 09. 015
Configuration Selection Research of Oil and Gas Treating Facilities on
Deepwater Semi-submersible Production Platform
WU Lei,XIAO Wensheng，LIU Qi，GU Xiangyu
{College of Mechanical and Electronic Engineering , China University of Petroleum , Qingdao 266580 , China)
Abstract ：In order to do study on the configuration selection problem of oil and gas water treat ment system on production platform , choosing the environment condition of 16-2 Liu-hua oilfield in the deep waters of the South China Sea as the environmental conditions of target assignment sea area . For oil and gas water treatment system in target platform , choosing three-phase separa tor as the research object , to establish analysis model based on fuzzy analytic hierarchy process which meets the performance requirements of three-phase separator and obtained the optimal con figuration options by the MATLAB . Applying this method can give full play to the equipment performance based on saving the actual production cost , so as to improve the working efficiency of the whole platform and oilfield comprehensive benefits . Keywords ： semisubmersible production platform ； three phase separator ； fuzzy analytic hierarchy
process as environmental conditions of the target assignment
半潜式生产平台上的油气水处理系统设备由 于所处海洋环境的特殊性，平台油气水处理系统
的配置问题显得尤为关键。本文以南海为目标海 域，选用流花16-2油田所处的环境条件作为目标
收稿日期=2016-03-08基金项目：工信部高技术船舶科研项目“深海半潜式生产平台总体设计关键技术研究”作者简介：吴磊（1988-) ，男，河南睢县人，博士研究生，主要从事石油机械、海洋石油装备等方面的理论与应用研究，E-
mail:wuleiupc@163. com0
• 68 •
石油矿场机械
2016年9月
海域的环境条件，并以三相分离器为例，作基于模 糊层次分析法的深水半潜式生产平台油气水处理 系统配置的选型。对于流花16-2油田生产能力， 取最大油处理量22. 08 m 3/min ，最大气处理量 58. 99 m 3/s ，最大生产水处理量33. 12 m 3/min ，原 油密度890 kg /m 3。
1
模糊层次分析法
层次分析法通过定性、定量分析解决选择性的
问题[1]。其主要分析步骤如下：
1) 建立递阶层次结构模型。分析影响选择决
策的因素以及各影响因素之间的联系，再根据影响
因素属性不同，一般将其自上向下分解成目标层、准 则层和方案层3个层次，每一层次都有作为准则的 元素。
2)
确定优先关系矩阵。将相邻层次的影响因 素进行重要性对比，作出优先关系矩阵F 。将此按 照重要性比较的因素构成的集合记为
/„}，则针对上一层某个因素A 的优先关系矩阵F =(/y )„x „，其中：
/y =■
s (i ) =s (j )
(1)
式中：s (0，s (j )分别为指标/,，/, 的相对重要性 程度。
3) 优先关系矩阵转化为模糊一致矩阵。对F 按行求和，记为：
(2)
进行变换：
r l ：) = ¥\I n
Fj +0. 5 z . = l ，2，•••，” (3)
矩阵即为模糊一致矩阵[2]。4)
计算指标权重。计算步骤3转换后的模糊
一致矩阵中准则层各因素对目标层以及方案层各因 素对准则层的重要次序，此处选用按行求和归一化 法计算指标权重[3]。
指标/,对上层因素A 的指标权重为：
n
^ r ik
UJ 1=^；I —
O
n
= — Y j r lk
z ' =l ,2, •••, ? ? (4)
i = l j =
1
5) 计算综合指标权重。根据步骤4指标权重
的计算结果，计算综合指标权重。方法是将准则层 各个因素的指标权重方与案层的因素的指标权重相 乘再求和，得出的综合指标权重最大的方案即为最 优方案。
2
在三相分离器中的应用
2. 1
油气水处理系统配置原则
设备配置选型是在节约成本基础上实现设备用 途最大化以达到设备运行要求为目的。同时，设备
配置要防止可燃和有毒流体的意外泄露导致火灾、 爆炸、中毒、污染等事故产生。系统要能够适应诸如
温度、湿度、腐蚀以及风、浪、流引起的震动等海洋的
外部环境和所运送流体的内部环境，设备的强度和 密封性设计要足以容纳所运送的流体，设备的安装
坚固、可靠，无附加应力，设备安全、环保，便于操作
和保养。
2. 2三相分离器
重力沉降式三相分离器内部包括人口分流区、 集液区、重力沉降区、除雾器区4个部分。图1是三 相分离器的结构示意图，采出液首先进人人口分流 区，气液的预分离在采出液的液流动量发生改变情
况下完成。预分离后，液体进人集液区、沉降区，油 聚集到上层，水沉降到底层。通过集液区后，上部分 的油液溢过堰板，然后进人油室，由液位控制阀控制 其排出、控制油室的油位，下部分的水经排水阀排出 分离器。预分离后的气体在重力沉降区内去除较大 的液滴，在除雾器内去除较小液滴，液位控制阀控制 气的排出，保证了内部压力[4]。三相分离器设计需 要考虑液滴的沉降、液滴的大小、停留的时间3方面
内容。
第45卷第9期
吴磊，等:半潜式生产平台油气水处理设备配置选型研究
• 69 •
2. 3以三相分离器为例基于模糊层次分析法的设
备选型优化
相分离器的设备选型，可选用的三相分离器型号及技术参数如表1。
针对目标平台，在满足运行能力的基础上对三
表1
型号
可选的三相分离器方案
XSL-I 型
汉江油田 设计院
W S 型
胜利油田东胜公司
H B P 型
华油惠博 普集团
H X S 型
长庆油田公司
HP 丁型
华东石油装 备有限公司
BSSWS 型
碧海舟(北京）
石油化工设 备有限公司
生产厂家油出口含水率/ %
(mg • L-\)
气出口含油率/ (g • m-3 )油出口含盐率/ (mg • L-\)设计压力/MPa 设计温度/C容积利用率/ %
预分离室停留时间/min沉降分离器停留时间/mm 油室停留时间/mm
水出口含油率/
1) 建立递阶层次模型。
根据生产平台油气水处理系统设备配置原则， 三相分离器设备选型的准则有油出口含水率（B 1)， 水出口含油率(B 2)，操作压力（B 3)，操作温度（B 4)， 沉降分离时间（B 5)等，由于气出口含油率基本相 同，并且都符合设计要求，不作为目标层因素。方案 层中可选的设备型号有XSL -I 型、W S 型、H B P 型、 HXS 型、HPT 型、BSSWS 型。如图 2。
作为最后考虑因素。从而得到的优先关系的矩阵依次如表2〜3。
B 2-CZ 、B 3-CZ 、B 4-CZ 、B 5-C Z 的优先关系矩阵确 定的方式以及矩阵形式同B 1-C Z 的优先关系矩阵相 同，此处限于篇幅限制不再一一列出。
表2 A -B i 优先关系矩阵
A
B1B2B3B4B5B10. 50. 50003C210. 51111
B20. 50. 5000B3110. 500B41110. 50B511110. 5
表B l-C i 优先关系矩阵
图
2
三相分离器的选型递阶层次模型
2) 确定优先关系矩阵。
油出口含水率、水出口含油率为第一阶次因素， 其次是设计温度，然后是设计压力，将沉降分离时间
B1
Cl C2C3C4C5C6Cl 0. 5010. 500C3000. 5000C40. 5000. 500C510010. 51
C6100100. 5
• 70 •
石油矿场机械2016年9月
3)
优先关系矩阵转化为模糊一致矩阵。 按照式（2)〜（3)将A -B i 优先关系矩阵转成模
根据式(4)，求得准则层中各因素Bz 对A 的指 标权重为：
W A_B, = {0. 26,0. 26,0. 2,0. 2,0. 12}
计算方案层各因素对准则层及综合指标权 重，如表5。其中程序计算得出的三相分离器配置 排序已在表格最后一列用序号标出。
根据表5中计算结果，通过综合给定各个型号 油气水三相分离器配置准则（油出口含水率、水出口 含油率、操作压力、操作温度、沉降分离时间）的权
重，可以得出长庆油田公司H X S 型油气水三相分 离器为最佳配置选择。
糊一致矩阵K m C 如表4)。
表4
A -B i 模糊一致矩阵
八
B1
B2B3B4B5
B10. 50. 50. 350. 250. 15B20. 50. 50. 350. 250. 15B30. 650. 650. 50. 40. 3B40. 750. 750. 60. 50. 4B50. 850. 850. 70. 60. 5
表5各层次指标权重及综合指标权重
层次 _
B10. 260. 1570. 1570. 1570. 2130. 1570. 157
Cl C2C3C4C5C6
B20. 260. 0970. 1250. 2360. 2080. 1670. 17B30. 200. 1810. 1250. 2360. 2080. 1530. 097B40. 200. 1810. 2360. 1530. 2080. 0970. 125B50. 120. 2080. 0970. 2360. 1810. 1530. 125
层次总排序
综合指标权重
优先排序
0. 1630. 1570. 2080. 2140. 1530. 144342156
[3] 陆耀军，潘玉琦，薛敦松，等.重力式油水分离设备整流
3结论
构件的模拟实验优选研究[J ].石油学报，1996,12(1): 97-101. 1) 为了提高半潜式生产平台油气水处理系统
[4] 程纠. 海洋平台油气水分离器设计与分析[D ].成都： 的效率，本文采用模糊层次分析法对其配置选型进
西南石油大学，2014. 行研究。
2) 以油气水处理系统中的三相分离器为例， [5] 王军.三相分离器分离油气水效果分析及对策浅谈
[J ].石油矿场机械，2004,33(增刊）：118-120. 建立其选型评价模型，并通过M A T L A B 编程计算
[6] 李洪文，李成标，曹琼.基于模糊层次分析法的石油生
得出了最优的选型结果。
产设备ABC 分类研究[J ].技术与方法，2013,32(11): 3) 油气水处理系统是生产平台的核心部分，
227-228. 同时也是整个油田生产的关键环节。通过对油气水
[7] Saaty TL. Modeling unstructured decision problems-
处理系统进行优化，可以在节约成本的基础上，充分
the theory of analytical hierarchies[J]. Math Comput
发挥设备性能，从而提高整个平台的作业效率及油
Simulation,1978(20) =147-158.
田的综合效益。
[8] Vapnik V N. An overview of statistical learning theory
[J]. IEEE Trans Neural Network, 1999, 10 ( 5 ) ；
参考文献：
988-999. [1] 张吉军.模糊层次分析法（F A H P ) [ J ].模糊系统与科
[9] Suykens J A K?Vandewalle J. Least Squares Support 学，2000，14(2):80-88.
Vector Machine classifiers [J]. Neural Processing Let[2] 姚敏，黄燕君.模糊决策方法研究[J ].系统工程理论与
ters,1999 ,9(3) =293-300.实践，1999(11):61-64,70.
2016年第45卷 第9期第67页
文章编号：1001-3482(2016)09-0067-04
OIL FIELD EQUIPMENT
石油矿场机械
2016, 45(9) ：67-70
半潜式生产平台油气水处理设备配置选型研究
吴磊，肖文生，刘琦，谷向郁
(中国石油大学机电工程学院，山东青岛
266580)
摘要：选用流花16-2油田所处的南海深水海域作为目标作业海域的环境条件，对生产平台的油气
水处理系统配置选型问题进行研究。针对目标平台油气水处理系统，选取三相分离器作为研究对 象，对满足性能要求的三相分离器建立基于模糊层次分析法的分析模型，并通过M A T T L A B 编程计 算，得出了最优配置选择。应用该方法，可在降低成本的基础上，充分发挥设备性能，从而提高整个 平台的作业效率以及油田的综合效益。
关键词：半潜式生产平台；三相分离器；模糊层次分析法
中图分类号：TE 952
文献标识码：A
doi ：10. 3969/j . issn . 1001-3482. 2016. 09. 015
Configuration Selection Research of Oil and Gas Treating Facilities on
Deepwater Semi-submersible Production Platform
WU Lei,XIAO Wensheng，LIU Qi，GU Xiangyu
{College of Mechanical and Electronic Engineering , China University of Petroleum , Qingdao 266580 , China)
Abstract ：In order to do study on the configuration selection problem of oil and gas water treat ment system on production platform , choosing the environment condition of 16-2 Liu-hua oilfield in the deep waters of the South China Sea as the environmental conditions of target assignment sea area . For oil and gas water treatment system in target platform , choosing three-phase separa tor as the research object , to establish analysis model based on fuzzy analytic hierarchy process which meets the performance requirements of three-phase separator and obtained the optimal con figuration options by the MATLAB . Applying this method can give full play to the equipment performance based on saving the actual production cost , so as to improve the working efficiency of the whole platform and oilfield comprehensive benefits . Keywords ： semisubmersible production platform ； three phase separator ； fuzzy analytic hierarchy
process as environmental conditions of the target assignment
半潜式生产平台上的油气水处理系统设备由 于所处海洋环境的特殊性，平台油气水处理系统
的配置问题显得尤为关键。本文以南海为目标海 域，选用流花16-2油田所处的环境条件作为目标
收稿日期=2016-03-08基金项目：工信部高技术船舶科研项目“深海半潜式生产平台总体设计关键技术研究”作者简介：吴磊（1988-) ，男，河南睢县人，博士研究生，主要从事石油机械、海洋石油装备等方面的理论与应用研究，E-
mail:wuleiupc@163. com0
• 68 •
石油矿场机械
2016年9月
海域的环境条件，并以三相分离器为例，作基于模 糊层次分析法的深水半潜式生产平台油气水处理 系统配置的选型。对于流花16-2油田生产能力， 取最大油处理量22. 08 m 3/min ，最大气处理量 58. 99 m 3/s ，最大生产水处理量33. 12 m 3/min ，原 油密度890 kg /m 3。
1
模糊层次分析法
层次分析法通过定性、定量分析解决选择性的
问题[1]。其主要分析步骤如下：
1) 建立递阶层次结构模型。分析影响选择决
策的因素以及各影响因素之间的联系，再根据影响
因素属性不同，一般将其自上向下分解成目标层、准 则层和方案层3个层次，每一层次都有作为准则的 元素。
2)
确定优先关系矩阵。将相邻层次的影响因 素进行重要性对比，作出优先关系矩阵F 。将此按 照重要性比较的因素构成的集合记为
/„}，则针对上一层某个因素A 的优先关系矩阵F =(/y )„x „，其中：
/y =■
s (i ) =s (j )
(1)
式中：s (0，s (j )分别为指标/,，/, 的相对重要性 程度。
3) 优先关系矩阵转化为模糊一致矩阵。对F 按行求和，记为：
(2)
进行变换：
r l ：) = ¥\I n
Fj +0. 5 z . = l ，2，•••，” (3)
矩阵即为模糊一致矩阵[2]。4)
计算指标权重。计算步骤3转换后的模糊
一致矩阵中准则层各因素对目标层以及方案层各因 素对准则层的重要次序，此处选用按行求和归一化 法计算指标权重[3]。
指标/,对上层因素A 的指标权重为：
n
^ r ik
UJ 1=^；I —
O
n
= — Y j r lk
z ' =l ,2, •••, ? ? (4)
i = l j =
1
5) 计算综合指标权重。根据步骤4指标权重
的计算结果，计算综合指标权重。方法是将准则层 各个因素的指标权重方与案层的因素的指标权重相 乘再求和，得出的综合指标权重最大的方案即为最 优方案。
2
在三相分离器中的应用
2. 1
油气水处理系统配置原则
设备配置选型是在节约成本基础上实现设备用 途最大化以达到设备运行要求为目的。同时，设备
配置要防止可燃和有毒流体的意外泄露导致火灾、 爆炸、中毒、污染等事故产生。系统要能够适应诸如
温度、湿度、腐蚀以及风、浪、流引起的震动等海洋的
外部环境和所运送流体的内部环境，设备的强度和 密封性设计要足以容纳所运送的流体，设备的安装
坚固、可靠，无附加应力，设备安全、环保，便于操作
和保养。
2. 2三相分离器
重力沉降式三相分离器内部包括人口分流区、 集液区、重力沉降区、除雾器区4个部分。图1是三 相分离器的结构示意图，采出液首先进人人口分流 区，气液的预分离在采出液的液流动量发生改变情
况下完成。预分离后，液体进人集液区、沉降区，油 聚集到上层，水沉降到底层。通过集液区后，上部分 的油液溢过堰板，然后进人油室，由液位控制阀控制 其排出、控制油室的油位，下部分的水经排水阀排出 分离器。预分离后的气体在重力沉降区内去除较大 的液滴，在除雾器内去除较小液滴，液位控制阀控制 气的排出，保证了内部压力[4]。三相分离器设计需 要考虑液滴的沉降、液滴的大小、停留的时间3方面
内容。
第45卷第9期
吴磊，等:半潜式生产平台油气水处理设备配置选型研究
• 69 •
2. 3以三相分离器为例基于模糊层次分析法的设
备选型优化
相分离器的设备选型，可选用的三相分离器型号及技术参数如表1。
针对目标平台，在满足运行能力的基础上对三
表1
型号
可选的三相分离器方案
XSL-I 型
汉江油田 设计院
W S 型
胜利油田东胜公司
H B P 型
华油惠博 普集团
H X S 型
长庆油田公司
HP 丁型
华东石油装 备有限公司
BSSWS 型
碧海舟(北京）
石油化工设 备有限公司
生产厂家油出口含水率/ %
(mg • L-\)
气出口含油率/ (g • m-3 )油出口含盐率/ (mg • L-\)设计压力/MPa 设计温度/C容积利用率/ %
预分离室停留时间/min沉降分离器停留时间/mm 油室停留时间/mm
水出口含油率/
1) 建立递阶层次模型。
根据生产平台油气水处理系统设备配置原则， 三相分离器设备选型的准则有油出口含水率（B 1)， 水出口含油率(B 2)，操作压力（B 3)，操作温度（B 4)， 沉降分离时间（B 5)等，由于气出口含油率基本相 同，并且都符合设计要求，不作为目标层因素。方案 层中可选的设备型号有XSL -I 型、W S 型、H B P 型、 HXS 型、HPT 型、BSSWS 型。如图 2。
作为最后考虑因素。从而得到的优先关系的矩阵依次如表2〜3。
B 2-CZ 、B 3-CZ 、B 4-CZ 、B 5-C Z 的优先关系矩阵确 定的方式以及矩阵形式同B 1-C Z 的优先关系矩阵相 同，此处限于篇幅限制不再一一列出。
表2 A -B i 优先关系矩阵
A
B1B2B3B4B5B10. 50. 50003C210. 51111
B20. 50. 5000B3110. 500B41110. 50B511110. 5
表B l-C i 优先关系矩阵
图
2
三相分离器的选型递阶层次模型
2) 确定优先关系矩阵。
油出口含水率、水出口含油率为第一阶次因素， 其次是设计温度，然后是设计压力，将沉降分离时间
B1
Cl C2C3C4C5C6Cl 0. 5010. 500C3000. 5000C40. 5000. 500C510010. 51
C6100100. 5
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石油矿场机械2016年9月
3)
优先关系矩阵转化为模糊一致矩阵。 按照式（2)〜（3)将A -B i 优先关系矩阵转成模
根据式(4)，求得准则层中各因素Bz 对A 的指 标权重为：
W A_B, = {0. 26,0. 26,0. 2,0. 2,0. 12}
计算方案层各因素对准则层及综合指标权 重，如表5。其中程序计算得出的三相分离器配置 排序已在表格最后一列用序号标出。
根据表5中计算结果，通过综合给定各个型号 油气水三相分离器配置准则（油出口含水率、水出口 含油率、操作压力、操作温度、沉降分离时间）的权
重，可以得出长庆油田公司H X S 型油气水三相分 离器为最佳配置选择。
糊一致矩阵K m C 如表4)。
表4
A -B i 模糊一致矩阵
八
B1
B2B3B4B5
B10. 50. 50. 350. 250. 15B20. 50. 50. 350. 250. 15B30. 650. 650. 50. 40. 3B40. 750. 750. 60. 50. 4B50. 850. 850. 70. 60. 5
表5各层次指标权重及综合指标权重
层次 _
B10. 260. 1570. 1570. 1570. 2130. 1570. 157
Cl C2C3C4C5C6
B20. 260. 0970. 1250. 2360. 2080. 1670. 17B30. 200. 1810. 1250. 2360. 2080. 1530. 097B40. 200. 1810. 2360. 1530. 2080. 0970. 125B50. 120. 2080. 0970. 2360. 1810. 1530. 125
层次总排序
综合指标权重
优先排序
0. 1630. 1570. 2080. 2140. 1530. 144342156
[3] 陆耀军，潘玉琦，薛敦松，等.重力式油水分离设备整流
3结论
构件的模拟实验优选研究[J ].石油学报，1996,12(1): 97-101. 1) 为了提高半潜式生产平台油气水处理系统
[4] 程纠. 海洋平台油气水分离器设计与分析[D ].成都： 的效率，本文采用模糊层次分析法对其配置选型进
西南石油大学，2014. 行研究。
2) 以油气水处理系统中的三相分离器为例， [5] 王军.三相分离器分离油气水效果分析及对策浅谈
[J ].石油矿场机械，2004,33(增刊）：118-120. 建立其选型评价模型，并通过M A T L A B 编程计算
[6] 李洪文，李成标，曹琼.基于模糊层次分析法的石油生
得出了最优的选型结果。
产设备ABC 分类研究[J ].技术与方法，2013,32(11): 3) 油气水处理系统是生产平台的核心部分，
227-228. 同时也是整个油田生产的关键环节。通过对油气水
[7] Saaty TL. Modeling unstructured decision problems-
处理系统进行优化，可以在节约成本的基础上，充分
the theory of analytical hierarchies[J]. Math Comput
发挥设备性能，从而提高整个平台的作业效率及油
Simulation,1978(20) =147-158.
田的综合效益。
[8] Vapnik V N. An overview of statistical learning theory
[J]. IEEE Trans Neural Network, 1999, 10 ( 5 ) ；
参考文献：
988-999. [1] 张吉军.模糊层次分析法（F A H P ) [ J ].模糊系统与科
[9] Suykens J A K?Vandewalle J. Least Squares Support 学，2000，14(2):80-88.
Vector Machine classifiers [J]. Neural Processing Let[2] 姚敏，黄燕君.模糊决策方法研究[J ].系统工程理论与
ters,1999 ,9(3) =293-300.实践，1999(11):61-64,70.