稠油旋流除砂洗砂工藝與裝置研制

高慶春 羅紅梅 胡大鵬

(1.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司；2.大連理工大學化工機械學院)

隨著稠油油田開發理論與實踐的發展，相當大一部分砂礫隨著采出液帶出地面，給整個集輸系統帶來一系列的問題，主要表現在：砂礫在管道和設備中沉積，降低其處理能力，甚至堵塞管道和工藝設備；采出液攜砂引起輸油泵磨損，加劇管道、閥門和容器的腐蝕；在加熱流程中，砂沉積在加熱裝置的表面，妨礙正常的熱傳導，甚至出現局部過熱、穿孔。因此，油田地面集輸系統中除砂與清砂已成為亟待解決的問題。

自20世紀90年代以后，井口除砂技術迅速發展，各大油田針對自己的情況制定了合適的處理工藝，主要有油罐沉降除砂工藝[1]、靜態水力旋流除砂工藝[2]及靜態水力旋流除砂與洗砂組合工藝[3]等。油罐沉降除砂工藝流程簡單，是最早采用的一種除砂工藝，但其罐內清砂工作量大，主要適用于含砂量較少的油田。靜態水力旋流除砂工藝采用液相旋流產生的離心力進行油砂分離，具有結構簡單、分離效率高、設備體積小及安裝方便等優點[4]，因此該工藝得到了廣泛的關注。未經處理的含油泥砂直接排放會對環境造成嚴重的污染，因此部分工藝中還加入了洗砂工藝，減少了排砂中的含油量，從而減少污油回收與清理的工作量。

從目前水力除砂裝置的運行情況來看，主要存在的問題有：由于旋流除砂器內砂礫的沖刷作用，造成設備磨損嚴重，采用常規材料制作的旋流除砂器，使用壽命短，一般僅為3～6個月左右；靜態旋流除砂器靠來液自身壓力進行旋流分離，導致除砂裝置整體壓降較大，在來液壓力存在較大波動的情況下，操作彈性小，壓力不足時，分離效果差，影響下游操作；流程不夠合理，自動化程度低。每個旋流除砂器均配獨立的排砂罐和排砂閥組，排砂閥門頻繁開關動作造成使用壽命的降低。筆者針對常規水力旋流除砂器存在的問題進行研究，以期開發出一種性能優良的除砂器。

1 除砂系統優化方案

1.1工藝流程優化

在常規靜態旋流器的基礎上，對裝置采用了靜-動態旋流除砂器組合的方式。動態旋流除砂器采用變頻電機控制，可根據來液的壓力波動與含砂情況調節動態旋流器的葉輪轉速，以保證不同情況下除砂效果的穩定性。

裝置中排砂與洗砂采用相互聯鎖、自動運行的控制方式，并根據油中含砂量進行間歇排砂、洗砂作業，減少了動設備的運行時間，延長了工作壽命。在排砂動作完成之后，自動進行洗砂作業，洗砂作業單獨進行，保證了排出砂礫的清潔度。該裝置在洗砂過程中采用摻水工藝，提高了洗砂作業的工作效率，可保證砂中含油量低于3 000mg/kg，符合標準[5]的要求。

靜-動態旋流除砂器采用一體式的帶壓儲砂罐結構形式，儲砂罐采用帶壓倒排砂方式，避免了常規設計中儲砂罐內沉砂堵塞排砂閥和排砂管線的情況。裝置裝配采用橇裝化、層疊的安裝方式，很大程度上減少了占地面積，便于運輸與現場安裝。

1.2控制系統優化

為適應裝置自動控制的要求，編制了時序控制系統，以滿足現場工作狀況的需要。智能控制器采用遠程終端控制系統(RTU)，該控制系統具有優良的通信能力和充裕的存儲容量，適用于惡劣的溫度和濕度環境，并提供多用途的計算功能。自動化儀表由就地指示表、變送器、控制閥及防爆智能控制器等組成。通過對溫度、壓力及液位等信號的監測，實現報警的同時采用自動化流水模式對系統動作進行控制，提高了控制的準確性，保證了裝置平穩運行。

1.3材料選擇優化

根據大量旋流除砂器的應用情況來看，在設備的運行過程中，旋流除砂器的頂部和收縮口處易發生磨蝕，而磨蝕穿孔是影響旋流器使用壽命的主要因素，因此需提高其耐磨性能。目前提高旋流器耐磨性能常采用的方式是增加磨蝕余量和使用內襯耐磨材料。增大易磨蝕處磨蝕余量可將旋流除砂器的使用壽命從3～4個月提高至6個月。內襯耐磨材料常采用內壁滲透、內襯耐磨非金屬等工藝得到，內壁滲透法常采用滲碳、滲氮等工藝，由于工藝限制，滲透厚度一般只有數個毫米，對提高耐磨性能作用有限；內襯耐磨非金屬工藝簡單，制造難度較低，在工程中應用廣泛。通過對大量耐磨材料的研究，最終除砂器內部采用內襯聚氨酯作耐磨材料，該工藝制作的成本較低，耐磨性能好，可將旋流除砂器的有限壽命提高至兩年以上。

2 除砂洗砂系統介紹

筆者設計的靜-動態旋流除砂洗砂系統由靜態旋流除砂器、動態旋流除砂器、動態旋流除砂器冷卻系統、集砂罐、電加熱器、一級洗砂箱、一級洗砂泵、一級洗砂旋流器、二級洗砂箱、二級洗砂泵、二級洗砂旋流器、污油箱、污油泵、清運車、RTU控制柜及電動開關閥等主要設備與儀器儀表組成。其工藝流程如圖1所示。

圖1 靜-動態旋流除砂洗砂裝置工藝流程

含砂原油進入靜態旋流除砂器或動態旋流除砂器進行油、砂分離，原油從除砂器上部溢出，砂礫進入下部集砂罐內。集砂罐為帶壓罐，設有倒排砂出口，與一級洗砂箱連接，之間設有電動球閥。

集砂罐中的砂礫排至一級洗砂箱后，設置在一級洗砂箱內的一級洗砂泵開啟，從一級洗砂泵出來的含砂油水混合物進入一級洗砂旋流器進行一級洗砂作業，分離出的原油返回至一級洗砂箱，砂礫進入二級洗砂箱。一級洗砂箱中的砂礫排至二級洗砂箱后，設置在二級洗砂箱內的二級洗砂泵開啟，從二級洗砂泵出來的含砂油水混合物進入二級洗砂旋流器進行二級洗砂作業，分離出原油返回二級洗砂箱，底部主要為砂礫部分，排入清運車定期運走。

一級洗砂箱和二級洗砂箱設置一定高度的堰板控制收液高度，洗砂箱上部油水混合物可通過堰板翻至中間的污油箱。污油箱內設置污油泵，根據液位控制開啟操作，將集油箱內油水混合物輸送至裝置入口。

3 實驗測試與現場應用

為模擬現場原油的性質，以聚丙烯酰胺為增稠劑，在水中加入聚丙烯酰胺，將水的粘度增加至200cp，并在裝置運行的過程中連續加入砂礫，砂礫的粒徑采用粒徑分析儀測定。砂礫粒徑分布見表1，該砂礫的中徑為110.26μm。

表1 砂礫粒徑分布

在裝置運行的過程中，系統由控制部分進行自動控制，可通過改變變頻電機的工作參數，調整裝置動態旋流除砂器的轉速，保證除砂的效果。實驗過程中，在旋流除砂器出口處提取水樣，進行分離、烘干、稱重，并用粒徑分析儀進行檢測，分離后砂礫粒徑分布情況見表2。

表2 分離后砂礫粒徑分布

通過測試可知該砂礫的中徑為46.52μm。從出口水樣的粒徑分析可以得出，55μm以上的顆粒基本分離效率大于97%。該裝置在湛江文昌油田、深圳流花油田進行了生產應用。通過對運行結果的測定，原油中55μm以上的砂礫脫出率大于90%，砂中含油小于3 000mg/kg，滿足現場的除砂要求，裝置的運行狀態平穩。

4 結論

4.1旋流除砂洗砂裝置采用靜-動態兩種旋流除砂器組合的方式，其工作壓力不受來液工作壓力波動的限制，增大了裝置的適用性，能夠保證旋流除砂器的除砂效率。

4.2靜-動態兩種旋流除砂器內襯以聚氨酯作耐磨材料，提高了旋流器的耐磨性，旋流器的使用壽命較常規旋流除砂器提高了3～4倍。

4.3旋流除砂洗砂裝置采用RTU控制柜，采用時序控制控制系統，實現了自動化控制，提高了控制精確，保證了裝置運行的平穩性。

4.4通過實驗與現場運行結果可以得出，原油中55μm以上顆粒的除砂率大于90%，滿足現場的除砂要求，砂中含油低于3 000mg/kg，達到排放標準。

[1] 李成見.海上稠油油田含砂原油除砂及含油砂凈化工藝探討[J].中國海上油氣，2007，19(4)：263～265.

[2] 馮定，李壽勇，李成見，等.出砂冷采地面除砂設備的現狀與發展趨勢[J].石油機械，2010，38(4)：65～68.

[3] 張海燕，李銘，田英男.原油除砂技術[J].油氣田地面工程，2008，27(11)：76～77.

[4] 王景昌，郭付來，趙啟成，等.不同入口設計的井下旋流除砂器流場數值模擬[J].化工機械，2013，40(4)：494～496.

[5] GB 4284-84，農用污泥中污染物控制標準[S].北京：中國標準出版社，1984.