海洋平臺稠油油砂分離設(shè)備研制及應(yīng)用

蘇宇馳，范白濤，趙少偉

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）①

海洋平臺稠油油砂分離設(shè)備研制及應(yīng)用

蘇宇馳，范白濤，趙少偉

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452）①

隨著出砂冷采技術(shù)的推廣應(yīng)用，處理稠油出砂已成為必不可少的環(huán)節(jié)。研究了國內(nèi)外油田出砂地面處理的相關(guān)技術(shù)，針對海上稠油油田確定了經(jīng)優(yōu)化符合實(shí)際的生產(chǎn)處理流程，提出的地面監(jiān)測及油砂分離處理設(shè)備在相同處理量的條件下，能夠達(dá)到體積減小、質(zhì)量減輕、成本降低、適應(yīng)性好、維護(hù)工作量少等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的氣液預(yù)分離裝置在設(shè)計(jì)工況下將鉆井液中超過60%的游離氣分離出來，可適應(yīng)較高的氣液比，減少氣泡對除砂過程的干擾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分粒徑較大的固體顆粒的分離。該設(shè)備設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠及時(shí)有效地將砂粒與原油加以分離處理，為保證油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)創(chuàng)造良好的工藝技術(shù)基礎(chǔ)。

海洋；稠油；除砂；油砂分離；設(shè)備

目前，海洋油田稠油出砂冷采和適度防砂的工藝已經(jīng)推廣應(yīng)用［1-2］。但由于復(fù)雜地層的存在以及作業(yè)時(shí)施工造成的影響，地層砂會(huì)伴隨油氣進(jìn)入地面流程設(shè)備；而地層出砂損害極易造成油氣處理技術(shù)系統(tǒng)無法密閉，也會(huì)引起生產(chǎn)管理等方面的問題。因此，配置地面油砂分離設(shè)備成為必不可少的環(huán)節(jié)；同時(shí)，能夠及時(shí)有效地將砂粒與原油加以分離處理，使油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)［3］。

1　國內(nèi)外油砂分離技術(shù)

地面油砂分離技術(shù)通常是液固分離的過程，即將砂粒從液體中分離的過程，這是由于油井產(chǎn)出油、水、氣、砂四相混合物之后，天然氣一般情況下很容易分離出來。當(dāng)前，國內(nèi)外油砂分離技術(shù)一般包括以下3種方法［4］。

1.1 重力沉降法［5］

1） 利用水洗技術(shù)，使攜帶砂粒的固液混合物通過活性水層。活性水有很大的表面張力，能夠加速油包水界面膜的破壞，油滴與水滴因?yàn)槊芏却嬖诓町悘亩謩e上升或下降，進(jìn)一步減少原油乳狀液黏度，使得砂粒能夠盡快分離。

2） 利用對固液混合物加熱，增加分離速度，降低混合物黏度，有利于砂粒沉降。

1.2 離心分離法［6］

離心分離法主要利用離心力場來分離固液混合物。在離心力場中，固體砂粒受到與旋轉(zhuǎn)中心反方向的離心加速度，其大小與砂粒的旋轉(zhuǎn)半徑和切向速度成正比。通常情況下，在離心場中慣性力比較大，能夠分離有微小顆粒的懸浮液以及準(zhǔn)穩(wěn)定乳狀液。

1.3 過濾法

過濾法主要通過外界多孔介質(zhì)進(jìn)行固液混合物分離。通過多孔介質(zhì)的作用，混合物中的液體可流入介質(zhì)孔道，超過一定范圍的砂粒則被留下，以此實(shí)現(xiàn)固液的分離。一般分為2種形式：其一為餅層過濾，適用于顆粒含量大于1%的混合液；其二為濾床過濾，適用于顆粒含量小于1%的混合液。

重力沉降法與離心分離法適用于黏度較小的流體且液相占主要體積分?jǐn)?shù)的情況下，而篩網(wǎng)過濾法可以處理黏度較大的流體［7］，但過濾網(wǎng)連續(xù)工作時(shí)間有時(shí)較短，一些情況下可能需要頻繁維護(hù)清理與更換。因此，這些方案都有各自的適應(yīng)性與局限性，如何根據(jù)油井的實(shí)際特點(diǎn)確定合理的地面除砂方法，還需經(jīng)過合理的研究、論證與計(jì)算。

2　油砂分離設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 水力旋流器設(shè)計(jì)

證書教學(xué)主線是指與專業(yè)課程相融通的職業(yè)資格與技能證書培訓(xùn)，包括計(jì)算機(jī)繪圖操作員、中（高）級鉗工、中級電焊工；中級機(jī)加操作工、中級數(shù)控機(jī)床操作工、Pro/E設(shè)計(jì)工程師等等。

水力旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其技術(shù)指標(biāo)分別是旋流器的處理量指標(biāo)生產(chǎn)能力、能耗指標(biāo)壓降以及物料流經(jīng)旋流器時(shí)的各種產(chǎn)物分配指標(biāo)［8］。

圖1　水力旋流器結(jié)構(gòu)

2.1.1 旋流器處理量計(jì)算

在分離過程中，水力旋流器的能量損失主要包括：固液混合物從管道進(jìn)入筒體時(shí)由于截面積突然增大而造成的射流阻力；具有一定黏度的液體碰撞造成的內(nèi)摩擦損失；固體顆粒碰撞造成的摩擦損失；混合物與筒體器壁碰撞造成的摩擦損失以及由于離心作用混合物產(chǎn)生的壓力損失等。

實(shí)際應(yīng)用中，除砂固液分離旋流器可以間歇或連續(xù)工作，所以對于處理量的要求較低，對于分離粒度的要求較細(xì)；同時(shí)，考慮到空間占用、能耗與投資。選用FX75型旋流器，其工作壓力差為0.5×106Pa，當(dāng)射流泵抽吸時(shí)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)20%～30%。

當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、固相密度為2 600 kg/m3時(shí)，料液質(zhì)量密度為

FX75型旋流器進(jìn)液口直徑0.013 m，溢流口直徑0.017 m，旋流器圓柱段直徑0.075 m，則其排量（生產(chǎn)能力）為

2.1.2 分離粒度計(jì)算

如果進(jìn)入水力旋流器中的混合物砂粒粒徑大小一致，則對應(yīng)此種粒徑可測得一個(gè)分離效率。當(dāng)砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變時(shí)，分離效率對應(yīng)發(fā)生改變，則分離效率與砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系為分級效率函數(shù)，對應(yīng)曲線稱為分級效率曲線。在此曲線上，分級效率為50%時(shí)對應(yīng)的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義為分割尺寸或分離粒度，簡寫為d50。而當(dāng)曲線中縱坐標(biāo)為折算分離效率時(shí)，對應(yīng)的曲線稱為折算分級效率曲線。通常情況下，分割尺寸或分離效率指的是折算分離效率曲線上縱坐標(biāo)為50%時(shí)對應(yīng)的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

分級粒度指的是能夠通過95%砂粒的篩孔尺寸（簡寫為dm），是優(yōu)選礦產(chǎn)物細(xì)度的重要技術(shù)指標(biāo)。通產(chǎn)情況下，分級粒度大約為分離粒度的1.65倍，是水力旋流器分離能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。

在實(shí)際應(yīng)用中，比較方便的辦法就是首先獲得旋流器的折算分級效率或折算遷移率曲線等關(guān)系，然后在針對具體的應(yīng)用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只需根據(jù)具體的物料性質(zhì)、操作條件以及分析效率或遷移率關(guān)系就可以計(jì)算出具體旋流器所能夠達(dá)到的分離效率。

一般，因生產(chǎn)廠家很少提供溢流管插入深度，因此按近似計(jì)算式計(jì)算，即

應(yīng)用數(shù)值模擬計(jì)算軟件FLUENT分別計(jì)算了水力旋流器的液相體積分布、氣相體積分布、切向速度分布、速度分布云圖、固相體積分布與軸向速度分布，如圖2所示。

2.2 多相分離器設(shè)計(jì)

作為固液混合物初次進(jìn)行分離的重要裝置，水力分離器的分離效果對后續(xù)處理工藝以及指標(biāo)的進(jìn)行有著重大的影響［9-10］。

圖2　水力旋流器參數(shù)分布云圖

原油通過連接在除砂裝置上的井口Y接頭、油管、連接軟管，經(jīng)過節(jié)流閥與射流泵進(jìn)入主分離器，如果原油黏度較高，可能還需摻入適當(dāng)比例的熱水。此時(shí)由水源井提供的熱水通過閥門、過濾器、射流泵與原油混合后一同進(jìn)入主分離器。分離器中設(shè)置有旋轉(zhuǎn)布液結(jié)構(gòu)，使得進(jìn)入的油水混合物產(chǎn)生切向速度，提高罐體內(nèi)的空間利用率。在分離沉降的過程中，油氣水砂4相物質(zhì)將進(jìn)行一定程度的分離，砂粒因?yàn)槠溆H油性被拉入水相，并最終沉降到罐底。雙法蘭液位變送器將會(huì)控制罐體內(nèi)的油氣液位。淤砂高度達(dá)到一定程度時(shí)，開啟離心泵與相應(yīng)閥門，砂水混合物被虹吸管吸入文氏管，從而在水力旋流器裝置內(nèi)部進(jìn)行固液分離；其中，砂粒被分離到集砂容器中，由旋流器溢流口反出的水被離心泵排回主分離器中。這種方式保證了在水砂分離的同時(shí)主分離器內(nèi)的液位不會(huì)發(fā)生顯著變化，減少對分離器操作的影響，同時(shí)不必中斷生產(chǎn)。虹吸管設(shè)計(jì)使得位于罐體內(nèi)的清砂管道在不抽吸水砂時(shí)也不會(huì)在其內(nèi)部淤積泥砂，即使一旦堵塞，也可利用摻水離心泵產(chǎn)生的壓力將管道疏通。當(dāng)罐內(nèi)壓力不足以將砂粒經(jīng)清砂管線快速吸出罐體時(shí)，可以利用射流泵的文氏管產(chǎn)生的真空將砂粒抽出。整個(gè)設(shè)備均采用保溫隔熱材料來降低熱量損失。多相分離器設(shè)計(jì)圖紙如圖3。

圖3　多相分離器設(shè)計(jì)示意

3　實(shí)際應(yīng)用

該油砂分離設(shè)備在SZ36-1 J、A平臺油井生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用，油砂分離設(shè)備實(shí)物如圖4。首先根據(jù)油藏?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，對SZ36-1 J、A4與A平臺混合油樣取樣試驗(yàn)，了解到該區(qū)塊最小應(yīng)達(dá)到的處理量為250 m3/d，所設(shè)計(jì)的油砂分離設(shè)備符合要求。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，對于等效粒徑≥45μm的固體顆粒，油砂總分離效率達(dá)到80%以上。

圖4　油砂分離設(shè)備實(shí)物

4　結(jié)論

1） 在3種油砂分離技術(shù)方法中，重力沉降法、離心分離法主要處理液相比例較大且黏度較小的流體，過濾法可以處理黏度較大的流體，但這3種方法均有其適應(yīng)性與局限性。

2） 工藝流程設(shè)計(jì)是稠油地面油砂分離設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，經(jīng)仔細(xì)論證計(jì)算，最終確定了符合實(shí)際的生產(chǎn)處理流程。此流程具有操作維護(hù)量小、能耗少、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

3） 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的油砂分離設(shè)備能夠在設(shè)計(jì)工況下將鉆井液中超過60%的游離氣分離出來，能適應(yīng)較高的氣液比，可減少氣泡對除砂過程的干擾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分粒徑較大的固體顆粒的分離。

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Research and Application of Ground Separation devices for Heavy Oil and Sands

SU Yuchi，F(xiàn)AN Baitao，ZHAO Shaowei
（Tianjin Branch of CNOOC China Ltd.，Tianjin 300452，China）

With the growing in number of offshore heavy oil blocks and the widely use of cold pro-duction technology，heavy oil desanding become a necessary step of oil field mining processing.The ground monitoring and oil sands separation equipment presented in this paper can achieve many advantages，such as less volume，lighter weight，lower cost，good adaptability，less mainte-nance，and so on.The innovative design of gas-liquid pre-separation device can separate more than 60%of the free gas of well liquid under design conditions，and it can also adapt to a higher gas and liquid ratio，and reduce bubble｀s disturb to desanding process，while separating most of solid parti-cle with big particle size.With the device’s reasonable design and structure，the oil and sands can be effectively and timely separated，which creates a better technology foundation for ensuring a stable and increased production.

ocean；heavy oil；sand removing；oil and sands separation；equipment

TE952

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.018

1001-3482（2015）07-0074-04

①2015-01-15

國家科技重大專項(xiàng)“海上稠油油田高效開發(fā)示范工程”（2011ZX05057）

蘇宇馳（1981-），男，河北定興人，工程師，主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)管理工作。