大港復雜斷塊油田一體化集成裝置研發與應用

周松 趙昕銘 霍夙彥（中國石油大港油田采油工藝研究院）

前言

大港油田地處環渤海地區，是1座開發50多年的老油田。隨著油田進入高含水開發期，地面系統逐漸暴露出工藝流程長、運行能耗高、設備設施腐蝕老化等問題，嚴重影響了油田的高效開發。

面對嚴峻的開發形勢，大港油田結合生產實際，針對復雜敏感的自然環境和日益緊張的用地用海現狀，以老油田改造和產能建設為依托，開展了一體化集成裝置研發與應用。

一體化集成裝置研發和應用是地面工程標準化設計的重要組成部分。目前，國內各主要油田結合自身實際，相繼開展了多種形式的一體化集成裝置研發，研發中注重工藝流程簡化、注重采用高效合一設備、注重智能化[1-2]。長慶油田結合自身產能建設規模大、工程量大的特點，研發形成了60種一體化集成裝置，范圍覆蓋油田集輸、氣田集輸等多個領域[3-4]。西南油氣田結合自身天然氣大規模開發上產的特點，研發應用了以天然氣集輸為特色的一體化集成裝置，形成了一體化建廠的新型建設模式。大慶油田研發的加熱增壓一體化集成裝置，簡化了偏遠區塊集輸流程，擴大了集油半徑[5]。

大港油田油氣產量規模小，同長慶油田和西南油氣田相比，每年的地面工程量較小。此外，大港油田屬于復雜斷塊油氣藏，油田區塊碎小，油氣物性差異大，地面工藝存在多種形式，并且大港油田地處天津濱海新區，臨近河北雄安新區，安全環保和用地用海壓力大。以上條件對一體化集成裝置的研發提出了明確要求，即裝置要具有較高的功能集成度、較高的自動化程度和安全穩定性。

經過多年的優化完善，大港油田在油氣集輸、摻水、原油處理和采出水處理四大領域研發應用了多種一體化集成裝置，實現了由簡單撬裝向高度集成，由有人值守向智能控制，由單一領域向多個領域的持續升級，應用領域和規模不斷擴大，形成了適應大港復雜油氣藏的一體化集成裝置序列。

1 油氣集輸一體化集成裝置

油氣集輸一體化集成裝置的研發目的是用1具裝置實現1座集輸場站的功能，進而縮短布站模式，簡化集油工藝。針對大港油田復雜油氣藏的特點，以工藝優化簡化為基礎，開展了油氣集輸一體化集成裝置研發。在研發過程中，首先根據功能需求，確定所需集成設備，然后采用最優化理論，進行設備優化組合，優化平面和立體布局，配套自控系統，最后進行裝置安全分析與評估。

1.1 油氣分輸裝置

該裝置主要針對地面建有完善的集輸管網的油田區塊。主要集成設備包括分離緩沖罐、干燥器、離心泵、管道及閥門。以工藝流程為基礎，按照便于操作的原則，將各設備安裝在撬塊上，形成結構緊湊、功能完備的一體化集成裝置，在地面工藝中可以替代分輸接轉站。圖1為典型油氣分輸一體化集成裝置三維結構圖。

圖1 油氣分輸一體化集成裝置三維結構圖

在裝置研發中，通過總結經驗，不斷優化裝置布局，進一步提升了裝置運行效率。例如，早期研制的裝置中，干燥器水平設置在分離緩沖罐的頂部，分離緩沖罐分出的天然氣經干燥器處理后供加熱爐或外輸。受水平布置形式的限制，干燥器中生成的凝液不易回流至罐體內，進而影響處理效果。后期通過優化論證，調整干燥器布置形式，設置水平和側向傾角，提高凝液回流率。圖2為干燥器布置形式優化示意圖。

圖2 干燥器布置形式優化示意圖

對于偏遠區塊的注水或摻水流程，采出水在偏遠區塊和中心處理站之間往返輸送，運行成本高。為簡化工藝，降低成本，可以采取在偏遠區塊內部就地切水回摻或切水處理后回注的措施，此時可以將分離緩沖罐替換為三相分離器，具備分水功能，滿足偏遠區塊效益開發要求。

1.2 油氣混輸裝置

該裝置主要針對地面集氣管網不完善的區塊。主要集成設備包括混輸泵、管道及閥門。對于需要用氣的區塊，還可以配套分離緩沖罐和干燥器。對于需要用水的偏遠區塊，可以配套三相分離器等具有切水功能的設備，實現就地分水就地使用。油氣混輸一體化集成裝置可以替代混輸接轉站。

在某稠油區塊開發中，通過集成三相分離器、加熱爐、摻水泵、離心泵等主要設備，研發了具有氣液分離、油水分離、外輸增壓、摻水增壓、摻水加熱、天然氣干燥、計量等七種功能集于一體的集成裝置[6]。裝置結構見圖3。在研發過程中，將加熱爐與三相分離器進行合一設計，進一步簡化了工藝流程，提高了裝置功能集成度。

圖3 油氣水分離增壓摻水加熱一體化集成裝置示意圖

在裝置研發中，通過不斷優化模塊組合布局，進一步提升了空間利用率。如圖4所示，通過優化設備在撬塊上的布局，將摻水泵調整至三相分離器側面，撬塊總面積降低30%。

圖4 模塊組合優化示意圖

2 高效多功能處理一體化集成裝置

針對傳統大型場站工藝流程長、設備功能單一、處理效率低的難題，通過對工藝流程進行優化和創新，采用多功能高效合一設備、采用立體布置，進一步提高了裝置的集成度，實現流程縮短，功能合一。

2.1 高效原油處理裝置

結合老系統改造，針對高凝原油處理難題，特別是羊中心站和孔大站起泡原油處理難題，研制了高效三相分離器，簡化了原油脫水工藝，解決了高凝起泡原油處理難題。

如圖5所示，高效三相分離器內部包括入口分離區、分離沉降區、高效捕霧區、高效沖砂區，針對高含水油井產液，依靠油氣水之間的密度差，通過優化設備內部結構、流場和聚結材料使油氣水達到高效分離的目的。經高效三相分離器一段處理后，脫水后原油含水率小于1%，污水含油量小于300 mg/L。

圖5 高效三相分離器內部結構示意圖

1）入口分離區。采用割縫管和多支布液管相結合的布液方式，可以有效改變流體的方向和減小流速，形成分散流，達到液體和氣體分離的目的。流體經布液板上的小孔均勻流出，達到規整流場的目的。此外，液體直接落入容器底部，在上升時達到水洗破乳的效果。

2）分離沉降區。具有大空間，為液滴沉降提供了有效容積；此外，在該區布置高效聚結板，提高油水聚結沉降效果。

3）高效捕霧區。設置絲網捕霧器，可以有效促進小液滴碰撞聚結，降低氣體帶液率。

4）高效沖砂區。一定壓力的水由進水口進入沖砂管，經沖砂管輸送至各噴孔，清水通過噴孔沿罐體弧形內壁面沖刷位于罐底的沉沙雜質，而雜質從排砂口排出。

5）天然氣干燥。集成傾斜布置的干燥器，實現天然氣就地干燥和凝液自動回流。

采用高效三相分離器處理油井產液，可以替代常規處理流程的游離水脫除器、脫水泵、沉降罐或電脫水器，大幅簡化原油處理工藝，降低工程投資。

高效三相分離器在羊中心站和孔大站投產后，簡化了原油處理工藝，脫水流程由四段縮短為兩段，起泡原油的油氣水分離效率顯著提升。羊三木油田增加天然氣2000 m3/d，孔店油田增加天然氣1000 m3/d，分離器處理指標達到設計要求。

2.2 多功能采出水處理裝置

油田采出水處理工藝一般采用“除油+過濾”的兩段式處理工藝，以去除采出水中的含油和機雜，從而達到注入水水質要求。第一段除油工藝主要包括重力除油、壓力除油、旋流除油和浮選除油等工藝，第二段過濾處理工藝根據水質及處理要求選用不同的過濾工藝組合。

大港南部油田采出水礦化度高，細菌含量高，污水處理量大，沿用多年的采出水處理工藝存在流程長、處理效果差、運行維護費用高等問題。為簡化采出水處理工藝，研發了具有除油、過濾、殺菌和體外搓洗等功能的多功能采出水處理裝置，并結合老系統調整，逐步推廣應用，采出水處理工藝縮短50%，并且取消了應用多年的加藥殺菌流程。圖6為一體化裝置應用前后采出水處理工藝優化示意圖。

圖6 采出水處理工藝優化示意圖

2.2.1 技術原理

將徑向流核桃殼過濾器和多功能殺菌裝置的功能合為一體，又在裝置內增加了氣浮和除油填料，罐外增加加氣筒，改善除油效果。將過濾器的兩級濾罐合為一級濾罐，過濾器和極化器合為一體，使用電極化殺菌代替化學殺菌，大大簡化了采出水處理流程。

多功能一體化采出水處理裝置設計進口含油量小于100 mg/L、懸浮物質量濃度小于100 mg/L，設計出口含油量小于15 mg/L、懸浮物質量濃度小于 10 mg/L。

2.2.2 主要技術特征

1）進水溶氣。采出水溶氣后，利用氣體的浮選功能與渦旋向心氣浮構件以及微渦旋吸附聚結填料相互作用，可以顯著提高除油效果。溶氣污水進入向心氣浮構件，產生渦流旋轉，利用離心力將油氣聚集，再用氣體浮力將油上浮罐頂，從頂部收油口由氣體將油帶出回收，從而去除浮油和分散油。可將90%以上2 μm以下顆粒聚結成大顆粒和大油珠，油珠上浮去除。

2）聚結填料。增加有機材質為原料制成的聚結填料，利用有機材質的親油性及結構特點，進一步加快油水分離。

3）反洗效果好。過濾器濾料罐外循環搓洗配合曝氣反沖洗，能夠有效提高濾料日常反沖洗與藥劑清洗效果，提高核桃殼濾料的再生率。反沖洗時氣體由罐底進入罐內，將壓實的核桃殼濾料吹起，配合濾料循環泵，將濾料進行罐外搓洗，保證了全部濾料得到充分清洗；同時通過氣體的浮選能力將分散的油泥及其它懸浮固體聚集于頂部，由反沖洗水帶走，提高了反沖洗效果。

4）電殺菌。電極化殺菌代替化學殺菌，簡化工藝流程，節約成本支出。在進水管上進行溶氣增氧用以抑制硫酸鹽還原菌（SRB）生長與繁殖。另外，水中溶解氧通過高壓電場可以生成·O2-、H2O2、·OH等活性氧，這些活性氧破壞有機物中的C—H、N—H、C==O鍵等殺死細菌。

3 應用效果

按照“與油田優化簡化相結合、與安全隱患治理相結合、與產能建設相結合、與標準化設計工作相結合、與優化勞動組織相結合”的思路，大港油田在產能建設和老油田改造中全面推廣應用一體化集成裝置，共在44個場站推廣應用102套，替代中小型場站13座，創效9 486.5萬元，其中節約工程投資6453萬元，節約運行費用1 823.5萬元，節約人員費1210萬元，占地面積減少163畝。顯著降低了工程投資和運行成本，提高了油田開發綜合效益。

例如，大港南部稠油油田在8座采出水處理站應用多功能采出水一體化集成裝置，解決了稠油采出水處理的難題，水質達標率由2010年的86.5%提高到2017年的98.5%，滿足了注水開發的需求，同時取消了常規加藥殺菌措施，每年可以節約殺菌費用103萬元。

4 下步工作方向

目前，國際油價持續低迷，油田地面建設投資受到壓縮，這就要求進一步開展技術創新，通過應用先進成熟技術，降低工程投資和運行成本。具體到地面工程建設，特別是一體化集成裝置的研發應用，要重點關注以下幾點：

1）進一步加大研發力度，提高裝置水平。通過借助技術引領和工藝創新，依靠工藝進步和技術創新，進一步提高功能集成度，采用先進工藝、高效設備和藥劑，增大裝置的處理能力。

2）著力提高裝置的自動化程度。目前，數字化油田建設方興未艾，一體化集成裝置作為數字化建設的重要載體，要體現工業化和信息化的有機融合，借助自動化、信息化、智能化技術，確實做到生產數據自動采集、生產過程自動控制、緊急狀態自動保護、生產現場無人值守，以此推動數字化油氣田建設，促進管理方式轉變，實現管理水平提升。

3）全面推廣應用一體化集成裝置，提升地面建設管理水平。在新油氣田建設和老油氣田改造中，要為一體化集成裝置的規模應用創造條件。