液相旋流除砂裝置在海上氣田的應(yīng)用

董偉

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057）

1 概況

該氣田位于海南省鶯歌海正西方約100 km 處海域，區(qū)域構(gòu)造位置為鶯歌海盆地中央泥底辟構(gòu)造帶北部， 儲層位于上新統(tǒng)鶯歌海組和黃流組地層， 屬于淺層氣藏， 儲層巖性為粉砂-極細(xì)砂，以粉砂為主，巖石類型以石英砂為主［1］。 氣田群由1 座中心平臺和4 座井口平臺組成， 日產(chǎn)氣量約700 萬Nm3。隨著氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，部分生產(chǎn)井出現(xiàn)出砂現(xiàn)象，砂粒隨著井產(chǎn)物流進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，在聚結(jié)分離器內(nèi)積聚，帶來了一系列問題，影響系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

2 氣田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)簡介

該氣田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的主要設(shè)備有捕集器、 聚結(jié)分離器、閉排罐、開排罐。 從各平臺開采的井產(chǎn)物流先在捕集器進(jìn)行氣、液分離。 分離后的液體進(jìn)入聚結(jié)分離器，在聚結(jié)分離器進(jìn)行油、 水分離。 正常情況下分離出的凝析油含水小于150 mg/L，直接用凝析油泵增壓打入海底管道，和天然氣一起混輸至下游陸岸終端。 聚結(jié)分離器分離出的生產(chǎn)水則進(jìn)入閉排罐進(jìn)行沉降分離，浮油由閉排泵打回聚結(jié)分離器，水則向下排至開排罐進(jìn)行再處理，含油小于30 mg/L 的生產(chǎn)水經(jīng)開式排放系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排海。

氣田有2 套聚結(jié)分離器，A 聚結(jié)分離器設(shè)計處理能力200 m3/d，其中水處理能力150 m3/d，油處理能力50 m3/d；B 聚結(jié)分離器設(shè)計處理能力71.8 m3/d，其中水處理能力28.9 m3/d，油處理能力42.9 m3/d。 目前A 聚結(jié)分離器處理的液體：捕集器A、捕集器B、捕集器C、生產(chǎn)分離器，處理量140 m3/d；B 聚結(jié)分離器處理的液體：捕集器D，處理量70 m3/d。

由于各平臺開采層位不同， 所產(chǎn)出地層水的組分物化性質(zhì)各有差異，混合之后處理難度已經(jīng)很大。 自2012 年開始，部分氣井相繼出砂， 在砂粒的影響下，A/B 凝析油聚結(jié)分離器工況惡化，影響氣田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的油水分離效果。

3 液相處理系統(tǒng)存在的問題

3.1 聚結(jié)分離器油水分離效率降低

氣田采用波紋板式聚結(jié)分離器，用作油水分離。 聚結(jié)分離器主要構(gòu)成為入口導(dǎo)流板、波紋板聚結(jié)器、絲網(wǎng)聚結(jié)器、堰板、破渦器等，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖1 所示。

圖1 聚結(jié)分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

聚結(jié)分離器采用多層波紋板組， 通過縮短油滴浮升高度來提高油滴分離效率。 同時，油水混相在板組內(nèi)流動過程中，由于過流斷面不斷變化和波紋狀流道，使流體流速時大時小，方向不斷發(fā)生變化，從而使油滴碰撞聚結(jié)的幾率增大。 小油滴在運動過程中不斷聚結(jié)變大，通過浸潤、吸附、聚結(jié)等作用，在波紋板的下表面形成油膜，并沿板面移動、脫落，水相在重力作用下沉降，到達(dá)下層波紋板的上表面，最終更快地實現(xiàn)了油水分離。

氣井出砂砂粒在捕集器積累后， 隨液體流入下游的聚結(jié)分離器。 致聚結(jié)分離器內(nèi)部空間被砂粒占據(jù)，處理空間縮小使聚結(jié)分離器內(nèi)液體流速增大，板間流速過大，導(dǎo)致油滴在聚結(jié)板組內(nèi)停留時間過短， 油滴之間及油滴與波紋板之間尚未充分接觸便隨水流沖出板層流至出水口［2］。

通過取樣可以看到， 經(jīng)過聚結(jié)分離器處理后的油底部有明顯積砂，處理后的水有1%～2%的油。 在上游大液量排放的時候，水中含油可達(dá)5%，為下游的閉排和開排水處理增加了難度。

3.2 凝析油泵故障率高

氣田凝析油泵采用柱塞泵， 凝析油攜砂對凝析油泵影響很大，增大相關(guān)配件的更換頻率，對比以往維修記錄來看，凝析油泵平均檢修周期由6 個月縮短至20 天，顯著加重了維修工作量和備件費用。 總結(jié)出砂對凝析油泵的運行影響，見表1所示。

表1 凝析油泵故障列表

3.3 儀控閥門失效

受砂粒的影響， 聚結(jié)分離器的液位自動控制調(diào)節(jié)閥閥芯不能耐受砂粒沖刷， 很快就會內(nèi)漏嚴(yán)重導(dǎo)致液位無法自動控制。 氣田選用高強度耐沖刷的閥芯，但是砂粒的沖蝕磨損依然存在，必須儲備充足閥芯備件，定期拆開檢查其損壞的情況，及時更換損壞的閥芯。 受砂粒影響，聚結(jié)分離器、閉排罐液位計經(jīng)常出現(xiàn)堵塞卡滯，每周都需要安排進(jìn)行沖洗。

圖2 旋流除砂器結(jié)構(gòu)剖視圖和旋流管內(nèi)篩分原理圖

表2 旋流式除砂裝置技術(shù)特點

4 液相旋流除砂裝置的應(yīng)用

4.1 旋流除砂裝置原理

水力旋流分離原理是利用一個旋流管， 在壓力的推動下產(chǎn)生的離心力將固體顆粒從流體中分離出來。 流體中的固體顆粒以切線方式高速旋流管內(nèi)， 在旋流管內(nèi)部以徑向流產(chǎn)生強大的旋流， 形成可以達(dá)到1000 至2000 G 的離心力的加速度場。 在這個離心力的作用下，促使固體顆粒向旋流管的內(nèi)壁移動。 由于壓力梯度場的作用，除去固體顆粒的流體則反向流向軸中心，并由溢流口流出。 固體顆粒則沿著旋流管內(nèi)壁運動到旋流管底部出口噴射出去。

旋流除砂裝置是根據(jù)流體中的固體顆粒在旋流管內(nèi)旋轉(zhuǎn)時的篩分原理制成，原理圖如圖2 所示。

該氣田選用的旋流式除砂裝置主要包括旋流管、筒體、儲砂罐、排砂管線，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，使用安全，無需維護(hù)。 其技術(shù)特點見表2。

4.2 旋流除砂裝置接入改造

在A/B 凝析油聚結(jié)分離器進(jìn)口管線各安裝1 套旋流除砂裝置，將氣田所有液體接入裝置。 除砂裝置處理后的液體進(jìn)入聚結(jié)分離器進(jìn)行油水分離。 除砂裝置底部通過管線和常開的閥門同儲砂罐相連，儲砂罐用來儲存從液體中分離出的砂粒，其上連接有沖洗水管和放空管線， 方便操作人員定期對儲砂罐進(jìn)行排砂，流程見圖3。

圖3 聚結(jié)分離器前置旋流除砂裝置

4.3 旋流除砂裝置運行效果

投用之后，A 除砂裝置液體處理量140 m3/d。 B 除砂裝置液體處理量70 m3/d。排砂周期定為約每周一次，除砂排砂效果良好。 由于A 聚結(jié)分離器上游出砂井較多， 所以A 排砂量較大，排砂數(shù)據(jù)與井口含砂檢測數(shù)據(jù)一致。 具體數(shù)據(jù)見表3。

前置除砂裝置投用后， 聚結(jié)分離器油水處理能力恢復(fù)到設(shè)計狀況，使生產(chǎn)水含油由改造前28 mg/L 降低至19 mg/L。從除砂排砂效果來看，兩臺除砂裝置都有良好的除砂效果，可以有效除去上游來液攜帶的砂粒， 避免砂粒進(jìn)入聚結(jié)分離器后影響聚結(jié)分離器處理效果，除砂效果達(dá)到預(yù)期。

表3 兩臺除砂裝置排砂記錄 單位：kg

5 結(jié)論

氣田投用液相旋流除砂裝置后， 凝析油聚結(jié)分離器的油水處理效果得到了明顯改善，降低了外輸凝析油的水露點，外排水中含油量進(jìn)一步降低，達(dá)到更高排放標(biāo)準(zhǔn)；凝析油聚結(jié)分離器的開罐清洗作業(yè)周期變長，減少了開罐清洗的人力、物資等消耗；降低了凝析油外輸泵、液位控制閥的維修材料人員費用，合計年度可節(jié)省費用72 萬元。

氣田通過調(diào)整氣井工作制度、下入井下防砂工具，再結(jié)合地面旋流除砂裝置， 在氣田出砂治理方面摸索出一套以防為主、防治結(jié)合的治理經(jīng)驗，為氣井出砂的治理工作提供了成功的典范。