撬裝式井口氣液分離放噴裝置現場試驗及效果分析

張振文，牛斌，李柏鵬，劉洋，郝小云，高旺斌

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

撬裝式井口氣液分離放噴裝置現場試驗及效果分析

張振文，牛斌，李柏鵬，劉洋，郝小云，高旺斌

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

氣井大修、積液井復產等已成為靖邊氣田開發中后期常規性維護措施，現場施工過程中均需井口放噴進行排液。目前采用的排酸筒放空分液工藝，由于裝置簡單，成本低，應用較為廣泛，但存在氣液分離效果差，易導致放噴火焰熄滅等問題。本文結合靖邊氣田井口放噴工況及安全環保需求，研制出一種撬裝式井口氣液分離放噴裝置，并在2口積液井排液復產時開展現場試驗，結果表明：該裝置撬裝設計合理、現場運行穩定，放散管滿足熱輻射強度要求，氣液分離效果較好，方便運輸及組裝，滿足現場工況和安全性要求，有效縮短了施工準備周期，提高了井口放噴分液工藝的安全環保性，具有一定的推廣應用前景。

靖邊氣田；放噴裝置；撬裝式；氣液分離；效果分析

氣井開展大修、復產等維護及增產措施作業時，都需進行現場放噴排液，目前靖邊氣田主要采用放空管線連接排酸筒的方式進行井口放噴氣液分離。排酸筒一般由油管和套管改造而成，加工方便，且成本較低，在井口放噴作業中應用較為廣泛［1-2］。但存在氣液分離效果差，易導致放噴火焰熄滅，頻繁點火操作等問題。針對排酸筒井口放噴分液工藝的局限性，靖邊氣田開展了撬裝式井口氣液分離放噴裝置的研制和現場試驗，用以提高氣井井口放噴工藝的安全環保性，降低井口作業風險。

1　常規井口放噴工藝

在氣井措施作業后排液時，通過放噴降低井口壓力，能有效提高氣流的瞬時速度，同時促使井筒中氣水流態發生轉變，提高氣井的帶液能力［3］。井口放噴管線連接至井場排水池，在放噴管線末端加裝排酸筒，可以將氣液進行分散或者分離，減小氣液流體的噴勢，便于放噴火焰穩定燃燒。

靖邊氣田在用放噴工藝為放噴管線末端安裝排酸筒，出口安裝堵頭，上方連接一段具有傾斜角的放空管，放空管內部下端裝一層鋼制濾網，上端鉆滿放空眼。氣井產出的氣水在重力作用、堵頭和兩層過濾網的格擋作用下分離后，氣體進入放空管點火放空；分離出的液體經排酸筒下端的兩個出液口進入緩沖池（或儲液罐），當液位達到80%時，沿著通道流入排水池。為有效收集分離液和確保井口作業安全，井口排水池進行防滲、防護和加固處理。

圖1　靖邊氣田井口放噴工藝流程圖

2　撬裝式井口氣液分離放噴裝置研發

2.1分離器設計

2.1.1分離器選型相同處理工況下，相比臥式分離器，立式分離器具有占地面積小，易于清除筒體內污物，適于液量較大的氣液分離，具有較大的液體波動容量等特點［4-5］。考慮撬裝設計方便拉運、放噴液量波動較大，因此整體設計選用立式分離器。

2.1.2設計計算氣液分離器依據重力沉降原理，采用《油氣集輸設計規范》GB50350-2005，及《分離器規范》SY/T0515-2007進行計算和選取，再根據經驗及工程需要進行修正，最終結合井口放噴具體工況，研制分離器相關性能參數（見表1）。

表1　分離器設計數據表

2.2放散管設計

放空天然氣通過放散管點火燃燒時，需計算熱輻射的距離，用以確定放散管與撬裝裝置、井場以及周圍建筑物的安全間距，從而避免點火放空時輻射熱對操作人員及放散管周圍人群造成傷害［6-9］。根據《石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范》SH3009-2001中火炬工藝要求計算放散管高度和內徑。

2.2.1放散管內徑計算火炬放空氣體的速度一般采用馬赫數來判斷。APIRP521中規定：當場、站發生事故造成停工，原料或產品氣需要全部排放時，可取0.5 Ma；單個裝置事故或停產搶修時，可取0.2Ma。天然氣長輸管道站、場的通常做法是以20%聲速為基礎作為火炬出口速度來決定火炬尺寸。若馬赫數過大，可能導致火焰被吹熄或脫火，反之則使放散管口徑偏大或產生回火。

放散管出口截面積與流速、質量流量、密度的關系如下：

式中：D為放散管出口直徑，m；A為放散管出口截面積，即放散管有效流通面積，m2；F為放空氣體的體積流量，m3/s；V為放散管氣體允許線速度，m/s；m為馬赫數；K為放空氣體絕熱指數。

以分離器最高處理氣量5×104m3/d計算，甲烷絕熱指數K取1.3，氣體摩爾質量M由氣體組分確定，近似取M=16，氣體比熱容比R=8.314，計算不同直徑管對應不同溫度的馬赫數（見圖2）。

圖2　不同放散管直徑、溫度對應計算馬赫數三維視圖

由圖2可知，當管徑大于60 mm時，馬赫數小于0.5，考慮安全系數及便于現場安裝，放散管材質規格確定為φ89×3.5 mm的20#無縫鋼管，計算馬赫數0.25，滿足安全規范要求。

2.2.2放散管高度計算取熱輻射率為0.2，馬赫數在0.2～0.5時火焰高度取120倍放散管管徑，氣區天然氣低發熱值取32 970 kJ/m3，天然氣密度取0.746 kg/m3，計算不同風速及放散管高度下，對應的不同受熱點熱輻射值（見圖3）。

考慮井口裝置擺放在常見季風下風側，且儲液罐距離撬裝放噴裝置較遠，因此巡回檢查主要集中在撬裝裝置附近。當允許熱輻射強度q＜4.73 kW/m2時，無防護措施情況下，操作人員有適當防護衣可停留幾分鐘，保證裝置正常運行時的例行巡檢，錄取分離器壓力、液位等數據。通過圖3對比分析，放散管高度在15 m以上時滿足現場工況需求。

通過以上相關理論計算以及室內熱輻射測試，以及相關安全規范，最終確定放散管為φ89×3.5 mm的20#無縫鋼管，高度15 m，采用繃繩固定。

圖3　風速為0 m/s、5 m/s時不同放散管高度下熱輻射強度隨距離的變化

2.3整體撬裝設計

靖邊氣田部分單井道路崎嶇且山坡較多，采用撬裝設計能保證設備及時拉運至井口，同時拆裝方便，提高裝置利用率［10］。進行整體撬裝設計，主要從如下幾個方面考慮：

（1）整套裝置必須結構緊湊、便于操作、便于移動運輸。

（2）各設備擺放位置合理，管線走向明確，易于現場組裝和拆除。

（3）整體裝置正常運行時需平穩，不會因振動以及熱輻射對設備造成損傷。

最終設計（見圖4），放空管線、分離-放空連接管線可拆卸，將放散管及分離器設計為撬裝式，運輸、吊裝較為方便；底座牢固安全，能夠承受氣液分離裝置工作重力，且具有一定的高度，方便排出液進入儲液罐（見表2）。

圖4　撬裝裝置整體正視示意圖

表2　撬裝式裝置整體參數表

3　現場應用及效果評價

3.1現場試驗

選取2口產水量大、壓力高的積液停產氣井，開展“壓縮機氣舉+井口排液”復產作業的同時，重點對撬裝式井口氣液分離放噴裝置試驗效果進行了評價。復產工藝及井口放噴工藝流程（見圖5）。

3.2效果評價

以A井為例，即積液，試氣時產水量25 m3/d，礦化度143 930 mg/L，H2S含量2 277 mg/m3，2012年9月投產，投產前油套壓22.6 MPa，配產2.5×104m3/d生產油壓降至5.8 MPa，分析認為該井井筒積液嚴重；2013年9月在該井實施撬裝式壓縮機氣舉+井口放噴復產工藝，復產期間氣舉壓力在20 MPa～23 MPa，排液量10 m3/d～30 m3/d，放空火焰高度2.5 m～3 m，累計排液330 m3后A井成功復活。進一步論證工藝適應性，2013年10月在B井開展現場試驗。B井礦化度119507mg/L，H2S含量4 379 mg/m3，復產期間排液量40 m3/d，放空火焰高度2.5 m～3.5 m，累計排液450 m3后B井成功復活。

（1）相比傳統開挖泥漿池，采用撬裝式井口氣液分離放噴裝置，井口準備周期平均降低3 d，有效提高了復產效率。

（2）分離器氣液分離效果好，運行參數在處理范圍之內，未出現超壓情況。

（3）放空火焰燃燒穩定，未出現回火、火焰熄滅等情況；常壓采出水回收罐未出現竄壓。

（4）現場熱輻射值處于有效安全范圍之內，滿足了操作人員的例行巡檢要求，便于實時施工數據的錄取及效果跟蹤評價。

圖5　井場設備分布及復產工藝流程圖

4　結論與認識

（1）研制的撬裝式井口氣液分離放噴裝置撬裝設計合理，氣液分離效果較好，運輸拆裝方便，能夠滿足現場需求。

（2）分離出的采出水采用儲水罐常壓收集，井口無需開挖排水池，便于罐車拉運回收處理。

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10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.008

TE931.1

B

1673-5285（2015）02-0029-04

2014－12-24

張振文（1963-），高級工程師，博士，畢業于西南石油學院，現在從事天然氣生產及管理工作，郵箱：zzw_cq@petrochina.com.cn。