動態除砂器除砂效率提升研究及應用

傅劍峰

摘 要：南海某采油平臺油井出砂，對工藝流程及地面集輸設備造成非常嚴重的影響。平臺對已有的動態除砂器系統進行深入研究，通過改變動態除砂器工況以及調整維護策略，提升除砂效率，降低原油含砂量，延長設備使用壽命，降低了生產風險和生產成本，取得了可觀的綜合效益。

關鍵詞：動態除砂器;除砂效率

引言

南海某生產平臺動態除砂器投用以來，進入外輸泵和海管中的原油含砂量大幅度減少，外輸泵零配件磨損速度得到有效控制，海管中泥沙沉積逐漸減少，有效降低了外輸泵故障率和海管堵塞風險，在一定程度上減少設備維護成本，提高經濟效率。但隨著運行時間的增加，在原油含砂量基本不變的情況下，動態除砂器除砂量呈下降趨勢，除砂效率逐漸降低。

動態除砂器除砂效率的降低，帶來一系列安全隱患和經濟損失。

（一）井液含砂造成生產管匯、分離器、外輸泵等一系列地面設備故障，增加維護成本和設備風險。外輸泵機封在細砂的反復摩擦作用下，磨損量迅速變大，導致泄露，引發安全環保事故，頻繁更換機封也大量增加了維護成本：分離器和內部積砂造成腐蝕和處理效果下降;可能會導致控制閥卡死等故障;

（二）砂在海底管道中沉積，除了減小流通面積，降低輸送效率外，還會誘發結垢和腐蝕，增加海底管道的運行成本和風險。

一.動態除砂器提升方案

針對動態除砂器除砂效率降低問題，平臺從動態除砂器結構和維護策略等方面進行分析研究，提出以下幾種措施：

（一）調整運行工況

根據設計文件，該動態除砂器是依靠外部電機驅動葉輪，料液（油水和砂的混合物）經過葉輪后，獲得較大的切向速度并且流入設備的分離段[1]在分離段采用了傳統返流式旋流器的結構來實現油水和砂的高效分離，根據對旋流器內部用來表述固體顆粒沉降速度Us修改過的 Stokes 定律：

由公式可知，當切向速度uT增大時，固體顆粒沉降速度Us變大，除砂效率得到提升。但不能無限制增大切向速度，因為切向速度過大會造成設備使用壽命縮短、軸承與機械密封等部件受損、以及設備振動過大導致油水和砂分離過程失敗等嚴重后果?，F場通過調節變頻器輸入頻率，經試驗發現，輸入頻率由以往的30Hz調為35Hz時，除砂效果最優（如表1所示）。

（二）定期對葉輪表面除垢

葉輪表面結垢嚴重，容易形成對葉輪流道的阻塞，增大能量損失，使流體進入旋流器的切向速度uT減小，對應固體顆粒沉降速度Us減小，除砂效率降低。

現場對葉輪表面除垢，運行兩天后對比發現動態除砂器的除砂效率有較為明顯的提升（如表2所示）。

（三）在旋流器內壁金屬表面加陶瓷涂層

動態除砂器的關鍵部件旋流器金屬內壁粘接一層耐磨聚氨酯材料。設備工作時旋流器與熱油接觸，溫度瞬間高達六十幾攝氏度;設備停止工作時，短時間內溫差高達六十攝氏度左右，該材料會出現脫落、鼓包和破裂等情況，阻礙流體在旋流器內部形成渦流運動，直接導致除砂器效率下降。

建議在旋流器內壁金屬表面加陶瓷涂層，可以選用搪瓷涂覆技術進行加工。搪瓷涂層與一般陶瓷涂層不同，其突出特點是具有玻璃特性。搪瓷涂層主要優點：耐酸、耐堿、耐熱、耐磨、耐寒、絕緣、表面光滑美觀等。[3]

（四）動態除砂器傳動機構改造

原來動態除砂器選用的傳動機構為皮帶傳動，軸承箱選用受中等徑向力的深溝球軸承【4】，經常出現偏磨和燒軸承等故障;設備振動偏大，導致旋流器內部流體受到震蕩，渦流運動受到干擾，影響除砂效果。分析原因發現，該動態除砂器處于工作狀態時，軸承內外圈受到極大的徑向力，內外圈與滾珠互相磨損導致軸承游隙偏大，設備出現異常振動和噪音，影響整套設備正常使用。

由分析結果，需要減小軸承所受的徑向力。根據現場實際情況，可以對設備傳動機構進行改造，將皮帶傳動改為聯軸器傳動，使軸承整體受力均勻，大幅度減小軸承所受的徑向力，延長軸承使用壽命，減小設備振動，提高除砂效率，節約維護成本。

二.綜合效果

通過采用上述措施后，提高了除砂器的除砂效率，降低了設備故障率，帶來了如下綜合收益：

1）采取系列措施后，排砂量較之前有明顯增加（如表3所示），除砂效率有進一步的提升;

2）除砂效率的提高，降低了外輸泵發生機封泄漏的風險，有效避免因為外輸泵機封故障而導致停產損失;

3）將皮帶傳動改為聯軸器傳動，軸承更換周期從以前的兩個月延長到八個月，同時減少皮帶更換，一年可節約維修費用10萬左右。

三.主要結論

該平臺通過調整除砂器運行工況、清洗葉輪、改變傳動等措施，有效提升了動態除砂器的除砂效率，減少設備維護成本，降低了生產風險和生產成本，給平臺的生產帶了顯著的綜合效益，同時也為其他油田裝置的解決類似問題提供了參考思路。

參考文獻：

[1] 戴毅.動態旋流除砂器在采油平臺的應用[J].化學工程與裝備，2013（8）：106-108

[2] 劉厚鈞.聚氨酯彈性體手冊[M].2版.山西：化學工業出版社.2012：13-20

[3] 盧屹東，亢世江等.金屬表面陶瓷涂層的技術特點及應用[J].焊接技術，2005，34（2）：6-9

[4] 王振華.實用軸承手冊[M].1版.上海：上海科學技術文獻出版社. 1996.