液相旋流除砂裝置在海上氣田的應用

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，區域構造位置為鶯歌海盆地中央泥底辟構造帶北部， 儲層位于上新統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， 日產氣量約700 萬Nm3。隨著氣田開發進入中后期，部分生產井出現出砂現象，砂粒隨著井產物流進入生產水處理系統，在聚結分離器內積聚，帶來了一系列問題，影響系統的平穩運行。

2 氣田生產水處理系統簡介

該氣田生產水處理系統的主要設備有捕集器、 聚結分離器、閉排罐、開排罐。 從各平臺開采的井產物流先在捕集器進行氣、液分離。 分離后的液體進入聚結分離器，在聚結分離器進行油、 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。 聚結分離器分離出的生產水則進入閉排罐進行沉降分離，浮油由閉排泵打回聚結分離器，水則向下排至開排罐進行再處理，含油小于30 mg/L 的生產水經開式排放系統達標排海。

氣田有2 套聚結分離器，A 聚結分離器設計處理能力200 m3/d，其中水處理能力150 m3/d，油處理能力50 m3/d；B 聚結分離器設計處理能力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 聚結分離器處理的液體：捕集器A、捕集器B、捕集器C、生產分離器，處理量140 m3/d；B 聚結分離器處理的液體：捕集器D，處理量70 m3/d。

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

3 液相處理系統存在的問題

3.1 聚結分離器油水分離效率降低

氣田采用波紋板式聚結分離器，用作油水分離。 聚結分離器主要構成為入口導流板、波紋板聚結器、絲網聚結器、堰板、破渦器等，詳細結構見圖1 所示。

圖1 聚結分離器內部結構示意圖

聚結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，方向不斷發生變化，從而使油滴碰撞聚結的幾率增大。 小油滴在運動過程中不斷聚結變大，通過浸潤、吸附、聚結等作用，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，到達下層波紋板的上表面，最終更快地實現了油水分離。

氣井出砂砂粒在捕集器積累后， 隨液體流入下游的聚結分離器。 致聚結分離器內部空間被砂粒占據，處理空間縮小使聚結分離器內液體流速增大，板間流速過大，導致油滴在聚結板組內停留時間過短， 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， 經過聚結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， 聚結分離器的液位自動控制調節閥閥芯不能耐受砂粒沖刷， 很快就會內漏嚴重導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，聚結分離器、閉排罐液位計經常出現堵塞卡滯，每周都需要安排進行沖洗。

圖2 旋流除砂器結構剖視圖和旋流管內篩分原理圖

表2 旋流式除砂裝置技術特點

4 液相旋流除砂裝置的應用

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， 在旋流管內部以徑向流產生強大的旋流， 形成可以達到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壁運動到旋流管底部出口噴射出去。

旋流除砂裝置是根據流體中的固體顆粒在旋流管內旋轉時的篩分原理制成，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，結構簡單，操作簡便，使用安全，無需維護。 其技術特點見表2。

4.2 旋流除砂裝置接入改造

在A/B 凝析油聚結分離器進口管線各安裝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入聚結分離器進行油水分離。 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行排砂，流程見圖3。

圖3 聚結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 聚結分離器上游出砂井較多， 所以A 排砂量較大，排砂數據與井口含砂檢測數據一致。 具體數據見表3。

前置除砂裝置投用后， 聚結分離器油水處理能力恢復到設計狀況，使生產水含油由改造前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， 避免砂粒進入聚結分離器后影響聚結分離器處理效果，除砂效果達到預期。

表3 兩臺除砂裝置排砂記錄 單位：kg

5 結論

氣田投用液相旋流除砂裝置后， 凝析油聚結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，外排水中含油量進一步降低，達到更高排放標準；凝析油聚結分離器的開罐清洗作業周期變長，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，合計年度可節省費用72 萬元。

氣田通過調整氣井工作制度、下入井下防砂工具，再結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、防治結合的治理經驗，為氣井出砂的治理工作提供了成功的典范。