渤海C 油田除砂工藝設(shè)計與研究

梁建斌，冀光峰，鐘小俠，孔海生，張 偉

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司工程建設(shè)中心，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

1 油田開發(fā)現(xiàn)狀分析

渤海C 油田屬于特高孔高滲、疏松砂巖油藏，易出砂。稠油黏度大，屬超稠油范圍（表1），對巖石的拖拽能力強(qiáng)；聲波時差值大于臨界值，出砂風(fēng)險大。海上超稠油的開采，風(fēng)險極高，按照蒸汽吞吐進(jìn)行熱采，巖石的膠結(jié)強(qiáng)度會降低，加劇了地層出砂風(fēng)險。通過調(diào)研已生產(chǎn)熱采井防砂及生產(chǎn)情況，參考渤海地區(qū)的稠油熱采生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，熱采井需要防砂，生產(chǎn)井采用適度的防砂技術(shù)（礫石充填防砂），在提高原油采收率的同時可控制地層大量出砂。經(jīng)計算，防砂精度選擇16～30 目，對應(yīng)優(yōu)質(zhì)篩精度選擇150 μm，可確保產(chǎn)出液含砂量控制在8 t 砂/104m3液。平臺上設(shè)有32 個井槽，其中蒸汽吞吐熱采井26 口，水源井2 口，預(yù)留井4 口（生產(chǎn)井）。生產(chǎn)井采用蒸汽吞吐的開發(fā)方式，射流泵采油。單井物流經(jīng)生產(chǎn)管匯匯合進(jìn)入高效分離器，之后分離油氣水三相，分離出含水60%的原油進(jìn)入靜電聚結(jié)分離器進(jìn)一步脫水后，經(jīng)新建管道送至中心平臺作進(jìn)一步處理。最后，經(jīng)電脫水處理成含水2%的合格原油，與中心平臺及周邊平臺原油匯合后，進(jìn)入原油緩沖罐，再經(jīng)外輸泵增壓后外輸至原油終端。

表1 渤海C 油田館陶組及明化鎮(zhèn)原油性質(zhì)

2 常見除砂工藝及存在的問題

原油除砂工藝技術(shù)主要有自然沉降除砂、水沖洗-重力除砂、藥劑-水沖洗-重力除泥砂和井底摻藥劑-地面流程回?fù)綗崴?水沖洗-自然重力除泥砂等[1]，用流體密度差分離砂液，泥砂常常沉積在分離器的罐底，需要定期或不定期清罐作業(yè)來保證設(shè)備的處理能力。用外部清水經(jīng)噴嘴沖刷罐內(nèi)，將泥砂排至分離器外部，放至碎屑箱儲存后通過船舶運(yùn)輸?shù)酱a頭，經(jīng)過處理回收或者掩埋。分離器內(nèi)部噴嘴往往出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，沖刷的有效面積很有限，不能去除全部泥砂。有些平臺運(yùn)用濾網(wǎng)過濾模式除去泥砂，當(dāng)壓差過大或者堵塞情況時，清洗濾網(wǎng)可保證整個生產(chǎn)流程通暢，避免工藝設(shè)備和海管堵塞。泥砂中含有大量的原油，平臺上沒有相關(guān)處理設(shè)備，只能放至碎屑箱儲存后通過船舶運(yùn)輸至陸地進(jìn)一步處理，費(fèi)用很高。目前，渤海首個整裝熱采開發(fā)平臺使用的井口旋流除砂器，原油黏度太大，處理效果不佳，成本高[2]。

3 除砂工藝改進(jìn)措施

為避免設(shè)備損壞和油田停產(chǎn)，需要解決采出液含砂問題。包括熱水回?fù)?、管道混合、密閉容器旋流噴射自吸裝置、旋流除砂、臥螺機(jī)等技術(shù)整合一體的處理流程。

3.1 熱水回?fù)胶凸艿阑旌掀?/h3>

實(shí)驗(yàn)表明，溫度的提高和原油含水率的升高可大幅加強(qiáng)布朗運(yùn)動，降低原油黏度。渤海C 油田原油脫水和集輸非常困難，采出液攜砂能力強(qiáng)。原油黏度對溫度和含水率的敏感性較強(qiáng)。綜合考慮脫水實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論，推薦回?fù)綗崴疁囟瓤刂圃?0 ℃左右，回?fù)胶蟮幕旌显秃士刂圃?0%左右，以此達(dá)到降低原油黏度的目的。黏度的下降可有效減弱原油攜砂能力，在沖洗過程中，砂粒容易釋放到生產(chǎn)水中，脫離原油，為分離器罐底裝置的下一步除砂奠定了基礎(chǔ)。

管道混合器原理為在管內(nèi)設(shè)置若干個螺旋狀單體，安裝入管時，將相鄰的螺旋片相反地交叉固定在管道內(nèi)；流體通過混合器時，流體方向不斷以對折形式通過，流體總分力量可成倍增加。每個單體的兩側(cè)會產(chǎn)生渦流、紊流效應(yīng)，這又進(jìn)一步提高了傳質(zhì)速率，C 油田的回?fù)綗崴O(shè)置在混合器的側(cè)端，井口來液進(jìn)口設(shè)在混合器的主通道，經(jīng)過管道混合器的充分混合沖刷，原油攜砂量大幅降低，可將砂粒進(jìn)一步釋放到水中，避免因混合器砂堵造成平臺停產(chǎn)。

3.2 密閉容器旋流噴射自吸裝置

密閉容器旋流噴射自吸裝置除砂效果顯著，能有效降低運(yùn)行成本。C 油田的生產(chǎn)分離器、靜電聚結(jié)分離器和閉排罐內(nèi)設(shè)置旋流噴射自吸裝置，可將罐底的含水砂粒清除至旋流除砂器[3-5]。分離器內(nèi)部承壓低，旋入的泥砂雜質(zhì)等不能外排到儲砂罐，需要配套沖洗水泵，經(jīng)水壓沖洗旋流子實(shí)現(xiàn)對油砂的外輸。

單個旋流噴射自吸裝置的處理直徑不小于1 m，砂的去除率不小于98%（無需開罐除砂，可持續(xù)生產(chǎn)）。以沖砂水速30 m3/h 對旋流子進(jìn)行分組設(shè)計，滿足處理量要求（8 t 砂∶104m3液）。當(dāng)泥砂充分混合成為砂漿外輸時，一個旋流子形成的旋流場約為管徑的5～7 倍。分離器中靠重力堆積的泥砂，只有在旋流場內(nèi)才能被沖到旋流子中，然后外排。分離器需要安裝多個此裝置，計算公式如式（1）。

式中：N為裝置個數(shù)；S為裝置安裝所在容器的實(shí)際積砂面積，m2；D為裝置排出管管口面積，m2。

在確定實(shí)際有效積砂面積時，要著重分析容器內(nèi)部的形式和附件。

3.3 旋流除砂器

旋流除砂分離技術(shù)在渤海油田被廣泛運(yùn)用，其原理是根據(jù)介質(zhì)存在密度差，在離心力作用下實(shí)現(xiàn)油砂分離。一定壓力的流體切向進(jìn)入除砂器進(jìn)口頂部后，會自上而下形成旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的離心作用，在離心力、向心力、浮力以及液體拽力的共同作用下，介質(zhì)密度低的油水上升，由出口排出，密度大的砂粒則從設(shè)備底部的排污口排到儲砂罐。該設(shè)備形式單一、操作簡捷、維護(hù)方便，固液分離效果好，適用于連續(xù)生產(chǎn)的工況[6-8]。

平臺設(shè)計使用四臺旋流除砂器，每臺每小時處理量為130 m3。為確保整個壓力系統(tǒng)損失較小，旋流除砂器的壓降不超過100 kPa，出口水的砂粒粒徑應(yīng)小于40 μm。排出含水砂漿儲存于臨時砂罐。

3.4 臥螺機(jī)

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FPSO）上使用臥螺機(jī)后，含水污泥砂處理效果明顯，降低了油砂儲存和陸地處理成本，消除了船舶運(yùn)輸時外漏隱患。臥螺機(jī)為逆流臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)，螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間是相對運(yùn)動，差速器能按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋漿，從而實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)對物料的連續(xù)分離過程。離心機(jī)具有差轉(zhuǎn)速自動控制功能，達(dá)到出渣干度恒定[9-11]。

臥螺機(jī)處理能力主要與直徑、長徑比、轉(zhuǎn)速有關(guān)，前兩個因素決定了機(jī)器的大小，也決定了離心機(jī)的分離面積和容積。而對于同樣直徑的不同轉(zhuǎn)速也決定了分離因數(shù)的大小[12]。離心機(jī)的生產(chǎn)能力可由式（2）計算。

旋流除砂器分離出的含水濕砂進(jìn)入砂收集罐緩沖，然后通過泥漿泵增壓輸送至臥螺機(jī)撬。收集罐的目的是為了保證臥螺機(jī)入口流量穩(wěn)定[13]。

3.5 實(shí)施效益

設(shè)計的除砂工藝較好地解決了油井出砂問題。經(jīng)初步預(yù)算，能有效釋放油井產(chǎn)能（擴(kuò)大油井射孔直徑），每年增產(chǎn)約3×104t 原油。以油價50 美元/bbl 粗略估算，除去各項費(fèi)用，每年產(chǎn)生效益約500萬元人民幣。

4 結(jié)論

（1）熱水回?fù)?、管道混合、密閉容器旋流噴射自吸裝置、旋流除砂、臥螺機(jī)等技術(shù)整合一體，具有集成化、自動化的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化預(yù)制、自動化控制，有效解決了出砂問題。

（2）技術(shù)整合適用于海上稠油熱采相似采出液的生產(chǎn)，節(jié)能環(huán)保，收益率高。