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稠油地面除砂技术研究及应用

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地面 除砂 技术研究 应用
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第 36 卷第 3 期稠油地面除砂技术研究及应用田秦朝,王和平,刘 颖(中国石油工程建设公司,北京 100011)摘 要 : 田在稠油出砂冷采过程中 , 平均单井产砂量为 3 m3/a, 因此存在油田联合站外输系统中各类罐体必须定期清砂及清砂困难等问题 , 若含油泥砂直接排放 , 又会严重污染环境 。 经研究采用三级油砂分离工艺即井口和管汇重力沉降分离以及站内旋流器及过滤器处理 、 在线清砂和旋流洗砂工艺等来解决这一难题 。 现场应用表明 , 采用上述工艺除砂效率可达到 95%以上 , 清洗后的泥砂其原油含量基本达到 284农用污泥中污染物控制标准 》 的要求 , 可直接排放 。关键词 : 稠油集输 ; 除砂 ; 重力沉降 ; 旋流器 ; 过滤器 ; 工艺中图分类号 : 献标识码 : B 文章编号 : 1001-2206 (2010) 03-0041-04田在稠油出砂冷采过程中 , 初期产出液含砂量高达 4% ~ 12%, 即使是中期正常生产阶段部分井产出液含砂量也在 ~ 1%之间 , 长期生产平均单井产砂量为每年 3 油井出砂导致细微的泥砂颗粒随采出液被携带至地面 , 同时原油密度及黏度较大 , 决定了小直径泥砂颗粒悬浮于采出液中而较难沉降 。 这些泥砂的存在 , 加剧了油田外输系统的管道 、 泵 、 阀等设备的磨损 。 同时 , 为了保证联合站中各种类型罐体功能的正常运行 , 必须定期清罐 , 将已沉积的泥砂清理出来 。 采用清罐的方法存在着清砂困难 、 周期长 、 投资大 、 占地面积大的问题 , 而未经处理的含油泥砂直接排放 , 又会对环境造成严重的污染 。针对上述存在的问题 , 我们配合项目公司开展了各种物理和化学除砂试验 , 提出了三级除砂工艺 、 在线清砂和旋流洗砂等一系列符合实际的方法和思路 , 并将研究成果应用于现场 , 取得了较好的经济效益 。1 面 油 砂 分 离 技 术 思 路油井产物一般是油 、 气 、 水 、 砂四相混合物 ,其中天然气较易从其他物料中分离出来 , 剩余物即为液固混合物 , 因此油田地面除砂是一个液固分离过程 , 即从油水混合物中将砂粒除掉 。目前在油田上应用的除砂设备有重力沉降 、 过滤 、 离心以及旋流器除砂设备等 。 固液分离设备的选择是由很多因素决定的 , 选择范围很宽 , 很难用公式来进行选择 , 可以用图 1 的形式给出各种固液分离设备的适用范围 , 利用它来初选除砂设备 。田产出砂的平均粒径在 50 μm 以上 ,根据图 1, 可知可采用的分离设备为沉降罐 、 离心机 、 水力旋流器和筛滤机等 。 离心机和筛滤机多是有传动部件的设备 , 需要精心维护 , 不太适合油田现场的恶劣环境 , 故大罐沉降和旋流器洗砂流程比较适合油田生产的实际 。 因此 , 对 田考虑采用三级油砂分离流程 (见图 2), 即井口和管汇重力沉降分离以及站内旋流器及过滤器处理 。 级 油 砂 分 离 ——井 口 重 力 沉 降 分 离重力沉降是利用固液两相的密度差在重力场中进行固液分离的过程 , 通常考虑在井口放置沉降罐注 : x 为颗粒直径 /μm。图 1 固液分离设备的适用范围深度过滤器 ,循环过滤器 ,预饼层过滤器 ,沉降离心机5< x≤5 x >50x≤5高 高 低 低 高低饼层过滤器 ,压力过滤器 ,板柜式过滤机 ,筛滤机沉降罐 ,离心机 ,水力旋流器过滤离心机粒度浓度分离设备石 油 工 程 建 设41石 油 工 程 建 设 2010 年 6 月进行重力沉降 。 由于 田现场管道施工剩余部分钢管以及部分报废的防砂筛管 , 因此设计了一种沉降管内衬筛管的井口沉降管设备 。新设计的井口沉降管规格如图 3 所示 。 现对砂粒的沉降作一个简单的分析 。 假设 :(1) 砂粒在管内做自由沉降 , 纵向沉降距离为沉降管直径 590.6 2) 砂粒横向速度为入口速度 , 横向行程为沉降管长度 11.6 m。 圆管横截面积为 要在原油从入口到出口的时间内砂粒能够沉降 , 就可满足要求 , 即砂粒纵向沉降时间小于原油从入口到出口的时间即可 。根据计算得到 (见表 1), 当产油量较低时 ,如 10 m3/d 和 20 m3/d, 20 ~ 70 目的砂粒均能够沉降 , 即大部分砂粒能够沉降于沉砂管内 ; 当产油量为 50 m3/d 时 , 仅能沉降比 60 目更粗的砂粒 ; 当产油量为 100 m3/d 时仅能沉降比 50 目更粗的砂粒 ;当产油量为 150 m3/d 时 , 仅能沉降比 40 目更粗的砂粒 。 按照 田目前的产量 , 利用沉降管在井口沉砂 , 粒径大于 40 目 ) 的砂粒都能沉降 。同样 , 在集油管汇安装类似的除砂装置 , 起到二级沉降除砂的作用 。因为采出砂粒径分布范围在 60 ~ 70 目之间 ,因此当产油量大于 50 m3/d 时可考虑用双沉降管并通过增大直径或增加长度来降低流速 , 增加液流在沉降管中的滞留时间 , 同时通过加入表面活性剂(如 来降低乳化液黏度 , 改变砂粒表面的润湿性 , 从而加速砂粒沉降 。 级 油 砂 分 离 ——站 内 旋 流 除 砂 器 及 过 滤 器处 理水力旋流器按其功能一般可分为固 —液 、 液 —液 、 气 —液分离三种类型 。 水力旋流器结构十分简单 , 整个壳体由圆筒部分和锥筒部分相接组成 。 壳表 1 砂粒沉降时间的计算目数 粒径 /(cm/s)纵向沉降所需时间 /m3/d 20 m3/d 50 m3/d 100 m3/d 150 m3/2 30 40 50 60 70 即切向进料口 、 底流口 、 溢流口 。 被处理的液体从进料口进入旋流器 , 在旋流器内部产生很高的角速度 , 固体和液体因密度差产生的惯性离心力不同 , 密度大的固体颗粒被甩向旋流器内壁 , 密度小的液体则靠近旋流器中心 。 固体颗粒被甩向旋流器内壁的同时 , 还沿着壳体壁螺旋式向下运动 , 最后由底流口排出 。 在旋流器中心处 ,因液体高速旋转而形成低压的螺旋形上升流 。 大部分液体及少量的固相颗粒随此上升由溢流管排出 ,从而达到固液分离的目的 。通过借鉴辽河油田某采油厂的经验 , 采用耐磨损的渣浆泵建立系统的循环 , 并在清洗罐内形成水力搅拌 , 从而在特定温度下实现泥砂颗粒相互间的摩擦 、 剪切 , 达到进一步除去泥砂中所含原油的目的 ; 清洗过程分离出来的原油及污水由污水泵泵回外输管道 ; 地面设置排42第 36 卷第 3 期水 沟 , 定期回收沟内污水 , 以 避 免 污 水 外 溢 ;系统运行初期设置外保温层 , 以后建造包容全系统的工房 , 可实现全天候正常运行 。 联合站除砂装置见图 4。2 沉降管在线清砂技术研究经过一段时间的生产 , 沉积在一 、 二级沉降管中的油砂必须定期清除 , 一般情况下考虑盘通沉降管或停产人工清除 。 每次清砂时必须卸掉端头的两片直径 609.6 大法兰片 , 现场施工作业难度很大 , 同时清砂时也会给油井生产管理带来难度 ,部分含砂原油在此期间流入系统之中 。针对此问题 , 我们和项目公司人员一起对沉降管的安装高度作了适当的调整 , 将沉降管倾斜 5° ~10° 安装 , 同时在沉降管底部加大排砂口的直径 ,利用系统内自带的压力和虹吸作用将沉降管的含砂原油直接排到现场特制的收砂车中 , 大大地提高了清砂效率 。 具体清砂流程如图 5 所示 。3 产出砂处理技术研究由冷采井产出液中沉降下来的砂粒一般含有约5% 的原油 , 即使经过热水冲砂后也含有 1% ~ 5%的原油 。 因此 , 必须对产出砂进行处理 , 使之达到排放要求 。 目前 , 产出砂处理方法大致有以下几种 : 回填回注法 、 化学稳定法 、 热处理洗砂法 、 微生物处理法等 。挖土掩埋和堆放储存只适用于含油量较低的情况 , 并有可能再次造成地层污染 , 因而这一处理方法带有很大的风险 。 微生物处理法是近几年发展起来的一种新型油砂处理法 , 就是在油砂浆池内投放微生物 , 微生物将粘附在砂粒表面的微量原油剥离出来 , 而后通过重力分离作用把油砂彻底分离 , 此方法投资较高 , 运行条件比较苛刻 。 因此这两种方法都不予考虑 。经过对成本和现场试验的综合分析 , 认为最值得提倡的油砂处理方法是洗砂法 。 砂 工 艺 流 程把定量的油砂加入盛放有热水的洗砂池中 , 开启渣浆泵进行水力冲洗搅拌 , 开泵一定时间后 , 打开通向水力旋流器的阀门并调整旋流分离器的入口压力 , 实现油水和净化砂的分离 , 同时在旋流离心作用下再次加强洗砂效果 。 现场洗砂工艺流程如图 6 所示 。 砂 清 洗 试 验我们采用热水 + 水力冲洗搅拌 + 旋流强化洗涤的清洗方法 , 在稠油联合站开展了现场稠油冷采井沉降砂样的清洗试验 。 试验结果表明 (见表 2),各因素的重要性次序依次为清洗时间 、 旋流强化洗田秦朝等 : 稠油地面除砂技术研究及应用43石 油 工 程 建 设 2010 年 6 月涤压力 、 油砂和热水的比值 , %, 小于国家农用污泥中矿物油 的含油标准 。 通过对表 2 的实验数据的统计分析 , 得到各因素与洗砂效果的关系 : 油砂与热水的比值越高 (油砂加入越多 ), 净化砂含油有升高的趋势 ;清洗时间越长 , 旋流强化洗涤压力越高 , 净化效果越好 。综合分析试验结果得到现场清洗油砂的最佳工艺参数为 : 油砂与热水的比值为 1:20 左右 , 冲洗时间 5 旋流强化洗涤压力为 由于较高的旋流强化洗涤压力会造成较强的磨蚀 , 从而影响设备的使用寿命 , 所以最好把压力值降低 。 即使在旋流强化洗涤压力为 情况下 , 净化砂含油平均值也只有 %, 仍然可以满足净化砂外排要求 。4 结束语现场实际生产表明 , 采用上述工艺方法及技术 , 可使系统除砂效率达到 95% 以上 , 清洗后的泥砂经干化后其原油含量基本达到 284用污泥中污染物控制标准 》 中对矿物油的含量要求 , 可以直接排放 。 此方法的应用为 6 区稠油开采提供了技术支持和保障 , 创造了较好的经济效益 。——————————作者简介 : 田秦朝 (1960-), 男 , 陕西富平人 , 工程师 ,1981 毕业于兰州石油学校炼厂机械专业 , 现从事石油工程技术及商务管理工作 。收稿日期 : 2009 冷采油砂的清洗试验结果试验号 油砂热水清洗时间/11 : 233 2 5 3 10 41 : 183 5 5 6 10 71 : 133 8 5 9 10 平均 预热 10 级差 R 44 41) 00011, , In m3/a,so of at be if it be at at as as is to of 5%, of B 4284in 5) 65000,et at of PD by PD in by PD 48) , et in as of of a of is at a or a in of 3) —
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