稠油旋流除砂洗砂工艺与装置研制

高庆春 罗红梅 胡大鹏

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司；2.大连理工大学化工机械学院)

随着稠油油田开发理论与实践的发展，相当大一部分砂砾随着采出液带出地面，给整个集输系统带来一系列的问题，主要表现在：砂砾在管道和设备中沉积，降低其处理能力，甚至堵塞管道和工艺设备；采出液携砂引起输油泵磨损，加剧管道、阀门和容器的腐蚀；在加热流程中，砂沉积在加热装置的表面，妨碍正常的热传导，甚至出现局部过热、穿孔。因此，油田地面集输系统中除砂与清砂已成为亟待解决的问题。

自20世纪90年代以后，井口除砂技术迅速发展，各大油田针对自己的情况制定了合适的处理工艺，主要有油罐沉降除砂工艺[1]、静态水力旋流除砂工艺[2]及静态水力旋流除砂与洗砂组合工艺[3]等。油罐沉降除砂工艺流程简单，是最早采用的一种除砂工艺，但其罐内清砂工作量大，主要适用于含砂量较少的油田。静态水力旋流除砂工艺采用液相旋流产生的离心力进行油砂分离，具有结构简单、分离效率高、设备体积小及安装方便等优点[4]，因此该工艺得到了广泛的关注。未经处理的含油泥砂直接排放会对环境造成严重的污染，因此部分工艺中还加入了洗砂工艺，减少了排砂中的含油量，从而减少污油回收与清理的工作量。

从目前水力除砂装置的运行情况来看，主要存在的问题有：由于旋流除砂器内砂砾的冲刷作用，造成设备磨损严重，采用常规材料制作的旋流除砂器，使用寿命短，一般仅为3～6个月左右；静态旋流除砂器靠来液自身压力进行旋流分离，导致除砂装置整体压降较大，在来液压力存在较大波动的情况下，操作弹性小，压力不足时，分离效果差，影响下游操作；流程不够合理，自动化程度低。每个旋流除砂器均配独立的排砂罐和排砂阀组，排砂阀门频繁开关动作造成使用寿命的降低。笔者针对常规水力旋流除砂器存在的问题进行研究，以期开发出一种性能优良的除砂器。

1 除砂系统优化方案

1.1工艺流程优化

在常规静态旋流器的基础上，对装置采用了静-动态旋流除砂器组合的方式。动态旋流除砂器采用变频电机控制，可根据来液的压力波动与含砂情况调节动态旋流器的叶轮转速，以保证不同情况下除砂效果的稳定性。

装置中排砂与洗砂采用相互联锁、自动运行的控制方式，并根据油中含砂量进行间歇排砂、洗砂作业，减少了动设备的运行时间，延长了工作寿命。在排砂动作完成之后，自动进行洗砂作业，洗砂作业单独进行，保证了排出砂砾的清洁度。该装置在洗砂过程中采用掺水工艺，提高了洗砂作业的工作效率，可保证砂中含油量低于3 000mg/kg，符合标准[5]的要求。

静-动态旋流除砂器采用一体式的带压储砂罐结构形式，储砂罐采用带压倒排砂方式，避免了常规设计中储砂罐内沉砂堵塞排砂阀和排砂管线的情况。装置装配采用橇装化、层叠的安装方式，很大程度上减少了占地面积，便于运输与现场安装。

1.2控制系统优化

为适应装置自动控制的要求，编制了时序控制系统，以满足现场工作状况的需要。智能控制器采用远程终端控制系统(RTU)，该控制系统具有优良的通信能力和充裕的存储容量，适用于恶劣的温度和湿度环境，并提供多用途的计算功能。自动化仪表由就地指示表、变送器、控制阀及防爆智能控制器等组成。通过对温度、压力及液位等信号的监测，实现报警的同时采用自动化流水模式对系统动作进行控制，提高了控制的准确性，保证了装置平稳运行。

1.3材料选择优化

根据大量旋流除砂器的应用情况来看，在设备的运行过程中，旋流除砂器的顶部和收缩口处易发生磨蚀，而磨蚀穿孔是影响旋流器使用寿命的主要因素，因此需提高其耐磨性能。目前提高旋流器耐磨性能常采用的方式是增加磨蚀余量和使用内衬耐磨材料。增大易磨蚀处磨蚀余量可将旋流除砂器的使用寿命从3～4个月提高至6个月。内衬耐磨材料常采用内壁渗透、内衬耐磨非金属等工艺得到，内壁渗透法常采用渗碳、渗氮等工艺，由于工艺限制，渗透厚度一般只有数个毫米，对提高耐磨性能作用有限；内衬耐磨非金属工艺简单，制造难度较低，在工程中应用广泛。通过对大量耐磨材料的研究，最终除砂器内部采用内衬聚氨酯作耐磨材料，该工艺制作的成本较低，耐磨性能好，可将旋流除砂器的有限寿命提高至两年以上。

2 除砂洗砂系统介绍

笔者设计的静-动态旋流除砂洗砂系统由静态旋流除砂器、动态旋流除砂器、动态旋流除砂器冷却系统、集砂罐、电加热器、一级洗砂箱、一级洗砂泵、一级洗砂旋流器、二级洗砂箱、二级洗砂泵、二级洗砂旋流器、污油箱、污油泵、清运车、RTU控制柜及电动开关阀等主要设备与仪器仪表组成。其工艺流程如图1所示。

图1 静-动态旋流除砂洗砂装置工艺流程

含砂原油进入静态旋流除砂器或动态旋流除砂器进行油、砂分离，原油从除砂器上部溢出，砂砾进入下部集砂罐内。集砂罐为带压罐，设有倒排砂出口，与一级洗砂箱连接，之间设有电动球阀。

集砂罐中的砂砾排至一级洗砂箱后，设置在一级洗砂箱内的一级洗砂泵开启，从一级洗砂泵出来的含砂油水混合物进入一级洗砂旋流器进行一级洗砂作业，分离出的原油返回至一级洗砂箱，砂砾进入二级洗砂箱。一级洗砂箱中的砂砾排至二级洗砂箱后，设置在二级洗砂箱内的二级洗砂泵开启，从二级洗砂泵出来的含砂油水混合物进入二级洗砂旋流器进行二级洗砂作业，分离出原油返回二级洗砂箱，底部主要为砂砾部分，排入清运车定期运走。

一级洗砂箱和二级洗砂箱设置一定高度的堰板控制收液高度，洗砂箱上部油水混合物可通过堰板翻至中间的污油箱。污油箱内设置污油泵，根据液位控制开启操作，将集油箱内油水混合物输送至装置入口。

3 实验测试与现场应用

为模拟现场原油的性质，以聚丙烯酰胺为增稠剂，在水中加入聚丙烯酰胺，将水的粘度增加至200cp，并在装置运行的过程中连续加入砂砾，砂砾的粒径采用粒径分析仪测定。砂砾粒径分布见表1，该砂砾的中径为110.26μm。

表1 砂砾粒径分布

在装置运行的过程中，系统由控制部分进行自动控制，可通过改变变频电机的工作参数，调整装置动态旋流除砂器的转速，保证除砂的效果。实验过程中，在旋流除砂器出口处提取水样，进行分离、烘干、称重，并用粒径分析仪进行检测，分离后砂砾粒径分布情况见表2。

表2 分离后砂砾粒径分布

通过测试可知该砂砾的中径为46.52μm。从出口水样的粒径分析可以得出，55μm以上的颗粒基本分离效率大于97%。该装置在湛江文昌油田、深圳流花油田进行了生产应用。通过对运行结果的测定，原油中55μm以上的砂砾脱出率大于90%，砂中含油小于3 000mg/kg，满足现场的除砂要求，装置的运行状态平稳。

4 结论

4.1旋流除砂洗砂装置采用静-动态两种旋流除砂器组合的方式，其工作压力不受来液工作压力波动的限制，增大了装置的适用性，能够保证旋流除砂器的除砂效率。

4.2静-动态两种旋流除砂器内衬以聚氨酯作耐磨材料，提高了旋流器的耐磨性，旋流器的使用寿命较常规旋流除砂器提高了3～4倍。

4.3旋流除砂洗砂装置采用RTU控制柜，采用时序控制控制系统，实现了自动化控制，提高了控制精确，保证了装置运行的平稳性。

4.4通过实验与现场运行结果可以得出，原油中55μm以上颗粒的除砂率大于90%，满足现场的除砂要求，砂中含油低于3 000mg/kg，达到排放标准。

[1] 李成见.海上稠油油田含砂原油除砂及含油砂净化工艺探讨[J].中国海上油气，2007，19(4)：263～265.

[2] 冯定，李寿勇，李成见，等.出砂冷采地面除砂设备的现状与发展趋势[J].石油机械，2010，38(4)：65～68.

[3] 张海燕，李铭，田英男.原油除砂技术[J].油气田地面工程，2008，27(11)：76～77.

[4] 王景昌，郭付来，赵启成，等.不同入口设计的井下旋流除砂器流场数值模拟[J].化工机械，2013，40(4)：494～496.

[5] GB 4284-84，农用污泥中污染物控制标准[S].北京：中国标准出版社，1984.