液相旋流除砂装置在海上气田的应用

董伟

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司 广东湛江 524057）

1 概况

该气田位于海南省莺歌海正西方约100 km 处海域，区域构造位置为莺歌海盆地中央泥底辟构造带北部， 储层位于上新统莺歌海组和黄流组地层， 属于浅层气藏， 储层岩性为粉砂-极细砂，以粉砂为主，岩石类型以石英砂为主［1］。 气田群由1 座中心平台和4 座井口平台组成， 日产气量约700 万Nm3。随着气田开发进入中后期，部分生产井出现出砂现象，砂粒随着井产物流进入生产水处理系统，在聚结分离器内积聚，带来了一系列问题，影响系统的平稳运行。

2 气田生产水处理系统简介

该气田生产水处理系统的主要设备有捕集器、 聚结分离器、闭排罐、开排罐。 从各平台开采的井产物流先在捕集器进行气、液分离。 分离后的液体进入聚结分离器，在聚结分离器进行油、 水分离。 正常情况下分离出的凝析油含水小于150 mg/L，直接用凝析油泵增压打入海底管道，和天然气一起混输至下游陆岸终端。 聚结分离器分离出的生产水则进入闭排罐进行沉降分离，浮油由闭排泵打回聚结分离器，水则向下排至开排罐进行再处理，含油小于30 mg/L 的生产水经开式排放系统达标排海。

气田有2 套聚结分离器，A 聚结分离器设计处理能力200 m3/d，其中水处理能力150 m3/d，油处理能力50 m3/d；B 聚结分离器设计处理能力71.8 m3/d，其中水处理能力28.9 m3/d，油处理能力42.9 m3/d。 目前A 聚结分离器处理的液体：捕集器A、捕集器B、捕集器C、生产分离器，处理量140 m3/d；B 聚结分离器处理的液体：捕集器D，处理量70 m3/d。

由于各平台开采层位不同， 所产出地层水的组分物化性质各有差异，混合之后处理难度已经很大。 自2012 年开始，部分气井相继出砂， 在砂粒的影响下，A/B 凝析油聚结分离器工况恶化，影响气田生产水处理系统的油水分离效果。

3 液相处理系统存在的问题

3.1 聚结分离器油水分离效率降低

气田采用波纹板式聚结分离器，用作油水分离。 聚结分离器主要构成为入口导流板、波纹板聚结器、丝网聚结器、堰板、破涡器等，详细结构见图1 所示。

图1 聚结分离器内部结构示意图

聚结分离器采用多层波纹板组， 通过缩短油滴浮升高度来提高油滴分离效率。 同时，油水混相在板组内流动过程中，由于过流断面不断变化和波纹状流道，使流体流速时大时小，方向不断发生变化，从而使油滴碰撞聚结的几率增大。 小油滴在运动过程中不断聚结变大，通过浸润、吸附、聚结等作用，在波纹板的下表面形成油膜，并沿板面移动、脱落，水相在重力作用下沉降，到达下层波纹板的上表面，最终更快地实现了油水分离。

气井出砂砂粒在捕集器积累后， 随液体流入下游的聚结分离器。 致聚结分离器内部空间被砂粒占据，处理空间缩小使聚结分离器内液体流速增大，板间流速过大，导致油滴在聚结板组内停留时间过短， 油滴之间及油滴与波纹板之间尚未充分接触便随水流冲出板层流至出水口［2］。

通过取样可以看到， 经过聚结分离器处理后的油底部有明显积砂，处理后的水有1%～2%的油。 在上游大液量排放的时候，水中含油可达5%，为下游的闭排和开排水处理增加了难度。

3.2 凝析油泵故障率高

气田凝析油泵采用柱塞泵， 凝析油携砂对凝析油泵影响很大，增大相关配件的更换频率，对比以往维修记录来看，凝析油泵平均检修周期由6 个月缩短至20 天，显著加重了维修工作量和备件费用。 总结出砂对凝析油泵的运行影响，见表1所示。

表1 凝析油泵故障列表

3.3 仪控阀门失效

受砂粒的影响， 聚结分离器的液位自动控制调节阀阀芯不能耐受砂粒冲刷， 很快就会内漏严重导致液位无法自动控制。 气田选用高强度耐冲刷的阀芯，但是砂粒的冲蚀磨损依然存在，必须储备充足阀芯备件，定期拆开检查其损坏的情况，及时更换损坏的阀芯。 受砂粒影响，聚结分离器、闭排罐液位计经常出现堵塞卡滞，每周都需要安排进行冲洗。

图2 旋流除砂器结构剖视图和旋流管内筛分原理图

表2 旋流式除砂装置技术特点

4 液相旋流除砂装置的应用

4.1 旋流除砂装置原理

水力旋流分离原理是利用一个旋流管， 在压力的推动下产生的离心力将固体颗粒从流体中分离出来。 流体中的固体颗粒以切线方式高速旋流管内， 在旋流管内部以径向流产生强大的旋流， 形成可以达到1000 至2000 G 的离心力的加速度场。 在这个离心力的作用下，促使固体颗粒向旋流管的内壁移动。 由于压力梯度场的作用，除去固体颗粒的流体则反向流向轴中心，并由溢流口流出。 固体颗粒则沿着旋流管内壁运动到旋流管底部出口喷射出去。

旋流除砂装置是根据流体中的固体颗粒在旋流管内旋转时的筛分原理制成，原理图如图2 所示。

该气田选用的旋流式除砂装置主要包括旋流管、筒体、储砂罐、排砂管线，结构简单，操作简便，使用安全，无需维护。 其技术特点见表2。

4.2 旋流除砂装置接入改造

在A/B 凝析油聚结分离器进口管线各安装1 套旋流除砂装置，将气田所有液体接入装置。 除砂装置处理后的液体进入聚结分离器进行油水分离。 除砂装置底部通过管线和常开的阀门同储砂罐相连，储砂罐用来储存从液体中分离出的砂粒，其上连接有冲洗水管和放空管线， 方便操作人员定期对储砂罐进行排砂，流程见图3。

图3 聚结分离器前置旋流除砂装置

4.3 旋流除砂装置运行效果

投用之后，A 除砂装置液体处理量140 m3/d。 B 除砂装置液体处理量70 m3/d。排砂周期定为约每周一次，除砂排砂效果良好。 由于A 聚结分离器上游出砂井较多， 所以A 排砂量较大，排砂数据与井口含砂检测数据一致。 具体数据见表3。

前置除砂装置投用后， 聚结分离器油水处理能力恢复到设计状况，使生产水含油由改造前28 mg/L 降低至19 mg/L。从除砂排砂效果来看，两台除砂装置都有良好的除砂效果，可以有效除去上游来液携带的砂粒， 避免砂粒进入聚结分离器后影响聚结分离器处理效果，除砂效果达到预期。

表3 两台除砂装置排砂记录 单位：kg

5 结论

气田投用液相旋流除砂装置后， 凝析油聚结分离器的油水处理效果得到了明显改善，降低了外输凝析油的水露点，外排水中含油量进一步降低，达到更高排放标准；凝析油聚结分离器的开罐清洗作业周期变长，减少了开罐清洗的人力、物资等消耗；降低了凝析油外输泵、液位控制阀的维修材料人员费用，合计年度可节省费用72 万元。

气田通过调整气井工作制度、下入井下防砂工具，再结合地面旋流除砂装置， 在气田出砂治理方面摸索出一套以防为主、防治结合的治理经验，为气井出砂的治理工作提供了成功的典范。