渤海C 油田除砂工艺设计与研究

梁建斌，冀光峰，钟小侠，孔海生，张 伟

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

1 油田开发现状分析

渤海C 油田属于特高孔高渗、疏松砂岩油藏，易出砂。稠油黏度大，属超稠油范围（表1），对岩石的拖拽能力强；声波时差值大于临界值，出砂风险大。海上超稠油的开采，风险极高，按照蒸汽吞吐进行热采，岩石的胶结强度会降低，加剧了地层出砂风险。通过调研已生产热采井防砂及生产情况，参考渤海地区的稠油热采生产经验，热采井需要防砂，生产井采用适度的防砂技术（砾石充填防砂），在提高原油采收率的同时可控制地层大量出砂。经计算，防砂精度选择16～30 目，对应优质筛精度选择150 μm，可确保产出液含砂量控制在8 t 砂/104m3液。平台上设有32 个井槽，其中蒸汽吞吐热采井26 口，水源井2 口，预留井4 口（生产井）。生产井采用蒸汽吞吐的开发方式，射流泵采油。单井物流经生产管汇汇合进入高效分离器，之后分离油气水三相，分离出含水60%的原油进入静电聚结分离器进一步脱水后，经新建管道送至中心平台作进一步处理。最后，经电脱水处理成含水2%的合格原油，与中心平台及周边平台原油汇合后，进入原油缓冲罐，再经外输泵增压后外输至原油终端。

表1 渤海C 油田馆陶组及明化镇原油性质

2 常见除砂工艺及存在的问题

原油除砂工艺技术主要有自然沉降除砂、水冲洗-重力除砂、药剂-水冲洗-重力除泥砂和井底掺药剂-地面流程回掺热水-水冲洗-自然重力除泥砂等[1]，用流体密度差分离砂液，泥砂常常沉积在分离器的罐底，需要定期或不定期清罐作业来保证设备的处理能力。用外部清水经喷嘴冲刷罐内，将泥砂排至分离器外部，放至碎屑箱储存后通过船舶运输到码头，经过处理回收或者掩埋。分离器内部喷嘴往往出现堵塞现象，冲刷的有效面积很有限，不能去除全部泥砂。有些平台运用滤网过滤模式除去泥砂，当压差过大或者堵塞情况时，清洗滤网可保证整个生产流程通畅，避免工艺设备和海管堵塞。泥砂中含有大量的原油，平台上没有相关处理设备，只能放至碎屑箱储存后通过船舶运输至陆地进一步处理，费用很高。目前，渤海首个整装热采开发平台使用的井口旋流除砂器，原油黏度太大，处理效果不佳，成本高[2]。

3 除砂工艺改进措施

为避免设备损坏和油田停产，需要解决采出液含砂问题。包括热水回掺、管道混合、密闭容器旋流喷射自吸装置、旋流除砂、卧螺机等技术整合一体的处理流程。

3.1 热水回掺和管道混合器

实验表明，温度的提高和原油含水率的升高可大幅加强布朗运动，降低原油黏度。渤海C 油田原油脱水和集输非常困难，采出液携砂能力强。原油黏度对温度和含水率的敏感性较强。综合考虑脱水实验的相关结论，推荐回掺热水温度控制在80 ℃左右，回掺后的混合原油含水率控制在80%左右，以此达到降低原油黏度的目的。黏度的下降可有效减弱原油携砂能力，在冲洗过程中，砂粒容易释放到生产水中，脱离原油，为分离器罐底装置的下一步除砂奠定了基础。

管道混合器原理为在管内设置若干个螺旋状单体，安装入管时，将相邻的螺旋片相反地交叉固定在管道内；流体通过混合器时，流体方向不断以对折形式通过，流体总分力量可成倍增加。每个单体的两侧会产生涡流、紊流效应，这又进一步提高了传质速率，C 油田的回掺热水设置在混合器的侧端，井口来液进口设在混合器的主通道，经过管道混合器的充分混合冲刷，原油携砂量大幅降低，可将砂粒进一步释放到水中，避免因混合器砂堵造成平台停产。

3.2 密闭容器旋流喷射自吸装置

密闭容器旋流喷射自吸装置除砂效果显著，能有效降低运行成本。C 油田的生产分离器、静电聚结分离器和闭排罐内设置旋流喷射自吸装置，可将罐底的含水砂粒清除至旋流除砂器[3-5]。分离器内部承压低，旋入的泥砂杂质等不能外排到储砂罐，需要配套冲洗水泵，经水压冲洗旋流子实现对油砂的外输。

单个旋流喷射自吸装置的处理直径不小于1 m，砂的去除率不小于98%（无需开罐除砂，可持续生产）。以冲砂水速30 m3/h 对旋流子进行分组设计，满足处理量要求（8 t 砂∶104m3液）。当泥砂充分混合成为砂浆外输时，一个旋流子形成的旋流场约为管径的5～7 倍。分离器中靠重力堆积的泥砂，只有在旋流场内才能被冲到旋流子中，然后外排。分离器需要安装多个此装置，计算公式如式（1）。

式中：N为装置个数；S为装置安装所在容器的实际积砂面积，m2；D为装置排出管管口面积，m2。

在确定实际有效积砂面积时，要着重分析容器内部的形式和附件。

3.3 旋流除砂器

旋流除砂分离技术在渤海油田被广泛运用，其原理是根据介质存在密度差，在离心力作用下实现油砂分离。一定压力的流体切向进入除砂器进口顶部后，会自上而下形成旋转从而产生强烈的离心作用，在离心力、向心力、浮力以及液体拽力的共同作用下，介质密度低的油水上升，由出口排出，密度大的砂粒则从设备底部的排污口排到储砂罐。该设备形式单一、操作简捷、维护方便，固液分离效果好，适用于连续生产的工况[6-8]。

平台设计使用四台旋流除砂器，每台每小时处理量为130 m3。为确保整个压力系统损失较小，旋流除砂器的压降不超过100 kPa，出口水的砂粒粒径应小于40 μm。排出含水砂浆储存于临时砂罐。

3.4 卧螺机

浮式生产储油卸油装置（FPSO）上使用卧螺机后，含水污泥砂处理效果明显，降低了油砂储存和陆地处理成本，消除了船舶运输时外漏隐患。卧螺机为逆流卧式螺旋卸料沉降离心机，螺旋与转鼓之间是相对运动，差速器能按一定的速比将扭矩传递给螺旋浆，从而实现了离心机对物料的连续分离过程。离心机具有差转速自动控制功能，达到出渣干度恒定[9-11]。

卧螺机处理能力主要与直径、长径比、转速有关，前两个因素决定了机器的大小，也决定了离心机的分离面积和容积。而对于同样直径的不同转速也决定了分离因数的大小[12]。离心机的生产能力可由式（2）计算。

旋流除砂器分离出的含水湿砂进入砂收集罐缓冲，然后通过泥浆泵增压输送至卧螺机撬。收集罐的目的是为了保证卧螺机入口流量稳定[13]。

3.5 实施效益

设计的除砂工艺较好地解决了油井出砂问题。经初步预算，能有效释放油井产能（扩大油井射孔直径），每年增产约3×104t 原油。以油价50 美元/bbl 粗略估算，除去各项费用，每年产生效益约500万元人民币。

4 结论

（1）热水回掺、管道混合、密闭容器旋流喷射自吸装置、旋流除砂、卧螺机等技术整合一体，具有集成化、自动化的特点，可实现标准化设计、模块化预制、自动化控制，有效解决了出砂问题。

（2）技术整合适用于海上稠油热采相似采出液的生产，节能环保，收益率高。