原油集输系统卧式容器密闭清砂研究与应用.doc

原油集输系统卧式容器密闭清砂
研究与应用

穆向谦 林 松 李孟慧

摘要： 在疏松砂岩油田原油生产的集输系统中，采出液携砂虽然仅占系统输送总液量的万分之几，但是，原油采输生产的规模化与连续性决定了这万分之几含砂对原油集输系统的危害性。原油集输系统密闭清砂课题，不仅是在国内乃至国际石油工业发展过程中，历来也是被关注的焦点。原油集输系统卧式容器密闭清砂解决方案是经过长期探索研究，利用原油集输系统中层流段---卧式容器中的层流工况，即，油、气、水、砂按其密度差分层流动和沉积规律，实现水相聚集沉砂。并且，设置与系统层流段并联的排砂支线管路，实现了及时，高效密闭清砂。
主 题 词：原油集输；卧式容器；密闭清砂
1 前言
在疏松砂岩油田原油生产的集输系统中，泥沙随油水的运动被带到地面[1]，随着油田的进一步开采和助采措施的增加,油井采出液含砂量日益增多[2],采出液携砂虽然仅占系统输送总液量的万分之几，但是，原油采输生产的规模化与连续性决定了这万分之几含砂对原油集输系统的危害性，很多有关的损坏是产出液中砂的磨蚀造成的[3]。多年来，国内外石油科技工作者在不同时期，就原油集输系统密闭清除砂课题付出过艰辛探索，为该项目解决方案的确定都作出过不可偏废的贡献。
原油集输系统范指：从单井→计量站→中转站→联合站构成的油气采集处理系统。通常称之为三级布站格局。（注：某些油田根据油井密集程度、采液量的大小，也有两级布站。即：单井→计量站→联合站）但是，绝大多数油田，只在中转以上级别的站内才设置油、气、水分离装置，建立气—液、液—液分离工况，以满足采出流体集输储运、脱气、脱水的工艺要求。也就是在这些分离设备内，同时满足了固—液分离条件，大量砂沉积在容器底部，日积月累，容器内有效分离空间被沉砂侵占，导致设备处理能力递减，系统回压周期性波动，容器利用率降低，影响地面系统的运行效率[4]，外输油和污水指标也同期受到干扰，致使生产成本增加。总之，沉砂周期性侵占系统中有效分离空间得不到及时清除，严重影响原油集输系统平稳运行。正因如此，原大港油田集团勘察设计院从1985年开始，就此课题先后进行过多种方式、方法的探索和尝试，至2001年历经16年，终于可以向用户郑重承诺：今后，没有卧式容器中的沉砂不能在密闭工况下清除。其推出的解决方案与原油集输系统客观现状有机结合，优势互补，融为一体，而且，又是以如此原始性创新的形式，解决了多年来悬而未决错综复杂的系统问题。获得了普遍适用恰到好处的专利技术成果。
2 解决方案的探索、研究、试验与确定
原油集输系统密闭清砂课题，不仅是在国内乃至国际石油工业发展过程中，历来也是被关注的焦点。其研究工作处在逐渐完善的过程中。解决方案的探索研究和确定，需要长期生产实践的检验。对复杂系统问题的解决方案其最终舍取，取决于工艺技术是否适用，工艺流程是否简单、实用、可靠、节能、创新，是否符合客观规律，还要考查其经济效益和社会效益如何。用户，特别是一年365天连续生产线上的用户，有对该项解决方案及工艺技术客观公正的一票取舍权。
2.1解决方案之一：
大港油田从1985年建设东二转油站时，就已结合工程设计开始着手解决“砂害”问题。当时解决问题的切入点，现在看来，选择是非常准确的。当时，就是要在密闭工况下清除卧式容器内的沉砂。但是，解决问题的方法：是在卧式容器底部开口，加装6只6"阀和8"排砂汇管，直接排放，大液量携砂方案。该站投产后，卧式分离器生产运行工况中，大液量排砂（液量高达７m3/min）不仅携砂效率低，能耗高，排出液后续处理工作量大。而且，排放过程严重影响卧式分离器内的油气水分离工况。所以，该方案未被广范推广。
2.2解决方案之二：
８０年代末９０年代初期，国内某些油田为解决卧式容器内的沉砂问题，曾尝试过将卧式分离器改为立式分离器的方案。此方案曾一度被认为解决了容器沉积砂的问题。但是，它是以牺牲部分气液分离面积和减少被处理介质在容器内停留时间（分离时间）为代价，或做为卧式分离器之前的预脱气设备使用，在工艺流程中只起预脱气作用，集输系统中含砂并未真正及时清出系统，而只是不在该容器内沉积，因该立式分离器内流场并不符合沉砂规律，诸如停留时间与砂沉降过程、进液扰动与外输液携砂等矛盾不易协调。该工艺曾在某些油田较大面积推广，而系统中含砂最终还得移至下级卧式容器或立式原油沉降罐（大罐）内集中处理。
2.3解决方案之三：
９０年开始，大港油田与有关科研单位合作，又尝试在原油集输系统（中转以上级别站内）主回路上，以串联方式进行了动态除砂试验，采出流体（油、气、水、砂）总量经过该装置，流体中含气、含水率、原油粘度、系统温度、流体经过该装置的压力损失等等，错综复杂因素对总产液量，砂的去除率都有不同程度影响。众所周知：中转站来流是从众多单井采出液汇集到计量站、数座计量站又汇集至中转站，在中转站内卧式容器外输口之前，这段系统中并无新的动力源可补充。显然，系统主回路内流体动力来自众多单井抽油机提升并克服井筒静液柱汇集而成。中转站是油田原油集输系统的中间环节，可谓“系统瓶颈”。这也正是多年来一直强调必须在中转环节解决清砂问题的真正含意。就是要打通“瓶颈”的束缚，保证系统畅通。如果解决方案的限定条件及相关因素越多，适用范围必然越窄。上述工艺技术，特别是应用在稠油开采油田、低含水油田、高含气油田都会暴露出一些不如人意之处。
2.4解决方案之四：
原油生产过程中，采出液含砂的沉积条件，主要取决于系统中的流体速度。当流体速度低于砂颗粒的淤积沉降速度时，砂会在系统中任何部位沉积，显现砂的危害。
原油集输系统卧式容器密闭清砂解决方案是经过长期探索研究，在总结揭示上述客观规律，利用原油集输系统中层流段---卧式容器中的层流工况，即，油、气、水、砂按其密度差分层流动和沉积规律，实现水相聚集沉砂。并且，设置与系统层流段并联的排砂支线管路，实现了及时，高效密闭清砂。特别是卧式容器内设置的倒吸式排砂管，其开口朝下，一个以上，均布在容器底部，此处是水相中的沉砂。由于固液密度差的存在，就保证了倒吸式设置的排砂管内不会被沉积砂堵塞，始终处于充满水状态。当需要排砂时，开启罐外球阀，排砂管在罐内外压差的作用下，先过水而后携砂，又因砂在水中有效重度约0.5，且在工程设计中保证了管流速度与合理安排了排砂周期，所以，倒吸式排砂管不会被沉砂堵塞。当排砂结束或因故关闭罐外排砂球阀时，该管内残留砂会再次沉入罐内底部，倒吸式排砂管内始终保持充满水状态，这就为下次排砂工况准备了必要条件。因此，该专利技术使用1.5"倒吸式排砂支管才能保证间断排砂而不堵塞。排砂汇管内以0.7-1.2m3/min小流量、高流速、高携砂率，实现卧式容器的密闭清砂。该专利技术实施点选在卧式容器外输口之前；抽油机提升汇集动力液所及该段系统最未端的水相以下，成功研究推出了普遍通用于原油集输系统密闭清砂的有效方法。而且，是利用系统中压力场作为排砂动力，以“釜底排砂”方式，巧妙地实现了水相清砂。这样，就避开了原油物性各异对该项技术推广的不利影响。该项专利技术成果，经用户长期使用，定期排放循环清砂，罐内砂位将永远没不过罐内新增设置的档砂板，大量沉砂进入不了外输泵吸口，该站外输液含砂率，可保持在相应处理液量工况下的最低限度（外输含砂率在百万分之几数量级），缓解了外输泵的磨蚀，同时，有效防止外输液携砂引起的“二次砂害”。
原油集输系统卧式容器密闭清砂课题有了成熟可靠的解决方案及工艺技术后，在油田地面工程设计中，对相关系统、设备及工艺设计原则也必须作相应调整。此前，为延长卧式容器停产人工进罐清砂周期，设计准则是：尽量将砂外输，转移到末级站统一处理，罐内已沉积的砂，是满足气—液或液—液分离工况的“副产品”。当今，这一“副产品”有了及时、高效的清除方法，就应从设计环节保证，使其尽量多地沉积在该容器内及时清除。这样，在卧式容器与密闭清砂技术有效使用寿命20-25年中的经济效益和社会效益是显而易见的。
该解决方案自92年提出，93年结合大港油田第一采油作业区、马西油站密闭改造工程投产、经过6年生产实践的检验，于1998年7月2日，在原中国石油天然气总公司科技发展局组织的《原油集输系统除砂》项目验收会议上肯定了其研究方向的正确性。
3 卧式容器密闭清砂工艺技术实施情况及具体改造内容
3.1卧式容器密闭清砂工艺技术实施情况
该方案被肯定之后，于1998年8月大港油田集团公司追加项目科研计划，在大港油田集团油气开发公司第一采油作业区马西七站内，卧式分离缓冲罐上再次实施改造、试验、验证又获成功。2000年12月在冀东油田庙一联合站内、河南油田设计院研制生产的WYS3.0×9.0-0.64/1卧式三相分离器上实施技术改造，曾加了密闭清砂功能，配套设置了清砂工艺及清砂装置，又获成功。2001年，中国石油大港油田分公司第二采油作业区在西三转、西五转油站，极低压原油采输系统卧式分离缓冲罐上再次实施该项专利技术，同样收到用户满意的效果。2002年在中国石油大港油田分公司第八采油作业区新建的板-26站实施该项专利技术再次收到满意效果。上文涉及的站内卧式容器密闭清砂工艺技术装置至今都在继续使用，应用时间最长的站已10余年，其清出砂中含油率小于0.05%，优于国家现行标准。
3.2卧式容器密闭清砂工艺主要技术参数和具体改造实施内容
3.2.1卧式容器密闭清砂工艺主要技术参数
*清砂时间周期7-15天/次
*单罐每次清砂与砂处理时间约单罐20min、双罐40min
*携砂污水循环量0.7-1.2m3/min
*每次清砂用电量25kw.h-27kw.h
*外排砂中含油率（系统不含泥工况下）<5‰0
*系统压力大于0.1Mpa时，选用“图一”工艺

图一　　卧式容器密闭清砂改造方案示意图*系统压力小于0.1Mpa时，选用“图二”工艺

图二　　极低压卧式容器密闭清砂改造方案示意图
高效清砂池、污水池共用（清砂池、污水池示意图见“图三”）

图三　　卧式容器密闭清砂池示意图
3.2.2卧式容器密闭清砂改造实施内容：
如图所示：在连续运行中的原油集输系统一般采用双罐并联的运行方式，实施改造的卧式容器只需轮换生产改造即可。每具罐体改造周期为7天，罐体内改造仅需3.5天，其中包括：人工清除沉砂、断开相关工艺管阀及接地、蒸罐、通风、测厚、罐内本体改造、探伤检测、联线复原、试水压投产等过程，双罐轮换完成改造后，清畅的卧式容器投入运行后的第一次密闭清砂，可在投产后的30-45天内进行。这就为罐外配套清砂工艺、清砂池的建设施工赢得了时间。
卧式容器
系统来流
(油、气、水、砂)
外输气
经过改造具备密闭清砂功能的中转站站内动态工艺见图四：
外输泵
污水池
污水泵
除砂泵
积砂斗
旋流器
外输液
沉砂池
排砂池

图四 卧式容器密闭清砂动态工艺图

四 应用推广前景
本项专利技术成果，主要应用于油田开采过程中，原油集输系统中转环节，它是中外石油生产领域普遍通用的密闭清砂工艺。据初步调研资料显示，国内采出液含砂油田有：胜利、辽河、吉林、任丘、大港、河南、中原、江苏、新疆等，其原油产量与砂相关的量至少占我国原油年产总量仅按1.4亿吨计的30%，约有4200万吨/年，原油生产过程中存在着采出液携砂问题，极待提供有效解决方案与相关工艺技术服务，而4200万吨/年，纯原油的开采过程，平均含水率在80%左右；平均原油密度按0.9计，可推出4200万吨/年原油产量其采出液量约为：3×108m3/年，平均日产液量达85×104m3/d，进而推算产能配套设施，仅按日处理量3000-4000m3/d站计算，国内采出液含砂油田中约有280座已建站可采用本专利实施技术改造。关于新建产能配套设施对该项专利技术的需求暂时无法估算，但是，只要油田地面集输工艺中继续使用卧式分离器，本项专利技术就占有突出的竞争优势。
五 结论
原油集输系统卧式容器密闭清砂工艺技术试验研究项目，结合油田生产实际，历经十几年艰难曲折的探索，终于在原油集输系统层流段水相空间实现了连续聚积沉砂；利用系统中压力场配合增设的倒吸式排砂管实现了间断排砂而不堵塞、推出了石油生产领域普遍通用的专利技术，国家专利号：ZL98207662.2，并且配套完善了清砂工艺与高效清砂装置。
该项技术在原油集输系统中实现了水相聚集沉砂外排，经过实施改造后的卧式容器，不仅达到各项科研设计指标，保证各项技术参数长期稳定，在容器使用寿命20-25年内可避免停产人工进罐清砂，清出砂含油率优于现行国标，它既适合新建又适合老站改造，是石油生产领域普遍通用的专利技术成果，其经济效益和社会效益显著。

参考文献：
[1] 韦国连   郭振中   郑福森 . 容器内沉积物清理技术研究 2002, 21(6)
[2] 田栓魁    韩专    霍彦莉 . 储罐自动清砂新技术 2000, 11(9)
[3] 魏启忠 . 出砂油田高含水开发集油管线适应性分析 2003,22(8)
[4] 陈荣  张国辉  邹晓燕  王树好  李国生 . 系统除砂新技术在港东、港西油田的应用2002, 21(6)

作者简介：
【 (第一)作者简介】穆向谦，高级工程师，1993年天津市级自学成才，现就职中国石油天然气管道局天津设计院。022-25923770-16 13682101869 mxq305@
【(第二)作者简介】林松，工程师，1994年毕业于西南石油学院采油工程专业，现就职中国石油天然气管道局天津设计院。022-25928540 15022689185 linsong@
【(第三)作者简介】李孟慧， 助理政工师，2008年毕业于河北工业大学石油工程专业， 现就职大港油田分公司采油工艺研究院022－63955771

6