海洋平台稠油油砂分离设备研制及应用

苏宇驰，范白涛，赵少伟

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452）①

海洋平台稠油油砂分离设备研制及应用

苏宇驰，范白涛，赵少伟

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452）①

随着出砂冷采技术的推广应用，处理稠油出砂已成为必不可少的环节。研究了国内外油田出砂地面处理的相关技术，针对海上稠油油田确定了经优化符合实际的生产处理流程，提出的地面监测及油砂分离处理设备在相同处理量的条件下，能够达到体积减小、质量减轻、成本降低、适应性好、维护工作量少等多个优点。创新设计的气液预分离装置在设计工况下将钻井液中超过60%的游离气分离出来，可适应较高的气液比，减少气泡对除砂过程的干扰，同时实现大部分粒径较大的固体颗粒的分离。该设备设计合理，结构紧凑，能够及时有效地将砂粒与原油加以分离处理，为保证油田稳产增产创造良好的工艺技术基础。

海洋；稠油；除砂；油砂分离；设备

目前，海洋油田稠油出砂冷采和适度防砂的工艺已经推广应用［1-2］。但由于复杂地层的存在以及作业时施工造成的影响，地层砂会伴随油气进入地面流程设备；而地层出砂损害极易造成油气处理技术系统无法密闭，也会引起生产管理等方面的问题。因此，配置地面油砂分离设备成为必不可少的环节；同时，能够及时有效地将砂粒与原油加以分离处理，使油田稳产增产的目标得以实现［3］。

1　国内外油砂分离技术

地面油砂分离技术通常是液固分离的过程，即将砂粒从液体中分离的过程，这是由于油井产出油、水、气、砂四相混合物之后，天然气一般情况下很容易分离出来。当前，国内外油砂分离技术一般包括以下3种方法［4］。

1.1 重力沉降法［5］

1） 利用水洗技术，使携带砂粒的固液混合物通过活性水层。活性水有很大的表面张力，能够加速油包水界面膜的破坏，油滴与水滴因为密度存在差异从而分别上升或下降，进一步减少原油乳状液黏度，使得砂粒能够尽快分离。

2） 利用对固液混合物加热，增加分离速度，降低混合物黏度，有利于砂粒沉降。

1.2 离心分离法［6］

离心分离法主要利用离心力场来分离固液混合物。在离心力场中，固体砂粒受到与旋转中心反方向的离心加速度，其大小与砂粒的旋转半径和切向速度成正比。通常情况下，在离心场中惯性力比较大，能够分离有微小颗粒的悬浮液以及准稳定乳状液。

1.3 过滤法

过滤法主要通过外界多孔介质进行固液混合物分离。通过多孔介质的作用，混合物中的液体可流入介质孔道，超过一定范围的砂粒则被留下，以此实现固液的分离。一般分为2种形式：其一为饼层过滤，适用于颗粒含量大于1%的混合液；其二为滤床过滤，适用于颗粒含量小于1%的混合液。

重力沉降法与离心分离法适用于黏度较小的流体且液相占主要体积分数的情况下，而筛网过滤法可以处理黏度较大的流体［7］，但过滤网连续工作时间有时较短，一些情况下可能需要频繁维护清理与更换。因此，这些方案都有各自的适应性与局限性，如何根据油井的实际特点确定合理的地面除砂方法，还需经过合理的研究、论证与计算。

2　油砂分离设备设计

2.1 水力旋流器设计

证书教学主线是指与专业课程相融通的职业资格与技能证书培训，包括计算机绘图操作员、中（高）级钳工、中级电焊工；中级机加操作工、中级数控机床操作工、Pro/E设计工程师等等。

水力旋流器结构如图1所示，其技术指标分别是旋流器的处理量指标生产能力、能耗指标压降以及物料流经旋流器时的各种产物分配指标［8］。

图1　水力旋流器结构

2.1.1 旋流器处理量计算

在分离过程中，水力旋流器的能量损失主要包括：固液混合物从管道进入筒体时由于截面积突然增大而造成的射流阻力；具有一定黏度的液体碰撞造成的内摩擦损失；固体颗粒碰撞造成的摩擦损失；混合物与筒体器壁碰撞造成的摩擦损失以及由于离心作用混合物产生的压力损失等。

实际应用中，除砂固液分离旋流器可以间歇或连续工作，所以对于处理量的要求较低，对于分离粒度的要求较细；同时，考虑到空间占用、能耗与投资。选用FX75型旋流器，其工作压力差为0.5×106Pa，当射流泵抽吸时，根据相关文献，料浆质量分数最高可达20%～30%。

当料浆质量分数为20%、固相密度为2 600 kg/m3时，料液质量密度为

FX75型旋流器进液口直径0.013 m，溢流口直径0.017 m，旋流器圆柱段直径0.075 m，则其排量（生产能力）为

2.1.2 分离粒度计算

如果进入水力旋流器中的混合物砂粒粒径大小一致，则对应此种粒径可测得一个分离效率。当砂粒质量分数改变时，分离效率对应发生改变，则分离效率与砂粒质量分数之间的对应关系为分级效率函数，对应曲线称为分级效率曲线。在此曲线上，分级效率为50%时对应的砂粒质量分数定义为分割尺寸或分离粒度，简写为d50。而当曲线中纵坐标为折算分离效率时，对应的曲线称为折算分级效率曲线。通常情况下，分割尺寸或分离效率指的是折算分离效率曲线上纵坐标为50%时对应的砂粒质量分数。

分级粒度指的是能够通过95%砂粒的筛孔尺寸（简写为dm），是优选矿产物细度的重要技术指标。通产情况下，分级粒度大约为分离粒度的1.65倍，是水力旋流器分离能力的衡量标准之一。

在实际应用中，比较方便的办法就是首先获得旋流器的折算分级效率或折算迁移率曲线等关系，然后在针对具体的应用条件进行设计时，只需根据具体的物料性质、操作条件以及分析效率或迁移率关系就可以计算出具体旋流器所能够达到的分离效率。

一般，因生产厂家很少提供溢流管插入深度，因此按近似计算式计算，即

应用数值模拟计算软件FLUENT分别计算了水力旋流器的液相体积分布、气相体积分布、切向速度分布、速度分布云图、固相体积分布与轴向速度分布，如图2所示。

2.2 多相分离器设计

作为固液混合物初次进行分离的重要装置，水力分离器的分离效果对后续处理工艺以及指标的进行有着重大的影响［9-10］。

图2　水力旋流器参数分布云图

原油通过连接在除砂装置上的井口Y接头、油管、连接软管，经过节流阀与射流泵进入主分离器，如果原油黏度较高，可能还需掺入适当比例的热水。此时由水源井提供的热水通过阀门、过滤器、射流泵与原油混合后一同进入主分离器。分离器中设置有旋转布液结构，使得进入的油水混合物产生切向速度，提高罐体内的空间利用率。在分离沉降的过程中，油气水砂4相物质将进行一定程度的分离，砂粒因为其亲油性被拉入水相，并最终沉降到罐底。双法兰液位变送器将会控制罐体内的油气液位。淤砂高度达到一定程度时，开启离心泵与相应阀门，砂水混合物被虹吸管吸入文氏管，从而在水力旋流器装置内部进行固液分离；其中，砂粒被分离到集砂容器中，由旋流器溢流口反出的水被离心泵排回主分离器中。这种方式保证了在水砂分离的同时主分离器内的液位不会发生显著变化，减少对分离器操作的影响，同时不必中断生产。虹吸管设计使得位于罐体内的清砂管道在不抽吸水砂时也不会在其内部淤积泥砂，即使一旦堵塞，也可利用掺水离心泵产生的压力将管道疏通。当罐内压力不足以将砂粒经清砂管线快速吸出罐体时，可以利用射流泵的文氏管产生的真空将砂粒抽出。整个设备均采用保温隔热材料来降低热量损失。多相分离器设计图纸如图3。

图3　多相分离器设计示意

3　实际应用

该油砂分离设备在SZ36-1 J、A平台油井生产中进行了应用，油砂分离设备实物如图4。首先根据油藏数据进行分析，对SZ36-1 J、A4与A平台混合油样取样试验，了解到该区块最小应达到的处理量为250 m3/d，所设计的油砂分离设备符合要求。经试验证实，对于等效粒径≥45μm的固体颗粒，油砂总分离效率达到80%以上。

图4　油砂分离设备实物

4　结论

1） 在3种油砂分离技术方法中，重力沉降法、离心分离法主要处理液相比例较大且黏度较小的流体，过滤法可以处理黏度较大的流体，但这3种方法均有其适应性与局限性。

2） 工艺流程设计是稠油地面油砂分离设计的重要内容，经仔细论证计算，最终确定了符合实际的生产处理流程。此流程具有操作维护量小、能耗少、成本低的优点。

3） 创新设计的油砂分离设备能够在设计工况下将钻井液中超过60%的游离气分离出来，能适应较高的气液比，可减少气泡对除砂过程的干扰，同时实现大部分粒径较大的固体颗粒的分离。

［1］ 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（8）：65-68.

［2］ 李天君，刘德基，译.携砂冷采综合完井方法提高了Fula油田稠油产量［J］.国外油田工程，2006，22（12）：17-20.

［3］ 田秦朝，王和平，刘颖.稠油地面除砂技术研究及应用［J］.石油工程建设，2010（6）：41-45.

［4］ Yablonskii V O，Ryabchuk G V.Modeling of the con-centration field of solid phase in a hydrocyclone in sus-pension separation by pressure flotation［J］.Russian JournalofAppliedChemistry，2002，75（10）：1653-1659.

［5］ 董克强.原油沉降罐密闭清砂装置研究［J］.北京工业大学学报，2001，27（4）：476-478.

［6］ Rawlins CH，Wang I I.Design and Installation of a Sand-Separation andHanding System for aGulf of Mexico Oil Production Facility［G］.SPE Production＆Facilities.2001：134-140.

［7］ 孙伯英.国外重质高粘原油沉砂和除砂［J］.华北石油设计，1989，5（1）：32-351.

［8］ 韩国庆，符翔，吴晓东，等.适度出砂开采方式在海上油田的应用［J］.国外油田工程，2004，20（2）：19-221.

［9］ 谭红旗.稠油油藏热采出砂预测与防砂技术研究［D］.东营：中国石油大学，2007.

［10］ Ingham D B，Ma L.Predicting the performance of air cyclones［J］.Int J Energy Res，2002，26：633-652.

Research and Application of Ground Separation devices for Heavy Oil and Sands

SU Yuchi，FAN Baitao，ZHAO Shaowei
（Tianjin Branch of CNOOC China Ltd.，Tianjin 300452，China）

With the growing in number of offshore heavy oil blocks and the widely use of cold pro-duction technology，heavy oil desanding become a necessary step of oil field mining processing.The ground monitoring and oil sands separation equipment presented in this paper can achieve many advantages，such as less volume，lighter weight，lower cost，good adaptability，less mainte-nance，and so on.The innovative design of gas-liquid pre-separation device can separate more than 60%of the free gas of well liquid under design conditions，and it can also adapt to a higher gas and liquid ratio，and reduce bubble｀s disturb to desanding process，while separating most of solid parti-cle with big particle size.With the device’s reasonable design and structure，the oil and sands can be effectively and timely separated，which creates a better technology foundation for ensuring a stable and increased production.

ocean；heavy oil；sand removing；oil and sands separation；equipment

TE952

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.018

1001-3482（2015）07-0074-04

①2015-01-15

国家科技重大专项“海上稠油油田高效开发示范工程”（2011ZX05057）

苏宇驰（1981-），男，河北定兴人，工程师，主要从事海洋石油钻完井技术管理工作。