段塞捕集器結(jié)構(gòu)改造與除砂性能評價*

許仁辭 靜玉曉 石凱月 李清平 楊東海 何利民 蘇健鵬

(1. 中國石油大學(華東) 山東青島 266580； 2. 中海油研究總院 北京 100028)

段塞捕集器結(jié)構(gòu)改造與除砂性能評價*

許仁辭1靜玉曉2石凱月1李清平2楊東海1何利民1蘇健鵬1

(1. 中國石油大學(華東) 山東青島 266580； 2. 中海油研究總院 北京 100028)

許仁辭,靜玉曉,石凱月，等.段塞捕集器結(jié)構(gòu)改造與除砂性能評價[J].中國海上油氣，2017,29(2)：156-161.

XU Renci,JING Yuxiao,SHI Kaiyue,et al.Improvement in the structure of slug catchers and evaluation of their desanding performances[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):156-161.

為解決段塞捕集器下游管道和設備積砂問題，提出了一種帶有內(nèi)旋流和擋板的新型段塞捕集器，采用質(zhì)量分離效率、粒級效率、壓降、臨界粒徑為評價指標對改造后的段塞捕集器分離性能進行了全面系統(tǒng)的試驗評價，結(jié)果表明：旋流器能夠有效地抑制氣體出口攜液、攜砂，擋板能有效控制液體出口攜砂，第1塊擋板對分離起主導作用，在第1擋板無量綱長度α1<0.6或無量綱高度β1<0.37時，第2擋板強化分離作用明顯，改造后的段塞捕集器的砂粒質(zhì)量分離效率最大值達到95%，臨界粒徑最小值10 μm；增設旋流器后，壓降系數(shù)增量僅為0.041 5；在氣液量波動20%的范圍內(nèi)，改造后的段塞捕集器表現(xiàn)出良好的適應性。

段塞捕集器；結(jié)構(gòu)改造；除砂；旋流器；擋板；分離效率；粒級效率；壓降

海上儲層受地層、完井方式、開采速度等綜合因素的影響[1]存在出砂現(xiàn)象，砂粒在集輸管道和下游設備內(nèi)沉積，嚴重威脅設備的正常運行。以某海上氣田為例，砂粒在捕集器下游大量沉積，使聚結(jié)分離器的處理效果惡化，導致污水處理系統(tǒng)濾芯經(jīng)常因臟堵而更換，工藝安全性降低，作業(yè)成本增加。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，需要在分離器前進行除砂。因為操作空間有限，常規(guī)重力分離器[2-3]很難被應用到生產(chǎn)平臺，而離心分離器[4-5]壓力損失大，過濾分離器[6]阻力上升快，需要頻繁更換濾網(wǎng)、濾料等，運行成本高。因此考慮平臺操作的靈活性、可靠性和經(jīng)濟性，不宜單獨設置分離設備。針對這種情況，為保障下游生產(chǎn)分離器的正常運行，本文通過強化段塞捕集器分離功能，在常規(guī)容器式段塞捕集器[7-8]緩沖功能基礎上，對其結(jié)構(gòu)進行改造，增強除砂功能，并通過多相流分離試驗，對改造型捕集器的除砂性能進行了全面評價，為該技術應用于實際生產(chǎn)提供了重要指導。

1 段塞捕集器結(jié)構(gòu)改造

在常規(guī)段塞捕集器中，由于入口管處氣液比較高，氣流中夾帶的細小液滴和砂粒不能依靠重力完全沉降分離，排氣口處出現(xiàn)液滴和砂粒。沉降到容器底部的砂粒在液相中彌散、遷移和沉積，隨著液相流向下游，對下游生產(chǎn)造成危害。因此需要對常規(guī)結(jié)構(gòu)進行改造。根據(jù)現(xiàn)場實際情況和多相流中非均質(zhì)砂沉積理論[9-10]，在不占用外部空間的前提下，入口處增設樁狀旋流器，通過氣液預分離，抑制排氣管氣流對液滴和砂粒的夾帶；在捕集器內(nèi)增設擋板，為

砂粒重力沉降提供充足的停留時間和沉降空間，使砂粒在擋板前完成沉降分離，并阻止砂粒直接流向排液口。擋板可以是一個或多個，多擋板能夠維持氣液界面和液體內(nèi)部流場的穩(wěn)定，促進砂粒沉降，在同等罐體尺寸和分離能力條件下，有利于降低氣液界面，提高對段塞的緩沖能力。

段塞捕集器改造結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。實驗室段塞捕集器樣機內(nèi)徑D=365 mm，筒體長度L0=1 100 mm，排氣管、排液管距離筒體基準面L′=1 000 mm，無量綱擋板長度α=L/L′，無量綱高度β=H/D。

圖1 段塞捕集器改造結(jié)構(gòu)示意圖Fig .1 Structural representation of slug catcher

2 改造型段塞捕集器除砂性能評價

2.1 試驗系統(tǒng)設計

段塞捕集器分離性能測試試驗系統(tǒng)如圖2所示，試驗系統(tǒng)包含氣、液、固相，采用先液固混合，然后再與氣相混合的方式。液體和砂粒在液固混合系統(tǒng)混合均勻，經(jīng)過電磁流量計進入靜態(tài)混合器。同時，壓縮空氣經(jīng)緩沖罐和渦街流量計進入靜態(tài)混合器，氣、液、固相在靜態(tài)混合器中混合后進入段塞捕集器，進行分離性能測試。捕集器氣相出口設置旋流過濾器，液相出口設置沉降罐。在捕集器入口(A)和液相出口(B)分別設置取樣口，進行砂粒粒徑分析；入口(A)和氣相出口(C)設置Rosemount高精度壓力傳感器，進行壓力測試。采用美國National Instrument公司的PCI-6071E高速采集卡和Labview處理軟件進行溫度、流量等參數(shù)的檢測、采集、傳輸和顯示。

圖2 段塞捕集器分離性能測試試驗系統(tǒng)Fig .2 Separation performance test system of slug catcher

2.2 試驗介質(zhì)和操作參數(shù)

試驗介質(zhì)為空氣、水和石英砂。標準狀況下，空氣、水密度分別為1.21、998.20 kg/m3，運動黏度分別為0.018 4、1.007 0 mPa·s，石英砂密度為2 605.46 kg/m3。分離器入口氣、液表觀流速參考某油上氣田生產(chǎn)參數(shù)，氣體表觀流速10 m/s，液體表觀流速0.005 88 m/s，液中砂粒體積濃度為0.2%。砂粒粒徑特征分布曲線如圖3所示，聚結(jié)分離器內(nèi)部沉積砂粒大小不一，體積分數(shù)呈現(xiàn)正態(tài)分布。

圖3 砂粒粒徑特征分布曲線Fig .3 Distribution curve of sand particle diameter

2.3 評價指標

1) 分離效率。將捕集器內(nèi)沉積的砂粒質(zhì)量和入口砂粒的總質(zhì)量的比值定義為質(zhì)量分離效率，其表達式為

(1)

式(1)中：ms、min分別為捕集器內(nèi)沉積的砂粒和入口砂粒的總質(zhì)量。

2) 粒級效率。通過激光粒度儀測得捕集器入口和排液管出口砂粒的粒徑分布，用概率密度[11]描述砂粒粒徑數(shù)據(jù)，將固體顆粒群中各級粒度顆粒的分離狀況定義為粒級效率，其表達式為

(2)

式(2)中：ms(di)、min(di)分別為捕集器內(nèi)部沉積和入口處直徑為di的砂粒質(zhì)量；G(di)為粒徑di砂粒對應的粒級效率；di為砂粒粒徑，將G(di)=90%對應的粒徑d90定義為臨界粒徑。

3) 壓降規(guī)律。將進出口壓力差定義為壓降，其表達式為

(3)

式(3)中：pin、pout分別為段塞捕集器入口和排氣管出口表壓。

2.4 試驗結(jié)果與分析

2.4.1 單擋板加旋流器分離性能

試驗用段塞捕集器內(nèi)擋板幾何參數(shù)：無量綱長度α分別為 0.3、0.6、0.9；無量綱高度β分別為0、0.09、0.23、0.37、0.50。捕集器無量綱高度與質(zhì)量分離效率的關系如圖4所示，由圖4可知，質(zhì)量分離效率隨擋板高度和距離的增加呈逐漸增大趨勢，增設內(nèi)旋流和擋板后，捕集器質(zhì)量分離效率從70%提高到95%。

圖4 段塞捕集器無量綱高度與質(zhì)量分離效率的關系Fig .4 Relationship between dimensionless height and mass separation efficiency of slug catcher

擋板強化分離作用體現(xiàn)在兩方面：①在軸向上，液相攜帶的砂粒滑落至底部，大顆粒砂粒極易在前段發(fā)生沉積，小顆粒易以懸浮態(tài)存在[12]，增加擋板距離提高了砂粒沉積的有效時間。②在徑向上，入口液量不變的情況下，根據(jù)Adorján[13]沉積理論，擋板高度增加后對應的液體鋪展面積增加，液體遷移速度降低，促進砂粒沉降，在α=0.9時，質(zhì)量分離效率較高，穩(wěn)定在95%左右。由于具備充足的沉降時間，旋流對液相中大砂粒的分離影響較小，考慮捕集器液塞的緩沖空間和砂粒沉積所需要的停留時間，擋板高度不宜過高，取β=0.37。

捕集器無量綱高度與壓降的關系如圖5所示，在入口氣液流速不變的情況下，數(shù)據(jù)分析表明捕集器壓降主要發(fā)生在入口突擴和排氣管出口突縮處，擋板參數(shù)對壓降影響較小。增加入口旋流器后，入口處能量損失增加，壓降損失增大，幅值穩(wěn)定在25 Pa左右。

圖5 段塞捕集器無量綱高度與壓降的關系Fig .5 Relationship between dimensionless high and pressure drop of slug catcher

粒級效率是質(zhì)量分離效率的微觀反映。捕集器砂粒粒徑與粒級效率之間的關系如圖6所示。以α=0.6，β=0.09、0.23、0.37為例，隨著擋板高度的增加，各級粒級效率均呈現(xiàn)增大趨勢，特別是對于30 μm以下的小顆粒；臨界粒徑值逐漸減小，最小臨界粒徑約為10 μm。排氣管液體粘附如圖7所示，對比發(fā)現(xiàn)，未加內(nèi)旋流時，部分砂粒粘附在出口旋流器內(nèi)壁面，而加設內(nèi)旋流后，排氣管處旋流過濾器內(nèi)觀測不到砂粒存在，僅有極少斑點痕跡。氣體夾雜的細小液滴在離心力作用下被預分離，降低了排氣管處氣體的攜液量。

圖6 段塞捕集器砂粒粒徑與粒級效率之間的關系Fig .6 Relationship between the grit size and particle separation efficiency of slug catcher

圖7 段塞捕集器排氣管液體粘附Fig .7 Adhesive liquid in the gas outlet of slug catcher

試驗結(jié)果表明，改造后捕集器砂粒最大質(zhì)量分離效率達到95%，最小臨界粒徑由33 μm降低到10 μm左右，證明了這種捕集器控砂、除砂的可行性。

2.4.2 氣液比對分離性能的影響

以表觀氣速10 m/s、表觀液速5.88×10-3m/s為基準，氣液量分別上下浮動20%進行試驗研究。

表觀液速對質(zhì)量分離和粒級效率的影響如圖8所示，可以看出，液相流量增加后，質(zhì)量分離效率和粒級效率呈現(xiàn)降低趨勢。滑落的液體對底部液面沖擊擾動增強[14]，氣液界面波動劇烈，更多的小顆粒(d<10 μm)發(fā)生懸浮，越過擋板進入下游，惡化分離效果。因此，針對較大液相流量工況，需要適當增大擋板參數(shù)α，保證顆粒有效沉降時間和段塞捕集能力。表觀氣速對質(zhì)量分離和粒級效率的影響如圖9所示，可以看出，在試驗表觀氣速范圍內(nèi)，相同擋板參數(shù)條件下，由于入口旋流器預分離作用，氣相流量變化對質(zhì)量分離效率和粒級效率影響較小。

段塞捕集器壓能損失主要體現(xiàn)在氣體動能的變化上，表觀液速和表觀氣速對壓降的影響如圖10所示，可以看出，表觀氣速增加后，壓降逐漸增大，表觀液速對捕集器壓降影響較小。壓力損失主要發(fā)生在氣速突然改變的部位，例如入口旋流、排氣管突縮處。根據(jù)局部壓降公式Δp=ζv2sg進行壓降對比測試，結(jié)果表明單擋板的阻力系數(shù)為0.844 5；單擋板加旋流器的阻力系數(shù)為0.886 0，旋流器引起的壓降損失系數(shù)增量僅為0.041 5。

圖8 段塞捕集器表觀液速vsl對質(zhì)量分離效率(a)和粒級效率(b)的影響Fig .8 Influence of superficial liquid velocity on efficiency of mass separation(a) and grade(b) of slug catcher

圖9 段塞捕集器表觀氣速vsg對質(zhì)量分離效率(a)和粒級效率(b)的影響Fig .9 Influence of superficial gas velocity on efficiency of mass separation(a) and grade(b) of slug catcher

圖10 段塞捕集器表觀液速(a)和表觀氣速(b)對壓降的影響Fig .10 Influence of superficial liquid(a) and gas(b) velocity on pressure drop of slug catcher

2.4.3 雙擋板段塞捕集器分離性能

采用單一變量法考察雙擋板對強化除砂的作用，固定第1塊擋板。第1塊擋板的無量綱擋板長度為α1，無量綱高度為β1，改變第2塊擋板幾何參數(shù)，第2塊擋板的無量綱擋板長度為α2，無量綱高度為β2。

雙擋板對質(zhì)量分離效率的影響如圖11所示，在α1=0.3工況下，增設第2塊擋板，從前腔室溢出的砂粒流進入第2腔室完成進一步的沉降分離，質(zhì)量分離效率逐漸增大，特別是β1=0.23工況。而在α1=0.60時，第2塊擋板對分離影響較小，因此第1塊擋板在分離過程中占有主導地位。在第1擋板參數(shù)α1<0.6或β1<0.37時，第2擋板明顯具有強化分離作用，流場穩(wěn)定后，氣流主要沿著筒體上半部分流動。第2塊擋板高度低且遠離入口處，不會對來流形成強烈的氣阻，對捕集器的整體壓降影響較小，增設第2塊擋板后，粒級效率變化規(guī)律和質(zhì)量分離效率變化趨勢相同，最小臨界粒徑約為10 μm。

圖11 段塞捕集器雙擋板對質(zhì)量分離效率的影響Fig .11 Influence of double baffles on mass separation efficiency of slug catcher

3 結(jié)論

為解決段塞捕集器下游管道和設備積砂問題，提出了一種帶有內(nèi)旋流和擋板的新型段塞捕集器。通過分離性能評價，段塞捕集器質(zhì)量分離效率最大95%，臨界粒徑最小約10 μm，具有除砂性能好、能量損失低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。隨著段塞捕集器安裝擋板高度和距離的增加，質(zhì)量分離效率和粒級效率逐漸增大，壓降損失變化較小；第1塊擋板在分離過程中占有主導地位，在第1擋板參數(shù)α1<0.6或β1<0.37時，第2擋板具有明顯強化分離作用，在氣、液量分別波動20%的工況下，改造后的段塞捕集器表現(xiàn)出良好的適應性；增加旋流器后壓力損失系數(shù)增量僅為0.041 5。

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(編輯：葉秋敏)

Improvement in the structure of slug catchers and evaluation of their desanding performances

XU Renci1JING Yuxiao2SHI Kaiyue1LI Qingping2YANG Donghai1HE Limin1SU Jianpeng1

(1.ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China; 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Aiming at the problem of sand deposition in the downstream pipelines and equipment, a new slug catcher with an internal cyclone and baffles was put forward. Its separation performance is systematically evaluated with the criteria of mass separation efficiency, particle separation efficiency, pressure drop, and critical diameter by a series of experiments. The results show that the cyclone can effectively restrain the liquid and sand entrainment in the outlet gas, the baffles can effectively control sand carried in the outlet liquid, and the first baffle plays a dominating role in the separation. The second baffle can further enhance the separation when the dimensionless length of the first baffleα1<0.6 or its dimensionless heightβ1<0.37. The mass separation efficiency reaches up to 95% and the critical separation diameter is reduced to about 10 μm after the structural improvement. The incremental pressure drop coefficient is only 0.041 5 after adding the cyclone. The slug catcher exhibit good adaptability if the fluctuation of the gas and liquid flowrate is within the range of 20%.

slug catcher; structural modification; desanding; cyclone; baffle; mass separation efficiency; particle separation efficiency； pressure drop

*“十三五”國家科技重大專項“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術”項目子課題“深水天然氣凝析液控砂與射流清管技術(編號：2016ZX05028-004-003)”部分研究成果。

許仁辭，男，在讀碩士研究生，主要從事多相管流與油氣田集輸?shù)难芯?。地?青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)長江西路66號(郵編：266580)。E-mail:1124150254@qq.com

何利民，男，教授。地址:青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)長江西路66號中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院(郵編：266580)。

1673-1506(2017)02-0156-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.023

TE644

A

2016-09-12 改回日期：2016-10-19