大港復(fù)雜斷塊油田一體化集成裝置研發(fā)與應(yīng)用

周松 趙昕銘 霍夙彥（中國(guó)石油大港油田采油工藝研究院）

前言

大港油田地處環(huán)渤海地區(qū)，是1座開(kāi)發(fā)50多年的老油田。隨著油田進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)期，地面系統(tǒng)逐漸暴露出工藝流程長(zhǎng)、運(yùn)行能耗高、設(shè)備設(shè)施腐蝕老化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了油田的高效開(kāi)發(fā)。

面對(duì)嚴(yán)峻的開(kāi)發(fā)形勢(shì)，大港油田結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)復(fù)雜敏感的自然環(huán)境和日益緊張的用地用?，F(xiàn)狀，以老油田改造和產(chǎn)能建設(shè)為依托，開(kāi)展了一體化集成裝置研發(fā)與應(yīng)用。

一體化集成裝置研發(fā)和應(yīng)用是地面工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的重要組成部分。目前，國(guó)內(nèi)各主要油田結(jié)合自身實(shí)際，相繼開(kāi)展了多種形式的一體化集成裝置研發(fā)，研發(fā)中注重工藝流程簡(jiǎn)化、注重采用高效合一設(shè)備、注重智能化[1-2]。長(zhǎng)慶油田結(jié)合自身產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模大、工程量大的特點(diǎn)，研發(fā)形成了60種一體化集成裝置，范圍覆蓋油田集輸、氣田集輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域[3-4]。西南油氣田結(jié)合自身天然氣大規(guī)模開(kāi)發(fā)上產(chǎn)的特點(diǎn)，研發(fā)應(yīng)用了以天然氣集輸為特色的一體化集成裝置，形成了一體化建廠的新型建設(shè)模式。大慶油田研發(fā)的加熱增壓一體化集成裝置，簡(jiǎn)化了偏遠(yuǎn)區(qū)塊集輸流程，擴(kuò)大了集油半徑[5]。

大港油田油氣產(chǎn)量規(guī)模小，同長(zhǎng)慶油田和西南油氣田相比，每年的地面工程量較小。此外，大港油田屬于復(fù)雜斷塊油氣藏，油田區(qū)塊碎小，油氣物性差異大，地面工藝存在多種形式，并且大港油田地處天津?yàn)I海新區(qū)，臨近河北雄安新區(qū)，安全環(huán)保和用地用海壓力大。以上條件對(duì)一體化集成裝置的研發(fā)提出了明確要求，即裝置要具有較高的功能集成度、較高的自動(dòng)化程度和安全穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)多年的優(yōu)化完善，大港油田在油氣集輸、摻水、原油處理和采出水處理四大領(lǐng)域研發(fā)應(yīng)用了多種一體化集成裝置，實(shí)現(xiàn)了由簡(jiǎn)單撬裝向高度集成，由有人值守向智能控制，由單一領(lǐng)域向多個(gè)領(lǐng)域的持續(xù)升級(jí)，應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模不斷擴(kuò)大，形成了適應(yīng)大港復(fù)雜油氣藏的一體化集成裝置序列。

1 油氣集輸一體化集成裝置

油氣集輸一體化集成裝置的研發(fā)目的是用1具裝置實(shí)現(xiàn)1座集輸場(chǎng)站的功能，進(jìn)而縮短布站模式，簡(jiǎn)化集油工藝。針對(duì)大港油田復(fù)雜油氣藏的特點(diǎn)，以工藝優(yōu)化簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)，開(kāi)展了油氣集輸一體化集成裝置研發(fā)。在研發(fā)過(guò)程中，首先根據(jù)功能需求，確定所需集成設(shè)備，然后采用最優(yōu)化理論，進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化組合，優(yōu)化平面和立體布局，配套自控系統(tǒng)，最后進(jìn)行裝置安全分析與評(píng)估。

1.1 油氣分輸裝置

該裝置主要針對(duì)地面建有完善的集輸管網(wǎng)的油田區(qū)塊。主要集成設(shè)備包括分離緩沖罐、干燥器、離心泵、管道及閥門(mén)。以工藝流程為基礎(chǔ)，按照便于操作的原則，將各設(shè)備安裝在撬塊上，形成結(jié)構(gòu)緊湊、功能完備的一體化集成裝置，在地面工藝中可以替代分輸接轉(zhuǎn)站。圖1為典型油氣分輸一體化集成裝置三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 油氣分輸一體化集成裝置三維結(jié)構(gòu)圖

在裝置研發(fā)中，通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化裝置布局，進(jìn)一步提升了裝置運(yùn)行效率。例如，早期研制的裝置中，干燥器水平設(shè)置在分離緩沖罐的頂部，分離緩沖罐分出的天然氣經(jīng)干燥器處理后供加熱爐或外輸。受水平布置形式的限制，干燥器中生成的凝液不易回流至罐體內(nèi)，進(jìn)而影響處理效果。后期通過(guò)優(yōu)化論證，調(diào)整干燥器布置形式，設(shè)置水平和側(cè)向傾角，提高凝液回流率。圖2為干燥器布置形式優(yōu)化示意圖。

圖2 干燥器布置形式優(yōu)化示意圖

對(duì)于偏遠(yuǎn)區(qū)塊的注水或摻水流程，采出水在偏遠(yuǎn)區(qū)塊和中心處理站之間往返輸送，運(yùn)行成本高。為簡(jiǎn)化工藝，降低成本，可以采取在偏遠(yuǎn)區(qū)塊內(nèi)部就地切水回?fù)交蚯兴幚砗蠡刈⒌拇胧?，此時(shí)可以將分離緩沖罐替換為三相分離器，具備分水功能，滿(mǎn)足偏遠(yuǎn)區(qū)塊效益開(kāi)發(fā)要求。

1.2 油氣混輸裝置

該裝置主要針對(duì)地面集氣管網(wǎng)不完善的區(qū)塊。主要集成設(shè)備包括混輸泵、管道及閥門(mén)。對(duì)于需要用氣的區(qū)塊，還可以配套分離緩沖罐和干燥器。對(duì)于需要用水的偏遠(yuǎn)區(qū)塊，可以配套三相分離器等具有切水功能的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)就地分水就地使用。油氣混輸一體化集成裝置可以替代混輸接轉(zhuǎn)站。

在某稠油區(qū)塊開(kāi)發(fā)中，通過(guò)集成三相分離器、加熱爐、摻水泵、離心泵等主要設(shè)備，研發(fā)了具有氣液分離、油水分離、外輸增壓、摻水增壓、摻水加熱、天然氣干燥、計(jì)量等七種功能集于一體的集成裝置[6]。裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。在研發(fā)過(guò)程中，將加熱爐與三相分離器進(jìn)行合一設(shè)計(jì)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了工藝流程，提高了裝置功能集成度。

圖3 油氣水分離增壓摻水加熱一體化集成裝置示意圖

在裝置研發(fā)中，通過(guò)不斷優(yōu)化模塊組合布局，進(jìn)一步提升了空間利用率。如圖4所示，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備在撬塊上的布局，將摻水泵調(diào)整至三相分離器側(cè)面，撬塊總面積降低30%。

圖4 模塊組合優(yōu)化示意圖

2 高效多功能處理一體化集成裝置

針對(duì)傳統(tǒng)大型場(chǎng)站工藝流程長(zhǎng)、設(shè)備功能單一、處理效率低的難題，通過(guò)對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，采用多功能高效合一設(shè)備、采用立體布置，進(jìn)一步提高了裝置的集成度，實(shí)現(xiàn)流程縮短，功能合一。

2.1 高效原油處理裝置

結(jié)合老系統(tǒng)改造，針對(duì)高凝原油處理難題，特別是羊中心站和孔大站起泡原油處理難題，研制了高效三相分離器，簡(jiǎn)化了原油脫水工藝，解決了高凝起泡原油處理難題。

如圖5所示，高效三相分離器內(nèi)部包括入口分離區(qū)、分離沉降區(qū)、高效捕霧區(qū)、高效沖砂區(qū)，針對(duì)高含水油井產(chǎn)液，依靠油氣水之間的密度差，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)和聚結(jié)材料使油氣水達(dá)到高效分離的目的。經(jīng)高效三相分離器一段處理后，脫水后原油含水率小于1%，污水含油量小于300 mg/L。

圖5 高效三相分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1）入口分離區(qū)。采用割縫管和多支布液管相結(jié)合的布液方式，可以有效改變流體的方向和減小流速，形成分散流，達(dá)到液體和氣體分離的目的。流體經(jīng)布液板上的小孔均勻流出，達(dá)到規(guī)整流場(chǎng)的目的。此外，液體直接落入容器底部，在上升時(shí)達(dá)到水洗破乳的效果。

2）分離沉降區(qū)。具有大空間，為液滴沉降提供了有效容積；此外，在該區(qū)布置高效聚結(jié)板，提高油水聚結(jié)沉降效果。

3）高效捕霧區(qū)。設(shè)置絲網(wǎng)捕霧器，可以有效促進(jìn)小液滴碰撞聚結(jié)，降低氣體帶液率。

4）高效沖砂區(qū)。一定壓力的水由進(jìn)水口進(jìn)入沖砂管，經(jīng)沖砂管輸送至各噴孔，清水通過(guò)噴孔沿罐體弧形內(nèi)壁面沖刷位于罐底的沉沙雜質(zhì)，而雜質(zhì)從排砂口排出。

5）天然氣干燥。集成傾斜布置的干燥器，實(shí)現(xiàn)天然氣就地干燥和凝液自動(dòng)回流。

采用高效三相分離器處理油井產(chǎn)液，可以替代常規(guī)處理流程的游離水脫除器、脫水泵、沉降罐或電脫水器，大幅簡(jiǎn)化原油處理工藝，降低工程投資。

高效三相分離器在羊中心站和孔大站投產(chǎn)后，簡(jiǎn)化了原油處理工藝，脫水流程由四段縮短為兩段，起泡原油的油氣水分離效率顯著提升。羊三木油田增加天然氣2000 m3/d，孔店油田增加天然氣1000 m3/d，分離器處理指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 多功能采出水處理裝置

油田采出水處理工藝一般采用“除油+過(guò)濾”的兩段式處理工藝，以去除采出水中的含油和機(jī)雜，從而達(dá)到注入水水質(zhì)要求。第一段除油工藝主要包括重力除油、壓力除油、旋流除油和浮選除油等工藝，第二段過(guò)濾處理工藝根據(jù)水質(zhì)及處理要求選用不同的過(guò)濾工藝組合。

大港南部油田采出水礦化度高，細(xì)菌含量高，污水處理量大，沿用多年的采出水處理工藝存在流程長(zhǎng)、處理效果差、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。為簡(jiǎn)化采出水處理工藝，研發(fā)了具有除油、過(guò)濾、殺菌和體外搓洗等功能的多功能采出水處理裝置，并結(jié)合老系統(tǒng)調(diào)整，逐步推廣應(yīng)用，采出水處理工藝縮短50%，并且取消了應(yīng)用多年的加藥殺菌流程。圖6為一體化裝置應(yīng)用前后采出水處理工藝優(yōu)化示意圖。

圖6 采出水處理工藝優(yōu)化示意圖

2.2.1 技術(shù)原理

將徑向流核桃殼過(guò)濾器和多功能殺菌裝置的功能合為一體，又在裝置內(nèi)增加了氣浮和除油填料，罐外增加加氣筒，改善除油效果。將過(guò)濾器的兩級(jí)濾罐合為一級(jí)濾罐，過(guò)濾器和極化器合為一體，使用電極化殺菌代替化學(xué)殺菌，大大簡(jiǎn)化了采出水處理流程。

多功能一體化采出水處理裝置設(shè)計(jì)進(jìn)口含油量小于100 mg/L、懸浮物質(zhì)量濃度小于100 mg/L，設(shè)計(jì)出口含油量小于15 mg/L、懸浮物質(zhì)量濃度小于 10 mg/L。

2.2.2 主要技術(shù)特征

1）進(jìn)水溶氣。采出水溶氣后，利用氣體的浮選功能與渦旋向心氣浮構(gòu)件以及微渦旋吸附聚結(jié)填料相互作用，可以顯著提高除油效果。溶氣污水進(jìn)入向心氣浮構(gòu)件，產(chǎn)生渦流旋轉(zhuǎn)，利用離心力將油氣聚集，再用氣體浮力將油上浮罐頂，從頂部收油口由氣體將油帶出回收，從而去除浮油和分散油?？蓪?0%以上2 μm以下顆粒聚結(jié)成大顆粒和大油珠，油珠上浮去除。

2）聚結(jié)填料。增加有機(jī)材質(zhì)為原料制成的聚結(jié)填料，利用有機(jī)材質(zhì)的親油性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步加快油水分離。

3）反洗效果好。過(guò)濾器濾料罐外循環(huán)搓洗配合曝氣反沖洗，能夠有效提高濾料日常反沖洗與藥劑清洗效果，提高核桃殼濾料的再生率。反沖洗時(shí)氣體由罐底進(jìn)入罐內(nèi)，將壓實(shí)的核桃殼濾料吹起，配合濾料循環(huán)泵，將濾料進(jìn)行罐外搓洗，保證了全部濾料得到充分清洗；同時(shí)通過(guò)氣體的浮選能力將分散的油泥及其它懸浮固體聚集于頂部，由反沖洗水帶走，提高了反沖洗效果。

4）電殺菌。電極化殺菌代替化學(xué)殺菌，簡(jiǎn)化工藝流程，節(jié)約成本支出。在進(jìn)水管上進(jìn)行溶氣增氧用以抑制硫酸鹽還原菌（SRB）生長(zhǎng)與繁殖。另外，水中溶解氧通過(guò)高壓電場(chǎng)可以生成·O2-、H2O2、·OH等活性氧，這些活性氧破壞有機(jī)物中的C—H、N—H、C==O鍵等殺死細(xì)菌。

3 應(yīng)用效果

按照“與油田優(yōu)化簡(jiǎn)化相結(jié)合、與安全隱患治理相結(jié)合、與產(chǎn)能建設(shè)相結(jié)合、與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作相結(jié)合、與優(yōu)化勞動(dòng)組織相結(jié)合”的思路，大港油田在產(chǎn)能建設(shè)和老油田改造中全面推廣應(yīng)用一體化集成裝置，共在44個(gè)場(chǎng)站推廣應(yīng)用102套，替代中小型場(chǎng)站13座，創(chuàng)效9 486.5萬(wàn)元，其中節(jié)約工程投資6453萬(wàn)元，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用1 823.5萬(wàn)元，節(jié)約人員費(fèi)1210萬(wàn)元，占地面積減少163畝。顯著降低了工程投資和運(yùn)行成本，提高了油田開(kāi)發(fā)綜合效益。

例如，大港南部稠油油田在8座采出水處理站應(yīng)用多功能采出水一體化集成裝置，解決了稠油采出水處理的難題，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率由2010年的86.5%提高到2017年的98.5%，滿(mǎn)足了注水開(kāi)發(fā)的需求，同時(shí)取消了常規(guī)加藥殺菌措施，每年可以節(jié)約殺菌費(fèi)用103萬(wàn)元。

4 下步工作方向

目前，國(guó)際油價(jià)持續(xù)低迷，油田地面建設(shè)投資受到壓縮，這就要求進(jìn)一步開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)成熟技術(shù)，降低工程投資和運(yùn)行成本。具體到地面工程建設(shè)，特別是一體化集成裝置的研發(fā)應(yīng)用，要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1）進(jìn)一步加大研發(fā)力度，提高裝置水平。通過(guò)借助技術(shù)引領(lǐng)和工藝創(chuàng)新，依靠工藝進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步提高功能集成度，采用先進(jìn)工藝、高效設(shè)備和藥劑，增大裝置的處理能力。

2）著力提高裝置的自動(dòng)化程度。目前，數(shù)字化油田建設(shè)方興未艾，一體化集成裝置作為數(shù)字化建設(shè)的重要載體，要體現(xiàn)工業(yè)化和信息化的有機(jī)融合，借助自動(dòng)化、信息化、智能化技術(shù)，確實(shí)做到生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制、緊急狀態(tài)自動(dòng)保護(hù)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，以此推動(dòng)數(shù)字化油氣田建設(shè)，促進(jìn)管理方式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)管理水平提升。

3）全面推廣應(yīng)用一體化集成裝置，提升地面建設(shè)管理水平。在新油氣田建設(shè)和老油氣田改造中，要為一體化集成裝置的規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。