海洋天然氣水合物集輸系統(tǒng)除砂工藝研究

馬小飛

摘? ? 要：目前海洋天然氣水合物開采方法主要采用降壓法。降壓法是通過泵吸作用降低氣體水合物儲(chǔ)層的壓力，使其低于水合物在該區(qū)域溫度條件下相平衡壓力，使水合物分解為天然氣和水。同時(shí)，水合物分解造成儲(chǔ)層中砂粒間的膠結(jié)力減小，使大量砂粒脫離原始狀態(tài)，大部份砂粒由井下防篩管攔截于水合物層，小部分細(xì)小砂粒還是會(huì)隨分解產(chǎn)生的氣體和水進(jìn)入平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)中的砂粒達(dá)到一定量時(shí)就會(huì)影響天然氣產(chǎn)量。借簽海洋油氣田常用的除砂方法，從重力沉降除砂、旋流分離除砂、過濾除砂等方面對(duì)水合物開發(fā)集輸系統(tǒng)除砂工藝進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物;除砂;多相分離器;旋流器

中圖分類號(hào)：U671.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： At present， offshore gas hydrate development mainly adopts the depressurization method. The depressurization method is to decrease the pressure of gas hydrate reservoir by pump suction， so that it is below the hydrate phase equilibrium pressure under the temperature condition of the region， so that the hydrate can be decomposed into natural gas and water. At the same time， the cementation force between the sand particles in the reservoir is reduced， and a large amount of sand particles are out of the original state. Most of the sand particles are intercepted in the hydrate layer by downhole sand screens， a small amount of small sand particles will still enter the platform's production system along with the gas and water generated by decomposition， which will affect the output of natural gas when a certain amount of sand particles enters the production system. By means of the commonly used de-sanding methods in offshore oil and gas fields， this paper studies the development of de-sanding technology of the hydrate processing system from the aspects of gravity settling sand removal， hydrocyclone sand removal and filtration sand removal.

Key words： Gas Hydrate; Sand Removal; Multi-phase Separator; Hydrocyclone

1? ? ?天然氣水合物開采出砂原因及危害

天然氣水合物蘊(yùn)藏區(qū)地層地質(zhì)條件各異，礦藏品位及可采性相差非常大。根據(jù)賦存方式，將天然氣水合物分為四類，如圖1所示。

從圖1可以看出：第一類位于塔尖，為分布在北極富砂儲(chǔ)層的高濃度天然氣水合物資源;第二類是分布在海洋環(huán)境砂巖儲(chǔ)層的中-高濃度天然氣水合物資源;第三類是分布在海洋細(xì)粒非砂巖儲(chǔ)層中的天然氣水合物資源;第四類是位于金字塔底部、分布在細(xì)粒的海洋泥巖儲(chǔ)層中，大多數(shù)的天然氣水合物資源屬于這一類型。

我國(guó)南海發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物屬于第三、四類，其外在形狀見圖2。此類水合物由于埋藏淺，所處的沉積層通常未固結(jié)成巖且細(xì)粉砂含量較高，加上降壓開采時(shí)生產(chǎn)壓差較大，出砂問題已在不同實(shí)地試采項(xiàng)目中呈現(xiàn)，目前已成為制約天然氣水合物安全高效開采的一個(gè)重要問題。

井口出砂給海洋平臺(tái)生產(chǎn)處理系統(tǒng)造成很大危害，如：引起下游管線、儀表、閥門、分離器、換熱器、壓縮機(jī)等平臺(tái)設(shè)備堵塞、腐蝕、生產(chǎn)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備損壞。

2? ? ?幾種海洋油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)除砂工藝簡(jiǎn)介

2.1? ?重力沉降除砂工藝

海洋油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中大多采用三相分離器進(jìn)行油、氣、水、砂三相分離，其除砂原理是重力沉降分離：混合流體流速在分離器內(nèi)變低，利用水、砂的密度差將油、水、砂從混合液中沉降分離出來?；旌弦涸诜蛛x器內(nèi)經(jīng)過一定的停留時(shí)間后，密度大的泥砂沉于分離器底部、水層分離在中層、油層分離在上層，分離出的氣占據(jù)分離器上部空間，從而實(shí)現(xiàn)油、氣、水、砂的分離。

分離出的砂等固體物質(zhì)經(jīng)過一定時(shí)間后形成分離器底部污泥，三相分離器底部設(shè)有排泥裝置，其主要由集泥管、沖泥管等組成。排泥裝置工作時(shí)，將助排液體通過噴嘴高速射入吸泥室內(nèi)，從而在吸泥室內(nèi)產(chǎn)生超負(fù)壓增加吸泥壓力，將容器底部污泥由吸泥盤收取，通過集泥管排到容器外再進(jìn)行相應(yīng)的處理。底部排泥砂裝置示意圖，如圖3所示。

為增強(qiáng)氣體分離效果，可在入口增加擋板或旋流裝置，氣相出口增加不銹鋼絲網(wǎng)除液裝置。

2.2? ?旋流分離除砂工藝

旋流分離是離心分離的一種，海洋平臺(tái)上用的主要是水力旋流器，水力旋流器按其功能可分為固-液、液-液、氣-液分離三種類型。

水力旋流器結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，整個(gè)殼體由圓筒部分和錐筒部分相接組成。殼體上設(shè)有三個(gè)開口：即切向進(jìn)料口、底流口、溢流口。

旋流器的基本原理是：將具有一定密度差的液-液、液-固、液-氣等兩相或多相混合物，在離心力的作用下進(jìn)行分離?；旌狭黧w在一定壓力下從進(jìn)料口進(jìn)入旋流器，在圓柱腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場(chǎng);密度大的組分在旋流場(chǎng)的作用下同時(shí)沿軸向向下運(yùn)動(dòng)、沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)錐體段沿器壁向下運(yùn)動(dòng)并由底流口排出，這樣就形成外旋渦流場(chǎng);密度小的組分向中心軸線方向運(yùn)動(dòng)，并在軸線中心形成向上運(yùn)動(dòng)的內(nèi)渦旋，然后由溢流口排出。這樣就達(dá)到輕重組分兩相分離的目的。旋流管主要結(jié)構(gòu)，見圖4：

圖中：1-混合液進(jìn)料口;2-旋流器圓錐體;3-旋流器尾端;4-混合流體重組分底流口;5-混合流體輕組分溢流口。

從圖4可以看出：旋流分離器設(shè)備結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，占用平臺(tái)空間小、生產(chǎn)處理效率高、工作穩(wěn)定性好，同時(shí)具有耗能少、日常維護(hù)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，其在海上油氣處理系統(tǒng)中大量應(yīng)用，尤其是在液-液分離及固-液分離方面應(yīng)用更廣。

2.3? ?過濾分離除砂工藝

過濾分離是利用某種多孔介質(zhì)使混合流體氣-固分離或液-固分離，在混合流體本身推動(dòng)力或其它外力作用下，混合流體中的氣體或液體通過多孔過濾介質(zhì)的孔道，一定粒徑以上的固體顆粒被截留下來，從而實(shí)現(xiàn)氣-固分離或液-固分離。

過濾分離器使用的介質(zhì)主要有：不銹鋼篩網(wǎng)、核桃殼、無煙煤和纖維球等。在過濾處理過程中，過濾設(shè)備需要定期進(jìn)行反沖洗，去除固體雜質(zhì)后使孔徑恢復(fù)和濾料再生，因此過濾設(shè)備需設(shè)置備用設(shè)備。

從除砂角度上講，海洋油氣平臺(tái)上主要使用不銹鋼篩網(wǎng)除砂器和過濾除砂分離器。不銹鋼篩網(wǎng)除砂器是混合流體從篩網(wǎng)除砂器向上流動(dòng)，經(jīng)過上部篩網(wǎng)時(shí)液體和氣體通過濾層從容器頂部流出;大于篩網(wǎng)孔徑的砂粒被攔截，在重力作用下落于底部并排出。不銹鋼篩網(wǎng)的孔徑，需根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際需要過濾的砂粒粒徑來確定。

混合流體如果主要為氣體、所含液量較小的情況下，一般選用過濾除砂分離器進(jìn)行過濾除砂。過濾器內(nèi)安裝有核桃殼、無煙煤等過濾介質(zhì)床層，當(dāng)混合流體通過過濾介質(zhì)床層時(shí)，砂粒被攔截，同時(shí)氣體中的少量霧狀液體也能夠被過濾介質(zhì)吸附，聚結(jié)成較大液滴，最終經(jīng)過濾器內(nèi)部除霧元件聚結(jié)后流入濾器底部并最終排出。

2.4? ?三種除砂工藝比較

重力分離除砂工藝、旋流分離除砂工藝、過濾分離除砂工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

3? ? ?天然氣水合物氣田特點(diǎn)和除砂工藝設(shè)計(jì)

3.1? ?天然氣水合物氣田特點(diǎn)

海洋天然氣水合物廣泛賦存于水深超過300 m的海底陸架沉積物中，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在中國(guó)南海北部陸坡證實(shí)了兩處超千億方資源量的水合物藏。其中，位于珠江口盆地神狐海域的水合物藏調(diào)查最為深入，被確定為我國(guó)天然氣水合物勘探開發(fā)的先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，其天然氣水合物藏為泥質(zhì)粉砂型，開發(fā)難度較大。

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2007在南海北部陸坡神狐海域所獲得的水合物巖心材料特征如下：

（1）含水合物層沉積物為松散的青灰色含鈣質(zhì)生物的黏土質(zhì)粉砂和含鈣質(zhì)生物的粉砂，具有粉砂72%～82%、黏土小于15%、砂一般小于10%的基本特征;

（2）水合物層沉積物，主要為8～32和32～63 um粒級(jí)的中細(xì)-粗粉砂。

3.2? ?除砂工藝設(shè)計(jì)

天然氣水合物在其埋藏條件下是固體， 目前主要開采方法是降壓法。降壓法是通過泵吸作用降低氣體水合物儲(chǔ)層的壓力，使其低于水合物在該區(qū)域溫度條件下相平衡壓力，使水合物分解為主要成分為甲烷的天然氣和水，1 m3的天然氣水合物可在常溫常壓下釋放164? m3甲烷和0.8 m3。降壓法開采示意圖，如圖5所示。

水合物分解造成儲(chǔ)層中砂粒間的膠結(jié)力減小，使得大量砂粒脫離原始狀態(tài)，大部份砂粒由井下防篩管攔截于水合物層，小部分細(xì)小砂粒還是會(huì)隨分解產(chǎn)生的氣體和水進(jìn)入平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)。從圖5中可以看出，從生產(chǎn)井出來的流體分為兩路：一路為氣路;另一路為水路。因此天然氣水合物集輸系統(tǒng)除砂工藝設(shè)計(jì)分為兩部分：一部分為天然氣除砂;另一部分為生產(chǎn)水除砂。

（1）天然氣除砂

從天然氣水合物分離出的天然氣，主要成分為天然氣，夾帶少量的水及砂，屬于三相分離。由于天然氣的密度與水和砂的密度相差很大，因此設(shè)計(jì)用三相分離器進(jìn)行氣、水和砂進(jìn)行重力分離，入口加裝擋板或旋流分離裝置、出口加裝除霧器，這樣可以有效分離出天然氣中夾帶的水和砂。分離出的天然氣進(jìn)一步處理達(dá)到外輸條件后外輸;分離出的水進(jìn)一步處理達(dá)到排海標(biāo)準(zhǔn)后排海;聚集在容器底部的砂定期排至收集罐運(yùn)至岸上處理或進(jìn)一步在平臺(tái)處理后排海。

（2）生產(chǎn)水除砂

從天然氣水合物分離出大量的水，井下防篩管攔截了大部分的砂粒，但還是有相當(dāng)數(shù)量的細(xì)小砂粒進(jìn)入井內(nèi)，通過電潛泵輸送至平臺(tái)的水中夾帶有相當(dāng)數(shù)量的砂及極少量的天然氣。分離目的主要是把水和砂分開，固液兩相分離是主要部分。為了提高分離效率，設(shè)計(jì)為兩級(jí)分離：第一級(jí)采用水力旋流器除砂，在這一級(jí)中從水中除去絕大部分的粒徑5微米以上的砂，分離出的水進(jìn)入第二級(jí)進(jìn)一步處理;第二級(jí)采用三相分離器，在這一級(jí)中除去水中夾帶的少量天然氣及剩余的砂，分離后的水進(jìn)一步處理達(dá)到排海標(biāo)準(zhǔn)后排海，聚集在容器底部的砂定期排至收集罐運(yùn)至岸上處理或進(jìn)一步在平臺(tái)處理后排海。

天然氣水合物除砂工藝設(shè)計(jì)圖，見圖6所示。

4? ? ?結(jié)語

海洋天然氣水合物集輸系統(tǒng)除砂是新生事物，但開采出來后的產(chǎn)物與傳統(tǒng)的油氣除砂處理工藝并無本質(zhì)不同，因此可以借簽海洋油氣田常用除砂工藝，對(duì)海洋天然氣水合物集輸系統(tǒng)除砂工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著海洋天然氣水合物開發(fā)的不斷深入，天然氣水合物集輸系統(tǒng)除砂工藝將會(huì)越來越切合開發(fā)工程實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳芳、周洋、蘇新等. 南海神狐海域含水合物層粒度變化及與水合物飽和度的關(guān)系[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2011，31（5）：95-100.