海上油氣井除砂裝備及方法研究進展與展望

趙 威，張 寧，梁 波，曹志興，張 軒

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

近年來，伴隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國對能源的需求不斷增加，石油和天然氣對外依存度逐年攀升，立足國內(nèi)保障能源供給已經(jīng)勢在必行[1]。目前已經(jīng)開采的海上油氣田大多受到儲層特征、開發(fā)方式、管理措施等多方面因素的影響，部分油氣井生產(chǎn)出砂，甚至存在“防砂即堵、不防即埋”的瓶頸難題[2]。

油氣井出砂問題若不能得到有效解決，導(dǎo)致砂粒進入地面油氣生產(chǎn)系統(tǒng)，會對油氣集輸系統(tǒng)和工藝系統(tǒng)造成嚴重危害。其危害主要包括：管輸摩阻增大[3]、管線沖刷腐蝕、井口閥門損壞[4]、分離器效果減弱[5]、設(shè)備處理空間減少[6]、影響加熱盤管導(dǎo)熱[7]、導(dǎo)致液位計失靈[8]等。這些問題不僅影響了油氣井產(chǎn)量，還給油氣井生產(chǎn)帶來了安全風(fēng)險。

統(tǒng)計顯示，我國大約有18 個海上油氣田存在出砂問題，由于海上作業(yè)難度大、空間小、水資源少等特殊條件，對海上防砂裝備及方法提出了更高的要求。因此，調(diào)研相關(guān)裝備及方法對于指導(dǎo)海上油氣井除砂裝備研發(fā)及現(xiàn)場應(yīng)用具有重要意義。

1 除砂裝備及方法研究進展

目前，國內(nèi)外油氣田通常采用的主流除砂工藝有重力式除砂器、過濾式除砂器、旋流式除砂器、螺旋式除砂器和其他形式的除砂器等。

1.1 重力式除砂器

重力式除砂器[9]一般包括進氣口、沉降空間、出氣口、集渣空間4 部分（圖1）：當(dāng)含砂粒井流物進入沉降空間后，井流物流通面積忽然擴大，導(dǎo)致流動速度減慢，此時井流物中的固、液、氣三相在重力作用下分離開來，最下部是砂粒，砂粒上面是水，水上面是油，油上面的空間則是天然氣。

圖1 三相臥式除砂器

重力式除砂器可以適用于多種分離工況，并且主要依靠各個相之間的重力差異達到分離目的，設(shè)備可連續(xù)運行，且運行費用低。該設(shè)備空間尺寸越大，流動速率越低，分離效率越高，然而設(shè)備尺寸越大，則嚴重占用有限的平臺空間及載荷，不太適用于海上油氣生產(chǎn)作業(yè)。

1.2 過濾式除砂器

雙筒管柱式濾砂器[10]如圖2 所示，基本結(jié)構(gòu)主要為濾筒、旁通管線和閥門等，內(nèi)筒中安裝可更換的高強度濾網(wǎng)。其工作原理是：利用不同尺寸的濾網(wǎng)的攔截、慣性碰撞等捕集作用來實現(xiàn)砂粒的分離。

圖2 雙筒管柱式濾砂器

雙筒管柱式濾砂器在實際應(yīng)用過程中需要做到濾筒“一用一備”，當(dāng)工作筒中砂粒充滿，則由工作筒切換到備用筒，再將工作筒中濾筒取出清洗。雙筒管柱式濾砂器設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、處理操作便捷、處理容積量大，能夠通過更換高強度濾網(wǎng)達到過濾不同尺寸砂粒的目的。然而，過雙筒管柱式濾砂器適用于含砂量較少且粒徑較大的情況，砂量過多的油氣井會導(dǎo)致頻繁清洗過濾器，在海上平臺運行維護成本較高；粒徑過小就需要精度更高的濾芯，容易造成摩阻壓力損失過大甚至濾網(wǎng)網(wǎng)孔堵塞，導(dǎo)致濾網(wǎng)損壞，對細微砂粒的除砂效率不高。

1.3 旋流式除砂器

旋流式除砂器[11]主要由耐磨外筒、內(nèi)部螺旋分離元件、閥門、儀表和旁通管線等組成（圖3）。其工作原理是：利用一個旋流管，在壓力的推動下產(chǎn)生的離心力將具有不同密度差異的固、液、氣三相從井流混合物中分離出來。井流混合物在一定速度和壓力下切向進入除砂器，固、液、氣三相混合物高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力場代替重力場在旋流器中把井流物按密度分層，固相顆粒在離心力作用下，加速沉降到旋流管內(nèi)壁，隨液流向下運動到錐形底的出口排出；密度較小的井流物則沿旋流管中心軸線運動，在軸線中心形成向上運動的內(nèi)旋流場，并向上運動到中心管的溢流管排出。

圖3 旋流式除砂器

旋流式除砂器處理量較大、可操作性較強，配備不同尺寸的旋流筒可以實現(xiàn)對井流物處理量及分級粒度的靈活更換，能有效處理直徑大于100 μm 的固相顆粒。但是，旋流式除砂器除砂效率并不穩(wěn)定，且需要手動排砂。

1.4 螺旋式除砂器

螺旋式除砂器[12]主要由螺旋管和出砂口短節(jié)組成（圖4）：井流混合物導(dǎo)入螺旋式除砂器并繞螺旋管運動，通過出砂口短節(jié)的擋板結(jié)構(gòu)將砂粒聚集，實現(xiàn)固液兩相的分離。螺旋式除砂器分離效率較高，且更具實用性、經(jīng)濟性。

圖4 螺旋式除砂器

1.5 其他形式除砂器

（1）強制流式除砂器。強制流式除砂器[13]如圖5 所示，其工作原理是：通過強制改變井流混合物的流向，使井流混合物產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的流場，從而使砂粒在離心力和重力的雙重作用下，被分離進入沉砂口。強制流式除砂器除砂效果良好且重復(fù)利用率高，但受到沉砂筒體積限制，當(dāng)沉砂筒內(nèi)積砂達到飽和后，無法正常工作；且容積較小導(dǎo)致開關(guān)頻繁，進而增加運行維護難度。

圖5 強制流式除砂器

（2）管式除砂器。管式除砂器[14]，主要由入口管路、分離室、出口管路、儲砂筒、分岔口等5 個單元組成（圖6）：利用固相顆粒相對更大的慣性特征，將井流混合物導(dǎo)入除砂器后，在出、入口管路分岔口位置，氣液兩相及大部分小粒徑砂粒改變運動狀態(tài)進入到下游管路，而大粒徑砂粒經(jīng)過分離室進入到儲砂筒內(nèi)，完成砂粒的捕集。

圖6 管式除砂器

2 結(jié)論與展望

海上油氣井除砂系統(tǒng)的設(shè)計需要綜合考慮空間適應(yīng)、經(jīng)濟適應(yīng)、環(huán)保適應(yīng)的技術(shù)要求，從這個角度出發(fā)，原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、操作智能、質(zhì)量較輕是海上油氣井除砂裝備的重要發(fā)展方向。旋流式除砂器能夠同時適應(yīng)油氣井的除砂工藝要求，具有占地最少、重量最輕的優(yōu)勢，同時配備不同尺寸的旋流筒即可實現(xiàn)對不同處理量及分級粒度的靈活更換，對海上油氣井除砂工藝具有極強的適應(yīng)性，未來該技術(shù)的發(fā)展與完善將是海上除砂裝備及方法的研究核心。伴隨海洋油氣資源勘探開發(fā)力度加大，必將對海上油氣井除砂裝備及除砂方法提出更高的要求。探索研發(fā)新的除砂分離原理、實現(xiàn)多種除砂方法的優(yōu)勢互補與深度融合，將成為未來除砂技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。