渤海某稠油熱采平臺泥沙收集排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀相軍,王鳳輝,邱波,刁素仿

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院，天津 塘沽 300451）

1 引言

位于渤海遼東灣海域的某稠油油田，平均水深32.0米，屬于特稠油油藏，采用規(guī)模性蒸汽吞吐的開采方式進(jìn)行開發(fā)，開采過程中易出砂，且原油密度高、粘度大、攜沙能力強(qiáng)，在生產(chǎn)過程中，油藏底部巖層泥沙會隨著采出液進(jìn)入生產(chǎn)流程，隨著泥沙在生產(chǎn)流程的積聚，可能會導(dǎo)致流程砂堵，生產(chǎn)設(shè)施積砂等情況出現(xiàn)，因此，在主要生產(chǎn)設(shè)施增加除砂設(shè)備，并根據(jù)需要設(shè)計(jì)集砂、除砂及收砂系統(tǒng)，進(jìn)行合理的機(jī)械設(shè)備選型，盡可能除去原油及生產(chǎn)水中所攜帶的泥砂。

2 除砂系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

來自油井的采出液會攜帶著少量泥砂首先進(jìn)入第一級油氣處理設(shè)施-生產(chǎn)分離器，在生產(chǎn)分離器中根據(jù)油氣水砂密度差進(jìn)行初步分離，伴生氣由生產(chǎn)分離頂部去往燃料氣系統(tǒng)，油往上走，水往下走，游離的泥砂沉積于分離器底部，由于本油田采出液為密度高、粘度大的超稠油，初步分離的油中含水依然很高，進(jìn)入靜電聚結(jié)分離器在高壓靜電場的作用下進(jìn)一步進(jìn)行油水分離，同時(shí)油滴包裹的泥砂也同時(shí)分離后沉積于靜電聚結(jié)分離器底部。

安裝于分離器和靜電聚結(jié)分離器底部的旋流子除砂器將容器底部沉積的泥砂進(jìn)行在線清除，泥砂在旋流子的作用下隨著生產(chǎn)水一起流入旋流除砂器，在旋流除砂器中，泥砂和生產(chǎn)水進(jìn)行了初步分離，不帶泥砂的生產(chǎn)水回到流程，濃縮的泥砂渾濁液進(jìn)入集砂罐進(jìn)行收集，隨后泥砂從集砂罐的尖底底部通過污泥泵輸送到臥螺機(jī)，在臥螺機(jī)中將泥砂和生產(chǎn)水進(jìn)行最終分離，分離的生產(chǎn)水重新返回生產(chǎn)流程，分離后含水量很低的泥砂通過排泥管進(jìn)入舷外的環(huán)保罐，定期通過吊機(jī)和支持船運(yùn)往陸地進(jìn)行集中處理，如圖1所示。

圖1 除砂系統(tǒng)流程

3 分離器底部除砂器的選型

以往非稠油生產(chǎn)分離器底部一般采用噴射沖砂系統(tǒng)（如圖2），利用在分離器底布置大量噴嘴，利用外部生產(chǎn)水通過噴嘴沖擊分離器底部沉積的泥砂，再打開分離器底部的排放管線，讓水和泥砂一起通過排放口排出分離器，但該噴射沖砂系統(tǒng)存在噴射系統(tǒng)易堵、噴嘴易腐蝕失效、對罐體內(nèi)部有沖擊且容易出現(xiàn)污泥死角的問題，因此，本項(xiàng)目采用了旋流子在線除砂器（如圖3），它利用切線進(jìn)入旋流子的流體形成一個(gè)渦流室，在渦流室里泥砂和生產(chǎn)水被攪起形成流動固體流，進(jìn)入旋流子中部的排沙管排出分離器底部。

圖2 噴射沖砂系統(tǒng)

圖3 旋流子在線除砂器

利用旋流子在線除砂器，可以使用更少的水，使上下游的管道更輕、更小，不容易堵塞，可以實(shí)現(xiàn)對泥漿排放的控制，可以處理更廣范圍內(nèi)的泥砂，最大程度地減少泥砂在分離器底部的沉積，有效降低設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本。

4 集砂罐的選型設(shè)計(jì)

在海洋石油平臺上，由于受到平臺空間的限制，集砂罐選型無非是方罐、拱頂罐或者立式壓力容器，但由于方罐和拱頂罐都是平底容器，上游的帶泥砂生產(chǎn)水進(jìn)入這些容器后，隨著水和泥砂的重力差，泥砂將很快沉積在罐內(nèi)的平底上，無法通過泥漿泵將其輸送到下游處理，如果采用立式壓力容器，底部封頭一般采用橢圓形封頭，封頭壁有一定弧度，但斜度偏小，泥砂依然會逐步沉積在封頭內(nèi)壁上，也不利于泥砂順利進(jìn)入下游流程，由此，本項(xiàng)目集砂罐采用了尖底立式容器（如圖4），尖底斜度為50度，罐體采用圓柱體，頂部采用平頂，50度的尖底斜度可以使得泥砂盡量少地沉積在內(nèi)壁，還不至于使尖底做得太長，使得設(shè)備做得太高，占據(jù)太多平臺空間，圓柱體罐體可以有效節(jié)省平臺空間，平頂用于設(shè)置攪拌器的電機(jī)、聯(lián)軸器等，且平頂也可以有效節(jié)省罐頂空間，使得設(shè)備整橇高不至于太高。

圖4 集砂罐成橇圖

在集砂罐內(nèi)部設(shè)置了攪拌器，攪拌器的作用是使得泥砂和生產(chǎn)水始終處于懸浮液狀態(tài)，避免泥砂在重力的作用下沉積在集砂罐內(nèi)壁，同時(shí)由于攪拌器的作用，泥砂和生產(chǎn)水處于流動狀態(tài)，有利于進(jìn)入下游的泥漿泵。

5 泥漿泵的選型

泥漿泵用于將集砂罐中的高含砂生產(chǎn)水本輸送至臥螺機(jī)，由于集砂罐的出口標(biāo)高非常低，為了保證泥砂順利進(jìn)入泥漿泵，則盡量要求泥漿泵入口標(biāo)高盡量等于或低于集砂罐出口，一方面有利于泥漿泵的正常吸入，另一方面也可以盡量減少泥砂在這段管路中的沉積，為了滿足該要求，泥漿泵在設(shè)計(jì)時(shí)，采用了小型剛底座，且為了安裝方便，底座下采用了20mm的鋼板用于固定底座，現(xiàn)場安裝工作量也相應(yīng)減小，如圖5。

圖5 泥漿泵成橇圖

另外，考慮到集砂罐中介質(zhì)的特殊性，泥漿泵選擇了可以用于固液兩相混輸?shù)膯温輻U泵，螺桿采用強(qiáng)度和耐磨性均優(yōu)良的雙相不銹鋼，襯套采用耐油耐磨的丁晴橡膠/氟橡膠，最大程度地保證泥漿泵的耐磨耐蝕性能。

由于泥漿泵屬于臥螺機(jī)的喂料泵，而臥螺機(jī)在工作期間會根據(jù)其所承受的力矩自動調(diào)整進(jìn)入臥螺機(jī)的流量，因此，泥漿泵在選型時(shí)必須考慮與臥螺機(jī)的匹配，為了滿足這一要求，泥漿泵采用變頻控制，利用臥螺機(jī)的控制盤變頻控制泥漿泵輸入流量，從而保證泥漿泵的輸出排量與臥螺機(jī)的輸入流量匹配，由此使得臥螺機(jī)和泥漿泵良好配合。

6 臥螺機(jī)的選型

臥螺機(jī)（如圖6）是整個(gè)排泥系統(tǒng)中的核心設(shè)備，它的作用是通過泥漿泵將集砂罐里的高含砂生產(chǎn)水進(jìn)行最終的固液分離，生產(chǎn)水回到生產(chǎn)流程，泥砂經(jīng)過脫水后通過排泥管進(jìn)入環(huán)保罐。

圖6 臥螺機(jī)成橇圖

臥螺機(jī)的工作原理：含泥砂懸浮生產(chǎn)液經(jīng)進(jìn)料管和螺旋出料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓,通過回轉(zhuǎn)體—轉(zhuǎn)鼓和卸料螺旋的高速旋轉(zhuǎn)使其內(nèi)的含砂生產(chǎn)水隨之高速旋轉(zhuǎn)形成液環(huán)并產(chǎn)生較高的離心力，通過此較高的離心力作用加速固液的沉降分離、比重較大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，即沿轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁形成泥環(huán)層，與轉(zhuǎn)鼓作相對運(yùn)動的螺旋葉片不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下并推出排渣口，分離后的清液經(jīng)液層調(diào)節(jié)板開口流出轉(zhuǎn)鼓。

通過圖1可以看到，臥螺機(jī)是整個(gè)排泥系統(tǒng)的最后一級設(shè)備，此時(shí)生產(chǎn)水中的泥砂含量濃度已經(jīng)很高，且生產(chǎn)水本身礦化度也很高，具有一定的腐蝕性，因此就必須要求臥螺機(jī)所有過流部件必須耐磨且耐蝕，為了保證臥螺機(jī)在這么惡劣的介質(zhì)工作下，達(dá)到設(shè)計(jì)壽命25年，且盡量減少臥螺機(jī)的維修更換頻率，臥螺機(jī)各主要部件的選材則顯得尤為重要，為了達(dá)到這一樣求，特將臥螺機(jī)的轉(zhuǎn)鼓采用澆鑄的雙相不銹鋼材質(zhì)，卸料器材質(zhì)為316L，螺旋卸料器的進(jìn)料口為碳化鎢硬質(zhì)合金堆焊，螺旋卸料器葉片邊緣及表面采用可更換碳化鎢硬質(zhì)金塊和噴涂碳化鎢相結(jié)合，由此既可以滿足臥螺機(jī)的耐磨耐蝕要求，還能定期更換碳化鎢硬質(zhì)合金塊，最大幅度地減少返廠維修更換頻率。

高含砂生產(chǎn)水經(jīng)過臥螺機(jī)固液分離后，泥砂從臥螺機(jī)底部排泥口排出，通過設(shè)置于臥螺機(jī)排泥口的排泥管排放到位于平臺舷外的環(huán)保罐內(nèi)（如圖1），要求此排泥管斜度在條件允許的前提下盡量大，以保證泥砂可以順利落入環(huán)保罐，環(huán)保罐為了運(yùn)離平臺方便，需設(shè)置于平臺舷外側(cè)且在吊機(jī)吊裝范圍內(nèi)，方便吊裝，當(dāng)環(huán)保罐滿罐后，由吊機(jī)吊離平臺至支持船，運(yùn)往陸地集中處理。

7 結(jié)束語

通過以上排泥流程的設(shè)計(jì)及相應(yīng)設(shè)備的選型，將油田采出液中的泥砂進(jìn)行收集、分離后運(yùn)往陸地處理，保證了平臺生產(chǎn)設(shè)施的安全，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了平臺零排放的生產(chǎn)理念，最大程度地保證平臺生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性。