**集輸系統臥式容器密閉清砂
研究與應用
穆向謙林松李孟慧
摘要： 在疏鬆砂岩油田**生產的集輸系統中，採出液攜砂雖然僅佔系統輸送總液量的萬分之幾，但是，**採輸生產的規模化與連續性決定了這萬分之幾含砂對**集輸系統的危害性。**集輸系統密閉清砂課題，不僅是在國內乃至國際石油工業發展過程中，歷來也是被關注的焦點。
**集輸系統臥式容器密閉清砂解決方案是經過長期探索研究，利用**集輸系統中層流段---臥式容器中的層流工況，即，油、氣、水、砂按其密度差分層流動和沉積規律，實現水相聚集沉砂。並且，設定與系統層流段併聯的排砂支線管路，實現了及時，高效密閉清砂。
主題詞：**集輸；臥式容器；密閉清砂
1 前言
在疏鬆砂岩油田**生產的集輸系統中，泥沙隨油水的運動被帶到地面[1]，隨著油田的進一步開採和助採措施的增加,油井採出液含砂量日益增多[2],採出液攜砂雖然僅佔系統輸送總液量的萬分之幾，但是，**採輸生產的規模化與連續性決定了這萬分之幾含砂對**集輸系統的危害性，很多有關的損壞是產出液中砂的磨蝕造成的[3]。多年來，國內外石油科技工作者在不同時期，就**集輸系統密閉清除砂課題付出過艱辛探索，為該專案解決方案的確定都作出過不可偏廢的貢獻。
**集輸系統範指：從單井→計量站→中轉站→聯合站構成的油氣採集處理系統。通常稱之為**布站格局。
（注：某些油田根據油井密集程度、採液量的大小，也有兩級布站。即：
單井→計量站→聯合站）但是，絕大多數油田，只在中轉以上級別的站內才設定油、氣、水分離裝置，建立氣—液、液—液分離工況，以滿足採出流體集輸儲運、脫氣、脫水的工藝要求。也就是在這些分離裝置內，同時滿足了固—液分離條件，大量砂沉積在容器底部，日積月累，容器內有效分離空間被沉砂侵占，導致裝置處理能力遞減，系統回壓週期性波動，容器利用率降低，影響地面系統的執行效率[4]，外輸油和汙水指標也同期受到干擾，致使生產成本增加。總之，沉砂週期**佔系統中有效分離空間得不到及時清除，嚴重影響**集輸系統平穩執行。
正因如此，原大港油田集團勘察設計院從2023年開始，就此課題先後進行過多種方式、方法的探索和嘗試，至2023年歷經16年，終於可以向使用者鄭重承諾：今後，沒有臥式容器中的沉砂不能在密閉工況下清除。其推出的解決方案與**集輸系統客觀現狀有機結合，優勢互補，融為一體，而且，又是以如此原始性創新的形式，解決了多年來懸而未決錯綜複雜的系統問題。
獲得了普遍適用恰到好處的專利技術成果。
2 解決方案的探索、研究、試驗與確定
**集輸系統密閉清砂課題，不僅是在國內乃至國際石油工業發展過程中，歷來也是被關注的焦點。其研究工作處在逐漸完善的過程中。解決方案的探索研究和確定，需要長期生產實踐的檢驗。
對複雜系統問題的解決方案其最終捨取，取決於工藝技術是否適用，工藝流程是否簡單、實用、可靠、節能、創新，是否符合客觀規律，還要考查其經濟效益和社會效益如何。使用者，特別是一年365天連續生產線上的使用者，有對該項解決方案及工藝技術客觀公正的一票取捨權。
2.1解決方案之一：
大港油田從2023年建設東二轉油站時，就已結合工程設計開始著手解決「砂害」問題。當時解決問題的切入點，現在看來，選擇是非常準確的。當時，就是要在密閉工況下清除臥式容器內的沉砂。
但是，解決問題的方法：是在臥式容器底部開口，加裝6只6"閥和8"排砂匯管，直接排放，大液量攜砂方案。該站投產後，臥式分離器生產執行工況中，大液量排砂（液量高達７m3/min）不僅攜砂效率低，能耗高，排出液後續處理工作量大。
而且，排放過程嚴重影響臥式分離器內的油氣水分離工況。所以，該方案未被廣範推廣。
2.2解決方案之二：
８０年代末９０年代初期，國內某些油田為解決臥式容器內的沉砂問題，曾嘗試過將臥式分離器改為立式分離器的方案。此方案曾一度被認為解決了容器沉積砂的問題。但是，它是以犧牲部分氣液分離面積和減少被處理介質在容器內停留時間（分離時間）為代價，或做為臥式分離器之前的預脫氣裝置使用，在工藝流程中只起預脫氣作用，集輸系統中含砂並未真正及時清出系統，而只是不在該容器內沉積，因該立式分離器內流場並不符合沉砂規律，諸如停留時間與砂沉降過程、進液擾動與外輸液攜砂等矛盾不易協調。
該工藝曾在某些油田較大面積推廣，而系統中含砂最終還得移至下級臥式容器或立式**沉降罐（大罐）內集中處理。
2.3解決方案之三：
９０年開始，大港油田與有關科研單位合作，又嘗試在**集輸系統（中轉以上級別站內）主回路上，以串聯方式進行了動態除砂試驗，採出流體（油、氣、水、砂）總量經過該裝置，流體中含氣、含水率、**粘度、系統溫度、流體經過該裝置的壓力損失等等，錯綜複雜因素對總產液量，砂的去除率都有不同程度影響。眾所周知：中轉站來流是從眾多單井採出液匯集到計量站、數座計量站又匯集至中轉站，在中轉站內臥式容器外輸口之前，這段系統中並無新的動力源可補充。
顯然，系統主迴路內流體動力來自眾多單井抽油機提公升並克服井筒靜液柱匯集而成。中轉站是油田**集輸系統的中間環節，可謂「系統瓶頸」。這也正是多年來一直強調必須在中轉環節解決清砂問題的真正含意。
就是要打通「瓶頸」的束縛，保證系統暢通。如果解決方案的限定條件及相關因素越多，適用範圍必然越窄。上述工藝技術，特別是應用在稠油開採油田、低含水油田、高含氣油田都會暴露出一些不如人意之處。
2.4解決方案之四：
**生產過程中，採出液含砂的沉積條件，主要取決於系統中的流體速度。當流體速度低於砂顆粒的淤積沉降速度時，砂會在系統中任何部位沉積，顯現砂的危害。
**集輸系統臥式容器密閉清砂解決方案是經過長期探索研究，在總結揭示上述客觀規律，利用**集輸系統中層流段---臥式容器中的層流工況，即，油、氣、水、砂按其密度差分層流動和沉積規律，實現水相聚集沉砂。並且，設定與系統層流段併聯的排砂支線管路，實現了及時，高效密閉清砂。特別是臥式容器內設定的倒吸式排砂管，其開口朝下，乙個以上，均布在容器底部，此處是水相中的沉砂。
由於固液密度差的存在，就保證了倒吸式設定的排砂管內不會被沉積砂堵塞，始終處於充滿水狀態。當需要排砂時，開啟罐外球閥，排砂管在罐內外壓差的作用下，先過水而後攜砂，又因砂在水中有效重度約0.5，且在工程設計中保證了管流速度與合理安排了排砂週期，所以，倒吸式排砂管不會被沉砂堵塞。
當排砂結束或因故關閉罐外排砂球閥時，該管內殘留砂會再次沉入罐內底部，倒吸式排砂管內始終保持充滿水狀態，這就為下次排砂工況準備了必要條件。因此，該專利技術使用1.5"倒吸式排砂支管才能保證間斷排砂而不堵塞。
排砂匯管內以0.7-1.2m3/min小流量、高流速、高攜砂率，實現臥式容器的密閉清砂。
該專利技術實施點選在臥式容器外輸口之前；抽油機提公升匯集動力液所及該段系統最未端的水相以下，成功研究推出了普遍通用於**集輸系統密閉清砂的有效方法。而且，是利用系統中壓力場作為排砂動力，以「釜底排砂」方式，巧妙地實現了水相清砂。這樣，就避開了**物性各異對該項技術推廣的不利影響。
該項專利技術成果，經使用者長期使用，定期排放迴圈清砂，罐內砂位將永遠沒不過罐內新增設定的檔砂板，大量沉砂進入不了外輸幫浦吸口，該站外輸液含砂率，可保持在相應處理液量工況下的最低限度（外輸含砂率在百萬分之幾數量級），緩解了外輸幫浦的磨蝕，同時，有效防止外輸液攜砂引起的「二次砂害」。
**集輸系統臥式容器密閉清砂課題有了成熟可靠的解決方案及工藝技術後，在油田地面工程設計中，對相關系統、裝置及工藝設計原則也必須作相應調整。此前，為延長臥式容器停產人工進罐清砂週期，設計準則是：盡量將砂外輸，轉移到末級站統一處理，罐內已沉積的砂，是滿足氣—液或液—液分離工況的「副產品」。
當今，這一「副產品」有了及時、高效的清除方法，就應從設計環節保證，使其盡量多地沉積在該容器內及時清除。這樣，在臥式容器與密閉清砂技術有效使用壽命20-25年中的經濟效益和社會效益是顯而易見的。
該解決方案自92年提出，93年結合大港油田第一採油作業區、馬西油站密閉改造工程投產、經過6年生產實踐的檢驗，於2023年7月2日，在原中國石油天然氣總公司科技發展局組織的《**集輸系統除砂》專案驗收會議上肯定了其研究方向的正確性。
3 臥式容器密閉清砂工藝技術實施情況及具體改造內容
3.1臥式容器密閉清砂工藝技術實施情況
該方案被肯定之後，於2023年8月大港油田集團公司追加專案科研計畫，在大港油田集團油氣開發公司第一採油作業區馬西七站內，臥式分離緩衝罐上再次實施改造、試驗、驗證又獲成功。2023年12月在冀東油田廟一聯合站內、河南油田設計院研製生產的wys3.0×9.
0-0.64/1臥式三相分離器上實施技術改造，曾加了密閉清砂功能，配套設定了清砂工藝及清砂裝置，又獲成功。2023年，中國石油大港油田分公司第二採油作業區在西三轉、西五轉油站，極低壓**採輸系統臥式分離緩衝罐上再次實施該項專利技術，同樣收到使用者滿意的效果。
2023年在中國石油大港油田分公司第八採油作業區新建的板-26站實施該項專利技術再次收到滿意效果。上文涉及的站內臥式容器密閉清砂工藝技術裝置至今都在繼續使用，應用時間最長的站已10餘年，其清出砂中含油率小於0.05%，優於國家現行標準。
3.2臥式容器密閉清砂工藝主要技術引數和具體改造實施內容
3.2.1臥式容器密閉清砂工藝主要技術引數
*清砂時間週期7-15天/次
*單罐每次清砂與砂處理時間約單罐20min、雙罐40min
*攜砂汙水迴圈量0.7-1.2m3/min
*每次清砂用電量
*外排砂中含油率（系統不含泥工況下）<5‰0
*系統壓力大於0.1mpa時，選用「圖一」工藝
圖一臥式容器密閉清砂改造方案示意圖
*系統壓力小於0.1mpa時，選用「圖二」工藝
圖二極低壓臥式容器密閉清砂改造方案示意圖
高效清砂池、汙水池共用（清砂池、汙水池示意圖見「圖三」）
圖三臥式容器密閉清砂池示意圖
3.2.2臥式容器密閉清砂改造實施內容：
如圖所示：在連續執行中的**集輸系統一般採用雙罐併聯的執行方式，實施改造的臥式容器只需輪換生產改造即可。每具罐體改造週期為7天，罐體內改造僅需3.
5天，其中包括：人工清除沉砂、斷開相關工藝管閥及接地、蒸罐、通風、測厚、罐內本體改造、探傷檢測、聯線復原、試水壓投產等過程，雙罐輪換完成改造後，清暢的臥式容器投入執行後的第一次密閉清砂，可在投產後的30-45天內進行。這就為罐外配套清砂工藝、清砂池的建設施工贏得了時間。
經過改造具備密閉清砂功能的中轉站站內動態工藝見圖四：
圖四臥式容器密閉清砂動態工藝圖
四應用推廣前景
本項專利技術成果，主要應用於油田開採過程中，**集輸系統中轉環節，它是中外石油生產領域普遍通用的密閉清砂工藝。據初步調研資料顯示，國內採出液含砂油田有：勝利、遼河、吉林、任丘、大港、河南、中原、江蘇、新疆等，其**產量與砂相關的量至少佔我國**年產總量僅按1.
4億噸計的30%，約有4200萬噸/年，**生產過程中存在著採出液攜砂問題，極待提供有效解決方案與相關工藝技術服務，而4200萬噸/年，純**的開採過程，平均含水率在80%左右；平均**密度按0.9計，可推出4200萬噸/年**產量其採出液量約為：3×108m3/年，平均日產液量達85×104m3/d，進而推算產能配套設施，僅按日處理量3000-4000m3/d站計算，國內採出液含砂油田中約有280座已建站可採用本專利實施技術改造。
關於新建產能配套設施對該項專利技術的需求暫時無法估算，但是，只要油田地面集輸工藝中繼續使用臥式分離器，本項專利技術就占有突出的競爭優勢。
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