海上气田地面出砂工艺设备成效分析——以中国南海南部某气田为例.pdf

油气开采化 工 设 计 通 讯Oil and Gas ProductionChemical Engineering Design Communications 35第49卷第7期2023年7月南海某气田由一座中心处理平台、生产辅助平台和四个井口平台（A、B、E、F）组成。气田属干气气田，所产的天然气在中心平台经三甘醇脱水，气体水露点达到0后与沉降脱水后的少量凝析油一起通过海底管道输送至陆岸终端处理厂。气田生产设施分3期投产。一期新建设施包括中心平台、井口 E 平台和中心处理平台至陆岸处理厂上岸管线，一期生产设施于2003年8月1日投产。二期新建设施包括井口 A 平台、井口 B 平台及至中心平台两条海底管道，于2006年6月投产。随着生产动态的变化，为满足下游用户用气，气田一期调整项目依托气田已建设施新建井口 F 平台于2015年5月投产。生产辅助平台于2018年11月投产。自2012年12月至2013年7月，陆续发现中心平台6口井，井口 E 平台3口井有不同程度地出砂，2015年井口B平台各井均有出砂的情况。气井出砂后，在井口 B 平台测试分离器、中心平台捕集器 B、聚结分离器、凝析油泵都发现有砂沉积。2015年3月和9月两次停车检修时，对捕集器 B开罐检查清理，运行6个月清理回收了600 L 砂粒。2015年11月和2016年7月，井口 B 平台测试分离器进行开罐检查，两次开罐发现罐内都有较多砂粒，厚度约20 cm。2016年4月，井口 B 平台停产大修检查油嘴时，发现各井不同程度地出砂。同期，对聚结分离器进行了开罐检查清理，发现罐内砂粒较多，严重降低了聚结分离器的处理效果。1 气井出砂原因及危害1.1 气井出砂原因气井出砂问题涉及的影响因素有多种，如地质特性、完井方式、流体特性、防砂方式、筛管类型、生产制度设定等。归纳而言，主要分为3大类：地质因素、完井因素和生产管理因素。针对气井出砂的原因分析，也主要是从以上三个方面的影响因素展开剖析。1.1.1 地质因素气井出砂问题的第一要素条件是地层出砂，造成地层出砂的地质因素包括储层构造、沉积相、岩性、岩石胶结类型、胶结物种类、黏土矿物成分、泥质含量、储层流体类型等1-2，这些影响因素属于内在因素，主要通过岩石强度和粒度分布两个方面来影响出砂风摘要：气井出砂给气田开发带来诸多危害，保证全寿命周期内油气井出砂防治与管理的长期有效性对油气井安全稳定生产具有重要意义。以南海海上某气田的出砂现状为例，从气井出砂原因及危害、气田出砂现状、地面出砂设备投用和应用推广4个方面对海上出砂气井的地面工艺设备治理结果进行了综合分析，可借鉴应用在其他出砂气田除砂治理中，具有很好的应用和推广价值。关键词：气井；出砂治理；除砂器；提质增效中图分类号：TE37文献标志码：A文章编号：10036490（2023）07003504Effect Analysis of Surface Sanding Technology and Equipment in Offshore Gas FieldTaking a Gas Field in the South of China Nanhai as InstanceBai Ze，Liu Yu-jieAbstract:Sandproductionofgaswellsbringsmanyhazardstogasfielddevelopment.Itisofgreatsignificancetoensurethelong-termeffectivenessofsandproductionpreventionandmanagementofoilandgaswellsinthewholelifecycleforsafeandstableproductionofoilandgaswells.Takingthesandproductionstatusofanoffshoregasfieldin the South China Sea as an example,this paper comprehensively analyzes the treatment results of surface process equipmentofoffshoresandproductiongaswellsfromfouraspects:thecausesandhazardsofsandproductioningaswells,thestatusofsandproductioningasfields,andtheuseandapplicationofsurfacesandproductionequipment,whichcanbeusedforreferenceinothersandproductiongasfields,andhasgoodapplicationandpromotionvalue.Keywords:gas well;sand production prevention and management;ground sanding equipment;improve quality andefficiency海上气田地面出砂工艺设备成效分析以中国南海南部某气田为例柏 泽，刘喻杰中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南海口 570100收稿日期：20230416作者简介：柏泽（1993），男，河北石家庄人，工程师，主要从事海洋油气开采应用技术研究工作。通讯作者：刘喻杰（1991），男，四川眉山人，工程师，主要从事海洋油气开采应用技术研究工作。油气开采化 工 设 计 通 讯Oil and Gas ProductionChemical Engineering Design Communications36 第49卷第7期2023年7月险的大小。岩石本身强度较低、储层见水造成岩石强度降低3-4或开发中后期储层压力衰竭造成岩石所受有效应力增加等，这些因素均会增加储层岩石的出砂风险。如果地层砂的粒径过小，海上常用的机械防砂介质也不能有效挡住地层出砂，从而产生油气井出砂问题。1.1.2 完井因素完井因素主要分为油气井防砂设计和防砂作业2个方面的因素。其中防砂设计包括防砂方式选择、挡砂精度、防砂参数和防砂筛管设计等，而防砂作业因素主要包括作业中是否造成筛管损坏、充填效率是否满足充填作业要求、充填滑套是否关闭等内容。如果防砂设计阶段储层地质油藏资料不全或设计人员对储层地质油藏资料的认识不够全面，从而造成油气井的防砂设计不合理或防砂作业过程不满足相关的作业规范、破坏防砂管柱的结构完整性，这些因素均会导致油气井产生出砂问题3-10。1.1.3 生产工作制度因素通过对海上出砂井的出砂原因分析，发现油气井后期不合理的生产制度管理是导致油气井出砂更重要的因素，这些不合理的生产管理制度包括频繁调整工作制度、大幅度提液、放大生产压差等。不合理的油气井生产管理主要通过改变井筒附近的地层应力场或破坏筛管外的自然砂桥2种途径5-9来增加油气井的出砂风险。除此之外，不合理的生产管理制度还可能造成油气井防砂筛管的完整性破坏，从而直接导致油气井防砂失效而出砂。1.2 气井出砂对地面工艺流程危害1.2.1 地面管线的内壁冲刷由于天然气在管线中的流速很快，气井出砂后，气体携带的砂粒对管线内壁造成冲蚀，尤其在弯管段砂粒对管线内壁的冲蚀尤为严重，使得管线壁厚变薄。特别是，在高 CO2含量的气井立管弯管段，很容易被砂粒冲蚀穿孔泄漏天然气。1.2.2 地面设备的冲蚀与磨损气田开发过程中，流体携带的砂粒经过油嘴、压力控制阀、液位控制阀、管道变窄、管道弯曲的位置时，在气、液流和压差的双重作用下表现为惯性强、剪切力大，会对节流、弯曲、变径等位置的管壁、阀芯或阀体造成冲蚀。流体携带的砂粒在经过外输泵增压时，对外输泵泵体、单流阀阀芯、柱塞等活动部件造成损坏或磨损速率增加。1.2.3 海底管线的影响流体携带的砂粒在海管中长年累积，造成海底管线输送直径变窄，海底管线输送效率低于95%。同时，在海底管线进行清管作业时，清管球在清管作业过程中阻力变大，可能会造成清管球卡堵。在海管内监测时，造成数据录取不准确、无数据等情况。1.2.4 仪表附件故障或示值漂移流体中携带砂粒，可能引起孔板流量计压差变送器的引压管堵塞，造成流量计示值漂移或错误。在气液分离器沉积的砂粒进入液位计的浮筒后，易附着在浮筒内壁，造成浮子卡塞、密度变化，影响液位的正常显示。流体携带的砂粒进入到色谱仪、油含水分析仪、露点仪或流量计会造成分析类仪表数据失真7-8。1.2.5 对油水分离设备处理效果的影响流体携带的砂粒在通过聚结分离器、闭排、开排时，砂粒在聚结分离器、闭排、开排沉淀并聚集，使得聚结分离器的处理空间降低、液位计卡顿、液位控制阀内漏造成液相在聚结中液位显示不准确、液相处理不达标、液位控制不稳定、油水分离时间缩短、油水分离效果变差。闭排、开排处理空间不足、液位计卡顿。最终导致生产水排放不达标、凝析油含水率不达标。2 气田出砂井生产状况分析2.1 气井生产能力测试通过表1对各生产井测井产能参数的对比可以得出：单井最大出砂量根据生产压差及其他参数而变化。通过关小气嘴来控制出砂量，出砂井产量下降，B9井尤为严重。表1 井口B平台部分测井产能数据 WELL No.目前油嘴及产气量出砂前油嘴及产气量油嘴（mm）万 m3/d油嘴（mm）万 m3/dWHPB0115.88 10.4522.23 13.15WHPB0215.88 10.2819.05 12.28WHPB0417.46 12.220.64 13.38WHPB0515.88 12.1923.81 13.21WHPB0615.88 17.4324.61 22.58WHPB8H220.64 5.6624.61 9.36WHPB0912.70 4.1915.08 5.212.2 气井生产参数对照分析通过表2对各出砂气井压力温度参数的对比可以得出，大部分出砂井井口压力较小，应保证除砂器压降不大于3 bar。表2 井口B平台部分生产数据 WELL No.井口压力井口温度关井压力管汇压力（MPa）（）（MPa）（MPa）WHPB013.86545.013.34WHPB023.84507.11WHPB044.06537.12WHPB053.84536.81WHPB064.49585.82WHPB8H23.72397.21WHPB094.09437.01根据以上生产现状，经过研究决定，在生产管汇出口安装地面除砂设备。油气开采化 工 设 计 通 讯Oil and Gas ProductionChemical Engineering Design Communications 37第49卷第7期2023年7月3 地面工艺除砂器工作原理地面工艺除砂器整体分为上下两腔：上腔为内置有陶瓷旋流除砂管除砂腔，下腔为用于定期除砂储砂腔。通过水力旋流分离技术将混合介质分离。如图1所示。图1 除砂器上腔旋流管剖面示意图水力旋流分离是利用一个旋流管，如图2所示，在压力的推动下产生的离心力将固体颗粒从流体，如油/水/气或混合物（以下简称“流体”）中分离出来。在流体中的固体颗粒以切线方式高速旋流管内，由此在旋流管内部以径向流产生强大的旋流，并形成非常大的加速度场（可以达到1 0002 000 G 的离心力）。在这个离心力的作用下，促使固体颗粒向旋流管的内壁移动。而由于压力梯度场的作用，除去固体颗粒的流体则反向流向轴中心，并由溢流口流出。固体颗粒则沿着旋流管内壁运动到旋流管底部出口喷射出去。多相流体入口重相流体出口轻相流体出口蜗壳导流器图2 水力旋流分离管示意图在一个给定的加速度场下，对旋流管内部所采用的用来表述固体颗粒沉降速度的修改过的 Stokes 定律6。方程式如下：s=Ggd 218（1）式中，Gg为径向流所产生的离心力场；为密度梯度；d 为固体颗粒的粒径；为连续相流体的黏度。沉降速度（s）越快，固体颗粒可以在被流体带出溢流口前达到旋流管内壁的时间越短（从而达到分离的目的）。各个参数对旋流管的分离性能的影响和作用叙述如下。3.1 加速度场加速度场的增强与流体通过旋流管的流量或压力降成正比，而在旋流管内的停留时间与流体通过旋流管的流量则成反比。综合两个因素，加速度场的增加比较明显。因此，旋流管的分离效率与流量成正比。加速度场的增加也同样可以减小旋流管的直径。因此，较小直径的旋流管的分离效率比大的旋流管有更高的分离效率。3.2 密度差增加密度差将直接提高旋流管的分离效率。3.3 颗粒直径固体颗粒的直径对旋流管分离的效率有着直接的显著影响。在所论及的实际分离尺寸取决于上述那些参数，但是，颗粒的形状在某种程度上也在很多的应用中产生影响。即，某些“小”颗粒在一定尺寸下不能被完全分离，而一些“大”颗粒在大于一定尺寸下则被完全分离。而那些介于这两个关键尺寸之间的颗粒则可以被部分分离。4 除砂效果评价及推广意义4.1 除砂效果评价地面除砂设备投用后，通过持续监测除砂设备运行状况，通过井口 B 平台地面除砂部分数据记录，如表3所示的数据表征，效果显著。表3 井口B平台地面除砂部分数据记录内容时间除砂装置进口压力/kPa除砂器温度/除砂装置压差/kPa气量m3/h除砂装置出口压力/kPa排砂量kg累计砂量kg9.11 16：00 3 263.60 47142 26 900 3 154.20 15.0 587.5 9：13 16：00 3 267.00 47146 27 900 3 149.00 18.0 605.5 9.15 16：00 3 209.00 46138 27 840 3 090.00 14.0 619.5 9.17 16：00 3 183.00 48147 27 930 3 067.00 11.0 630.5 9.20 16：00 3 172.00 46144 26 900 3 057.00 18.0 648.5 9.22 10：00 3 160.00 48141 28 050 3 052.00 14.0 662.5 9.26 16：00 3 216.00 46128 28 300 3 128.00 20.0 694.5 9.28 16：00 3 208.00 48118 27 200 3 156.00 12.0 706.5 9.30 16：00 3 221.00 46124 26 250 3 136.00 16.0 722.5 同时，将 B2/B9两口出砂井服役，充分释放两口井的产能，产能测试数据显示，B2/B9井合计日产天然气约7104 m3，预计年度可增产约2107 m3。通过投用后6个月至中心海管通球显示，比同期海管积砂现象明显减少。4.2 推广意义自井口 B 平台安装完成后投入使用出砂设备，通过约11个多月的应用检验，该地面除砂设备运行平稳，除砂效果明显，对地面下游设备具有较强的防冲蚀作用。同时，避免了原来除砂井无法有效释放产能的现状。通过对井口 B 平台地面除砂装置技术革新和精细化管理，每年可减少海管损伤和积沙现象，提高天然气的输送效率。同时，释放出砂井的产能，预计可增加天然气产量2107 m3/a，每年可产生约1 000万元的经济效益。5 结束语通过实践证实井口 B 平台地面出砂治理装置效果明显，经济效益显著。同时也可以应用在其他出砂油气开采化 工 设 计 通 讯Oil and Gas ProductionChemical Engineering Design Communications38 第49卷第7期2023年7月气田除砂治理，具有很好的应用和推广价值。参考文献1 何保生,曹砚锋,曾祥林,等.海上稠油油田开发多枝导流适度出砂技术研究 J.中国海上油气,2013,25(6):82-87.2 张明,李凡,刘光泽,等.自主化一趟多层砾石充填防砂技术研究与应用 J.中国海上油气,2016,28(3):111-114.3 曾祥林,孙福街,王星,等.渤海稠油油藏简易防砂条件下出砂规律模拟实验研究 J.中国海上油气,2004,16(6):395-400.4 汪伟英,张公社,何海峰,等.毛管力与含水饱和度对岩石出砂的影响 J.中国海上油气,2003,15(3):47-49.5 孙峰,葛洪魁,薛世峰,等.生产压差对疏松砂岩储层出砂影响规律研究 J.中国海上油气,2009,21(1):39-42.6 陈金庆,吕宏凌.Navier-Stokes 方程组证明及理论本质探究 J.化学教育(中英文),2021,42(8):34-38.7 陈丽荣,李琼,张芳,等.气井出砂原因及如何预防生产过程中的出砂现象 J.化工管理,2018(9):220.8 李洪波.气砂两相流在天然气开采过程中的理论及实验研究 D.成都:四川大学,2004.9 张昕,方传新,刘洋志,等.海上油气井出砂监测影响因素评价 J.化工管理,2022(14):61-63.10 田红,汪绪刚.出砂管理技术研究与应用新进展 J.西部探矿工程,2005,17(11):78-81.饱和蒸汽，造成管网1.0 MPa 蒸汽进一步过剩。因此降低芳烃抽提装置的中压蒸汽用量，提高低压闪蒸汽利用率，对于本项目芳烃抽提装置和整个厂区的蒸汽管网平稳运行具有重要意义。2.3 工艺优化及换热网络选择根据上述模拟优化后设计参数、蒸汽管网条件及装置余热现状，常规双塔精馏流程中苯塔选择1.0 MPa饱和蒸汽作为重沸器热源，其蒸汽消耗量为9.15 t/h（其中3.2 t/h 为联合装置闪蒸气）。甲苯塔选择二甲苯塔顶气作为重沸器热源，不足负荷用3.5 MPa 蒸汽作为补充，蒸汽消耗量为6.82 t/h，塔顶甲苯气用于与低温热水换热，供装置伴热用水。差压热耦合精馏流程苯塔采用甲苯塔顶气作为热源，由于甲苯塔底温度为207，甲苯塔顶只能用3.5 MPa 蒸汽作为重沸器热源，蒸汽消耗量为12.5 t/h。因此，本项目 BTX 分离选择常规双塔精馏工艺，减少3.5 MPa 蒸汽消耗，并充分利用装置闪蒸1.0 MPa 饱和蒸汽和多余塔顶气热量，降低装置能耗。3 优化效果利用 PRO/模拟软件优化后的常压双塔精馏工艺参数，其能耗较技术方提供工艺条件有进一步降低，每小时降低91.39 kg 标油。能耗对比见表3。表3 常规双塔精馏优化前后能耗对比名称单位工艺优化前工艺优化后 备注苯塔 甲苯塔 苯塔 甲苯塔塔顶冷凝冷却负荷kW4 9777 1794 5226 994塔底再沸器负荷kW5 5566 1365 1005 9501.0 MPa 蒸汽消耗kg/h9 9679 1503.5 MPa 蒸汽消耗kg/h7 1406 820二甲苯气热源利用MW1.851.85空冷电消耗kW h114.36110.22能耗kg/h1 570.271 478.88注：能耗计算按GB/T504412016石油化工设计能耗计算标准。从全厂公用工程现状考虑，本项目采用常规双塔精馏工艺，优化工艺流程和换热网络，与差压热耦合精馏工艺相比，降低装置3.5 MPa 蒸汽消耗5.68 t/h，降低3.5 MPa 蒸汽负荷，避免锅炉超负荷运行带来安全隐患；中压凝结水闪蒸1.0 MPa 饱和蒸汽用于苯塔重沸器热源，具有明显节能效果；有效利用二甲苯气热源，避免1.0 MPa 蒸汽管网进一步过剩，有利蒸汽管网稳定运行。4 结论1）利用 PRO/流程模拟软件，采用灵敏度分析等方法，优化塔的设计参数，得到最佳工艺条件，达到节能降耗效果。2）对于 BTX 分离，虽差压热耦合精馏工艺较常规双塔精馏具有降耗的效果，但其对高品位蒸汽消耗量增加，装置产生低品位蒸汽无法利用。因此，BTX分离工艺流程设计，应根据全厂蒸汽管网负荷和装置供热条件统筹考虑，做到能源尽量逐级综合利用，既降低装置能耗又保证蒸汽管网平稳运行，避免装置低品位闪蒸汽无法外送的问题。3）装置中压凝结水闪蒸发生蒸汽后的低压凝结水温度仍然较高，需经空冷冷却后送至凝结水总管，造成低温热量的损失和电能消耗。此部分低温热应进一步利用。参考文献1 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