劉少杰,朱 睿,郭宗躍

(中國石化股份勝利油田分公司孤東采油廠,山東東營 257237)

油井沖砂液處理車的應用與結構改造*

劉少杰,朱 睿,郭宗躍

(中國石化股份勝利油田分公司孤東采油廠,山東東營 257237)

孤東油田為全國最大的灘海整裝油田,油藏埋藏淺、地層疏松,出砂嚴重在國內居于最前列、洗井沖砂作業(yè)工藝施工量大、含砂液體處理量極大,處理不當易造成污染。孤東采油廠對沖砂液處理工藝技術進行了研究,對沖砂液處理車進行了驗證,并根據沖砂液處理車在孤東油區(qū)的現場實驗中出現的問題,研究了改進方案,經生產實驗證明可靠實用、技術合理先進。

沖砂;洗井;沖砂液處理車;三缸柱塞泵;旋流除砂器;液下渣漿泵;清潔生產

0 引 言

孤東油田現有油水井3 000余口,其中每年約有2 800口(次)井需要進行作業(yè)施工。由于孤東油田油藏埋藏淺,地層膠結疏松,易出砂,90%以上的作業(yè)井需要進行探沖砂洗井施工。目前在沖砂洗井作業(yè)施工時沖砂液的凈化方式采用重力沉降式,沖砂液先放入具有兩層結構的13 m3循環(huán)池,如圖1,沖砂液中的砂粒依靠重力作用與沖砂液分離,并逐漸沉降至緩沖罐底部,固液分離后的沖砂液再次經水泥車加壓泵入井底,然后攜帶砂粒上返回流至循環(huán)池中。因循環(huán)池結構簡單、砂粒自由沉降耗費時間長等因素的影響,無法徹底進行油、水、泥砂的分離,水中懸浮的固體顆粒及有機質微粒大量超標,當這類液體進入地層后,一方面會造成地層污染,堵塞通道,降低油層滲透率,另一方面循環(huán)池轉運時需要將池內的水回收或現場排放,自由沉砂池需要定期人工清砂清污,工人的勞動強度大。同時由于工作環(huán)節(jié)多、設備連接接口多且為開放結構,極易造成含油、砂液體刺漏,造成地面環(huán)境污染。

沖砂液處理車的推廣應用,能夠對沖砂液進行油、水、砂分離,達到水循環(huán)使用、作業(yè)砂現場收集后到指定地點排放、后處理的功能,減少了現場污染和后期污染,節(jié)約了水資源。同時由于孤東油田為全國最大的灘海整裝油田,地處黃河入?？趦砂丁l臨渤海,部分生產區(qū)域位于黃河三角洲國家級自然保護區(qū),如發(fā)生污染泄漏,將造成極大的危害和嚴重的后果。因此沖砂液處理車的應用改進和推廣具有十分重要和緊迫的意義。

圖1 作業(yè)用循環(huán)池結構圖

1 沖砂液處理車主要結構

沖砂液處理車是一種石油礦場專用沖砂液處理設備,是集沖砂作業(yè)、沖砂液處理、洗井、試泵等功能于一體的綠色環(huán)保施工機械,可對沖砂作業(yè)過程中返出的沖砂液進行油、水、砂的分離,通過三缸柱塞泵實現循環(huán)沖砂作業(yè),達到水循環(huán)使用、砂現場排放或到指定地點排放的總體環(huán)保作業(yè)目的,并可以代替洗井車進行洗井作業(yè),一機多用,改變油田傳統(tǒng)沖砂工藝的高污染、高水耗現狀,省去了配置各種專用設備的費用。主要由裝載底盤、三缸柱塞泵、旋流除砂器、沖砂液處理系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成,如圖2。

圖2 沖砂液處理車外形圖

(1)工作原理 旋流除砂器是該車的凈化處理沖砂液的核心部件之一,旋流除砂器的工作原理與一般的分離機械不同,它沒有運動部件,是在離心力的作用下靠固液兩相的旋流進行固液分離的。被處理的固液兩相混合液在一定壓力的作用下,經旋流器的進料管高速切向進入旋流器的圓筒體。在旋流器內高速環(huán)向混合液流,因固體與液體密度差而產生不同的離心力。密度大的固體因產生較大的離心力而被甩向旋流器內壁,并沿著內壁做順時針的螺旋式向下運動,最后由底流口排出。而密度小的液體因產生較小的離心力而靠近旋流器中心,并在中心部位因液體高速旋轉而形成負壓的逆時針螺旋形上升液流。大部分液體及少量小顆粒固體隨上升液流由溢流管口排出,如圖3所示。與重力沉降技術相比,旋流分離技術使砂粒沉降過程明顯加快,從而大大縮短固液分離的時間,這也是旋流分離設備終將取代重力分離設備的主要原因。

圖3 旋流除砂器工作原理簡圖

沖砂液處理車以底盤發(fā)動機為動力,當臺上設備工作時,其取力方式是通過駕駛室內的操作手柄將底盤后傳動軸斷開,中間增加分動箱,下輸出口用于驅動后橋,上輸出口用于驅動三缸柱塞泵,分動箱中間軸帶有液壓泵,為液壓系統(tǒng)提供動力源。

三缸柱塞泵可以從罐車吸入清水注入井內,井內返出的沖砂液通過管線進入串聯的兩級旋流除砂器,具有動能和勢能的沖砂液,沿旋流除砂器內腔強烈旋轉,重質顆粒在離心力和重力的作用下,沿分離器錐體進入集砂箱。去除絕大部分泥砂的油水液體進入沉降箱內,少量泥砂及大部分懸浮物沉淀在沉降箱內,經返沖洗可由排空管匯排出。沉降箱用隔板分成幾個區(qū)域,逐級沉降進入清水區(qū)。當沉降箱內液位達到800 mm時,可以打開通往三缸泵的蝶閥,關閉水罐車輸水蝶閥,三缸泵從沉降箱清水區(qū)吸入清水回注到井內,從而實現了自循環(huán)沖砂作業(yè)。

當沉降箱內的沉積物需返沖洗時,將三缸泵的輸出口用膠管與返沖洗口相聯接,打開返沖洗管線上的蝶閥,三缸泵的高壓水將沉積物沖起浮在水中,打開車尾部的排放管匯蝶閥,沉積物隨水一起排放掉。

(2)工作流程

①沉降箱注水

②外部吸水沖砂作業(yè)流程

在本機進入施工現場后,將三缸柱塞泵的輸出口與井口的作業(yè)注入口進行可靠聯接,并將井口的返液口與本機的旋流器輸入口聯接好。同時用輸水膠管將水罐車的排放口與三缸泵的外輸入口相聯,并將外輸入口蝶閥打開。當除砂器輸入管線取樣口出液時,關閉取樣口球閥,打開自循環(huán)三缸泵蝶閥,關閉三缸泵外輸入口蝶閥,進入自循環(huán)沖砂作業(yè)流程。

③自循環(huán)沖砂作業(yè)流程

井內返出液經旋流除砂器除砂,砂由除砂器底流口進入積砂箱,旋流器上部溢流口返出的液體進入緩沖箱內,開啟液下渣漿泵系統(tǒng),液下渣漿泵從緩沖箱抽汲砂水混合液,排出口接第二級旋流器入口,砂由第二級旋流除砂器的底流口排到積砂箱,除砂器上部溢流出的水重新返回緩沖箱,并經緩沖箱與沉降箱間的液流通道進入沉降箱。

(3)主要技術參數

①三缸泵最大工作壓力:34.6 MPa(柱塞直徑φ100 mm);最大工作排量:1.0 m3/min(φ115 mm柱塞)。

②處理量:60 m3/h

③除砂率:≥95%

2 初次試驗過程中暴露的問題

2012年7月16日至8月14日,沖砂液處理車原型車在孤東油田進行了現場試驗,一共出勤21天,施工22井次,其中沖砂17井次,收水1井次,試壓3井次,放噴1井次,使用效果良好。但是,由于孤東油田油藏埋藏淺,地層膠結疏松,洗井、沖砂作業(yè)施工中出砂量較大,施工時間長,沖砂液處理液量多,該型車的部分結構不能適應孤東油區(qū)的生產需要,主要表現在以下四個方面。

(1)該車采用一級除砂流程,對一些井內返出液流量壓力變化大、含砂比例大的作業(yè)井來說,難以達到最佳的除砂效果,致使在一些特殊井施工時不能很好地完成作業(yè)。

(2)沖砂液除砂效果有待提高。

(3)積砂箱容積偏小,出砂較多時,施工過程中需要進行一次排放處理。

(4)各閘門為手動,需操作人員來回上下,不便于操作和安全。

3 改進措施

(1)改進一級除砂系統(tǒng)。結構如圖4,一級除砂器采用兩個不同排量的除砂器并聯(CXS200、CXS150),每個一級除砂系統(tǒng)除砂器帶有根據流量選擇相應的除砂器單獨工作或同時工作的氣動閥門。當沖砂流量小于15 m3時只開啟CXS150除砂器,沖砂流量大于15 m3小于30 m3時只開啟CXS200除砂器,沖砂流量大于30 m3小于45 m3時,同時開啟兩個除砂器。井內返出的沖砂液經第一級沖砂器除砂,砂由除砂器底流口進入集砂箱,除砂器上部溢流口返出的液體進入緩沖箱內,而不像未改進前直接進入沉降箱。一級除砂系統(tǒng)改進后,使除砂器可以根據井內返出液的排量適應3種操作方式,拓寬了作業(yè)井的施工范圍。

圖4 改進后的一級除砂系統(tǒng)簡圖

(2)增加二級除砂自循環(huán)裝置。結構如圖5,在緩沖箱底部安裝一個液下渣漿泵,在緩沖箱上部安裝一個二級除砂器,渣漿泵出口與二級除砂器入口相連。一級除砂返出液帶有少量的余砂在緩沖箱內沉到下部后,再經液下渣漿泵通過二級輸入管匯同時輸入到兩個二級除砂系統(tǒng)除砂器進行二次除砂,砂由二級除砂器的底流口排到集砂箱,除砂器上部溢流出的水重新輸入到緩沖箱,并經緩沖箱與沉降箱間的液流通道進入沉降箱,實現了對緩沖箱內沖砂液的二級除砂自循環(huán)功能。

圖5 改進后的二級除砂系統(tǒng)簡圖

(3)改進了罐體結構,增加了集砂箱容積,設置了緩沖箱(見圖6)。原型沖砂液處理車僅有集砂箱和沉降箱,新型車將集砂箱容積由原來的1.5 m3增大到3.5 m3,新增了緩沖箱,罐體分為集砂箱、緩沖箱和處理箱,其中處理箱內部用垂直的斜板分成四個區(qū)域,垂直斜板的作用是緩沖內部水流的速度,增加水中固體顆粒的下降時間,提高沉降效果。集砂箱、緩沖箱底部采用錐形結構,便于集砂匯集清理排放,沉降箱采用Z字形結構。罐體各區(qū)之間的液流通道高度不等,高度不等的液流通道對稱降下來的泥沙有隔離作用,避免泥沙流入后區(qū)。沉降箱內的每個區(qū)域均設有排空通道,可以保證在排空箱內液體時,每個區(qū)域均可排放干凈。沉降箱與緩沖箱、集砂箱連在一起,中間用隔板分開,保證了整機結構的緊湊型和簡潔性。

圖6 改進后的沖砂液處理箱示意圖

(4)各閘門采用氣動控制。操作手在操作室即可操控,避免了操作人員攀爬罐體頂部啟閉閘門所帶來的安全隱患,降低了操作手的勞動強度,提高了安全性和勞動效率,控制原理如圖7。

圖7 氣動控制原理圖

(5)改進后的結構示意圖,如圖8所示。

圖8 改進后的車輛結構示意圖

4 實施效果

自2013年7月起,截至2015年4月,改進后沖砂液處理車共在孤東油田施工1 200余井次,該型車的優(yōu)化運行,消除了試驗原型車的各種弊端,有效保障了孤東油區(qū)的沖砂、洗井等作業(yè)施工。

據統(tǒng)計分析,孤東廠沖砂作業(yè)壓力一般在2～6 MPa,洗井作業(yè)壓力在8～15 MPa。在無井漏的情況下,洗井作業(yè)需要60 m3洗井液,沖砂作業(yè)需要30 m3沖砂液。原來利用400型水泥車施工時,作業(yè)人員需要對循環(huán)池進行油泥沙清理,需要配備2臺污水罐車執(zhí)行運液保障任務。在此過程中,一是客觀上循環(huán)池清理不能完全潔凈,仍然存在一定的油泥砂;二是污水罐車罐體內淤積了較多的油泥砂,在裝水、儲運、排放過程中進入循環(huán)池,造成施工用液的進一步污染,造成地層的污染。目前,采油廠作業(yè)施工液為普通污水,受簡易施工條件限制,施工液循環(huán)使用,其水質明顯惡化。由于普通的循環(huán)池沒有浮油收集處理功能,循環(huán)池外溢及清理過程中產生的油泥污水對作業(yè)現場產生了較嚴重的環(huán)境污染,且不易清理,加大了作業(yè)人員的勞動強度。據分析比對,同樣的沖砂、洗井作業(yè)施工,用水泥車和沖砂液處理車來施工,沖砂液處理車能夠節(jié)約水泥車施工一半的時間,特別是沖砂液處理車的二次除砂功能,受到現場作業(yè)人員的贊評。

5 效益分析

(1)能夠連續(xù)進行沖砂、洗井等工藝的作業(yè),避免了油污液外溢等問題,實現了綠色作業(yè)以及清潔生產。

(2)在無井漏的情況下,能夠實現自循環(huán)作業(yè),減少了罐車需要和罐車運液次數,按照年施工500次、每次施工減少運液1次、每次路程20公里、百公里36 L油計算,每臺車年可節(jié)約燃油3.24 g;每次施工減少運液1次、每次節(jié)約用水12 m3、節(jié)約用水6 000 m3,效果顯著。

(3)采用液壓控制,操作簡單、靈活,并配有液位控制,便于實現流量平衡及油回收。

(4)可以實現油泥砂的集中處理,再做部分配套改進工作,就能夠大大減輕作業(yè)人員油泥砂清理回收的勞動強度,并有效提高環(huán)保施工、清潔生產水平。

[1] THS5231TJC4洗井車使用維護說明書[Z].通化石油化工機械制造有限責任公司, 2013.

Application and Structural Improvement of Sand-Fluid Processing Vehicle

LIU Shao-jie,ZHU Rui,GUO Zong-yue
(Gudong Extraction Factory,Shengli Oilfield Company of Sinopec,Dongying Shandong 257237 China)

The Gudong oilfield is the largest beach unitization oilfield of China,of which the reservoir is shallowly buried,unconsolidated and likely to produce sand.Therefore,there is a lot of sand-flushing operation in the oil production of Gudong oilfield,in which large quantity of sand-carrier fluid need to be processed,and pollution is easily produced under inappropriate process.The method of sand-carrier fluid process is studied in Gudong oil production factory and the function of sand-fluid processing vehicle is verified.The improvement solutions are given based on the problems found during the field tests in Gudong oilfield.It is proved that the improved system is reliable,practical and technology advanced.

sand flushing;well cleanout;sand-fluid processing vehicle;triplex plunger pump;hydrocyclone desander;liquid slurry pump;cleaner production

TE935

A

1007-4414(2015)05-0090-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.030

2015-08-23

劉少杰(1971-),男,山東陽谷人,高級工程師,研究方向:油田特種設備管理。