海洋天然气水合物集输系统除砂工艺研究

来源:用户上传      作者:马小飞

　　摘    要：目前海洋天然气水合物开采方法主要采用降压法。降压法是通过泵吸作用降低气体水合物储层的压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，使水合物分解为天然气和水。同时，水合物分解造成储层中砂粒间的胶结力减小，使大量砂粒脱离原始状态，大部份砂粒由井下防筛管拦截于水合物层，小部分细小砂粒还是会随分解产生的气体和水进入平台生产系统，当进入生产系统中的砂粒达到一定量时就会影响天然气产量。借签海洋油气田常用的除砂方法，从重力沉降除砂、旋流分离除砂、过滤除砂等方面对水合物开发集输系统除砂工艺进行研究。
　　关键词：天然气水合物;除砂;多相分离器;旋流器
　　中图分类号：U671.1                                  文献标识码：A
　　Abstract： At present， offshore gas hydrate development mainly adopts the depressurization method. The depressurization method is to decrease the pressure of gas hydrate reservoir by pump suction， so that it is below the hydrate phase equilibrium pressure under the temperature condition of the region， so that the hydrate can be decomposed into natural gas and water. At the same time， the cementation force between the sand particles in the reservoir is reduced， and a large amount of sand particles are out of the original state. Most of the sand particles are intercepted in the hydrate layer by downhole sand screens， a small amount of small sand particles will still enter the platform's production system along with the gas and water generated by decomposition， which will affect the output of natural gas when a certain amount of sand particles enters the production system. By means of the commonly used de-sanding methods in offshore oil and gas fields， this paper studies the development of de-sanding technology of the hydrate processing system from the aspects of gravity settling sand removal， hydrocyclone sand removal and filtration sand removal.
　　Key words： Gas Hydrate; Sand Removal; Multi-phase Separator; Hydrocyclone
　　1     天然氣水合物开采出砂原因及危害
　　天然气水合物蕴藏区地层地质条件各异，矿藏品位及可采性相差非常大。根据赋存方式，将天然气水合物分为四类，如图1所示。
　　从图1可以看出：第一类位于塔尖，为分布在北极富砂储层的高浓度天然气水合物资源;第二类是分布在海洋环境砂岩储层的中-高浓度天然气水合物资源;第三类是分布在海洋细粒非砂岩储层中的天然气水合物资源;第四类是位于金字塔底部、分布在细粒的海洋泥岩储层中，大多数的天然气水合物资源属于这一类型。
　　我国南海发现的天然气水合物属于第三、四类，其外在形状见图2。此类水合物由于埋藏浅，所处的沉积层通常未固结成岩且细粉砂含量较高，加上降压开采时生产压差较大，出砂问题已在不同实地试采项目中呈现，目前已成为制约天然气水合物安全高效开采的一个重要问题。
　　井口出砂给海洋平台生产处理系统造成很大危害，如：引起下游管线、仪表、阀门、分离器、换热器、压缩机等平台设备堵塞、腐蚀、生产系统无法正常运行等问题，严重时甚至会导致设备损坏。
　　2     几种海洋油气田生产系统除砂工艺简介
　　2.1   重力沉降除砂工艺
　　海洋油气田生产系统中大多采用三相分离器进行油、气、水、砂三相分离，其除砂原理是重力沉降分离：混合流体流速在分离器内变低，利用水、砂的密度差将油、水、砂从混合液中沉降分离出来。混合液在分离器内经过一定的停留时间后，密度大的泥砂沉于分离器底部、水层分离在中层、油层分离在上层，分离出的气占据分离器上部空间，从而实现油、气、水、砂的分离。
　　分离出的砂等固体物质经过一定时间后形成分离器底部污泥，三相分离器底部设有排泥装置，其主要由集泥管、冲泥管等组成。排泥装置工作时，将助排液体通过喷嘴高速射入吸泥室内，从而在吸泥室内产生超负压增加吸泥压力，将容器底部污泥由吸泥盘收取，通过集泥管排到容器外再进行相应的处理。底部排泥砂装置示意图，如图3所示。 　　为增强气体分离效果，可在入口增加挡板或旋流装置，气相出口增加不锈钢丝网除液装置。
　　2.2   旋流分离除砂工艺
　　旋流分离是离心分离的一种，海洋平台上用的主要是水力旋流器，水力旋流器按其功能可分为固-液、液-液、气-液分离三种类型。
　　水力旋流器结构十分简单，整个壳体由圆筒部分和锥筒部分相接组成。壳体上设有三个开口：即切向进料口、底流口、溢流口。
　　旋流器的基本原理是：将具有一定密度差的液-液、液-固、液-气等两相或多相混合物，在离心力的作用下进行分离。混合流体在一定压力下从进料口进入旋流器，在圆柱腔内产生高速旋转流场;密度大的组分在旋流场的作用下同时沿轴向向下运动、沿径向向外运动，在到达锥体段沿器壁向下运动并由底流口排出，这样就形成外旋涡流场;密度小的组分向中心轴线方向运动，并在轴线中心形成向上运动的内涡旋，然后由溢流口排出。这样就达到轻重组分两相分离的目的。旋流管主要结构，见图4：
　　图中：1-混合液进料口;2-旋流器圆锥体;3-旋流器尾端;4-混合流体重组分底流口;5-混合流体轻组分溢流口。
　　从图4可以看出：旋流分离器设备结构非常简单，占用平台空间小、生产处理效率高、工作稳定性好，同时具有耗能少、日常维护简单等诸多优点，其在海上油气处理系统中大量应用，尤其是在液-液分离及固-液分离方面应用更广。
　　2.3   过滤分离除砂工艺
　　过滤分离是利用某种多孔介质使混合流體气-固分离或液-固分离，在混合流体本身推动力或其它外力作用下，混合流体中的气体或液体通过多孔过滤介质的孔道，一定粒径以上的固体颗粒被截留下来，从而实现气-固分离或液-固分离。
　　过滤分离器使用的介质主要有：不锈钢筛网、核桃壳、无烟煤和纤维球等。在过滤处理过程中，过滤设备需要定期进行反冲洗，去除固体杂质后使孔径恢复和滤料再生，因此过滤设备需设置备用设备。
　　从除砂角度上讲，海洋油气平台上主要使用不锈钢筛网除砂器和过滤除砂分离器。不锈钢筛网除砂器是混合流体从筛网除砂器向上流动，经过上部筛网时液体和气体通过滤层从容器顶部流出;大于筛网孔径的砂粒被拦截，在重力作用下落于底部并排出。不锈钢筛网的孔径，需根据生产过程中实际需要过滤的砂粒粒径来确定。
　　混合流体如果主要为气体、所含液量较小的情况下，一般选用过滤除砂分离器进行过滤除砂。过滤器内安装有核桃壳、无烟煤等过滤介质床层，当混合流体通过过滤介质床层时，砂粒被拦截，同时气体中的少量雾状液体也能够被过滤介质吸附，聚结成较大液滴，最终经过滤器内部除雾元件聚结后流入滤器底部并最终排出。
　　2.4   三种除砂工艺比较
　　重力分离除砂工艺、旋流分离除砂工艺、过滤分离除砂工艺优缺点比较见表1。
　　3     天然气水合物气田特点和除砂工艺设计
　　3.1   天然气水合物气田特点
　　海洋天然气水合物广泛赋存于水深超过300 m的海底陆架沉积物中，中国地质调查局在中国南海北部陆坡证实了两处超千亿方资源量的水合物藏。其中，位于珠江口盆地神狐海域的水合物藏调查最为深入，被确定为我国天然气水合物勘探开发的先导试验区，其天然气水合物藏为泥质粉砂型，开发难度较大。
　　广州海洋地质调查局于2007在南海北部陆坡神狐海域所获得的水合物岩心材料特征如下：
　　（1）含水合物层沉积物为松散的青灰色含钙质生物的黏土质粉砂和含钙质生物的粉砂，具有粉砂72%～82%、黏土小于15%、砂一般小于10%的基本特征;
　　（2）水合物层沉积物，主要为8～32和32～63 um粒级的中细-粗粉砂。
　　3.2   除砂工艺设计
　　天然气水合物在其埋藏条件下是固体， 目前主要开采方法是降压法。降压法是通过泵吸作用降低气体水合物储层的压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，使水合物分解为主要成分为甲烷的天然气和水，1 m3的天然气水合物可在常温常压下释放164  m3甲烷和0.8 m3。降压法开采示意图，如图5所示。
　　水合物分解造成储层中砂粒间的胶结力减小，使得大量砂粒脱离原始状态，大部份砂粒由井下防筛管拦截于水合物层，小部分细小砂粒还是会随分解产生的气体和水进入平台生产系统。从图5中可以看出，从生产井出来的流体分为两路：一路为气路;另一路为水路。因此天然气水合物集输系统除砂工艺设计分为两部分：一部分为天然气除砂;另一部分为生产水除砂。
　　（1）天然气除砂
　　从天然气水合物分离出的天然气，主要成分为天然气，夹带少量的水及砂，属于三相分离。由于天然气的密度与水和砂的密度相差很大，因此设计用三相分离器进行气、水和砂进行重力分离，入口加装挡板或旋流分离装置、出口加装除雾器，这样可以有效分离出天然气中夹带的水和砂。分离出的天然气进一步处理达到外输条件后外输;分离出的水进一步处理达到排海标准后排海;聚集在容器底部的砂定期排至收集罐运至岸上处理或进一步在平台处理后排海。
　　（2）生产水除砂
　　从天然气水合物分离出大量的水，井下防筛管拦截了大部分的砂粒，但还是有相当数量的细小砂粒进入井内，通过电潜泵输送至平台的水中夹带有相当数量的砂及极少量的天然气。分离目的主要是把水和砂分开，固液两相分离是主要部分。为了提高分离效率，设计为两级分离：第一级采用水力旋流器除砂，在这一级中从水中除去绝大部分的粒径5微米以上的砂，分离出的水进入第二级进一步处理;第二级采用三相分离器，在这一级中除去水中夹带的少量天然气及剩余的砂，分离后的水进一步处理达到排海标准后排海，聚集在容器底部的砂定期排至收集罐运至岸上处理或进一步在平台处理后排海。
　　天然气水合物除砂工艺设计图，见图6所示。
　　4     结语
　　海洋天然气水合物集输系统除砂是新生事物，但开采出来后的产物与传统的油气除砂处理工艺并无本质不同，因此可以借签海洋油气田常用除砂工艺，对海洋天然气水合物集输系统除砂工艺进行设计。随着海洋天然气水合物开发的不断深入，天然气水合物集输系统除砂工艺将会越来越切合开发工程实际需求。
　　参考文献
　　[1] 陈芳、周洋、苏新等. 南海神狐海域含水合物层粒度变化及与水合物饱和度的关系[J].海洋地质与第四纪地质，2011，31（5）：95-100.
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