撬裝式井口氣液分離放噴裝置現(xiàn)場試驗及效果分析

張振文，牛斌，李柏鵬，劉洋，郝小云，高旺斌

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

撬裝式井口氣液分離放噴裝置現(xiàn)場試驗及效果分析

張振文，牛斌，李柏鵬，劉洋，郝小云，高旺斌

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

氣井大修、積液井復(fù)產(chǎn)等已成為靖邊氣田開發(fā)中后期常規(guī)性維護措施，現(xiàn)場施工過程中均需井口放噴進行排液。目前采用的排酸筒放空分液工藝，由于裝置簡單，成本低，應(yīng)用較為廣泛，但存在氣液分離效果差，易導(dǎo)致放噴火焰熄滅等問題。本文結(jié)合靖邊氣田井口放噴工況及安全環(huán)保需求，研制出一種撬裝式井口氣液分離放噴裝置，并在2口積液井排液復(fù)產(chǎn)時開展現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明：該裝置撬裝設(shè)計合理、現(xiàn)場運行穩(wěn)定，放散管滿足熱輻射強度要求，氣液分離效果較好，方便運輸及組裝，滿足現(xiàn)場工況和安全性要求，有效縮短了施工準(zhǔn)備周期，提高了井口放噴分液工藝的安全環(huán)保性，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

靖邊氣田；放噴裝置；撬裝式；氣液分離；效果分析

氣井開展大修、復(fù)產(chǎn)等維護及增產(chǎn)措施作業(yè)時，都需進行現(xiàn)場放噴排液，目前靖邊氣田主要采用放空管線連接排酸筒的方式進行井口放噴氣液分離。排酸筒一般由油管和套管改造而成，加工方便，且成本較低，在井口放噴作業(yè)中應(yīng)用較為廣泛［1-2］。但存在氣液分離效果差，易導(dǎo)致放噴火焰熄滅，頻繁點火操作等問題。針對排酸筒井口放噴分液工藝的局限性，靖邊氣田開展了撬裝式井口氣液分離放噴裝置的研制和現(xiàn)場試驗，用以提高氣井井口放噴工藝的安全環(huán)保性，降低井口作業(yè)風(fēng)險。

1　常規(guī)井口放噴工藝

在氣井措施作業(yè)后排液時，通過放噴降低井口壓力，能有效提高氣流的瞬時速度，同時促使井筒中氣水流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，提高氣井的帶液能力［3］。井口放噴管線連接至井場排水池，在放噴管線末端加裝排酸筒，可以將氣液進行分散或者分離，減小氣液流體的噴勢，便于放噴火焰穩(wěn)定燃燒。

靖邊氣田在用放噴工藝為放噴管線末端安裝排酸筒，出口安裝堵頭，上方連接一段具有傾斜角的放空管，放空管內(nèi)部下端裝一層鋼制濾網(wǎng)，上端鉆滿放空眼。氣井產(chǎn)出的氣水在重力作用、堵頭和兩層過濾網(wǎng)的格擋作用下分離后，氣體進入放空管點火放空；分離出的液體經(jīng)排酸筒下端的兩個出液口進入緩沖池（或儲液罐），當(dāng)液位達到80%時，沿著通道流入排水池。為有效收集分離液和確保井口作業(yè)安全，井口排水池進行防滲、防護和加固處理。

圖1　靖邊氣田井口放噴工藝流程圖

2　撬裝式井口氣液分離放噴裝置研發(fā)

2.1分離器設(shè)計

2.1.1分離器選型相同處理工況下，相比臥式分離器，立式分離器具有占地面積小，易于清除筒體內(nèi)污物，適于液量較大的氣液分離，具有較大的液體波動容量等特點［4-5］?？紤]撬裝設(shè)計方便拉運、放噴液量波動較大，因此整體設(shè)計選用立式分離器。

2.1.2設(shè)計計算氣液分離器依據(jù)重力沉降原理，采用《油氣集輸設(shè)計規(guī)范》GB50350-2005，及《分離器規(guī)范》SY/T0515-2007進行計算和選取，再根據(jù)經(jīng)驗及工程需要進行修正，最終結(jié)合井口放噴具體工況，研制分離器相關(guān)性能參數(shù)（見表1）。

表1　分離器設(shè)計數(shù)據(jù)表

2.2放散管設(shè)計

放空天然氣通過放散管點火燃燒時，需計算熱輻射的距離，用以確定放散管與撬裝裝置、井場以及周圍建筑物的安全間距，從而避免點火放空時輻射熱對操作人員及放散管周圍人群造成傷害［6-9］。根據(jù)《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》SH3009-2001中火炬工藝要求計算放散管高度和內(nèi)徑。

2.2.1放散管內(nèi)徑計算火炬放空氣體的速度一般采用馬赫數(shù)來判斷。APIRP521中規(guī)定：當(dāng)場、站發(fā)生事故造成停工，原料或產(chǎn)品氣需要全部排放時，可取0.5 Ma；單個裝置事故或停產(chǎn)搶修時，可取0.2Ma。天然氣長輸管道站、場的通常做法是以20%聲速為基礎(chǔ)作為火炬出口速度來決定火炬尺寸。若馬赫數(shù)過大，可能導(dǎo)致火焰被吹熄或脫火，反之則使放散管口徑偏大或產(chǎn)生回火。

放散管出口截面積與流速、質(zhì)量流量、密度的關(guān)系如下：

式中：D為放散管出口直徑，m；A為放散管出口截面積，即放散管有效流通面積，m2；F為放空氣體的體積流量，m3/s；V為放散管氣體允許線速度，m/s；m為馬赫數(shù)；K為放空氣體絕熱指數(shù)。

以分離器最高處理氣量5×104m3/d計算，甲烷絕熱指數(shù)K取1.3，氣體摩爾質(zhì)量M由氣體組分確定，近似取M=16，氣體比熱容比R=8.314，計算不同直徑管對應(yīng)不同溫度的馬赫數(shù)（見圖2）。

圖2　不同放散管直徑、溫度對應(yīng)計算馬赫數(shù)三維視圖

由圖2可知，當(dāng)管徑大于60 mm時，馬赫數(shù)小于0.5，考慮安全系數(shù)及便于現(xiàn)場安裝，放散管材質(zhì)規(guī)格確定為φ89×3.5 mm的20#無縫鋼管，計算馬赫數(shù)0.25，滿足安全規(guī)范要求。

2.2.2放散管高度計算取熱輻射率為0.2，馬赫數(shù)在0.2～0.5時火焰高度取120倍放散管管徑，氣區(qū)天然氣低發(fā)熱值取32 970 kJ/m3，天然氣密度取0.746 kg/m3，計算不同風(fēng)速及放散管高度下，對應(yīng)的不同受熱點熱輻射值（見圖3）。

考慮井口裝置擺放在常見季風(fēng)下風(fēng)側(cè)，且儲液罐距離撬裝放噴裝置較遠，因此巡回檢查主要集中在撬裝裝置附近。當(dāng)允許熱輻射強度q＜4.73 kW/m2時，無防護措施情況下，操作人員有適當(dāng)防護衣可停留幾分鐘，保證裝置正常運行時的例行巡檢，錄取分離器壓力、液位等數(shù)據(jù)。通過圖3對比分析，放散管高度在15 m以上時滿足現(xiàn)場工況需求。

通過以上相關(guān)理論計算以及室內(nèi)熱輻射測試，以及相關(guān)安全規(guī)范，最終確定放散管為φ89×3.5 mm的20#無縫鋼管，高度15 m，采用繃繩固定。

圖3　風(fēng)速為0 m/s、5 m/s時不同放散管高度下熱輻射強度隨距離的變化

2.3整體撬裝設(shè)計

靖邊氣田部分單井道路崎嶇且山坡較多，采用撬裝設(shè)計能保證設(shè)備及時拉運至井口，同時拆裝方便，提高裝置利用率［10］。進行整體撬裝設(shè)計，主要從如下幾個方面考慮：

（1）整套裝置必須結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作、便于移動運輸。

（2）各設(shè)備擺放位置合理，管線走向明確，易于現(xiàn)場組裝和拆除。

（3）整體裝置正常運行時需平穩(wěn)，不會因振動以及熱輻射對設(shè)備造成損傷。

最終設(shè)計（見圖4），放空管線、分離-放空連接管線可拆卸，將放散管及分離器設(shè)計為撬裝式，運輸、吊裝較為方便；底座牢固安全，能夠承受氣液分離裝置工作重力，且具有一定的高度，方便排出液進入儲液罐（見表2）。

圖4　撬裝裝置整體正視示意圖

表2　撬裝式裝置整體參數(shù)表

3　現(xiàn)場應(yīng)用及效果評價

3.1現(xiàn)場試驗

選取2口產(chǎn)水量大、壓力高的積液停產(chǎn)氣井，開展“壓縮機氣舉+井口排液”復(fù)產(chǎn)作業(yè)的同時，重點對撬裝式井口氣液分離放噴裝置試驗效果進行了評價。復(fù)產(chǎn)工藝及井口放噴工藝流程（見圖5）。

3.2效果評價

以A井為例，即積液，試氣時產(chǎn)水量25 m3/d，礦化度143 930 mg/L，H2S含量2 277 mg/m3，2012年9月投產(chǎn)，投產(chǎn)前油套壓22.6 MPa，配產(chǎn)2.5×104m3/d生產(chǎn)油壓降至5.8 MPa，分析認為該井井筒積液嚴重；2013年9月在該井實施撬裝式壓縮機氣舉+井口放噴復(fù)產(chǎn)工藝，復(fù)產(chǎn)期間氣舉壓力在20 MPa～23 MPa，排液量10 m3/d～30 m3/d，放空火焰高度2.5 m～3 m，累計排液330 m3后A井成功復(fù)活。進一步論證工藝適應(yīng)性，2013年10月在B井開展現(xiàn)場試驗。B井礦化度119507mg/L，H2S含量4 379 mg/m3，復(fù)產(chǎn)期間排液量40 m3/d，放空火焰高度2.5 m～3.5 m，累計排液450 m3后B井成功復(fù)活。

（1）相比傳統(tǒng)開挖泥漿池，采用撬裝式井口氣液分離放噴裝置，井口準(zhǔn)備周期平均降低3 d，有效提高了復(fù)產(chǎn)效率。

（2）分離器氣液分離效果好，運行參數(shù)在處理范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)超壓情況。

（3）放空火焰燃燒穩(wěn)定，未出現(xiàn)回火、火焰熄滅等情況；常壓采出水回收罐未出現(xiàn)竄壓。

（4）現(xiàn)場熱輻射值處于有效安全范圍之內(nèi)，滿足了操作人員的例行巡檢要求，便于實時施工數(shù)據(jù)的錄取及效果跟蹤評價。

圖5　井場設(shè)備分布及復(fù)產(chǎn)工藝流程圖

4　結(jié)論與認識

（1）研制的撬裝式井口氣液分離放噴裝置撬裝設(shè)計合理，氣液分離效果較好，運輸拆裝方便，能夠滿足現(xiàn)場需求。

（2）分離出的采出水采用儲水罐常壓收集，井口無需開挖排水池，便于罐車拉運回收處理。

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10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.008

TE931.1

B

1673-5285（2015）02-0029-04

2014－12-24

張振文（1963-），高級工程師，博士，畢業(yè)于西南石油學(xué)院，現(xiàn)在從事天然氣生產(chǎn)及管理工作，郵箱：zzw_cq@petrochina.com.cn。