儲(chǔ)罐自動(dòng)清砂技術(shù)研究*

張意?。ㄖ袊痛髮W(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室）

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儲(chǔ)罐自動(dòng)清砂技術(shù)研究*

張意（中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室）

隨著油田的不斷開采及采取助采措施，造成油井采出液的含砂量日趨增多。雖然目前井下采取機(jī)械防砂和化學(xué)固砂等措施，但仍有大量細(xì)砂在油田集輸系統(tǒng)容器中沉積，影響設(shè)備工作效率，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來一定危害。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際需要介紹了大罐清砂的研究背景及目前國內(nèi)投入使用的儲(chǔ)罐清砂設(shè)備，分析了裝置的結(jié)構(gòu)與使用情況，提出一套儲(chǔ)罐清砂裝置的設(shè)計(jì)方案。

儲(chǔ)罐；清砂；射流

1　現(xiàn)狀

為了減少采出液中砂含量較高的危害，國內(nèi)外許多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)深入研究除砂相關(guān)機(jī)理并且設(shè)計(jì)出各種除砂設(shè)備。由于大罐沉降的方法所消耗的費(fèi)用較少，且沉降設(shè)備更適合于油田進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。因此，在各大油田中，大罐沉降除砂裝置使用更加廣泛［1］。但是當(dāng)油水混和液攜帶的大量泥砂等固體顆粒，依靠重力的作用沉降到罐底，沉積到一定程度，就會(huì)嚴(yán)重影響沉降罐的分離效率，所以必須及時(shí)清砂。現(xiàn)在，大多數(shù)沉降罐清砂時(shí)采用倒罐后人工高壓水沖洗的辦法清罐，這種除砂方法存在很多缺點(diǎn)。

大罐不停產(chǎn)水力射流清砂［2］和負(fù)壓排砂法［3］是目前公認(rèn)的行之有效的解決以上問題的好方法。射流清砂主要是在罐內(nèi)鋪設(shè)帶有沖砂嘴、吸砂嘴的工藝網(wǎng)管，以水為載體，利用淹沒射流使沉砂浮泛，通過沖、吸系統(tǒng)作用，含砂液體被抽出罐外，再經(jīng)除砂、洗砂裝置將液體中的砂子分離出來并洗滌，達(dá)到國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)密閉罐體中的簡單可靠的不停產(chǎn)自動(dòng)清砂的目的。負(fù)壓排砂法是利用外界的高壓液體通過安裝在罐內(nèi)的噴嘴時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓將污泥吸起，與助排液一同高效排出罐外。無需在罐內(nèi)布置射流噴嘴，降低了排污能耗，并且排砂徹底［4］。

2　國內(nèi)大罐排砂裝置

2.1強(qiáng)制性排泥系統(tǒng)

常規(guī)稠油污水除油罐收泥管的布置是沿罐圓周方向以同心圓的方式布置收泥匯管，或在罐底面積上蛇形布置收泥匯管，在收泥匯管的底部開圓形或矩形孔收泥。由于超稠油污水處理中加入化學(xué)絮凝劑后泥中夾帶部分污油，具有一定的黏性，在一定時(shí)間內(nèi)易把收泥口堵死，出現(xiàn)收泥管無法收泥的現(xiàn)象；隨著污泥的不斷下沉，罐底污泥沉積愈來愈厚，最終導(dǎo)致污水除油罐不能正常工作。為此遼河油田設(shè)計(jì)院［5］在超稠油污水除油罐的收泥管設(shè)計(jì)中將原污水除油罐內(nèi)設(shè)置的圓形或矩形收泥口改為反向喇叭口收泥，以此來增大收泥截面及流通面積。收泥口分內(nèi)圈和外圈布置，內(nèi)、外圈收泥分別進(jìn)入罐內(nèi)中心柱上的各自集泥腔，然后用2根收泥管線分別引至罐外，保證了罐內(nèi)底面積的均勻收泥。解決了超稠油污水收泥不好的難題。

2.2大罐不停產(chǎn)水力清砂裝置

北京工業(yè)大學(xué)研制的大罐不停產(chǎn)水力清砂機(jī)［6］首要就是要把砂子聚攏到相對穩(wěn)定的區(qū)域。設(shè)計(jì)者根據(jù)罐底面積的大小，設(shè)置了3根沖砂管并且每根管裝有數(shù)十支射流噴嘴，在罐底圓周上均布。沖砂管由罐底層引至罐心，向上穿入罐內(nèi)，并且用滑動(dòng)密封法蘭與罐內(nèi)活動(dòng)沖砂管聯(lián)結(jié)，噴嘴安裝角度與沖砂管成45°，噴嘴設(shè)計(jì)成圓錐收斂型，錐角設(shè)計(jì)為13°～14°。在各射流噴嘴沖掃沉砂的同時(shí)，各噴嘴產(chǎn)生的反作用力通過射流噴嘴軸線作用在沖砂管上，使沖砂管對圓心上的滑動(dòng)定軸產(chǎn)生了巨大的旋轉(zhuǎn)扭矩，其旋轉(zhuǎn)方向與射流方向相反。其結(jié)果使沖砂管上按一定角度排列的噴嘴噴射出的液柱軌跡隨之改變，形成了對罐底薄層積砂的扇形沖掃，使積砂從罐心向罐壁逐漸推移，可逐步將堆積在罐底死角處的沉砂按一定固液比吸入管道內(nèi)。

3　噴砂射流排砂設(shè)計(jì)方案研究

目前的噴嘴射流設(shè)計(jì)是建立在謝菲爾德大學(xué)普利斯特曼（Priestman）等［7］人研究的基礎(chǔ)之上，主要依據(jù)普利斯特曼的流化系數(shù)的概念。流化系數(shù)是沖砂系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)砂層流化的重要特性。流化系數(shù)存在一個(gè)臨界值，當(dāng)砂層流化系數(shù)大于該臨界值時(shí)，沖砂系統(tǒng)屬于超安全設(shè)計(jì)；當(dāng)沖砂流化系數(shù)小于臨界值時(shí)，沖砂系統(tǒng)就表現(xiàn)為失效。根據(jù)研究人員對某油田的油砂物性進(jìn)行分析，認(rèn)為流化系數(shù)較接近一常數(shù)F=0.0015。為了獲得最佳的沖砂效果，應(yīng)當(dāng)在實(shí)驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上合理布置噴砂管嘴的大小、數(shù)量、方位以及噴射角度。同時(shí)要使流化系數(shù)等于其臨界值。

3.1噴嘴壓降

沖洗水流通過噴嘴所產(chǎn)生的壓降如果供液壓力較小將只能為供液管線及分配管線提供壓力損失，而導(dǎo)致沖洗流無沖洗能力。如果要求過高的噴嘴壓降，勢必要求更高的供液壓力，從而給供液系統(tǒng)帶來困難。因此，一般設(shè)計(jì)中選噴嘴壓降在0.2～0.4 MPa為宜。

3.2噴嘴個(gè)數(shù)

首先根據(jù)砂沉積高度計(jì)算公式測算積砂厚度。

式中：

H——每日積砂厚度，mm；

ρs——砂的真實(shí)密度，kg/m3；

ρz——砂的自然沉降密度，kg/m3；

C——含砂體積濃度，kg/m3；

V——每日來液量，m3；

D——噴嘴直徑，mm。

然后再利用普利斯特曼推導(dǎo)的流化系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算噴嘴的個(gè)數(shù)。

式中：

n——噴嘴個(gè)數(shù)；

F——流化系數(shù)；

ΔP——沖洗液通過噴嘴的壓降，MPa；

d——噴嘴直徑，mm；

g——重力加速度，m/s2；

ρ1——液體密度，kg/m3。

在所用公式中，流化系數(shù)F通過實(shí)驗(yàn)可以確定基本為一常數(shù)，噴嘴壓降ΔP也是通過經(jīng)驗(yàn)選取的某一區(qū)間常數(shù)。只有當(dāng)噴嘴個(gè)數(shù)大于或等于計(jì)算噴嘴數(shù)目時(shí)，才能最大限度地將罐底積砂沖出罐外。

3.3確定噴嘴的流速

若使砂流動(dòng)，沖砂系統(tǒng)射流的速度必須大于砂的啟動(dòng)速度。

式中：Vg——沖砂系統(tǒng)的射流速度，m/s。

根據(jù)自由、淹沒射流理論，射流衰減速度在Vm≥Vg時(shí)符合沖砂要求。

式中：

Vm——射程為s時(shí)的衰減速度，m3/h；

αs——常量，取0.075；

R0——孔口半徑，mm；

V0——噴孔的初流初速度，m3/h。

通過現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算出砂子的啟動(dòng)速度。再由Vm≥Vg的關(guān)系式獲得噴孔的初流速度，進(jìn)而確定管網(wǎng)流量和泵型號(hào)。

3.4確定噴嘴角度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)［8］，當(dāng)噴嘴取90°時(shí)，與其它噴嘴角度相比較時(shí)，噴砂效果幾乎沒有變化。另外當(dāng)噴嘴與沖砂管垂直連接更易布置，制作工藝相對簡單。因此，大罐水利清砂中，沖砂角選為90°。而在分離器中沖洗流的方向一般應(yīng)與分離器壁相切，當(dāng)其噴射角在45°～60°時(shí)，其特性基本相同，但是當(dāng)噴嘴角度為90°時(shí)，沖洗流幾乎沒有效果。距分離器底部中心線最遠(yuǎn)的沖洗流噴嘴應(yīng)位于分離器壁的某一傾角之上，這一傾角為砂子在水中的靜止角。砂子在分離器中的靜止角與砂子的物性有關(guān)。一般取30°～40°。

3.5確定噴距

朱宏武等［9］人對于噴嘴距離砂面的垂直高度的選取進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了不同噴距、不同流量下的噴砂效果（圖1、圖2）。從圖1可以看出對于不同流量下進(jìn)行沖砂，隨著噴距的不斷增大，沖刷范圍先增大隨后逐漸減小。在此變化過程中，存在一個(gè)臨界噴距，此時(shí)沖刷效果最佳。從圖2可以看出隨著噴嘴流量不斷增加，臨界噴距也隨之增大，且基本成線性關(guān)系。選定噴嘴流量后，通過臨界噴距和噴嘴流量的線性關(guān)系，大致確定臨界噴距的選取范圍。

圖1　不同流量時(shí)噴距對沖砂直徑的影響

圖2　沖砂角θ=90°時(shí)不同流量下的臨界噴距

3.6布置噴嘴和排污口

容器內(nèi)砂的分布規(guī)律一般為：垂直方向從上到下砂粒直徑逐漸減??；沿容器軸線方向，從原油進(jìn)口段到原油出口端砂粒直徑逐漸減小，砂層厚度逐漸減薄。依照此規(guī)律，合理有效地布置噴嘴。在沖砂過程中，砂子是很容易沿分離器的縱向移動(dòng)的，因此排污口位置要依據(jù)此規(guī)律而設(shè)置。并且要參照噴嘴的位置進(jìn)行布置。同時(shí)為了避免砂回流，應(yīng)設(shè)置隔離板，將容器分為多個(gè)沖洗區(qū)域。

3.7沖洗時(shí)間

沖洗時(shí)間［10］是沖砂系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要參數(shù)，為避免浪費(fèi)沖砂能量，需要控制沖洗時(shí)間。通過檢測排出的砂-水漿中砂的濃度Cs，然后通過計(jì)算出大罐中殘留砂的體積。

式中：

Kw——完全攪拌體積占分離器體積的分?jǐn)?shù)；

Vres——分離器中殘留的砂的體積，m3；

Vsep——分離器的總體積，m3；

Cs——砂-水漿中砂的濃度，m3/m3。

同樣也可以用伽馬射線密度計(jì)測得Cs值后，通過Cs的大小控制沖洗時(shí)間，從而使分離器中殘留的砂量達(dá)到限制值。

4　結(jié)論

現(xiàn)場操作設(shè)計(jì)是基于成熟的理論研究，所以首先應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究沖砂相關(guān)機(jī)理，建立系統(tǒng)的理論體系。同時(shí)由于目前沖砂起始、結(jié)束時(shí)間都是各油田按照經(jīng)驗(yàn)決定的，缺乏準(zhǔn)確性。因此，需要通過嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來限定沖洗排時(shí)間，一方面能夠降低能耗，另一方面也可以減輕由于射流對油水分離造成的影響。

基于清砂相關(guān)理論和沖砂標(biāo)準(zhǔn)，對目前的清砂設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到最佳的效果。由于清砂管嘴是大罐水力不停產(chǎn)清砂裝置的核心元件，所以設(shè)備優(yōu)化首選噴嘴。

［1］趙金春.孤東大罐油砂自動(dòng)自動(dòng)處理裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.油氣田地面工程，2001，20（5）：52-53.

［2］吳德興，臧秀萍.超稠油污水除油罐排泥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.油氣田地面工程，2001，20（2）：34.

［3］李生莉，吳太平.負(fù)壓排污泥技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.河南石油，2004（6）：56-57.

［4］張兆生，王磊.水力清砂技術(shù)在壓力容器中的應(yīng)用［J］.新疆石油科技，1999，9（4）：40-42.

［5］田栓魁，韓專.儲(chǔ)罐自動(dòng)清砂新技術(shù)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2000，19 （6）：40-42.

［6］董克強(qiáng).原油沉降罐密閉清砂裝置研究［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，27（4）：476-478.

［7］張軍，郭軍，祝金奎，等.罐體油泥自動(dòng)清理系統(tǒng)研究［J］.環(huán)境技術(shù)，2000（6）：34-37.

［8］張兆生，王磊.水利清砂在壓力容器中的應(yīng)用［J］.新疆石油科技，1999（4）：40-42.

［9］朱宏武，任志祿.沖砂噴嘴水力沖砂性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油機(jī)械，2005（12）：13-15.

［10］田栓魁，韓專.儲(chǔ)罐自動(dòng)清砂新技術(shù)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2000，19（6）：40-42.

（編輯沙力妮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.015

張意，2014年在中國石油大學(xué)（北京）攻讀油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)碩士研究生，從事油氣集輸?shù)孛婀こ萄芯抗ぷ鳎珽-mail：81897277@qq.com，地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)，102200。

山西省自然科學(xué)基金“煤層氣地面集輸工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制”，項(xiàng)目編號(hào)：2014012012。

2016-01-05