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【本周專題:油氣集輸】神奇音叉可探明分離器內的積砂情況

【本周專題:油氣集輸】神奇音叉可探明分離器內的積砂情況

Emerson公司推出新型振動音叉液位探測器,可提供詳細的沙粒沉積情況,有助于避免意外關井并提高采油效率。

來自丨World oil
編譯丨TOM

油、氣、水與砂/固體的分離,通常是由分離器進行的,這是采油作業中的關鍵步驟。這種分離能夠最大化的回收碳氫化合物,并使作業者可測量單個組分流的流量或產量。這些數據形成了油田每口井產出流體量的基本信息。

作業者面臨的一個主要挑戰是防止積砂過多,這可能會堵塞進液口與分離器的排砂罐。積聚的砂粒會限制分離器的寶貴能力,如果不進行監測與清除,就需在清理過程中關井,這是非常昂貴的代價。因此,可靠地檢測分離器中砂粒的聚積情況是至關重要的。

分離器

分離器常用于定期試井(作為測試分離器)或連續產量測量(作為采油分離器)。分離器分為兩相、三相、四相的型號,相數指的是離開分離器的流體數量。兩相分離器用于將井內產出流體分離成氣體與流體,而三相分離器用于分離油、氣、水,如圖1.四相分離器多了將砂粒分離的功能。當產出流體中含有砂粒以及其他固體顆粒時,分離器需要增加內部裝置,來收集與處理這些物質。

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圖1. 三相分離器

分離器依靠重力來分離井產流體的不同組分。當井產流體進入罐后,氣體很快從液體中分離出來,因為它的重量遠遠低于油或水的重量。然后將氣體送入分離室,并通過流出管線離開分離器,進入氣體處理系統。與此同時,液體被輸送到罐的底部,油會位于水的頂部,與水分層,因為它的密度較低。然后油層溢過擋板,進入罐體的油腔室。油與水分別通過不同的流出管線,從分離器流出到各自的處理系統。

防砂與聚積

如果油藏或采油方式會導致出砂,產出的砂粒將開始積聚在分離器的下部腔室中。保護性防砂措施,如可膨脹式防砂篩管與礫石充填,是限制砂粒進入分離器的常見需求。然而,執行這些措施并不是一個簡單的過程。首先,通常不同井平臺的地質條件是不同的,即使它們相對較近。有些井會產生大量的砂粒,而有些則非常少,這就很難預測所需的防砂級別。每個井平臺可能需要不同的防砂技術,這增加了作業的復雜性。此外,部署這些保護措施還需要大量時間與技術資源。

即使這些防砂措施正常工作,仍會有一些砂粒長期積聚在分離器中。但是,防砂失敗會加速分離器內的積砂,從而堵塞排砂罐。而且,分離器中過多的砂粒會促使油與水之間形成不需要的乳狀液。這些乳狀液會占用罐中寶貴的空間,從而導致油流量的減少。此外,當分離器內的砂粒積聚到一定水平時,可能會被抽出,這會導致分離器下游的設備(如泵,閥與流量計)因堵塞、磨損而受到損壞或侵蝕。

如果砂粒堆積量過大,就需要關井,導致巨大的產量損失,并且還需移除堵塞出口的砂粒,這既費時又極其昂貴。因此,對于提高分離器與采油效率,以及防止設備遭受昂貴的損害,了解砂粒的積聚情況是至關重要。

監測砂粒積聚

大多數作業者沒有定期的檢查程序,分離器通常運行直至出現問題。因此能夠檢測與監測積沙的技術與防止事故發生的技術,在作業中具有顯著的優勢。業內目前已經使用了核技術,其中一種方法是利用伽瑪源向罐體另一側的探測器發射輻射。但該方法有一些缺點,比如風險與復雜程度;需要每年的驗證要求;遵守當地法律的必要性;高擁有成本等。這促使作業者尋求可靠安全,且不那么復雜與昂貴的替代方案。

艾默生自動化解決方案公司提供了這種替代方案,該公司推出了最新的振動音叉液位探測器(圖2)。該系統具有獨特的功能,可持續監測分離器中砂粒的積聚情況,從而消除意外關井的風險。傳統上用于監測氣-液體界面的這些裝置通過使用音叉的概念進行作業。兩個叉齒浸入容器中,一個內部壓電晶體以其固有頻率振動叉子,并對該頻率的變化進行連續監測。

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圖2.艾默生公司的Rosemount 2140振動叉式液位探測器。

頻率變化,這取決于音叉浸入的的介質,在不同的介質中,介質的密度越大,頻率越低。該原理還使該設備能夠通過特殊的“砂開關”功能,用于監測液-砂界面,這使其成為分離器應用的理想選擇。該設備的數據還可傳輸到控制室,從而實現遠程監控砂粒的積聚情況。

因為不同井平臺的特性不同,該設備可以進行簡單的砂粒檢測配置,針對最小,中等,高度或最壓實的砂粒,具有四種靈敏度設置。除了檢測砂粒的積聚情況之外,這些設備還可用于控制系統,以自動進行腔室內的清理循環。這消除了手動執行此過程的需要。

這些振動音叉液位探測器還有其他一些優點,包括緊湊、輕便且易于安裝。叉子的形狀確保任何稠性或粘性材料不會附著到設備上,而是迅速排出,這使得音叉探測器成為分離器的理想選擇。此外,該設備沒有任何可移動部件會被凍結或卡住,從而增加了設備的可靠性。

利用HART通信,這些設備具有先進的智能診斷功能,能夠更深入地了解分離器狀況,并通過識別潛在的問題來支持預測性的維護措施。

此外,通過監測叉頻,還可以檢測逐漸累積在齒上的介質。盡管振動音叉技術具有良好的抗輕度至中度積聚的能力,但如果不加限制,不斷增加的沉積物會導致錯誤信號,特別是如果叉子被橋接時。利用液位探測器可以監測出介質累積的情況,由于采出液中存在諸如石蠟的涂層材料,因此該功能可能在油氣生產中特別有效。所有的診斷信息都可直接或從控制室訪問。后一種方式消除了實地考察的需要。

有效的沉積物積聚檢測

中國四川的一家油氣公司,正使用Rosemount 2140振動音叉探測器檢測油、氣與水分離器中的沉積物。作為頁巖氣提取工藝的一部分,四相分離器可有效地對油,氣與水的混合物進行脫砂。因此,作業者必須對分離器內的砂層進行監測并加以警告,以避免由于高含砂量引起的管道腐蝕與泵磨損問題。

為了實現這一目標,作業者安裝了艾默生公司的Rosemount 2140,并正進行可靠的沉積物堆積檢測。設備接觸流體的部件材料都需要符合認證要求,因為設備安裝在含有硫化氫的環境中。振動叉的數據通過HART通信傳輸,當沉積物達到臨界水平時,就會發出警報。因此,可以根據沉積物情況,預先安排設備清洗。

總結

分離器在油氣生產中發揮著重要作用。在分離器內堆積過多的砂粒是不可取的,因為它可能會阻塞排砂罐,從而限制分離器的容量,如圖3a.與圖3b.還可能會導致分離器下游的設備被排出的砂子損壞。當從分離器的底部腔室手動清除積聚的沙子時,需要停止生產,這會嚴重影響生產效率。

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圖3a.通過觀察孔檢查分離器,發現砂粒堆積的跡象,以及乳化水的特征。

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圖3b.清理完畢后,所有的砂粒都被清除。容器壁上的痕跡表現出典型的油,水以及分界液面。

由于大多數作業者沒有定期的檢查程序,因此必須對砂粒進行可靠的監測,以防止其過多的積聚。核技術可以完成這項任務,但與最新的振動音叉探測器相比,它有幾個缺點。最新一代的設備具有獨特的液-砂界面功能,可實現可靠的砂粒堆積檢測,并擁有自動優化清理周期的能力,從而提高工作人員的安全性與生產效率。

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