CN111535793B - 页岩气田新型分离计量橇排污系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气田新型分离计量橇排污系统及方法，所述系统包括页岩气分离器、集液包、污水池、离心泵，集液包为密封容器，页岩气分离器和集液包上均设有液位计，污水池内设有挡砂板，挡砂板将污水池分为砂粒沉淀区和污水区；页岩气分离器的底部设有液体排出口，集液包的顶部设有进液口一，通过垂直管道一使页岩气分离器的液体排出口与集液包的进液口一相连，管道一上设有阀门A；集液包的底部设有出液口，且通过管道二与砂粒沉淀区相连，管道二上设有阀门B和阀门D；污水区通过管道三与离心泵的入口相连，离心泵的出口通过管道四与集液包的进液口二相连，管道四上设有阀门C。本发明能够减小排污管道冲蚀速率，保证设备运行安全。

Description

页岩气田新型分离计量橇排污系统及方法

技术领域

本发明涉及页岩气开采技术领域，特别涉及一种页岩气田新型分离计量橇排污系统及方法。

背景技术

页岩气开采时采用的页岩气收集系统如图1所示，页岩气生产早期的生产流程主要是含杂质的气体从井口采气树经采气管线至高压除砂橇进行初步除砂，之后页岩气进入分离器进行气液分离并进一步除砂。由于除砂器滤筒孔径有限及除砂器结构等原因，导致除砂器的实际除砂效率有限，经过除砂器后的含液页岩气仍将携带10％左右的砂粒。分离器对页岩气进行气液分离并分离除砂器中未分离的砂粒，分离器下部集液包液位达到规定液位时进行排污。而排污过程中，存在在各生产时期页岩气生产压力高对排污管道形成严重的冲蚀问题，排污管道会因过大的冲蚀速率而发生穿孔，导致排污管道结构失效，危害页岩气正常安全生产运行。因此，为了保障分离器排污系统的正常运行、提高使用寿命，亟需一种能够防止排污管道壁厚减薄的新型排污系统。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种页岩气田新型分离计量橇排污系统及方法，能够防止排污管道壁厚减薄。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种页岩气田新型分离计量橇排污系统，包括页岩气分离器、集液包、污水池、离心泵，所述集液包为密封容器，所述页岩气分离器和集液包上均设有液位计，所述污水池内设有挡砂板，所述挡砂板将所述污水池分为砂粒沉淀区和污水区；所述页岩气分离器位于所述集液包的上方，所述页岩气分离器的底部设有液体排出口，所述集液包的顶部设有进液口一，通过管道一使所述页岩气分离器的液体排出口与所述集液包的进液口一相连，所述管道一上设有阀门A；所述集液包的底部设有出液口，且通过管道二与所述砂粒沉淀区相连，所述管道二上设有阀门B和阀门D；所述污水区通过管道三与离心泵的入口相连，所述离心泵的出口通过管道四与所述集液包的进液口二相连，所述进液口二设置在所述集液包的顶部或侧壁上部，所述管道四上设有阀门C。

作为优选，所述液位计采用磁浮子液位计。

作为优选，所述挡砂板的高度大于污水池液面高度。

作为优选，所述阀门A、阀门B、阀门C、阀门D均采用截止阀。

作为优选，所述离心泵采用IHF氟塑料离心泵。

作为优选，所述阀门B与阀门D之间还设有管道五，所述管道五与备用污水池相连，所述管道五上设有阀门E，所述备用污水池与所述污水池结构相同。

另一方面，提供一种页岩气田新型分离计量橇排污方法，利用上述任意一项所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统进行排污，具体包括以下步骤：

S1：开启阀门A，关闭其余阀门，页岩气分离器对页岩气进行气液分离，分离后的砂粒根据重力作用积存在所述集液包内，分离后的液体积存在所述页岩气分离器和所述集液包内；

S2：当所述页岩气分离器内的积液量达到排液液面时，关闭阀门A，然后打开离心泵，待离心泵开机运转后开启阀门C、阀门B、阀门D；

S3：待集液包内的砂粒全部输送至污水池后，关闭阀门C和离心泵，打开阀门A；

S4：待所述集液包内的积液量达到警戒液位时，关闭阀门B，结束排污。

作为优选，所述警戒液位位于集液包液位的1/5处。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

现有技术的页岩气分离器排污是将污水直接排入至露天污水池，此过程造成管壁减薄的原因有污水的腐蚀性、污水中砂含量的高低、污水中砂颗粒粒径大小、污水中砂的尖锐程度等等。因为分离器内部与排污池之间较大的压差造成了排污管内污水流速高，页岩气分离器每次排污时间很短，一般在2～5秒，速度对管壁减薄的影响通常会被忽略，本发明克服了此技术偏见，通过改变含有砂粒的污水的排污速度避免管壁减薄。

本发明结构简单，易于制造，便于安装与运行。通过在页岩气分离器的下方设置集液包，利用重力作用使分离后的砂粒积存在所述集液包内，然后通过设置离心泵对污水进行低速驱动，使污水区内不含砂粒的污水注入集液包中，使集液包中含有砂粒的污水排入沉淀区中，在此过程中因为集液包与页岩气分离器之间的阀门关闭，使得集液包内的压力与污水池的压力不会相差太多，避免了压差过大使含砂污水以过高的流速冲刷磨损排污管道，避免排污管道壁厚减薄，待集液包中的砂粒完全排出后，关闭离心泵，打开集液包与页岩气分离器之间的阀门，通过页岩气分离器内气体的压力使分离器内积存的液体向污水池排出，此过程因为页岩气分离器内积存的液体不含砂粒，因此也不会对排污管道造成冲刷磨损，综上使得本发明能够防止高速流动的携砂污水对分离器排污系统造成严重的冲蚀破坏，保障了分离计量橇排污系统的正常运行、提高使用寿命，防止排污管道壁厚的过度减薄。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为页岩气开采时采用的页岩气收集系统示意图；

图2为本发明页岩气田新型分离计量橇排污系统的结构示意图；

图3为现有的分离计量橇系统的结构示意图；

图4为页岩气分离器内压力1.5MPa时现有排污系统排污阀冲蚀云图；

图5为页岩气分离器内压力1.5MPa时现有排污系统排污弯头三通冲蚀云图；

图6为现有排污系统排污阀冲蚀速率、年冲蚀厚度及最大流速与压力的关系曲线示意图；

图7为现有排污系统三通与弯头冲蚀速率、年冲蚀厚度随压力变化曲线示意图；

图8为本发明流速为4m/s时排污阀冲蚀云图示意图；

图9为本发明流速为4m/s时排污弯头及三通冲蚀云图示意图；

图10为本发明排污阀的冲蚀速率、年冲蚀厚度与污水流速的关系曲线示意图；

图11为本发明排污弯头及三通的冲蚀速率、年冲蚀厚度与污水流速的关系曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公发明开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图2所示，本发明提供一种页岩气田新型分离计量橇排污系统，包括页岩气分离器、集液包、污水池、离心泵，所述集液包为密封容器，所述页岩气分离器和集液包上均设有液位计，所述液位计采用磁浮子液位计，通过页岩气分离器上的液位计能够在排污过程中方便监测页岩气分离器内的积液量是否达到排液液面，通过集液包上的液位计能够在排污过程中方便监测集液包内的积液量是否达到警戒液位；所述污水池内设有挡砂板，所述挡砂板将所述污水池分为砂粒沉淀区和污水区，可选地，所述挡砂板的高度大于污水池液面高度，能够防止砂粒随着水流运动进入污水区。

所述页岩气分离器位于所述集液包的上方，所述页岩气分离器的底部设有液体排出口，所述集液包的顶部设有进液口一，通过垂直管道一使所述页岩气分离器的液体排出口与所述集液包的进液口一相连，所述管道一上设有阀门A；所述集液包的底部设有出液口，且通过管道二与所述砂粒沉淀区相连，所述管道二上设有阀门B和阀门D，可选地，所述管道二也采用垂直管道；所述污水区通过管道三与离心泵的入口相连，可选地，所述管道三的入口设有滤网，如果有砂粒进入了污水区，可以通过所述滤网阻挡砂粒进入管道三，所述离心泵的出口通过管道四与所述集液包的进液口二相连，所述进液口二设置在所述集液包的顶部或侧壁上部，所述管道四上设有阀门C。

在一个具体的实施例中，所述阀门A、阀门B、阀门C、阀门D均采用截止阀，所述离心泵采用IHF氟塑料离心泵。

为了避免污水池进行检修等情况发生时，系统无法进行排污工作，在所述阀门B与阀门D之间还设有管道五，所述管道五与备用污水池相连，所述管道五上设有阀门E，所述备用污水池与所述污水池结构相同。通过所述备用污水池使系统在污水池进行检修等情况发生时仍能正常工作。

本发明还提供一种页岩气田新型分离计量橇排污方法，利用上述任意一项所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统进行排污，具体包括以下步骤：

S1：开启阀门A，关闭其余阀门，页岩气分离器对页岩气进行气液分离，分离后的砂粒根据重力作用积存在所述集液包内，分离后的液体积存在所述页岩气分离器和所述集液包内；

S2：当所述页岩气分离器内的积液量达到排液液面时，关闭阀门A，然后打开离心泵，待离心泵开机运转后开启阀门C、阀门B、阀门D，利用离心泵抽取污水池中不含砂污水进行驱动并冲洗集液包与排污管道；本步骤时间较短(见表1)，当阀门A关闭时，短时间内页岩气分离器分离到的水和砂量很少，不会对步骤S3造成影响。

S3：待集液包内的砂粒全部输送至污水池后，关闭阀门C和离心泵，打开阀门A，利用页岩气分离器内压力驱动集液包内不含砂污水进行排污，不含砂污水不会对排污系统造成冲刷磨损；集液包内砂粒是否全部输送至污水池可根据集液包体积、管道流速进行确定，不同流速情况下离心泵建议运行时间如表1所示：

表1不同流速情况下离心泵建议运行时间

S4：待所述集液包内的积液量达到警戒液位时，关闭阀门B，结束排污。然后重新进行积液，重复步骤S1～S4，实现页岩气开采过程中气液分离排污。

在一个具体的实施例中，所述警戒液位位于集液包液位的1/5处。

在一个具体的实施例中，采用现有的分离计量橇系统和本发明进行排污对比。

现有的分离计量橇系统如图3所示，进行排污时，阀1、阀2开启，利用分离器内的高压与排污池之间的压力差对分离器底部的污水进行驱动。污水池是露天的，页岩气分离器内压力在1.5MPa～5MPa之间，分离器与污水池之间的压差过大，压差过大导致页岩气分离器进行排污时排污管内污水流速在52m/s～103m/s之间。其年冲蚀厚度为8.63mm～61.25mm，排污管道壁厚为7mm，排污管道将在2～11个月的时间内因过大的冲蚀速率而发生穿孔。在页岩气开采中后期出砂量低时，年冲蚀厚度为2.06mm～8.17mm，仍达到了严重冲蚀程度甚至穿孔。

在页岩气分离器内压力为1.5MPa时，排污阀冲蚀云图如图4所示，从图4可以看出，在高压情况下排污阀冲蚀非常严重，冲蚀最严重的区域为区域A(阀杆关阀终止处、靠近斜管区域)、区域B(阀杆相贯线下部区域)、区域C(斜管与直管相交上部区域)。排污阀年冲蚀厚度为8.6mm。

在页岩气分离器内压力为1.5MPa时，排污弯头及三通冲蚀云图如图5所示，从图5可以看出，在高压情况下弯头及三通冲蚀严重，弯头年冲蚀厚度为1.24mm，三通年冲蚀厚度为2.23mm。

在上述实施例中，排污阀冲蚀速率、年冲蚀厚度及最大流速与压力的关系曲线如图6所示，从图6可以看出，按日排液10m³计算，运行压力为1.5MPa时，排污阀年冲蚀厚度为8.6mm；当运行压力为5.5MPa时，排污阀年冲蚀厚度为76.1mm。运行压力越大，冲蚀问题越严重。

在上述实施例中，三通与弯头冲蚀速率、年冲蚀厚度随压力变化曲线如图7所示，从图7可以看出，随着压力的逐渐增大，弯头及三通冲蚀速率逐渐增大，基本呈现线性增长。当压力由1.5MPa变化至5.5MPa时，弯头冲蚀速率由4.558×10^-4kg/(s·m²)增长至2.166×10^-3kg/(s·m²)，年冲蚀厚度由1.24mm增长至5.88mm；三通冲蚀速率由8.229×10^-4kg/(s·m²)增长至6.208×10^-3kg/(s·m²)，年冲蚀厚度由2.23mm增长至16.85mm。

采用本发明对页岩气气田生产初期出砂量较大时进行排污，流速为4m/s时，排污阀冲蚀云图如图8所示，排污弯头及三通冲蚀云图如图9所示。流速为2m/s～6m/s时，排污管道年冲蚀厚度为0.01mm～0.08mm，使用本发明冲蚀程度轻，排污管道冲蚀速率大幅降低，排污系统缓蚀率可达99.78％～99.91％，证明了本发明能够保证设备的运行安全。

采用本发明对页岩气气田开采后期出砂量较小时进行排污，排污阀的冲蚀速率、年冲蚀厚度与污水流速的关系曲线如图10所示，排污弯头及三通的冲蚀速率、年冲蚀厚度与污水流速的关系曲线如图11所示，从图10和图11可以看出，流速为2m/s～6m/s时，排污管道年冲蚀厚度小于0.005mm，冲蚀程度可忽略不计，排污管道冲蚀速率大幅降低，防止排污管道壁厚减薄。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种页岩气田新型分离计量橇排污系统，其特征在于，包括页岩气分离器、集液包、污水池、离心泵，所述集液包为密封容器，所述页岩气分离器和集液包上均设有液位计，所述污水池内设有挡砂板，所述挡砂板将所述污水池分为砂粒沉淀区和污水区；所述页岩气分离器位于所述集液包的正上方，所述页岩气分离器的底部设有液体排出口，所述集液包的顶部设有进液口一，通过垂直管道一使所述页岩气分离器的液体排出口与所述集液包的进液口一相连，所述管道一上设有阀门A；所述集液包的底部设有出液口，且通过管道二与所述砂粒沉淀区相连，所述管道二上设有阀门B和阀门D；所述污水区通过管道三与离心泵的入口相连，所述离心泵的出口通过管道四与所述集液包的进液口二相连，所述进液口二设置在所述集液包的顶部或侧壁上部，所述管道四上设有阀门C。

2.根据权利要求1所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统，其特征在于，所述液位计采用磁浮子液位计。

3.根据权利要求1所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统，其特征在于，所述挡砂板的高度大于污水池液面高度。

4.根据权利要求1所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统，其特征在于，所述阀门A、阀门B、阀门C、阀门D均采用截止阀。

5.根据权利要求1所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统，其特征在于，所述离心泵采用IHF氟塑料离心泵。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统，其特征在于，所述阀门B与阀门D之间还设有管道五，所述管道五与备用污水池相连，所述管道五上设有阀门E，所述备用污水池与所述污水池结构相同。

7.一种页岩气田新型分离计量橇排污方法，其特征在于，利用权利要求1～6中任意一项所述的页岩气田新型分离计量橇排污系统进行排污，具体包括以下步骤：

S1：开启阀门A，关闭其余阀门，页岩气分离器对页岩气进行气液分离，分离后的砂粒根据重力作用积存在所述集液包内，分离后的液体积存在所述页岩气分离器和所述集液包内；

S2：当所述页岩气分离器内的积液量达到排液液面时，关闭阀门A，然后打开离心泵，待离心泵开机运转后开启阀门C、阀门B、阀门D；

S3：待集液包内的砂粒全部输送至污水池后，关闭阀门C和离心泵，打开阀门A；

S4：待所述集液包内的积液量达到警戒液位时，关闭阀门B，结束排污。

8.根据权利要求7所述的页岩气田新型分离计量橇排污方法，其特征在于，所述警戒液位位于集液包液位的1/5处。

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