高压旋流除砂装置的研制

姬 峰

(西安石油大学,陕西西安 710065)

0 引言

目前，国内多个地区存在超深油气田和油气井，如塔里木盆地的克深7井、克深902井钻探深度达到了8 023 m、8 038 m[1]。高压油气井压裂返排及生产过程中，地层中的固体颗粒随油气流从井筒流出。携砂给地面设备和管线的安全平稳运行带来了极大威胁，对气田的正常生产造成影响[2]。

过去主要的防砂措施是降低产液量以降低出砂率、在井下安装节流嘴或频繁进行设备维护来增加设备的运行周期。实际上，井下节流并不能很好解决高压油气井除砂问题，相反井上除砂适应性更强且效果更好。国外在20世纪90年代中期开始引入了多相除砂器，能够在线去除井口节流器处的固体，保持产量的同时又能保护工艺设备。传统的井上除砂装置不能应对高压和大流量除砂的需要，如沉降式分离装置体积大、沉降时间长且压力等级提高会增加成本；过滤式装置需要频繁更换滤网，不能实现连续自动排砂；传统的旋流式分离装置不适应高压工况[3]。

高压旋流除砂器运用双筒结构，相对于国内同类型除砂器以单筒结构为主，双筒结构可以更好实现连续作业。通过配套管线可以有效适应不同的工况和要求。另外，在旋流筒内设置锥筒内衬，有效降低筒体的磨蚀，减少维护费用，在锥体段安装格栅，有效防止气体携砂的反流现象[4]。

1 旋流装置的研制

1.1 结构

除砂装置的主体部分采用2个工作除砂装置，通过管线和阀门可以实现单独工作、交替作业和同时作业。交替作业可以实现当一个旋流除砂装置达到排砂条件时进行排砂作业，同时启动另一个旋流除砂装置进行除砂工作，可以保证生产过程不间断。每个除砂装置主体都由旋流筒和集砂筒组成，旋流筒的主要功能是将携砂的采出气经旋流筒分离后由离心加速度迫使固体颗粒运动轨迹朝向筒壁，然后下降至储砂筒，储砂桶可以将分离后的固体颗粒收集并处理。结合配套进气管线、气路管线、冲砂管线和排砂管线进行多个装置之间串联或并联连接来适应不同处理量和含砂量的需求。实际使用中，管线与管线和管线与主体之间均设置双阀来保证高压工作条件下的安全性。整体结构如图1所示。

1—溢流管出口；2—框架；3—气体出口；4—分离器；5—进口管线；6—泄压阀；7—储砂筒；8—液砂出口阀；9—液砂出口

旋流筒主要由旋流腔、溢流管、锥体段和底流口组成，如图2所示。旋流筒的入口段设计成切向入口形式来改变原有流体运动轨迹。旋流腔为圆筒形，大小决定了旋流器的处理能力，旋流腔的直径根据分离粒度的要求选择：当分离的粒度较大时，可以选用大直径旋流器；而分离粒度要求较细时，可以应选用小直径的旋流器。溢流管由空心圆筒体组成，与外面的分离器筒体同心，将分离后的气体排出旋流器内部。锥体部分一般有3种类型，分别为标准型、短锥型和长锥型。由于锥体部分是实施气砂分离的主要区域，为实现更好分离效果，通常锥体段选择长锥形。底流口位于旋流筒最下方，由锥体段延伸向下且与锥体段相连，将分离的大部分粒径较大的固体颗粒排出旋流分离器。旋流筒内还配有导流叶片来防止未被分离的较小砂粒随气体逃逸出分离装置，以实现二次分离的功能[5]。

1—溢流管；2—旋流腔；3—进气口；4—锥体段；5—底流口；6—导流叶片

储砂筒决定了分离装置的存砂容量，与上部旋流筒相对接，位于旋流筒的正下方，旋流器与储砂筒之间由双阀控制。储砂筒的大小和长度根据采出物含砂量和处理要求而定，通常选择为2.0～6.0倍圆柱筒体直径。储砂筒越长可以增加设备的存砂量，延长工作时长。

1.2 工作原理

高压除砂装置具体的操作流程如图3所示。首先开启管线进口阀门,由A系统开始进行分离作业。打开A系统分离器入口阀和溢流管出口阀并使B系统所有阀门均保持关闭。井口流出的携砂混合气体由进口管线进入A系统分离器中进行旋流除砂作业,气体由溢流管经气路管线流出,固体颗粒落入储砂筒中,当储砂筒中砂量即将达到设置量时,逐步结束A系统的除砂作业,同时在结束A系统除砂作业之前，开启B系统分离器入口阀门和B系统溢流管出口阀门,使B系统逐步接替A系统工作。当B系统完全工作后，关闭A系统的分离器入口阀和溢流管出口阀并打开A系统调节阀、泄压阀、液砂出口阀和排砂管线前的调节阀，使A系统进入排砂作业。冲砂管线外部可接辅助用冲砂水泵,可以在排砂的同时开启冲砂阀门进行辅助排砂。待A系统排砂作业完成后逐步关闭上述阀门,等待接替B系统进行后续排砂作业。通过AB系统实施转换,交替执行除砂和冲砂作业来保证生产的连续性。

图3 除砂装置的工艺流程图

1.3 主要尺寸参数

系统额定流量为30万m3/d，进口压力为70 MPa。旋流器直径为300 mm，长度1 446 mm，入口直径为60 mm，溢流管直径为90 mm，插入深度为746 mm，底流口直径为150 mm，锥体上部直径为300 mm、下直径为150 mm，锥段长450 mm，锥角为9.2°。根据GB 150—2011，最终确定筒体内径为300 mm，筒体材料为16MnR，壁厚为100 mm[6]。

1.4 技术特点

整体结构紧凑，占地面积小，搬运方便灵活。除砂处理时间短，内部无转动部件且不需要外部能量带动，操作简单安全，易于维护，劳动强度低。可以通过切换串并联连接来满足不同除砂效果和处理量要求，还能够满足高压大气量的工作要求和连续作业。

2 现场应用

2019年8月—10月初，已经在玛湖区完成了8口井的除砂作业，其运行最高压力为70 MPa，气量50万m3/d，液量200 m3/d，砂量0.5 m3/d，装置能够实现连续除砂，避免了井口设置节流管汇可能发生的砂堵和由于砂堵而危及井口装置的情况。

现场应用结果表明：高压含砂气流经过高压旋流除砂装置后，可以实现主要除砂功能，对于直径100 μm以上的砂粒可以实现完全分离，液砂分离效果较好，且装置安全可靠，能够承受70 MPa的压力，操作简便安全，降低了劳动强度。撬装装置体积紧凑，可方便进行转场作业，目前已试应用于8口气井，取得良好的分离效率，处理结果如表1所示。

表1 旋流分离器分离效果

3 结束语

根据国内气田气井出砂现状，以两罐并联方式解决除砂器不能连续作业和不停工实现清砂困难的难题。实现了高压气井旋流除砂装置的国产化，解决了现场生产过程中的实际问题。

但是装置由于采用双筒结构，使得操作空间受到了一定的限制，在结构上可以尝试单旋流筒的设计，同时实现除砂的连续作业能力，在工艺流程上更多使用电动控制阀和传感设备提升设备的自动化程度。