頁(yè)巖氣井站除砂橇流場(chǎng)評(píng)價(jià)分析

王 勇 伍坤一 閃從新 陳其錕 劉恩斌

1. 西南油氣田分公司天然氣研究院，四川 成都 610213

2. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500

頁(yè)巖氣開采不同于常規(guī)油氣田開采，是由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)氣層為致密巖層，開采途徑是靠加砂壓裂人造裂縫形成油氣通道，從地層引流至井筒，然后進(jìn)入地面裝置開采出來(lái)[1-3]。頁(yè)巖氣井在排液生產(chǎn)階段以及生產(chǎn)初期，出砂量較大，砂粒在高速氣流帶動(dòng)下容易將管道以及閥門等部件蝕穿而導(dǎo)致其失效，因此除砂器是頁(yè)巖氣站場(chǎng)較為關(guān)鍵的設(shè)備[4-6]。

目前，頁(yè)巖氣開采中的除砂設(shè)備大體分為旋流除砂器和過(guò)濾除砂器兩種[7]。旋流式除砂器多為立式結(jié)構(gòu)，是利用離心原理將不同密度的砂粒與油氣分離除去，該方法能夠?qū)⒋蟛糠稚傲３?，但由于井中流體流態(tài)的復(fù)雜性，極易形成了段塞、節(jié)涌現(xiàn)象，這種流體的涌動(dòng)性將導(dǎo)致除砂器中旋流不連續(xù)及分離效果變差，會(huì)間斷性的造成部分砂?；旌嫌谟蜌饬鬟M(jìn)入到后續(xù)的裝置管道系統(tǒng)[8-9]；而過(guò)濾除砂器多為臥式結(jié)構(gòu)，主要由濾芯、殼體、快開門組成，濾芯分為網(wǎng)孔型和縫隙型兩種，以網(wǎng)孔目數(shù)及縫隙寬度控制除砂精度[10]。

本文以Porous-media 模型來(lái)描述濾網(wǎng)，避免對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行實(shí)際模型建立，極大減小了模擬計(jì)算負(fù)荷；對(duì)除砂設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，探究流場(chǎng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)以及除砂效率的影響可以為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出方案。

1 模型與理論方法

圖1 除砂器

采用Workbench 中的DM 模塊對(duì)除砂橇進(jìn)行建模，并利用Meshing 模塊對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化（四面體）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格文件生成并導(dǎo)入商業(yè)流體分析軟件Fluent15.0，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建計(jì)算所需邊界條件，并進(jìn)行仿真模擬至各狀態(tài)方程收斂。其中：在選用模型方程時(shí)，采用了DPM 模型以及湍流模型對(duì)多相流（含砂頁(yè)巖氣）進(jìn)行表征，同時(shí)利用多孔介質(zhì)模型對(duì)除砂器內(nèi)部濾網(wǎng)進(jìn)行表征。

大量湍流計(jì)算表明，湍流standard k-epsilon 模型具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，且求解相對(duì)容易。

質(zhì)量守恒定律：

動(dòng)量守恒定律：

能量守恒定律：

DPM 模型離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡：

其中：

含砂氣體通過(guò)管道輸送至除砂器入口，進(jìn)入除砂器內(nèi)部，砂粒接觸到濾網(wǎng)發(fā)生反彈作用或被濾網(wǎng)捕捉。被濾網(wǎng)阻滯的砂粒部分掉入除砂器底部形成堆積，并通過(guò)定期開啟閥門清理，而氣體則通過(guò)濾網(wǎng)從出口流出。由于濾網(wǎng)孔隙率不足以對(duì)所有類型砂粒進(jìn)行無(wú)差別阻滯，部分砂粒將進(jìn)入濾網(wǎng)并由氣體攜帶逃逸。

其中除砂器效率：

其中：

由于除砂器尺寸與其連接管道尺寸差異較大，統(tǒng)一進(jìn)行網(wǎng)格劃分會(huì)使得網(wǎng)格密度較大，從而計(jì)算較慢且不易收斂，故對(duì)整個(gè)除砂橇的模型進(jìn)行獨(dú)立分塊網(wǎng)格劃分。從進(jìn)氣端管段進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算所得出口參數(shù)設(shè)置為除砂器的入口邊界條件。同理，除砂器出口端的參數(shù)設(shè)置為另一管段的入口邊界條件。

表1 不同井站氣體參數(shù)

本文對(duì)除砂器內(nèi)部多相流流場(chǎng)的狀態(tài)（包括速度分布，壓力分布以及流體流線與砂粒沖蝕）進(jìn)行了模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)除砂橇流場(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 模擬結(jié)果分析與討論

對(duì)頁(yè)巖氣田地面不同生產(chǎn)期內(nèi)的除砂橇系統(tǒng)進(jìn)行了流場(chǎng)仿真模擬，分析了該除砂撬系統(tǒng)在不同生產(chǎn)期內(nèi)除砂器以及其連接管段內(nèi)部的流場(chǎng)，得到了彎頭沖蝕，除砂器除砂效率以及各設(shè)備內(nèi)壓力及速度分布等數(shù)據(jù)，其結(jié)果如下圖所示：

圖2 排液生產(chǎn)期除砂效率

圖3 生產(chǎn)早期除砂效率

圖4 生產(chǎn)中末期除砂效率

可以看出，當(dāng)產(chǎn)氣量較大時(shí)，管內(nèi)流速較大，砂粒所具有的能量較強(qiáng)，更容易進(jìn)入到濾網(wǎng)中。此外可以觀察到，除砂效率總體與砂粒粒徑成正增長(zhǎng)關(guān)系，在粒徑達(dá)到100 μm時(shí)，除砂器的除砂效率至少能達(dá)到80%以上，而當(dāng)砂粒粒徑小于50 μm 時(shí)，除砂器的除砂效率較低。因此要想提高除砂器除砂效率，可以通過(guò)控制流量來(lái)降低流速。此外除砂器內(nèi)部未形成規(guī)模性旋流也是除砂效率較低的主要問(wèn)題之一，通過(guò)徑向入口流入除砂器的頁(yè)巖氣以及砂粒，在除砂器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5 所示。

圖5 除砂器內(nèi)部流線及顆粒軌跡

對(duì)于彎頭的沖蝕匯總?cè)鐖D6 所示。

圖6 彎頭沖蝕

可以看出，由于排液生產(chǎn)期含砂量大，產(chǎn)氣量大，因此極易對(duì)彎頭造成沖蝕作用，且沖蝕速率較大，容易造成管道彎頭蝕穿。排液生產(chǎn)期的出砂量較大，造成的沖蝕最大可達(dá)49 mm/年。生產(chǎn)中末期的砂量和氣量都很小，因此產(chǎn)生的沖蝕作用可以忽略不計(jì)。

排液生產(chǎn)期井M-除砂器內(nèi)部流速壓力分布以及連接的彎頭沖蝕圖如圖7、圖8 所示。

圖7 除砂器內(nèi)部流場(chǎng)

圖8 入口管段彎頭沖蝕分布

由圖8 可以得出，容易被砂粒蝕穿損壞的彎頭主要是除砂器入口管端的彎頭，因?yàn)樵摱瘟魉佥^大，顆粒攜帶動(dòng)量較大。而連接在除砂器出口管段的彎頭由于除砂器除掉大量砂粒，其被砂粒沖蝕的程度要小很多，因此除砂器入口管段的彎頭應(yīng)該著重進(jìn)行防護(hù)，例如采用鍛造彎頭結(jié)構(gòu)或者增加彎頭壁厚等。

3 結(jié)論

（1）研究表明雙彎頭沖蝕在上下彎頭以及上彎頭與直管段連接部位較為嚴(yán)重，沖蝕部位主要發(fā)生在彎頭外拱內(nèi)壁的后半部分。因此，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)彎頭進(jìn)行壁厚檢測(cè)時(shí)，需對(duì)彎頭與直管段連接部位以及彎頭外拱內(nèi)壁后半部分，進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)且需進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)。

（2）沖蝕速率隨速度、砂量的增大而增大，為減小除砂器入口前管段的沖蝕建議采用井下節(jié)流以減少砂量降低流速，避免發(fā)生嚴(yán)重的沖蝕現(xiàn)象。