高壓雙筒濾網式除砂器設計研究

易先中，張仕帆，萬繼方，張 磊，楊 森，李培梅，宋順平

(1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；2. 中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京102206；3. 中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434024；4.中石油川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司，西安 710021)

油氣井出砂是一種普遍存在的現(xiàn)象[1-2]，會對油氣高效安全地開采造成危害，甚至產生環(huán)境污染和經濟損失[3-4]。為了解決油氣井除砂這一難題，國內外學者及工程研究人員展開了廣泛的研究，各種的除砂工藝及除砂流程被投入現(xiàn)場使用，并取得了較好的應用效果。

根據除砂原理的差異，目前國內外常用的物理除砂技術主要有重力沉降除砂技術、離心分離除砂技術和篩網過濾法等3種[1]。旋流除砂器是國外應用最為廣泛的一種除砂設備，是油氣集輸處理工藝中的核心環(huán)節(jié)[5-7]。Natco公司的MozleyWellspin旋流除砂器[8]采用多體化設計，將多個Mozley旋流器安裝于同一壓力容器中，可獲得非常高效的除砂處理能力和較長的使用壽命。墨菲石油公司的Y.Loong等人[9]將水力旋流除砂器應用于海洋生產平臺井口除砂工藝。Rawlins, C. H等[10]對分離固體-多相除砂器的設計和運行進行了研究。中石油研發(fā)的氣井旋流除砂裝置[11]，采用多體撬裝一體化設計，氣體進入除砂器旋流段并在此進行三相分離。張煒[12]和趙金春[13]等針對孤東油田疏松砂巖、地面除砂嚴重的特點，開發(fā)設計了大罐油砂自動清理裝置。徐國濤[14]、張磊[15]等對高壓濾網式除砂器進行了設計研究，并進行了現(xiàn)場試驗。鄧建紅[16]對高壓雙筒防硫除砂器在牛東1井的應用進行了研究，研究了該除砂器的工作原理和技術參數，對除砂器的現(xiàn)場除砂能力進行了檢驗和評估。

本文基于新形勢下油氣資源綠色開采、提高油氣藏采收率和降低生產成本等發(fā)展理念，同時為滿足油田生產防砂除砂的實際需求，在結合國內外現(xiàn)有除砂技術現(xiàn)狀的基礎上，得出濾網式除砂器能較好地適應于國內高壓井口濾砂、排砂使用要求，具有適應性強、操作簡便，維護成本低廉，額外配套設備少等優(yōu)點，通過對比分析，進行了高壓雙筒濾網式除砂器的設計研究。

1 整體方案設計

1.1 除砂工藝流程設計

設計高壓雙筒濾網式除砂器的目的是對砂粒等固相顆粒進行分離，防止壓裂增產過程中井口高壓、高速返排液中攜帶的砂粒等固相顆粒對下游設備造成沖蝕、刺漏或堵塞，避免設備損壞，保證油氣開采的正常進行。

高壓雙筒濾網式除砂器的除砂工藝流程分為以下3個階段：

1) 過濾分離。對進入除砂筒中的固相顆粒進行過濾，分離出液相，實現(xiàn)除砂。

2) 切換除砂筒工作狀態(tài)。當處于工作狀態(tài)的除砂筒內壓差達到設定值時，為保證繼續(xù)生產，需要啟用備用除砂筒，繼續(xù)進行除砂。

3) 排砂。集有沉砂的除砂筒切換工作狀態(tài)后暫停，此時需要將筒內沉砂進行清除。在生產中，2個除砂筒輪換交替工作，可保證對油氣井井口返排液進行持續(xù)除砂。

高壓雙筒濾網式除砂器除砂工藝流程設計如圖1所示。

1-除砂筒Ⅰ；2-管線儀表系統(tǒng)；3-壓差監(jiān)控系統(tǒng)；4-切換控制和隔離閥組；5-除砂筒Ⅱ；6-除砂筒底部排砂裝置。圖1 高壓雙筒濾網式除砂器除砂工藝流程

除砂筒包括1個工作除砂筒Ⅰ和1個備用除砂筒(除砂筒Ⅱ)，其結構完全相同，在除砂筒內設置有不同等級一定目數的濾網，把筒體分為濾網內腔和濾網與除砂筒間的外腔。除砂器除砂時主要利用離心力和重力的作用進行除砂。井口返排流體進入除砂筒后沖擊到筒內的擋環(huán)上，流體運動方向發(fā)生改變，被折射到不同方向。在離心力和重力的作用下混合物不斷下落到濾網底部，在此過程中，油、氣及水等穿過濾網，從濾網與除砂筒之間的環(huán)空排處，而砂粒的固相顆粒則被攔截在濾網底部。

壓差監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是對除砂筒內的壓差實施監(jiān)控。隨著除砂工作的進行，除砂筒濾網內的積砂越來越多，導致除砂筒Ⅰ出現(xiàn)壓差。在2個除砂筒的上下游之間安裝機械式壓差表和電子式壓差表，機械式壓差表量程為20 MPa，便于觀察壓差值；電子壓差表帶數據傳輸，便于連接數據采集系統(tǒng)，進行遠程監(jiān)控。當除砂筒Ⅰ內壓差到達設定值時，除砂筒Ⅰ就不繼續(xù)工作，此時需要啟用切換控制和隔離閥組暫停其工作，同時啟用備用除砂筒(除砂筒Ⅱ)繼續(xù)進行除砂。切換控制和隔離閥組的主要作用是改變兩個除砂筒的工作狀態(tài)，使其交替進行除砂工作，同時起到隔離作用，防止砂粒進入閥體內部堆積，造成閘閥開關失效。

管線儀表系統(tǒng)由泄壓管線、上下游壓力表和壓力平衡管線組成。泄壓管線用于兩個除砂筒在切換時進行泄壓操作；上下游壓力表便于觀察開關閘閥時的關斷效果。壓力平衡管線的作用是保證閘閥壓力平衡，由于在105 MPa下開關閘閥，瞬時的壓差會造成閘閥損壞，因此在閘閥與閘閥之間增加了14.3 mm(9/16英寸)不銹鋼管線，在開關閘閥前進行壓力平衡。

暫停工作的除砂筒Ⅰ需要進行清砂工作，清除沉砂從2方面處理：①打開除砂筒Ⅰ頂蓋，利用濾網提升系統(tǒng)從頂蓋處提升取出濾網進行清洗，清洗完畢后再將濾網重新裝回除砂筒Ⅰ內；②在砂量較大的情況下，需通過除砂筒底部排砂裝置直接泄放，通過節(jié)流閥控制差壓維持在2.5 MPa以內，實現(xiàn)連續(xù)排砂。排砂過程中節(jié)流閥油嘴的損壞很嚴重，需采用籠套節(jié)流閥，在結構上采用對開的油嘴孔，使沙流對沖而緩釋能量。

1.2 結構方案設計

基于除砂器除砂工藝流程，對除砂器的總體方案展開了深入研究，并對除砂器的各組成部件進行了設計。除砂器主要由除砂筒、管線及儀表系統(tǒng)、除砂筒底部排砂裝、切換控制和隔離閥組、壓差監(jiān)控系統(tǒng)等構成。此外，由于清砂時需要從除砂筒取出濾網，還設計了單獨的濾網提升系統(tǒng)。高壓雙筒濾網式除砂器結構如圖2所示。

1-除砂筒Ⅰ；2-除砂筒Ⅱ；3-管線及儀表系統(tǒng)；4-除砂筒底部排砂裝置；5-切換控制和隔離閥組；6-壓差監(jiān)控系統(tǒng)。圖2 高壓雙筒濾網式除砂器結構示意

1.3 主要技術參數

根據作業(yè)類型的不同，油氣井口返排液經常包含壓裂放噴返排液、洗井返排液和抽吸返排液。針對不同的工況，返排液的特征參數也會出現(xiàn)較大差異。本文設計的高壓雙筒濾網式除砂器相關技術指標如下：

額定工作壓力 105 MPa

最大除氣量 140 m3/d

最大除液量 600 m3/d

最大許用壓差 2.5 MPa

工作溫度 -29 ～121 ℃

工作環(huán)境 EE級防硫

產品規(guī)范等級 PSL3

2 關鍵部件除砂筒結構設計

根據除砂器的工作流程，除砂筒內安裝濾網，外形為圓筒形，上、下端面分別帶?206 mm和?185 mm的安裝固定圈，并帶派克密封，與筒體內圓形成密封，濾網的額度壓差為2.5 MPa。為保證濾網的正常工作，濾網通過上端?206 mm外圓懸掛在除砂筒內孔臺階上，下端懸空，筒體外四周靠上端對稱面上分別設有API 6A螺柱式法蘭，法蘭高度為濾網?206 mm密封面上、下的距離，即分別對應濾網的內外腔。實現(xiàn)流體由進口進入濾網內腔，過濾后從出口流出，除砂筒三維模型如圖3所示。

圖3 除砂筒三維模型

圖4 除砂筒底部示意

在濾網砂量過多時，需將濾網取出，在井口連續(xù)返排時，該工作將重復進行，因此，頂蓋設計需操作方便，密封可靠。該處結構借鑒公由壬連接和密封結構形式，采用壓蓋與筒體內圓密封，壓帽與筒體外圓為螺紋旋合方式，便于濾網取出和安放，并能保證密封的可靠性，如圖5所示。

圖5 除砂筒頂蓋示意

3 除砂筒有限元分析

除砂筒要承受105 MPa的流體壓力，從安全性的角度出發(fā)，有必要對其強度進行校核。

1) 除砂筒材料屬性及力學性能參數。

根據API 6A《井口裝置和采用樹規(guī)范》第20版和NACE MR 01-75《防硫化氫應力裂紋的油田設備金屬材料》中相關要求，材料級別EE級，除砂筒的材料要求為碳鋼或低合金鋼，結合實際情況，除砂筒材料選擇為35CrMo，其力學性能指標如表1。

表1 35CrMo材料力學性能指標

2) 有限元模型建立。

除砂筒的有限元模型如圖6所示。

圖6 除砂筒有限元模型

3) 網格劃分。

將Solidwork建立的除砂筒三維模型保存為“.xt”格式，并導入ABAQUS有限元分析軟件。根據35CrMo材料力學性能指標創(chuàng)建材料類型，并將其賦予除砂筒有限元模型。選用C3D10單元類型進行網格劃分，共劃分81 617個單元。網格劃分結果如圖7所示。

圖7 除砂筒有限元網格劃分

4) 載荷及邊界條件建立。

有限元模型邊界施加如圖8所示，在除砂筒左端面及右端面施加固定約束，除砂筒內壁與上端蓋螺紋連接處限制3個方向的平移自由度，載荷以“pressure”的形式施加在除砂器筒體內表面。載荷大小為設計載荷105 MPa。

圖8 除砂筒有限元邊界及載荷

5) 分析結果。

在105 MPa設計壓力作用下的除砂筒應力及變形云圖分別如圖9～10所示。

圖9 除砂筒應力云圖

由圖9～10可知，在設計載荷作用的極限工況下，除砂筒的最大Von-mises應力為632.4 MPa，小于其屈服強度835 MPa，最大應力位置出現(xiàn)在除砂筒流體入口處。最大變形值約為0.25 mm，發(fā)生在除砂筒流體入口同側筒體圓形截面與方形截面交匯處。由分析結果可知，除砂筒強度滿足要求。

4 現(xiàn)場試驗

江漢油田井下作業(yè)公司在重慶焦石壩鎮(zhèn)焦頁3-2HF井對該高壓雙筒濾網式除砂器進行工業(yè)試驗測試，測試工況為頁巖氣井分層壓裂鉆塞返排液的除砂。除砂器經過現(xiàn)場調試后，完成地面流程連接，整體試壓70 MPa，穩(wěn)壓30 min，無壓降。

高壓雙筒濾網式除砂器接入流程后，隨著返排液流經除砂筒，可見濾網壓差表顯示的壓力差值逐漸增加，在壓差達到2.4 MPa時，切換工作狀態(tài)，啟用備用除砂筒繼續(xù)除砂，并對暫停工作狀態(tài)的除砂筒進行清砂處理。利用濾網提升系統(tǒng)由除砂筒頂部取出濾網，清洗出濾網中沉降的巖屑和砂粒等。在施工過程中，累計排液超過20 000 m3，施工過程中最高壓力為23 MPa。整套設備性能良好，操作簡便，壓差監(jiān)控及控制準確，管匯各處均無滲漏現(xiàn)象。試驗結束后，對下游設備進行檢測，均未見沖蝕、刺漏和砂粒堆積的現(xiàn)象[15]。

5 結論

1) 基于除砂器除砂工藝流程，完成了對除砂筒、管線及儀表系統(tǒng)、底部排砂裝置、工作狀態(tài)切換控制和隔離閥組、壓差監(jiān)控系統(tǒng)等各部件的結構設計。所設計的除砂器可實現(xiàn)2個除砂筒交替工作，持續(xù)除砂作業(yè)。有2種排砂方式，可根據不同工況進行選擇。

2) 通過對除砂器關鍵部件除砂筒的有限元數值模擬，驗證了除砂筒的安全性和可靠性。

3) 通過70 MPa整體試壓試驗，對除砂器的強度和密封性能進行了檢測，結果表明除砂器結構強度及密封性能良好。

4) 開展了井口返排液除砂作業(yè)，施工過程中，累計排液超過20 000 m3，最高壓力為23 MPa，試驗數據及檢測結果表明，除砂器的除砂性能可以較好滿足工作要求。