高压防硫双筒除砂器研制及应用探讨

徐国涛　游艇　陈俊　成斌

摘要：本文根据国内部分油气井钻采测试中压裂作业后井口大量出砂的特点，研制一种高压防硫双筒除砂器。该设备利用滤网分离和重力沉降原理，净化井口返排液，分离出砂粒、桥塞、钻屑等大尺寸、高冲蚀性固相杂质，避免其对地面测试流程管线、管汇油嘴的冲蚀，从而延长地面测试设备的使用寿命，降低井口操作安全风险。

关键词：高压防硫双筒除砂器；油气井钻采测试；压裂；除砂；冲蚀 文献标识码：A

中图分类号：TE925 文章编号：1009-2374（2015）14-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.014

目前国内油气田井口排出液中的固相物中，除少数在钻采过程中地层出砂外，大部分是压裂增产后返排的压裂砂、地层砂、岩屑、射孔弹壳、桥塞碎屑等，特别是页岩气“井工厂”模式下的超大排量集群压裂，很大程度上提高了油气产量，但给油气测试带来了巨大挑战，高压高速返排液中夹杂大量的固相物加剧了测试流程设备的磨损，甚至造成设备严重损坏。新疆试油公司早在2000年第一次引进EXPRO公司的105MPa高压除砂器，有效地保护地面设备，节约石油天然气资源，缩短工期，加速勘探开发进度，获得巨大的经济效益。

1 技术分析

1.1 工作原理

除砂器利用离心力和重力分离清除固相颗粒。为满足连续除砂，设工作筒和备用筒，含砂流体由管汇控制进入除砂筒，冲击到挡环上，流体被折射到各个方向，依靠由此产生的离心力和重力，固相颗粒沉淀在滤网的底部，过滤后的流体经过滤网与除砂筒之间的环空排出。此系统利用不同目数的加固滤网过滤固相颗粒。

1.2 流程设计

图1 105MPa双筒除砂器流程图

根据其工作原理，流程设计如下：

1.2.1 两个一定容量的除砂筒：砂筒内放置一定密度的滤网，把筒体分为滤网内腔和滤网与砂筒间的

外腔。

1.2.2 两个除砂筒之间切换用的控制和隔离

阀组。

1.2.3 砂筒顶部提滤网排砂和底部管汇直接

排砂。

1.2.4 压差监控系统，监控滤网压内、外差值。

1.2.5 必要的泄压管线、压力平衡管线、除砂筒进液端和出液端压力表。

1.3 主要技术指标

额定工作压力：105MPa

最大除气量：140万立方米/天

最大除液量：800立方米/天

最大许用压差：2.5MPa（360psi）

砂筒容积：约46L

工作温度：-29℃～121℃（20℉～250℉）

产品规范等级：PSL3

工作环境：EE级防硫

1.4 关键技术

1.4.1 防砂技术。除砂器一般是装在最靠近井口的管线中，因此，所有流体接触到零部件都必须满足防冲蚀，防失效的要求，防砂部件包括防砂闸板阀和防砂节流阀，防砂结构设计包括“肘部”防砂，砂筒入口防砂和取压口防砂。其中防砂闸板阀采用分体阀座结构，在流体压力下能实现阀前密封，避免沙粒随流体进入阀腔，并堆积在阀腔底部，造成闸板阀关断失败。防砂节流阀采用笼套对冲式油嘴，硬质合金油嘴上对称小孔产生节流效果，对称的流体自外向内相互碰撞，并在油嘴内部缓释压力，减弱冲蚀力，延长油嘴使用

寿命。

1.4.2 滤砂技术。流体在砂筒的滤网内完成滤砂，因此滤砂的关键技术是压差监控和滤网密度选择。

高强度复合滤网的额定压差是2.5MPa，最大破拉强度是10MPa，为保护滤网，让除砂器保持最佳工作状态，需时刻关注滤网内外压差的变化。105MPa双筒除砂器两个滤筒共用1套压差监控系统，压差显示仪表由机械式和电子式组成，满足现场和远程监控使用。

滤网的密度选择受井口出砂的尺寸、出砂量、流体黏度、温度等因素影响。理论上目数越大滤砂效果越好，但受出砂量、流体黏度影响，滤网满载的几率也越大，一般砂筒配200微米的滤网，另外有300～800微米规格供选择，可根据之前测录井资料和前期实测数据合理选择。

1.4.3 排砂技术。该双筒除砂器设计有砂筒顶部提滤网排砂和砂筒底部直接排砂两种方式，过滤出的砂粒沉降在工作筒滤网底部，滤网底部装有可拆卸的堵板，当工作筒压差接近2.5MPa时，流体切换到备用筒，打开工作筒顶部的快速拆卸堵头，在提升机构辅助下提出滤网，清洗干净后重新装入。当出砂量较大且大小均匀时，可拆除滤网底部堵板，让砂粒直接通过砂筒底部的管汇直接排出，调节防砂节流阀的开度，控制滤网压差，即可实现连续直接排砂。

2 工业应用

2013年1～4月，在重庆焦石坝镇焦页3-2HF井对该105MPa双筒除砂器进行工业试验，累计完成作业时间为30天。主要用于页岩气井分层压裂钻塞后的返排液处理。2013年1月15日经现场调试后完成地面流程连接，整体试压105MPa，稳压30min，无压降。在流体黏度低于30厘泊下，将装入合适滤网的除砂器接入流程，随着井口流体的经过，滤网压差表压差值不断上升，在压差2.2MPa时，切换滤筒，提出滤网，清理出压裂砂、钻屑等固相杂质，下游流程中砂粒磨损的响声明显减弱。在施工作业中，累计排液20000多方，施工作业中最高压力52MPa，最大排量0.65m3/min，从作业数据和使用情况来看，整套设备性能优越，控制操作方便、可靠，压差系统精准可靠，管汇各处密封没有出现渗漏现象，能适应油田作业工况。

3 结语

该高压防硫除砂器的成功研制，是我国在高压井和含硫化氢井的试油试气技术上取得的历史性成果，填补了国内高压力、高排沙井油气测试除砂设备的空白，同时，国产除砂器可替代同类进口产品，抑制进口价格，缩短供货、配件供应和维修周期，为页岩气、深海油气等非常规资源的开发提供了保障。

参考文献

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作者简介：徐国涛（1983-），男，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂工程师，研究方向：石油机械设计。

（责任编辑：周 琼）