高压双筒滤网式除砂器设计研究

易先中，张仕帆，万继方，张 磊，杨 森，李培梅，宋顺平

(1.长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023；2. 中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京102206；3. 中石化四机石油机械有限公司，湖北 荆州 434024；4.中石油川庆钻探工程有限公司 长庆钻井总公司，西安 710021)

油气井出砂是一种普遍存在的现象[1-2]，会对油气高效安全地开采造成危害，甚至产生环境污染和经济损失[3-4]。为了解决油气井除砂这一难题，国内外学者及工程研究人员展开了广泛的研究，各种的除砂工艺及除砂流程被投入现场使用，并取得了较好的应用效果。

根据除砂原理的差异，目前国内外常用的物理除砂技术主要有重力沉降除砂技术、离心分离除砂技术和筛网过滤法等3种[1]。旋流除砂器是国外应用最为广泛的一种除砂设备，是油气集输处理工艺中的核心环节[5-7]。Natco公司的MozleyWellspin旋流除砂器[8]采用多体化设计，将多个Mozley旋流器安装于同一压力容器中，可获得非常高效的除砂处理能力和较长的使用寿命。墨菲石油公司的Y.Loong等人[9]将水力旋流除砂器应用于海洋生产平台井口除砂工艺。Rawlins, C. H等[10]对分离固体-多相除砂器的设计和运行进行了研究。中石油研发的气井旋流除砂装置[11]，采用多体撬装一体化设计，气体进入除砂器旋流段并在此进行三相分离。张炜[12]和赵金春[13]等针对孤东油田疏松砂岩、地面除砂严重的特点，开发设计了大罐油砂自动清理装置。徐国涛[14]、张磊[15]等对高压滤网式除砂器进行了设计研究，并进行了现场试验。邓建红[16]对高压双筒防硫除砂器在牛东1井的应用进行了研究，研究了该除砂器的工作原理和技术参数，对除砂器的现场除砂能力进行了检验和评估。

本文基于新形势下油气资源绿色开采、提高油气藏采收率和降低生产成本等发展理念，同时为满足油田生产防砂除砂的实际需求，在结合国内外现有除砂技术现状的基础上，得出滤网式除砂器能较好地适应于国内高压井口滤砂、排砂使用要求，具有适应性强、操作简便，维护成本低廉，额外配套设备少等优点，通过对比分析，进行了高压双筒滤网式除砂器的设计研究。

1 整体方案设计

1.1 除砂工艺流程设计

设计高压双筒滤网式除砂器的目的是对砂粒等固相颗粒进行分离，防止压裂增产过程中井口高压、高速返排液中携带的砂粒等固相颗粒对下游设备造成冲蚀、刺漏或堵塞，避免设备损坏，保证油气开采的正常进行。

高压双筒滤网式除砂器的除砂工艺流程分为以下3个阶段：

1) 过滤分离。对进入除砂筒中的固相颗粒进行过滤，分离出液相，实现除砂。

2) 切换除砂筒工作状态。当处于工作状态的除砂筒内压差达到设定值时，为保证继续生产，需要启用备用除砂筒，继续进行除砂。

3) 排砂。集有沉砂的除砂筒切换工作状态后暂停，此时需要将筒内沉砂进行清除。在生产中，2个除砂筒轮换交替工作，可保证对油气井井口返排液进行持续除砂。

高压双筒滤网式除砂器除砂工艺流程设计如图1所示。

1-除砂筒Ⅰ；2-管线仪表系统；3-压差监控系统；4-切换控制和隔离阀组；5-除砂筒Ⅱ；6-除砂筒底部排砂装置。图1 高压双筒滤网式除砂器除砂工艺流程

除砂筒包括1个工作除砂筒Ⅰ和1个备用除砂筒(除砂筒Ⅱ)，其结构完全相同，在除砂筒内设置有不同等级一定目数的滤网，把筒体分为滤网内腔和滤网与除砂筒间的外腔。除砂器除砂时主要利用离心力和重力的作用进行除砂。井口返排流体进入除砂筒后冲击到筒内的挡环上，流体运动方向发生改变，被折射到不同方向。在离心力和重力的作用下混合物不断下落到滤网底部，在此过程中，油、气及水等穿过滤网，从滤网与除砂筒之间的环空排处，而砂粒的固相颗粒则被拦截在滤网底部。

压差监控系统的主要作用是对除砂筒内的压差实施监控。随着除砂工作的进行，除砂筒滤网内的积砂越来越多，导致除砂筒Ⅰ出现压差。在2个除砂筒的上下游之间安装机械式压差表和电子式压差表，机械式压差表量程为20 MPa，便于观察压差值；电子压差表带数据传输，便于连接数据采集系统，进行远程监控。当除砂筒Ⅰ内压差到达设定值时，除砂筒Ⅰ就不继续工作，此时需要启用切换控制和隔离阀组暂停其工作，同时启用备用除砂筒(除砂筒Ⅱ)继续进行除砂。切换控制和隔离阀组的主要作用是改变两个除砂筒的工作状态，使其交替进行除砂工作，同时起到隔离作用，防止砂粒进入阀体内部堆积，造成闸阀开关失效。

管线仪表系统由泄压管线、上下游压力表和压力平衡管线组成。泄压管线用于两个除砂筒在切换时进行泄压操作；上下游压力表便于观察开关闸阀时的关断效果。压力平衡管线的作用是保证闸阀压力平衡，由于在105 MPa下开关闸阀，瞬时的压差会造成闸阀损坏，因此在闸阀与闸阀之间增加了14.3 mm(9/16英寸)不锈钢管线，在开关闸阀前进行压力平衡。

暂停工作的除砂筒Ⅰ需要进行清砂工作，清除沉砂从2方面处理：①打开除砂筒Ⅰ顶盖，利用滤网提升系统从顶盖处提升取出滤网进行清洗，清洗完毕后再将滤网重新装回除砂筒Ⅰ内；②在砂量较大的情况下，需通过除砂筒底部排砂装置直接泄放，通过节流阀控制差压维持在2.5 MPa以内，实现连续排砂。排砂过程中节流阀油嘴的损坏很严重，需采用笼套节流阀，在结构上采用对开的油嘴孔，使沙流对冲而缓释能量。

1.2 结构方案设计

基于除砂器除砂工艺流程，对除砂器的总体方案展开了深入研究，并对除砂器的各组成部件进行了设计。除砂器主要由除砂筒、管线及仪表系统、除砂筒底部排砂装、切换控制和隔离阀组、压差监控系统等构成。此外，由于清砂时需要从除砂筒取出滤网，还设计了单独的滤网提升系统。高压双筒滤网式除砂器结构如图2所示。

1-除砂筒Ⅰ；2-除砂筒Ⅱ；3-管线及仪表系统；4-除砂筒底部排砂装置；5-切换控制和隔离阀组；6-压差监控系统。图2 高压双筒滤网式除砂器结构示意

1.3 主要技术参数

根据作业类型的不同，油气井口返排液经常包含压裂放喷返排液、洗井返排液和抽吸返排液。针对不同的工况，返排液的特征参数也会出现较大差异。本文设计的高压双筒滤网式除砂器相关技术指标如下：

额定工作压力 105 MPa

最大除气量 140 m3/d

最大除液量 600 m3/d

最大许用压差 2.5 MPa

工作温度 -29 ～121 ℃

工作环境 EE级防硫

产品规范等级 PSL3

2 关键部件除砂筒结构设计

根据除砂器的工作流程，除砂筒内安装滤网，外形为圆筒形，上、下端面分别带ø206 mm和ø185 mm的安装固定圈，并带派克密封，与筒体内圆形成密封，滤网的额度压差为2.5 MPa。为保证滤网的正常工作，滤网通过上端ø206 mm外圆悬挂在除砂筒内孔台阶上，下端悬空，筒体外四周靠上端对称面上分别设有API 6A螺柱式法兰，法兰高度为滤网ø206 mm密封面上、下的距离，即分别对应滤网的内外腔。实现流体由进口进入滤网内腔，过滤后从出口流出，除砂筒三维模型如图3所示。

图3 除砂筒三维模型

图4 除砂筒底部示意

在滤网砂量过多时，需将滤网取出，在井口连续返排时，该工作将重复进行，因此，顶盖设计需操作方便，密封可靠。该处结构借鉴公由壬连接和密封结构形式，采用压盖与筒体内圆密封，压帽与筒体外圆为螺纹旋合方式，便于滤网取出和安放，并能保证密封的可靠性，如图5所示。

图5 除砂筒顶盖示意

3 除砂筒有限元分析

除砂筒要承受105 MPa的流体压力，从安全性的角度出发，有必要对其强度进行校核。

1) 除砂筒材料属性及力学性能参数。

根据API 6A《井口装置和采用树规范》第20版和NACE MR 01-75《防硫化氢应力裂纹的油田设备金属材料》中相关要求，材料级别EE级，除砂筒的材料要求为碳钢或低合金钢，结合实际情况，除砂筒材料选择为35CrMo，其力学性能指标如表1。

表1 35CrMo材料力学性能指标

2) 有限元模型建立。

除砂筒的有限元模型如图6所示。

图6 除砂筒有限元模型

3) 网格划分。

将Solidwork建立的除砂筒三维模型保存为“.xt”格式，并导入ABAQUS有限元分析软件。根据35CrMo材料力学性能指标创建材料类型，并将其赋予除砂筒有限元模型。选用C3D10单元类型进行网格划分，共划分81 617个单元。网格划分结果如图7所示。

图7 除砂筒有限元网格划分

4) 载荷及边界条件建立。

有限元模型边界施加如图8所示，在除砂筒左端面及右端面施加固定约束，除砂筒内壁与上端盖螺纹连接处限制3个方向的平移自由度，载荷以“pressure”的形式施加在除砂器筒体内表面。载荷大小为设计载荷105 MPa。

图8 除砂筒有限元边界及载荷

5) 分析结果。

在105 MPa设计压力作用下的除砂筒应力及变形云图分别如图9～10所示。

图9 除砂筒应力云图

由图9～10可知，在设计载荷作用的极限工况下，除砂筒的最大Von-mises应力为632.4 MPa，小于其屈服强度835 MPa，最大应力位置出现在除砂筒流体入口处。最大变形值约为0.25 mm，发生在除砂筒流体入口同侧筒体圆形截面与方形截面交汇处。由分析结果可知，除砂筒强度满足要求。

4 现场试验

江汉油田井下作业公司在重庆焦石坝镇焦页3-2HF井对该高压双筒滤网式除砂器进行工业试验测试，测试工况为页岩气井分层压裂钻塞返排液的除砂。除砂器经过现场调试后，完成地面流程连接，整体试压70 MPa，稳压30 min，无压降。

高压双筒滤网式除砂器接入流程后，随着返排液流经除砂筒，可见滤网压差表显示的压力差值逐渐增加，在压差达到2.4 MPa时，切换工作状态，启用备用除砂筒继续除砂，并对暂停工作状态的除砂筒进行清砂处理。利用滤网提升系统由除砂筒顶部取出滤网，清洗出滤网中沉降的岩屑和砂粒等。在施工过程中，累计排液超过20 000 m3，施工过程中最高压力为23 MPa。整套设备性能良好，操作简便，压差监控及控制准确，管汇各处均无渗漏现象。试验结束后，对下游设备进行检测，均未见冲蚀、刺漏和砂粒堆积的现象[15]。

5 结论

1) 基于除砂器除砂工艺流程，完成了对除砂筒、管线及仪表系统、底部排砂装置、工作状态切换控制和隔离阀组、压差监控系统等各部件的结构设计。所设计的除砂器可实现2个除砂筒交替工作，持续除砂作业。有2种排砂方式，可根据不同工况进行选择。

2) 通过对除砂器关键部件除砂筒的有限元数值模拟，验证了除砂筒的安全性和可靠性。

3) 通过70 MPa整体试压试验，对除砂器的强度和密封性能进行了检测，结果表明除砂器结构强度及密封性能良好。

4) 开展了井口返排液除砂作业，施工过程中，累计排液超过20 000 m3，最高压力为23 MPa，试验数据及检测结果表明，除砂器的除砂性能可以较好满足工作要求。