海上油气井除砂装备及方法研究进展与展望

赵 威，张 宁，梁 波，曹志兴，张 轩

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452）

0 引言

近年来，伴随着经济社会的快速发展，我国对能源的需求不断增加，石油和天然气对外依存度逐年攀升，立足国内保障能源供给已经势在必行[1]。目前已经开采的海上油气田大多受到储层特征、开发方式、管理措施等多方面因素的影响，部分油气井生产出砂，甚至存在“防砂即堵、不防即埋”的瓶颈难题[2]。

油气井出砂问题若不能得到有效解决，导致砂粒进入地面油气生产系统，会对油气集输系统和工艺系统造成严重危害。其危害主要包括：管输摩阻增大[3]、管线冲刷腐蚀、井口阀门损坏[4]、分离器效果减弱[5]、设备处理空间减少[6]、影响加热盘管导热[7]、导致液位计失灵[8]等。这些问题不仅影响了油气井产量，还给油气井生产带来了安全风险。

统计显示，我国大约有18 个海上油气田存在出砂问题，由于海上作业难度大、空间小、水资源少等特殊条件，对海上防砂装备及方法提出了更高的要求。因此，调研相关装备及方法对于指导海上油气井除砂装备研发及现场应用具有重要意义。

1 除砂装备及方法研究进展

目前，国内外油气田通常采用的主流除砂工艺有重力式除砂器、过滤式除砂器、旋流式除砂器、螺旋式除砂器和其他形式的除砂器等。

1.1 重力式除砂器

重力式除砂器[9]一般包括进气口、沉降空间、出气口、集渣空间4 部分（图1）：当含砂粒井流物进入沉降空间后，井流物流通面积忽然扩大，导致流动速度减慢，此时井流物中的固、液、气三相在重力作用下分离开来，最下部是砂粒，砂粒上面是水，水上面是油，油上面的空间则是天然气。

图1 三相卧式除砂器

重力式除砂器可以适用于多种分离工况，并且主要依靠各个相之间的重力差异达到分离目的，设备可连续运行，且运行费用低。该设备空间尺寸越大，流动速率越低，分离效率越高，然而设备尺寸越大，则严重占用有限的平台空间及载荷，不太适用于海上油气生产作业。

1.2 过滤式除砂器

双筒管柱式滤砂器[10]如图2 所示，基本结构主要为滤筒、旁通管线和阀门等，内筒中安装可更换的高强度滤网。其工作原理是：利用不同尺寸的滤网的拦截、惯性碰撞等捕集作用来实现砂粒的分离。

图2 双筒管柱式滤砂器

双筒管柱式滤砂器在实际应用过程中需要做到滤筒“一用一备”，当工作筒中砂粒充满，则由工作筒切换到备用筒，再将工作筒中滤筒取出清洗。双筒管柱式滤砂器设计结构紧凑、处理操作便捷、处理容积量大，能够通过更换高强度滤网达到过滤不同尺寸砂粒的目的。然而，过双筒管柱式滤砂器适用于含砂量较少且粒径较大的情况，砂量过多的油气井会导致频繁清洗过滤器，在海上平台运行维护成本较高；粒径过小就需要精度更高的滤芯，容易造成摩阻压力损失过大甚至滤网网孔堵塞，导致滤网损坏，对细微砂粒的除砂效率不高。

1.3 旋流式除砂器

旋流式除砂器[11]主要由耐磨外筒、内部螺旋分离元件、阀门、仪表和旁通管线等组成（图3）。其工作原理是：利用一个旋流管，在压力的推动下产生的离心力将具有不同密度差异的固、液、气三相从井流混合物中分离出来。井流混合物在一定速度和压力下切向进入除砂器，固、液、气三相混合物高速旋转产生的离心力场代替重力场在旋流器中把井流物按密度分层，固相颗粒在离心力作用下，加速沉降到旋流管内壁，随液流向下运动到锥形底的出口排出；密度较小的井流物则沿旋流管中心轴线运动，在轴线中心形成向上运动的内旋流场，并向上运动到中心管的溢流管排出。

图3 旋流式除砂器

旋流式除砂器处理量较大、可操作性较强，配备不同尺寸的旋流筒可以实现对井流物处理量及分级粒度的灵活更换，能有效处理直径大于100 μm 的固相颗粒。但是，旋流式除砂器除砂效率并不稳定，且需要手动排砂。

1.4 螺旋式除砂器

螺旋式除砂器[12]主要由螺旋管和出砂口短节组成（图4）：井流混合物导入螺旋式除砂器并绕螺旋管运动，通过出砂口短节的挡板结构将砂粒聚集，实现固液两相的分离。螺旋式除砂器分离效率较高，且更具实用性、经济性。

图4 螺旋式除砂器

1.5 其他形式除砂器

（1）强制流式除砂器。强制流式除砂器[13]如图5 所示，其工作原理是：通过强制改变井流混合物的流向，使井流混合物产生旋转的流场，从而使砂粒在离心力和重力的双重作用下，被分离进入沉砂口。强制流式除砂器除砂效果良好且重复利用率高，但受到沉砂筒体积限制，当沉砂筒内积砂达到饱和后，无法正常工作；且容积较小导致开关频繁，进而增加运行维护难度。

图5 强制流式除砂器

（2）管式除砂器。管式除砂器[14]，主要由入口管路、分离室、出口管路、储砂筒、分岔口等5 个单元组成（图6）：利用固相颗粒相对更大的惯性特征，将井流混合物导入除砂器后，在出、入口管路分岔口位置，气液两相及大部分小粒径砂粒改变运动状态进入到下游管路，而大粒径砂粒经过分离室进入到储砂筒内，完成砂粒的捕集。

图6 管式除砂器

2 结论与展望

海上油气井除砂系统的设计需要综合考虑空间适应、经济适应、环保适应的技术要求，从这个角度出发，原理简单、结构紧凑、操作智能、质量较轻是海上油气井除砂装备的重要发展方向。旋流式除砂器能够同时适应油气井的除砂工艺要求，具有占地最少、重量最轻的优势，同时配备不同尺寸的旋流筒即可实现对不同处理量及分级粒度的灵活更换，对海上油气井除砂工艺具有极强的适应性，未来该技术的发展与完善将是海上除砂装备及方法的研究核心。伴随海洋油气资源勘探开发力度加大，必将对海上油气井除砂装备及除砂方法提出更高的要求。探索研发新的除砂分离原理、实现多种除砂方法的优势互补与深度融合，将成为未来除砂技术发展的重要趋势。