易先中，張仕帆，萬(wàn)繼方，張 磊，楊 森，李培梅，宋順平

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京102206；3. 中石化四機(jī)石油機(jī)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(zhǎng)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(huì)對(duì)油氣高效安全地開采造成危害，甚至產(chǎn)生環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。為了解決油氣井除砂這一難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(chǎng)使用，并取得了較好的應(yīng)用效果。

根據(jù)除砂原理的差異，目前國(guó)內(nèi)外常用的物理除砂技術(shù)主要有重力沉降除砂技術(shù)、離心分離除砂技術(shù)和篩網(wǎng)過(guò)濾法等3種[1]。旋流除砂器是國(guó)外應(yīng)用最為廣泛的一種除砂設(shè)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(shè)計(jì)，將多個(gè)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(zhǎng)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(yīng)用于海洋生產(chǎn)平臺(tái)井口除砂工藝。Rawlins, C. H等[10]對(duì)分離固體-多相除砂器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)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(shè)計(jì)，氣體進(jìn)入除砂器旋流段并在此進(jìn)行三相分離。張煒[12]和趙金春[13]等針對(duì)孤東油田疏松砂巖、地面除砂嚴(yán)重的特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了大罐油砂自動(dòng)清理裝置。徐國(guó)濤[14]、張磊[15]等對(duì)高壓濾網(wǎng)式除砂器進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。鄧建紅[16]對(duì)高壓雙筒防硫除砂器在牛東1井的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究了該除砂器的工作原理和技術(shù)參數(shù)，對(duì)除砂器的現(xiàn)場(chǎng)除砂能力進(jìn)行了檢驗(yàn)和評(píng)估。

本文基于新形勢(shì)下油氣資源綠色開采、提高油氣藏采收率和降低生產(chǎn)成本等發(fā)展理念，同時(shí)為滿足油田生產(chǎn)防砂除砂的實(shí)際需求，在結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有除砂技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，得出濾網(wǎng)式除砂器能較好地適應(yīng)于國(guó)內(nèi)高壓井口濾砂、排砂使用要求，具有適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便，維護(hù)成本低廉，額外配套設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比分析，進(jìn)行了高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器的設(shè)計(jì)研究。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 除砂工藝流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器的目的是對(duì)砂粒等固相顆粒進(jìn)行分離，防止壓裂增產(chǎn)過(guò)程中井口高壓、高速返排液中攜帶的砂粒等固相顆粒對(duì)下游設(shè)備造成沖蝕、刺漏或堵塞，避免設(shè)備損壞，保證油氣開采的正常進(jìn)行。

高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器的除砂工藝流程分為以下3個(gè)階段：

1) 過(guò)濾分離。對(duì)進(jìn)入除砂筒中的固相顆粒進(jìn)行過(guò)濾，分離出液相，實(shí)現(xiàn)除砂。

2) 切換除砂筒工作狀態(tài)。當(dāng)處于工作狀態(tài)的除砂筒內(nèi)壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，為保證繼續(xù)生產(chǎn)，需要啟用備用除砂筒，繼續(xù)進(jìn)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(shí)需要將筒內(nèi)沉砂進(jìn)行清除。在生產(chǎn)中，2個(gè)除砂筒輪換交替工作，可保證對(duì)油氣井井口返排液進(jìn)行持續(xù)除砂。

高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器除砂工藝流程設(shè)計(jì)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(wǎng)式除砂器除砂工藝流程

除砂筒包括1個(gè)工作除砂筒Ⅰ和1個(gè)備用除砂筒(除砂筒Ⅱ)，其結(jié)構(gòu)完全相同，在除砂筒內(nèi)設(shè)置有不同等級(jí)一定目數(shù)的濾網(wǎng)，把筒體分為濾網(wǎng)內(nèi)腔和濾網(wǎng)與除砂筒間的外腔。除砂器除砂時(shí)主要利用離心力和重力的作用進(jìn)行除砂。井口返排流體進(jìn)入除砂筒后沖擊到筒內(nèi)的擋環(huán)上，流體運(yùn)動(dòng)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(wǎng)底部，在此過(guò)程中，油、氣及水等穿過(guò)濾網(wǎng)，從濾網(wǎng)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(wǎng)底部。

壓差監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是對(duì)除砂筒內(nèi)的壓差實(shí)施監(jiān)控。隨著除砂工作的進(jìn)行，除砂筒濾網(wǎng)內(nèi)的積砂越來(lái)越多，導(dǎo)致除砂筒Ⅰ出現(xiàn)壓差。在2個(gè)除砂筒的上下游之間安裝機(jī)械式壓差表和電子式壓差表，機(jī)械式壓差表量程為20 MPa，便于觀察壓差值；電子壓差表帶數(shù)據(jù)傳輸，便于連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)除砂筒Ⅰ內(nèi)壓差到達(dá)設(shè)定值時(shí)，除砂筒Ⅰ就不繼續(xù)工作，此時(shí)需要啟用切換控制和隔離閥組暫停其工作，同時(shí)啟用備用除砂筒(除砂筒Ⅱ)繼續(xù)進(jìn)行除砂。切換控制和隔離閥組的主要作用是改變兩個(gè)除砂筒的工作狀態(tài)，使其交替進(jìn)行除砂工作，同時(shí)起到隔離作用，防止砂粒進(jìn)入閥體內(nèi)部堆積，造成閘閥開關(guān)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(gè)除砂筒在切換時(shí)進(jìn)行泄壓操作；上下游壓力表便于觀察開關(guān)閘閥時(shí)的關(guān)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(guān)閘閥，瞬時(shí)的壓差會(huì)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(guān)閘閥前進(jìn)行壓力平衡。

暫停工作的除砂筒Ⅰ需要進(jìn)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(wǎng)提升系統(tǒng)從頂蓋處提升取出濾網(wǎng)進(jìn)行清洗，清洗完畢后再將濾網(wǎng)重新裝回除砂筒Ⅰ內(nèi)；②在砂量較大的情況下，需通過(guò)除砂筒底部排砂裝置直接泄放，通過(guò)節(jié)流閥控制差壓維持在2.5 MPa以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排砂。排砂過(guò)程中節(jié)流閥油嘴的損壞很嚴(yán)重，需采用籠套節(jié)流閥，在結(jié)構(gòu)上采用對(duì)開的油嘴孔，使沙流對(duì)沖而緩釋能量。

1.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

基于除砂器除砂工藝流程，對(duì)除砂器的總體方案展開了深入研究，并對(duì)除砂器的各組成部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(gòu)成。此外，由于清砂時(shí)需要從除砂筒取出濾網(wǎng)，還設(shè)計(jì)了單獨(dú)的濾網(wǎng)提升系統(tǒng)。高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器結(jié)構(gòu)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(wǎng)式除砂器結(jié)構(gòu)示意

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)作業(yè)類型的不同，油氣井口返排液經(jīng)常包含壓裂放噴返排液、洗井返排液和抽吸返排液。針對(duì)不同的工況，返排液的特征參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)較大差異。本文設(shè)計(jì)的高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器相關(guān)技術(shù)指標(biāo)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(jí)防硫

產(chǎn)品規(guī)范等級(jí) PSL3

2 關(guān)鍵部件除砂筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)除砂器的工作流程，除砂筒內(nèi)安裝濾網(wǎng)，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(nèi)圓形成密封，濾網(wǎng)的額度壓差為2.5 MPa。為保證濾網(wǎng)的正常工作，濾網(wǎng)通過(guò)上端?206 mm外圓懸掛在除砂筒內(nèi)孔臺(tái)階上，下端懸空，筒體外四周靠上端對(duì)稱面上分別設(shè)有API 6A螺柱式法蘭，法蘭高度為濾網(wǎng)?206 mm密封面上、下的距離，即分別對(duì)應(yīng)濾網(wǎng)的內(nèi)外腔。實(shí)現(xiàn)流體由進(jìn)口進(jìn)入濾網(wǎng)內(nèi)腔，過(guò)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(wǎng)砂量過(guò)多時(shí)，需將濾網(wǎng)取出，在井口連續(xù)返排時(shí)，該工作將重復(fù)進(jìn)行，因此，頂蓋設(shè)計(jì)需操作方便，密封可靠。該處結(jié)構(gòu)借鑒公由壬連接和密封結(jié)構(gòu)形式，采用壓蓋與筒體內(nèi)圓密封，壓帽與筒體外圓為螺紋旋合方式，便于濾網(wǎng)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(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1) 除砂筒材料屬性及力學(xué)性能參數(shù)。

根據(jù)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(yīng)力裂紋的油田設(shè)備金屬材料》中相關(guān)要求，材料級(jí)別EE級(jí)，除砂筒的材料要求為碳鋼或低合金鋼，結(jié)合實(shí)際情況，除砂筒材料選擇為35CrMo，其力學(xué)性能指標(biāo)如表1。

表1 35CrMo材料力學(xué)性能指標(biāo)

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(wǎng)格劃分。

將Solidwork建立的除砂筒三維模型保存為“.xt”格式，并導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件。根據(jù)35CrMo材料力學(xué)性能指標(biāo)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分81 617個(gè)單元。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 除砂筒有限元網(wǎng)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(nèi)壁與上端蓋螺紋連接處限制3個(gè)方向的平移自由度，載荷以“pressure”的形式施加在除砂器筒體內(nèi)表面。載荷大小為設(shè)計(jì)載荷105 MPa。

圖8 除砂筒有限元邊界及載荷

5) 分析結(jié)果。

在105 MPa設(shè)計(jì)壓力作用下的除砂筒應(yīng)力及變形云圖分別如圖9～10所示。

圖9 除砂筒應(yīng)力云圖

由圖9～10可知，在設(shè)計(jì)載荷作用的極限工況下，除砂筒的最大Von-mises應(yīng)力為632.4 MPa，小于其屈服強(qiáng)度835 MPa，最大應(yīng)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(cè)筒體圓形截面與方形截面交匯處。由分析結(jié)果可知，除砂筒強(qiáng)度滿足要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

江漢油田井下作業(yè)公司在重慶焦石壩鎮(zhèn)焦頁(yè)3-2HF井對(duì)該高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試工況為頁(yè)巖氣井分層壓裂鉆塞返排液的除砂。除砂器經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后，完成地面流程連接，整體試壓70 MPa，穩(wěn)壓30 min，無(wú)壓降。

高壓雙筒濾網(wǎng)式除砂器接入流程后，隨著返排液流經(jīng)除砂筒，可見濾網(wǎng)壓差表顯示的壓力差值逐漸增加，在壓差達(dá)到2.4 MPa時(shí)，切換工作狀態(tài)，啟用備用除砂筒繼續(xù)除砂，并對(duì)暫停工作狀態(tài)的除砂筒進(jìn)行清砂處理。利用濾網(wǎng)提升系統(tǒng)由除砂筒頂部取出濾網(wǎng)，清洗出濾網(wǎng)中沉降的巖屑和砂粒等。在施工過(guò)程中，累計(jì)排液超過(guò)20 000 m3，施工過(guò)程中最高壓力為23 MPa。整套設(shè)備性能良好，操作簡(jiǎn)便，壓差監(jiān)控及控制準(zhǔn)確，管匯各處均無(wú)滲漏現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)下游設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，均未見沖蝕、刺漏和砂粒堆積的現(xiàn)象[15]。

5 結(jié)論

1) 基于除砂器除砂工藝流程，完成了對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的除砂器可實(shí)現(xiàn)2個(gè)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(jù)不同工況進(jìn)行選擇。

2) 通過(guò)對(duì)除砂器關(guān)鍵部件除砂筒的有限元數(shù)值模擬，驗(yàn)證了除砂筒的安全性和可靠性。

3) 通過(guò)70 MPa整體試壓試驗(yàn)，對(duì)除砂器的強(qiáng)度和密封性能進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明除砂器結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(guò)程中，累計(jì)排液超過(guò)20 000 m3，最高壓力為23 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及檢測(cè)結(jié)果表明，除砂器的除砂性能可以較好滿足工作要求。