第31卷第1期
广东石油化工学院学报Vol. 31 No.l 2021年2月Journal  of  Guangdong  Universiiy  of  Petrochemical  Technology February  2021
中国油气井高压除砂器技术现状】
张思勤
(中石化四机石油机械有限公司，湖北荆艸434024)
摘要：油气井井口高压除砂器的作用是净化井底返排液中地层砂、压裂砂、岩屑等固相颗粒，保护下游设备免受冲蚀，从而 延长下游设备的使用寿命。比较国内现有的几种油气井高压除砂器的结构、工作原理和特点，结果表明现有井口除砂器主 要存在压力级别低、分离效率不稳定、依靠人工排砂劳动强度大等问题。针对问题提出了改变常规井口除砂器的技术措施 和发展方向。建议中国应尽早着手研发使用于页岩气等非常规油气专用的井口除砂装置。
关键词：除砂设备；过滤式；除砂工艺；多相分离
中图分类号:TE931 文献标识码:A  文章编号：2095 -2562(2021)01 -0037-03
随着我国油气田开采不断深入，大排量压裂酸化工艺的实施，井口反排液中含砂量增加逐年增大。造 成能源浪费和环境污染外，还损坏下游设备，增加维护成本和减少使用寿命。在油气井井口安装除砂器, 可以有效净化返排液中地层砂、压裂砂、岩屑等固相颗粒，保护下游设备HF 。目前，国内、外除砂器主要 有两大类：一类是过滤式或筛网式分离器；另一类是重力式分离器，包括旋流除砂器和简单的沉降容器。1 地面除砂工艺
地面除砂设备安装在地面流程的节流装置上游，尽量接近井口朱铁
装置。为了除砂设备的阀门等部件发生剌漏等紧急情况时可以远
程迅速关井保护人员和设备的安全，地面安全阀安装在除砂器上游。
地面除砂流飙图1。除砂技术目前主要有过滤式和旋流式两种。
1.1过滤除砂技术
过滤一般是指利用某种多孔介质来实现悬浮液中液固分
离⑷"o 过滤式除砂器(见图2)的工作原理主要是通过不同尺寸的
滤网来净化井底返排液中的砂砾。过滤式除砂器一般由两个筒体
和旁通高压控制元件组成，井底返排液经过除砂器筒体中的滤网
时，小于滤网目数的砂砾被阻挡在滤网内，在重力作用下慢慢沉降
到滤网下部，从而实现除去砂粒的目的。过滤式除砂器可以通过更
换不同尺寸的滤网进行除砂和精确计量井筒出砂量，也可以拆除滤
网底部堵板，并配套使用动力油嘴来实现在线排砂。
1.2旋流除砂技术旋流除砂是在离心力作用下，利用两相或多相间的密度差实现
相间分离。旋流式除砂器一般由入口进液管、旋流管、旋流筒、排 ・■ ■
返
排
池图1地面除砂流程液管等组成。井底反排的含砂液体在一定速度和压力下切向进入除砂器，流体运动急剧变化，由直线运动 变为圆周运动，在旋流管内产生高速旋转流场。含砂液体中固相颗粒在离心力作用下，与旋流管内壁发生收稿日期：2020 - 06 - 29；修回日期：2020 - 07 - 07
作者简介：张思勤(1988-)，男，湖北仙桃人，硕士，工程师，主要从事高压流体控制元件与石油钻采设备研究。
1
38广东石油化工学院学报2021 年
碰撞，失去惯性力，沿轴向向下运动，并由旋流筒底部出口排出。密 度较小的液体沿旋流管中心轴线运动，下降到某一位置时，在轴线
中心形成向上运动的内旋流场，受内旋流场的作用，液体在旋流筒 内部螺旋向上运动，经排液管流出，达到除砂的目的。
2国内外除砂设备技术进展
国内的地面除砂装置的研制已历经多年，除砂装置分为过滤网
式和高压旋流式两种。目前国内油田高压过滤式除砂器应用比较
普遍，高压旋流式除砂器却几乎没有现场应用实例。2.1滤网式除砂装置
目前国内滤网式除砂器技术已比较成熟，较有代表性的是中石 化石油机械公司研发的过滤式除砂装置。该装置储砂筒两侧均有
一法兰接口，高位接口为集砂筒入口端，低位为除砂器出口端。含砂顶盖
洁净井流Y —匸
冲洗水入口二
,Y —井流
—排砂管口
■—砂水入口图2滤网式除砂器工作原理液体从装置入口进入，在过滤网的作用下，砂粒被阻挡在储砂筒中，过滤后的液体经储砂筒低位出口流向装置岀口，最终流向下游设备。从而起到保护下游设备免受砂砾冲蚀的作用。该设备设曲构紧凑，操作方便，容砂量大，可通过更换滤网过滤多种尺寸的砂粒。该设
备的不足之处是手动排砂人工劳动强度大，虽可取掉滤网下部堵头进行自动排砂，但在带压情况下，介质直接排放到大气，存在较大安全隐患。
2.2气井旋流除砂装置
中石油研发出了一种气井旋流除砂装置。该装置将两台除砂
器和高压管汇控制元件等组装成撬，结构紧凑，撬上设计吊点，以便 5部彗
现场吊装运输⑼。工作原理依靠入口倾斜角将入口气流变成切向5 »
向下的旋转流，在圆柱腔完成固液气三相分离，气体由顶部法兰流
出，砂粒落入下部锥形集砂腔，液体储存到溢流位置时由溢流口排
出，见图3。该装置设计压力42 MPa，处理气量5 x  104 ~ 15 x  104 进气;
耐磨胸先m'/d，处理液量10 ~60 m 3/d o 该设备的缺点是无法根据介质流量
和分级粒度调整旋转流，除砂效率不稳定。未开设洗砂口，砂粒无 法完全排净。只能手动排砂，在井口压力较大时，工人劳动强度较 大，放空、排砂过程中，介质直接排放到大气，存在安全风险。
2.3高压旋流除砂装置
3耳式主理
目前国内外高压旋流除砂装置典型结构为“旋流筒” + “集砂筒”分体式结构，如图3所示，旋流器安装于旋流筒内部何。旋流 2集砂腔
筒与集砂筒之间通过隔离阀分离，具备油、气、水、砂多相分离功能，
2
1流
口液出分离效率在90%以上。作业过程中，含砂流体由除砂器入口切向射
入旋流筒，在离心力作用下实现分离，流体中的砂粒及部分油、水经 过旋流筒的沉砂口落入下部集砂筒，分离后的流体经旋流筒的上部 流岀，当油、水集满砂筒后，液相介质从溢流管流出。该设备设计工
作压力35〜105 MPa ，最大处理气量99 xl04m 3/d，处理液量365 m 3/d 0该设备的具有结构紧凑，易于安装运输特点外，能够在超高压力、强腐蚀 环境下有效进行除砂作业，具备直排，在线排砂和间断排砂的功能，缺点是进行在线排砂需配备动力油嘴 和专用的排砂管汇，且单台设备往往无法满足现场作业需求，需配备多台设备，实现一备一用。1
推矽管_
排砂口
图3气井旋流除砂装置3存在的问题及建议
中国的井口除砂技术日趋成熟，在油田现场应用越来越广泛，效果较显著。但随着我国油气田开采不 断深入，大排量压裂酸化工艺的实施，井口返排液中含砂量增加逐年增大，
现有井口除砂技术已无法满足
第1期张思勤：中国油气井高压除砂器技术现状39
作业要求，存在的问题也日益凸显，主要有下面几点：(1)过滤式除砂器只适用于纯气相或低黏度压裂液体系，返排过程中滤网网孔易堵塞，造成滤网压差过大而被损坏。(2)气井旋流除砂装置无法根据流量和
砂砾粒度调整旋转流，除砂效率不稳定。设备未开设洗砂口，砂砾及油污难排尽。(3)高压旋流除砂装置集砂筒与储砂筒分离，储砂量有限，单台设备无法保证井口连续正常作业，往往需配备多台使用，成本高。
针对现有除砂装置存在的问题和不足，提出以下建议：(1)在过滤式除砂装置上端增加一旋流机构，通过旋流机构将低黏度返排液中砂砾分离开，从而扩大过滤式除砂装置使用范围，增强其现场适用性。
(2)将气井旋流除砂装置的集砂筒和储砂筒设计成分体式结构，在集砂筒上设一冲洗口，以便实现在线排砂。(3)为除砂器配备专用的排砂、清砂设备，以满足现场砂砾安全排放的要求。
4前景展望
面对页岩气等非常规油气的发展趋势以及中国页岩气专用井口除砂装置的空白，建议中国应尽早研发适用于页岩气等非常规油气专用的井口除砂装置。预测其发展方向主要如下：(1)井口除砂装置要向集砂、分离、清洗与排放多功能于一体的在线除砂装置方向发展。(2)为满足页岩气等非常规油气使用工况，应研制处理量大、压力高、分离效率高的新型除砂设备。(3)将几种除砂装置的优势相互补充，相互结合，研制出现场适用性更强的除砂设备。(4)随着除砂装置的发展，安全环保已显得尤为关键，因而配备相应的洗砂设备很有必要，以保证砂砾排放安全环保。
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Present Technical Status of High Pressure Desander for
Oil and Gas Well in China
ZHANG Siqin
(SJ Petroleum Machinery Co.,SINOPEC,Jingzhou434024,China)
Abstract:The purpose of the high pressure desander for oil and gas Wells is to purify the formation sand,fracturing sand,cuttings and other solid particles in the backflow of the well,protecting the downstream equipment from erosion,thus extend the service life of the downstream equipment.By comparing the structure,working principle and characteristics of several existing domestic high pressure desander,the results show that the main problem is that the pressure level is low,thus the separation efficiency is unsta­ble,and the labor intensity is high.In view of the existing problems,the technical measures and development direction are put for­ward.It is suggested that China should develop desander for unconventional oil and gas such as shale gas as early as possible. Key words:desanding equipment；filter type；desanding process；multiphase separation
(责任编辑：方灵子)