中压过滤式除砂器的设计

中压过滤式除砂器的设计

马海月乔孟辰

中石化中原石油工程设计有限公司 河南郑州 450003

摘要：油气井是重要的设备，在实际使用过程中需要进行相关测试，但是要注意测试中的反排液问题，因为砂粒能够造成刺漏，所以会造成地面设备的损毁，同时还能影响操作人员安全，从而导致安全事故的发生。而这些情况不仅会影响地面作业安全，还会造成巨大的损失，为了有效解决这一问题，设计了一种过滤式除砂装置，可以有效地降低事故的发生几率。

关键词：中压过滤式；除砂器；设计；分析

使用过滤式除砂装置需要明确除砂原理和工作流程，然后应用相关软件分析关键承压件的受力情况，在测试时使用的是室内试验方式。由于该装置的结构比较简单，所以操作起来比较方便，而且具有安全可靠的特点，能够有效地过滤返排液当中地层砂、压裂砂、岩屑等颗粒，不仅保护了下游设备，还具有很好的实际应用价值。

1整体设计分析

1.1概况介绍

我国的资源种类较多，其中天然气的储量非常丰富，但是随着油气田开采的不断深入，实施了大排量压裂酸化工艺，而这种工艺的应用造成了井口中反排液含砂量增大问题，从而造成了能源浪费和环境污染问题，同时还可以损坏下游设备，这种情况严重地影响了下游设备的使用寿命，而且很大程度地增加了维护成本。为了更好地解决这一问题在油气井的井口部位安装除砂器，可以净化返排液的中地层砂、压裂砂、岩屑等颗粒，不仅保护了地面流程设备，也使其免受高速含砂流体冲蚀，同时也提升了企业经济效益。当前国内外的除砂器主要有两类，一类是过滤式除砂器，另一类是重力式分离器。

1.2方案设计分析

在进行方案设计时需要考虑实际使用情况，可以选定双筒过滤式除砂器，这种除砂器有两个砂筒和一路旁通管线，并在每个砂筒内安装了过滤筒。过滤筒需要根据颗粒大小进行设计，同时要设置两个砂筒，将其设定为一备一用状态。使用压差表进行检测，可以实时地监控砂筒的进口和出口压差，当压差达到一定程度时说明筒中砂粒填充满，在这种情况下应当使用备用筒，然后将滤筒提出进行清洗。

1.3主要的参数设定

在进行设计过程中，首先要设定最大除气量和最大除液量，以及最大允许压差和进、出口接口形式，同时还应当设定工作温度和材料级别。当这些参数都确定以后，才可以进行相关设计。

1.4具体的工作流程

首先，是直排。过滤式除砂器非常适用于生产性排砂，如果砂量较大就会存在不稳定期，因此流体一般情况下会经过过滤筒，而是从直排口直接排出，等砂量稳定以后就可以关闭直排口阀门，这时可以转为在线排砂或者是间断排砂方式。其次，是在线排砂。除砂器的底部是排砂管线，使用在线排砂方式时除砂器的下游应当配备动力油嘴管，但是在排砂时要去掉滤筒下部的堵盖，这样就能够将滤筒和排砂管线联通，当压差达到了设定值时要打开管线进行在线排砂，在这个过程中主要是通过动力油嘴来控制排量。这种除砂方式的效率较高，而且人工强度较低，现场操作风险较小，但是对排砂管的要求较高，如果长时间使用会增加冲蚀磨损风险。最后，是过滤排砂。过滤排砂原理是利用滤网来实现对砂粒的分离，通常情况下反排液是由入口进入的，然后经过旁通阀由上部进入到过滤筒当中，这样固相颗粒就会在重力作用下沉淀到滤网底部，当过滤后流体进入到滤网和筒体间就会形成环形空间，然后再从上游的出口流出。当工作筒中的砂粒处于充满状态时，需从工作筒导出到备用筒，这时要将工作筒当中的滤筒取出，并及时清理上面的砂粒。

2筒体设计分析

2.1强度校核

在进行压力管道设计时需要考虑壁厚问题，通过相关计算可以确定最小壁厚，然后按照管材内径和管内表面腐蚀裕量计算出管内部平均压力和许用应力，同时可以计算出筒体危险截面壁厚，之后通过强度校核就可以知道相关数据是否符合强度要求。

2.2应力分析

在分析应力过程中需要先建立缸体模型，然后导入到软件中进行筒体材料选择，但是需要定义材料特性，并设定弹性模量和泊松比。由于筒体结构模型比较简规律，可以使用扫描法进行网格划分，在划分单元过程中主要以六面体网格为主，同时要导入筒体模型，之后再进行网格划分。同时在公接头的两端和内部施加约束，就可以得到均匀的压力载荷。通过对模型求解就能够得到筒体应力云图和最大应力，这样就能明确壁厚是否满足强度要求了。

3试验情况分析

3.1室内试验分析

随着国家对油气钻采设备质量监督越来越严格，许多的检验中心内都可以进行性能试验，但是在试验前需要进行现场调试，然后依据出厂要求进行试验。试验过程中使用的介质是清水，将试验压力设定为额定工作压力的1.5倍。在室内试验时主要分两个阶段，第一阶段的试验时间是3min，第二个阶段的试验时间15min，经过稳压15min以后，可以发现两个阶段没有出现明显压降。

3.2现场试验分析

对设备现场试验时先要进行试压，但是应根据实际情况设定压力，试验使用的介质是清水，需要在稳压的状态下试压。当试压合格以后就可以实际使用了，在整个过程中应当注意施工压力控制，同时合理地控制流体温度，如果出现砂量不稳定情况，需要直接打开除砂器排砂，整个排砂过程大约是8h左右，当砂量逐渐稳定以后可以转入到过滤筒排砂。当排砂当过程中的压差表达到5MPa时，需要采用倒砂筒作业，累计作业大概20天，累计次数是6次。在反排测试中除了砂器的下游设备会发生冲蚀现象以外，其他部位没有出现明显变化，从而有效地验证了除砂器的使用安全性，由于测试作业过程非常顺利，所以具备很好实用价值。

3.3结果分析

通过强度计算、有限元分析、压力测试可以明确除砂装置关键的承压部件状况，同时还验证了除砂装置的可靠性和安全性。中压过滤式除砂器如果长时间在线排砂，动力油嘴应当选择耐冲蚀节流阀进行排砂，这样可以有效地避免下游设备出现刺漏现象。如果对低粘度含砂液除砂效果较好时，说明过滤筒当中的砂粒已经充满，需要进行相应的处理。在放喷测试时要选择正确的除砂器，才能避免下游设备免于冲蚀，从而有效地确保地面测试能够正常进行。

结束语：

进行中压过滤式除砂器设计时需要考虑各种因素影响，通过相关实验可以明确除砂器的相关参数，这样就能够提升设计合理性，同时还可以降低事故的发生几率。

参考文献：

[1]易先中,张仕帆,万继方,等.高压双筒滤网式除砂器设计研究[J].石油矿场机械,2022,02:56-58.

[2]聂堃.过滤式除砂器的设计研究[D].西安石油大学2023,09:89-91.

[3]戴福才.旋滤式除砂器的研制情况介绍[J].铁道标准设计,2020,06:57-59.