高壓防硫雙筒除砂器研制及應用探討

徐國濤　游艇　陳俊　成斌

摘要：本文根據國內部分油氣井鉆采測試中壓裂作業后井口大量出砂的特點，研制一種高壓防硫雙筒除砂器。該設備利用濾網分離和重力沉降原理，凈化井口返排液，分離出砂粒、橋塞、鉆屑等大尺寸、高沖蝕性固相雜質，避免其對地面測試流程管線、管匯油嘴的沖蝕，從而延長地面測試設備的使用壽命，降低井口操作安全風險。

關鍵詞：高壓防硫雙筒除砂器；油氣井鉆采測試；壓裂；除砂；沖蝕 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE925 文章編號：1009-2374（2015）14-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.014

目前國內油氣田井口排出液中的固相物中，除少數在鉆采過程中地層出砂外，大部分是壓裂增產后返排的壓裂砂、地層砂、巖屑、射孔彈殼、橋塞碎屑等，特別是頁巖氣“井工廠”模式下的超大排量集群壓裂，很大程度上提高了油氣產量，但給油氣測試帶來了巨大挑戰，高壓高速返排液中夾雜大量的固相物加劇了測試流程設備的磨損，甚至造成設備嚴重損壞。新疆試油公司早在2000年第一次引進EXPRO公司的105MPa高壓除砂器，有效地保護地面設備，節約石油天然氣資源，縮短工期，加速勘探開發進度，獲得巨大的經濟效益。

1 技術分析

1.1 工作原理

除砂器利用離心力和重力分離清除固相顆粒。為滿足連續除砂，設工作筒和備用筒，含砂流體由管匯控制進入除砂筒，沖擊到擋環上，流體被折射到各個方向，依靠由此產生的離心力和重力，固相顆粒沉淀在濾網的底部，過濾后的流體經過濾網與除砂筒之間的環空排出。此系統利用不同目數的加固濾網過濾固相顆粒。

1.2 流程設計

圖1 105MPa雙筒除砂器流程圖

根據其工作原理，流程設計如下：

1.2.1 兩個一定容量的除砂筒：砂筒內放置一定密度的濾網，把筒體分為濾網內腔和濾網與砂筒間的

外腔。

1.2.2 兩個除砂筒之間切換用的控制和隔離

閥組。

1.2.3 砂筒頂部提濾網排砂和底部管匯直接

排砂。

1.2.4 壓差監控系統，監控濾網壓內、外差值。

1.2.5 必要的泄壓管線、壓力平衡管線、除砂筒進液端和出液端壓力表。

1.3 主要技術指標

額定工作壓力：105MPa

最大除氣量：140萬立方米/天

最大除液量：800立方米/天

最大許用壓差：2.5MPa（360psi）

砂筒容積：約46L

工作溫度：-29℃～121℃（20℉～250℉）

產品規范等級：PSL3

工作環境：EE級防硫

1.4 關鍵技術

1.4.1 防砂技術。除砂器一般是裝在最靠近井口的管線中，因此，所有流體接觸到零部件都必須滿足防沖蝕，防失效的要求，防砂部件包括防砂閘板閥和防砂節流閥，防砂結構設計包括“肘部”防砂，砂筒入口防砂和取壓口防砂。其中防砂閘板閥采用分體閥座結構，在流體壓力下能實現閥前密封，避免沙粒隨流體進入閥腔，并堆積在閥腔底部，造成閘板閥關斷失敗。防砂節流閥采用籠套對沖式油嘴，硬質合金油嘴上對稱小孔產生節流效果，對稱的流體自外向內相互碰撞，并在油嘴內部緩釋壓力，減弱沖蝕力，延長油嘴使用

壽命。

1.4.2 濾砂技術。流體在砂筒的濾網內完成濾砂，因此濾砂的關鍵技術是壓差監控和濾網密度選擇。

高強度復合濾網的額定壓差是2.5MPa，最大破拉強度是10MPa，為保護濾網，讓除砂器保持最佳工作狀態，需時刻關注濾網內外壓差的變化。105MPa雙筒除砂器兩個濾筒共用1套壓差監控系統，壓差顯示儀表由機械式和電子式組成，滿足現場和遠程監控使用。

濾網的密度選擇受井口出砂的尺寸、出砂量、流體黏度、溫度等因素影響。理論上目數越大濾砂效果越好，但受出砂量、流體黏度影響，濾網滿載的幾率也越大，一般砂筒配200微米的濾網，另外有300～800微米規格供選擇，可根據之前測錄井資料和前期實測數據合理選擇。

1.4.3 排砂技術。該雙筒除砂器設計有砂筒頂部提濾網排砂和砂筒底部直接排砂兩種方式，過濾出的砂粒沉降在工作筒濾網底部，濾網底部裝有可拆卸的堵板，當工作筒壓差接近2.5MPa時，流體切換到備用筒，打開工作筒頂部的快速拆卸堵頭，在提升機構輔助下提出濾網，清洗干凈后重新裝入。當出砂量較大且大小均勻時，可拆除濾網底部堵板，讓砂粒直接通過砂筒底部的管匯直接排出，調節防砂節流閥的開度，控制濾網壓差，即可實現連續直接排砂。

2 工業應用

2013年1～4月，在重慶焦石壩鎮焦頁3-2HF井對該105MPa雙筒除砂器進行工業試驗，累計完成作業時間為30天。主要用于頁巖氣井分層壓裂鉆塞后的返排液處理。2013年1月15日經現場調試后完成地面流程連接，整體試壓105MPa，穩壓30min，無壓降。在流體黏度低于30厘泊下，將裝入合適濾網的除砂器接入流程，隨著井口流體的經過，濾網壓差表壓差值不斷上升，在壓差2.2MPa時，切換濾筒，提出濾網，清理出壓裂砂、鉆屑等固相雜質，下游流程中砂粒磨損的響聲明顯減弱。在施工作業中，累計排液20000多方，施工作業中最高壓力52MPa，最大排量0.65m3/min，從作業數據和使用情況來看，整套設備性能優越，控制操作方便、可靠，壓差系統精準可靠，管匯各處密封沒有出現滲漏現象，能適應油田作業工況。

3 結語

該高壓防硫除砂器的成功研制，是我國在高壓井和含硫化氫井的試油試氣技術上取得的歷史性成果，填補了國內高壓力、高排沙井油氣測試除砂設備的空白，同時，國產除砂器可替代同類進口產品，抑制進口價格，縮短供貨、配件供應和維修周期，為頁巖氣、深海油氣等非常規資源的開發提供了保障。

參考文獻

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作者簡介：徐國濤（1983-），男，中石化石油工程機械有限公司第四機械廠工程師，研究方向：石油機械設計。

（責任編輯：周 瓊）