旋流除砂器結構設計研究

張偉 劉正德 牛月來 張雨 張洲

(1.渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津300283；2.渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津300280；3.大港油田天然氣公司，天津 200280)

0 引言

隨著社會經濟的發展，頁巖氣開發工廠化施工作業與日俱增，大型壓裂在頁巖氣開發中越來越重要。在頁巖氣壓裂后地面返排作業中，通過地面返排設備來進行排液，在見氣之后立即倒入生產流程進行輸氣作業。在返排作業過程中早期返排液存在較高的含砂量，增加了地面返排作業的難度，對返排作業工藝過程產生嚴重影響，對地面返排設備帶來損害。因此，開展除砂工藝研究工作十分必要和關鍵，本文主要對除砂器的設計和數值模擬相關內容進行介紹。

1 旋流除砂器結構初步設計

返排作業過程中，返排液的成分比較復雜，操作介質具有壓力高、流速快等特點，如果直接利用現有的濾網式除砂器進行比例縮放分析，不符合實際需求。因此，下文針對具體的現場操作介質的特點，進行針對性的改進優化設計，在整個設計前期，需要充分考慮結構尺寸對于壓力降和生產效率等的影響，因此本次設計首先對旋流器的基本尺寸進行確定，然后根據模型計算，對各結構參數進行優化求解。

以單位時間(h)內處理能力100m3返排液的旋流器為例，根據現場操作的具體情況，初步選擇旋流腔的主直徑為500mm，旋流器的入口傾斜角控制在15°以下，溢流口插入深度控制在30mm，管壁3mm；旋流器的柱段選取60mm，錐角10°，底流口15mm直徑，選擇沉砂尾管和旋流分離器的直徑相同，均控制在60mm，長度為2000mm。

2 除砂器結構參數優選

旋流除砂器的結構參數看似簡單，其結構尺寸參數的變化，對于內部的介質除砂能力和效率均產生較大的影響，旋流除砂器的結構情況會決定介質在內部流動時的流動狀態、停留時間和具體流體特性。根據實際操作情況，下文主要借助計算模擬軟件對相關模型進行數值模擬，以期優化選擇最佳的尺寸組合，獲得結構最佳、效果最好的旋流除砂器。

2.1 模型的建立

首先對旋流器的進口做相應的假設和簡化，采用六面體模型單元分塊劃分結構化網格結構，從而建立幾何模型。在模擬計算過程中，流體流動的狀態選擇雷諾應力RSM模型，多相流動方式為混合流(層流和湍流流動均存在)。旋流器的入口選擇速度入口，出口為自由流出，壁面處采取標準函數模型，介質在管壁處不存在滑移情況。

2.2 介質參數輸入。

根據模擬返排液的具體特性情況，選擇旋流除砂器的入口流速為8m/s，介質中存在的泥沙的成分在0.3%，密度為0.98g/cm3，其運動黏度為0.01Pa·s，泥沙的粒徑在60微米左右，密度為2.60.98g/cm3。

2.3 旋流器的截面尺寸模擬優化

分別選擇3種截面尺寸進行優化模擬，分別為8×10，10×17及12×17。(單位mm)。根據旋流除砂器的截面尺寸對于分離效率和壓力降的影響數據情況，可以看出分離效率和壓力降的變化規律基本類似，隨著入口截面積的變化而變化，呈現出先增加后減小的趨勢。分離效率最佳的位置其截面尺寸為10×17，此時的壓力降約為0.24MPa。

2.4 溢流管直徑尺寸模擬優化

固定旋流除砂器的入口截面尺寸為10×17，分別選擇3種溢流管直徑進行數據模擬，分別為20、22、24。(單位mm)。根據旋流除砂器的溢流管直徑對于分離效率和壓力降的影響數據情況，可以看出分離效率和壓力降的變化規律基本類似，隨著溢流管直徑的變化而變化，基本呈現下降趨勢，但隨著溢流管直徑的增加，分離效率曲線存在一個谷值，即溢流管直徑約為23mm時，分離效率最低。壓力降曲線基本與溢流管直徑呈現負相關規律。因此，根據兩者的綜合情況，選擇溢流管的直徑為20mm，此時的分離效率基本在91.3%，壓力降約為0.24MPa。

2.5 錐角參數模擬優化

固定旋流除砂器的入口截面尺寸為10×17；溢流管直徑為20mm；分別選擇4組錐角尺寸進行數據模擬，分別為8、10、12、15(單位°)。如下圖1是旋流除砂器的錐角尺寸對于分離效率和壓力降的影響數據情況。

根據圖1的數據看出，分離效率和壓力降的變化趨勢不同，隨著錐角角度的增加，分離效率先增加后降低，存在一個峰值；而壓力降呈現增加趨勢。從分離效率圖可以看出，峰值時的錐角尺寸約為10°，此時的分離效率為91.3%，壓力降0.24MPa。

2.6 柱長尺寸模擬優化

固定旋流除砂器的入口截面尺寸為10×17；溢流管直徑為20mm；錐角角度為10°；分別選擇5組柱長尺寸進行數據模擬，分別為45、50、55、60、65(單位mm)。如下圖2 是旋流除砂器的柱長尺寸對于分離效率和壓力降的影響數據情況。

根據圖2的數據看出，分離效率和壓力降的變化趨勢不同，隨著柱長長度的增加，分離效率先增加后降低，存在一個峰值；而壓力降呈現增加趨勢。從分離效率圖可以看出，峰值時的柱長尺寸約為55mm，此時的分離效率為92.3%，壓力降0.205MPa。

通過模型計算優化，最終確定旋流除砂器的入口截面尺寸為10mm×17mm，溢流管直徑為20mm，錐角角度10°，柱長為55mm時的效率最佳，此時分離效率為92.3%，壓力降為0.205MPa。

圖1 錐角角度對于效率和壓力降的影響

圖2 柱長尺寸對于效率和壓力降的影響

3 結語

頁巖氣開發過程中，采用大型工廠化壓裂施工工藝提高產氣量，但壓裂后，會導致返排液中存在大量的壓裂砂成分，對地面返排作業設備造成嚴重損害，通過旋流除砂器的作用可以有效降低返排液的含砂量。本文主要對旋流除砂器的結構進行設計、模型優化計算，通過此方式可以獲得效果最佳的旋流除砂器。