海上油氣井除砂裝備及方法研究進展與展望

趙 威，張 寧，梁 波，曹志興，張 軒

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

0 引言

近年來，伴隨著經濟社會的快速發展，我國對能源的需求不斷增加，石油和天然氣對外依存度逐年攀升，立足國內保障能源供給已經勢在必行[1]。目前已經開采的海上油氣田大多受到儲層特征、開發方式、管理措施等多方面因素的影響，部分油氣井生產出砂，甚至存在“防砂即堵、不防即埋”的瓶頸難題[2]。

油氣井出砂問題若不能得到有效解決，導致砂粒進入地面油氣生產系統，會對油氣集輸系統和工藝系統造成嚴重危害。其危害主要包括：管輸摩阻增大[3]、管線沖刷腐蝕、井口閥門損壞[4]、分離器效果減弱[5]、設備處理空間減少[6]、影響加熱盤管導熱[7]、導致液位計失靈[8]等。這些問題不僅影響了油氣井產量，還給油氣井生產帶來了安全風險。

統計顯示，我國大約有18 個海上油氣田存在出砂問題，由于海上作業難度大、空間小、水資源少等特殊條件，對海上防砂裝備及方法提出了更高的要求。因此，調研相關裝備及方法對于指導海上油氣井除砂裝備研發及現場應用具有重要意義。

1 除砂裝備及方法研究進展

目前，國內外油氣田通常采用的主流除砂工藝有重力式除砂器、過濾式除砂器、旋流式除砂器、螺旋式除砂器和其他形式的除砂器等。

1.1 重力式除砂器

重力式除砂器[9]一般包括進氣口、沉降空間、出氣口、集渣空間4 部分（圖1）：當含砂粒井流物進入沉降空間后，井流物流通面積忽然擴大，導致流動速度減慢，此時井流物中的固、液、氣三相在重力作用下分離開來，最下部是砂粒，砂粒上面是水，水上面是油，油上面的空間則是天然氣。

圖1 三相臥式除砂器

重力式除砂器可以適用于多種分離工況，并且主要依靠各個相之間的重力差異達到分離目的，設備可連續運行，且運行費用低。該設備空間尺寸越大，流動速率越低，分離效率越高，然而設備尺寸越大，則嚴重占用有限的平臺空間及載荷，不太適用于海上油氣生產作業。

1.2 過濾式除砂器

雙筒管柱式濾砂器[10]如圖2 所示，基本結構主要為濾筒、旁通管線和閥門等，內筒中安裝可更換的高強度濾網。其工作原理是：利用不同尺寸的濾網的攔截、慣性碰撞等捕集作用來實現砂粒的分離。

圖2 雙筒管柱式濾砂器

雙筒管柱式濾砂器在實際應用過程中需要做到濾筒“一用一備”，當工作筒中砂粒充滿，則由工作筒切換到備用筒，再將工作筒中濾筒取出清洗。雙筒管柱式濾砂器設計結構緊湊、處理操作便捷、處理容積量大，能夠通過更換高強度濾網達到過濾不同尺寸砂粒的目的。然而，過雙筒管柱式濾砂器適用于含砂量較少且粒徑較大的情況，砂量過多的油氣井會導致頻繁清洗過濾器，在海上平臺運行維護成本較高；粒徑過小就需要精度更高的濾芯，容易造成摩阻壓力損失過大甚至濾網網孔堵塞，導致濾網損壞，對細微砂粒的除砂效率不高。

1.3 旋流式除砂器

旋流式除砂器[11]主要由耐磨外筒、內部螺旋分離元件、閥門、儀表和旁通管線等組成（圖3）。其工作原理是：利用一個旋流管，在壓力的推動下產生的離心力將具有不同密度差異的固、液、氣三相從井流混合物中分離出來。井流混合物在一定速度和壓力下切向進入除砂器，固、液、氣三相混合物高速旋轉產生的離心力場代替重力場在旋流器中把井流物按密度分層，固相顆粒在離心力作用下，加速沉降到旋流管內壁，隨液流向下運動到錐形底的出口排出；密度較小的井流物則沿旋流管中心軸線運動，在軸線中心形成向上運動的內旋流場，并向上運動到中心管的溢流管排出。

圖3 旋流式除砂器

旋流式除砂器處理量較大、可操作性較強，配備不同尺寸的旋流筒可以實現對井流物處理量及分級粒度的靈活更換，能有效處理直徑大于100 μm 的固相顆粒。但是，旋流式除砂器除砂效率并不穩定，且需要手動排砂。

1.4 螺旋式除砂器

螺旋式除砂器[12]主要由螺旋管和出砂口短節組成（圖4）：井流混合物導入螺旋式除砂器并繞螺旋管運動，通過出砂口短節的擋板結構將砂粒聚集，實現固液兩相的分離。螺旋式除砂器分離效率較高，且更具實用性、經濟性。

圖4 螺旋式除砂器

1.5 其他形式除砂器

（1）強制流式除砂器。強制流式除砂器[13]如圖5 所示，其工作原理是：通過強制改變井流混合物的流向，使井流混合物產生旋轉的流場，從而使砂粒在離心力和重力的雙重作用下，被分離進入沉砂口。強制流式除砂器除砂效果良好且重復利用率高，但受到沉砂筒體積限制，當沉砂筒內積砂達到飽和后，無法正常工作；且容積較小導致開關頻繁，進而增加運行維護難度。

圖5 強制流式除砂器

（2）管式除砂器。管式除砂器[14]，主要由入口管路、分離室、出口管路、儲砂筒、分岔口等5 個單元組成（圖6）：利用固相顆粒相對更大的慣性特征，將井流混合物導入除砂器后，在出、入口管路分岔口位置，氣液兩相及大部分小粒徑砂粒改變運動狀態進入到下游管路，而大粒徑砂粒經過分離室進入到儲砂筒內，完成砂粒的捕集。

圖6 管式除砂器

2 結論與展望

海上油氣井除砂系統的設計需要綜合考慮空間適應、經濟適應、環保適應的技術要求，從這個角度出發，原理簡單、結構緊湊、操作智能、質量較輕是海上油氣井除砂裝備的重要發展方向。旋流式除砂器能夠同時適應油氣井的除砂工藝要求，具有占地最少、重量最輕的優勢，同時配備不同尺寸的旋流筒即可實現對不同處理量及分級粒度的靈活更換，對海上油氣井除砂工藝具有極強的適應性，未來該技術的發展與完善將是海上除砂裝備及方法的研究核心。伴隨海洋油氣資源勘探開發力度加大，必將對海上油氣井除砂裝備及除砂方法提出更高的要求。探索研發新的除砂分離原理、實現多種除砂方法的優勢互補與深度融合，將成為未來除砂技術發展的重要趨勢。