徐國濤　游艇　陳俊　成斌

摘要：本文根據(jù)國內(nèi)部分油氣井鉆采測試中壓裂作業(yè)后井口大量出砂的特點(diǎn)，研制一種高壓防硫雙筒除砂器。該設(shè)備利用濾網(wǎng)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(zhì)，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(shè)備的使用壽命，降低井口操作安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

目前國內(nèi)油氣田井口排出液中的固相物中，除少數(shù)在鉆采過程中地層出砂外，大部分是壓裂增產(chǎn)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(chǎn)量，但給油氣測試帶來了巨大挑戰(zhàn)，高壓高速返排液中夾雜大量的固相物加劇了測試流程設(shè)備的磨損，甚至造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。新疆試油公司早在2000年第一次引進(jìn)EXPRO公司的105MPa高壓除砂器，有效地保護(hù)地面設(shè)備，節(jié)約石油天然氣資源，縮短工期，加速勘探開發(fā)進(jìn)度，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 技術(shù)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(xù)除砂，設(shè)工作筒和備用筒，含砂流體由管匯控制進(jìn)入除砂筒，沖擊到擋環(huán)上，流體被折射到各個(gè)方向，依靠由此產(chǎn)生的離心力和重力，固相顆粒沉淀在濾網(wǎng)的底部，過濾后的流體經(jīng)過濾網(wǎng)與除砂筒之間的環(huán)空排出。此系統(tǒng)利用不同目數(shù)的加固濾網(wǎng)過濾固相顆粒。

1.2 流程設(shè)計(jì)

圖1 105MPa雙筒除砂器流程圖

根據(jù)其工作原理，流程設(shè)計(jì)如下：

1.2.1 兩個(gè)一定容量的除砂筒：砂筒內(nèi)放置一定密度的濾網(wǎng)，把筒體分為濾網(wǎng)內(nèi)腔和濾網(wǎng)與砂筒間的

外腔。

1.2.2 兩個(gè)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(wǎng)排砂和底部管匯直接

排砂。

1.2.4 壓差監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控濾網(wǎng)壓內(nèi)、外差值。

1.2.5 必要的泄壓管線、壓力平衡管線、除砂筒進(jìn)液端和出液端壓力表。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

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(chǎn)品規(guī)范等級(jí)：PSL3

工作環(huán)境：EE級(jí)防硫

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 防砂技術(shù)。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(jié)流閥，防砂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，在流體壓力下能實(shí)現(xiàn)閥前密封，避免沙粒隨流體進(jìn)入閥腔，并堆積在閥腔底部，造成閘板閥關(guān)斷失敗。防砂節(jié)流閥采用籠套對沖式油嘴，硬質(zhì)合金油嘴上對稱小孔產(chǎn)生節(jié)流效果，對稱的流體自外向內(nèi)相互碰撞，并在油嘴內(nèi)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(shù)。流體在砂筒的濾網(wǎng)內(nèi)完成濾砂，因此濾砂的關(guān)鍵技術(shù)是壓差監(jiān)控和濾網(wǎng)密度選擇。

高強(qiáng)度復(fù)合濾網(wǎng)的額定壓差是2.5MPa，最大破拉強(qiáng)度是10MPa，為保護(hù)濾網(wǎng)，讓除砂器保持最佳工作狀態(tài)，需時(shí)刻關(guān)注濾網(wǎng)內(nèi)外壓差的變化。105MPa雙筒除砂器兩個(gè)濾筒共用1套壓差監(jiān)控系統(tǒng)，壓差顯示儀表由機(jī)械式和電子式組成，滿足現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控使用。

濾網(wǎng)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(shù)越大濾砂效果越好，但受出砂量、流體黏度影響，濾網(wǎng)滿載的幾率也越大，一般砂筒配200微米的濾網(wǎng)，另外有300～800微米規(guī)格供選擇，可根據(jù)之前測錄井資料和前期實(shí)測數(shù)據(jù)合理選擇。

1.4.3 排砂技術(shù)。該雙筒除砂器設(shè)計(jì)有砂筒頂部提濾網(wǎng)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(wǎng)底部，濾網(wǎng)底部裝有可拆卸的堵板，當(dāng)工作筒壓差接近2.5MPa時(shí)，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(jī)構(gòu)輔助下提出濾網(wǎng)，清洗干凈后重新裝入。當(dāng)出砂量較大且大小均勻時(shí)，可拆除濾網(wǎng)底部堵板，讓砂粒直接通過砂筒底部的管匯直接排出，調(diào)節(jié)防砂節(jié)流閥的開度，控制濾網(wǎng)壓差，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)直接排砂。

2 工業(yè)應(yīng)用

2013年1～4月，在重慶焦石壩鎮(zhèn)焦頁3-2HF井對該105MPa雙筒除砂器進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，累計(jì)完成作業(yè)時(shí)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(jīng)現(xiàn)場調(diào)試后完成地面流程連接，整體試壓105MPa，穩(wěn)壓30min，無壓降。在流體黏度低于30厘泊下，將裝入合適濾網(wǎng)的除砂器接入流程，隨著井口流體的經(jīng)過，濾網(wǎng)壓差表壓差值不斷上升，在壓差2.2MPa時(shí)，切換濾筒，提出濾網(wǎng)，清理出壓裂砂、鉆屑等固相雜質(zhì)，下游流程中砂粒磨損的響聲明顯減弱。在施工作業(yè)中，累計(jì)排液20000多方，施工作業(yè)中最高壓力52MPa，最大排量0.65m3/min，從作業(yè)數(shù)據(jù)和使用情況來看，整套設(shè)備性能優(yōu)越，控制操作方便、可靠，壓差系統(tǒng)精準(zhǔn)可靠，管匯各處密封沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，能適應(yīng)油田作業(yè)工況。

3 結(jié)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(shù)上取得的歷史性成果，填補(bǔ)了國內(nèi)高壓力、高排沙井油氣測試除砂設(shè)備的空白，同時(shí)，國產(chǎn)除砂器可替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，抑制進(jìn)口價(jià)格，縮短供貨、配件供應(yīng)和維修周期，為頁巖氣、深海油氣等非常規(guī)資源的開發(fā)提供了保障。

參考文獻(xiàn)

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

（責(zé)任編輯：周 瓊）