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(shù)服務(wù)分公司，天津300283；2.渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，頁巖氣開發(fā)工廠化施工作業(yè)與日俱增，大型壓裂在頁巖氣開發(fā)中越來越重要。在頁巖氣壓裂后地面返排作業(yè)中，通過地面返排設(shè)備來進(jìn)行排液，在見氣之后立即倒入生產(chǎn)流程進(jìn)行輸氣作業(yè)。在返排作業(yè)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(yè)的難度，對返排作業(yè)工藝過程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對地面返排設(shè)備帶來損害。因此，開展除砂工藝研究工作十分必要和關(guān)鍵，本文主要對除砂器的設(shè)計和數(shù)值模擬相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。

1 旋流除砂器結(jié)構(gòu)初步設(shè)計

返排作業(yè)過程中，返排液的成分比較復(fù)雜，操作介質(zhì)具有壓力高、流速快等特點，如果直接利用現(xiàn)有的濾網(wǎng)式除砂器進(jìn)行比例縮放分析，不符合實際需求。因此，下文針對具體的現(xiàn)場操作介質(zhì)的特點，進(jìn)行針對性的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計，在整個設(shè)計前期，需要充分考慮結(jié)構(gòu)尺寸對于壓力降和生產(chǎn)效率等的影響，因此本次設(shè)計首先對旋流器的基本尺寸進(jìn)行確定，然后根據(jù)模型計算，對各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。

以單位時間(h)內(nèi)處理能力100m3返排液的旋流器為例，根據(jù)現(xiàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

旋流除砂器的結(jié)構(gòu)參數(shù)看似簡單，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的變化，對于內(nèi)部的介質(zhì)除砂能力和效率均產(chǎn)生較大的影響，旋流除砂器的結(jié)構(gòu)情況會決定介質(zhì)在內(nèi)部流動時的流動狀態(tài)、停留時間和具體流體特性。根據(jù)實際操作情況，下文主要借助計算模擬軟件對相關(guān)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，以期優(yōu)化選擇最佳的尺寸組合，獲得結(jié)構(gòu)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(jìn)口做相應(yīng)的假設(shè)和簡化，采用六面體模型單元分塊劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而建立幾何模型。在模擬計算過程中，流體流動的狀態(tài)選擇雷諾應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)函數(shù)模型，介質(zhì)在管壁處不存在滑移情況。

2.2 介質(zhì)參數(shù)輸入。

根據(jù)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(zhì)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(yōu)化

分別選擇3種截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化模擬，分別為8×10，10×17及12×17。(單位mm)。根據(jù)旋流除砂器的截面尺寸對于分離效率和壓力降的影響數(shù)據(jù)情況，可以看出分離效率和壓力降的變化規(guī)律基本類似，隨著入口截面積的變化而變化，呈現(xiàn)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(yōu)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(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，分別為20、22、24。(單位mm)。根據(jù)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(shù)據(jù)情況，可以看出分離效率和壓力降的變化規(guī)律基本類似，隨著溢流管直徑的變化而變化，基本呈現(xiàn)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(xiàn)負(fù)相關(guān)規(guī)律。因此，根據(jù)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(shù)模擬優(yōu)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(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)情況。

根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(yōu)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(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)情況。

根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(yōu)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(jié)語

頁巖氣開發(fā)過程中，采用大型工廠化壓裂施工工藝提高產(chǎn)氣量，但壓裂后，會導(dǎo)致返排液中存在大量的壓裂砂成分，對地面返排作業(yè)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p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(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、模型優(yōu)化計算，通過此方式可以獲得效果最佳的旋流除砂器。