天然气井口旋流除砂器的应用探讨
刘长艳028-6018963
（四川四维工程设计有限公司，成都，610051）
摘要：天然气井出砂问题日趋严重，在天然气井口安装除砂器，可保证井口下游地面设备正常运行。旋流除砂器用于井口除砂，占地面积小、安装方便、运行费用低、使用方便灵活，能够连续、可靠地完成分离任务。本文对我国现有气井旋流除砂装置、超高压旋流除砂装置、强制流式天然气井口除砂器以及国外典型井口除砂器的应用现状及特点进行了探讨，指出了天然气井口除砂器应向高压、高效、环保、稳定、自动化方向发展。
关键词：天然气井口；除砂；旋流除砂器
引言
随着我国天然气田开采不断深入，气井出砂问题日趋严重，对地面集输及处理系统造成了很大的危害。如引起下游管线、节流管汇、三相分离器、加热炉等地面设备堵塞、腐蚀，增加设备、管线清砂和维修工作量，危害人体健康，污染环境等一系列问题。在天然气井口安装除砂器，有效地除去天然气中砂砾，将能很好地保护下游设备。但是，由于井口压力高，介质复杂，流体多变，井口除砂比集气站、计量站，接转站除砂更困难。井口除砂器通常要服务于多口井，多个气田，各个气田甚至同一气田的不同井之间出砂浓度，砂砾尺寸都不尽相同，井口除砂器操作条件及使用性能上应更具有广泛适应性[1]。
旋流分离技术由于其设备结构简单、占用空间较小、成本低、维护简单、能耗低且高效、环保，在工作过程中能够灵活、连续、可靠地完成分离任务，具备一定的自动性和稳定性，因而日益引起国际石油工程技术界的广泛关注
[2]。目前，井口除砂器在陆上和海上已经安装有100多台，设计压力等级从ANSI Class150到API 6A 20Kpsi 不等，在重油井、凝析油井、高压井、以及气井中广泛采用[3]。我国从上世纪90年代才开始接触旋流设备，国内多个高校及研究院所进行了文献收集、基础理论研究、新型设备开发等工作，并己经取得了一些成绩。但是，目前国内用于天然气井口除砂的设备还鲜有报道，用于作者简介：
井口的除砂设备种类较多，但差异较大，所以有必要对国内外天然气井口除砂器应
现状进行总结分析，找出我国现有天然气除砂器的优缺点，为下一步天然气除砂器的设计研究提供方向。
1国内天然气井口旋流除砂设备应用现状
1.1气井旋流除砂器
新疆石油勘察设计研究院研发的气井旋流除
砂装置处理气量5-15×10m /d，处理液量10-60
m 3/d，设计压力42Mpa,设计温度-10℃—40℃，对
粒径大于54μm砂粒脱除率≥90%。装置采用橇装
化设计，将两台天然气除砂器以及阀门管件等设备
组成一体。该类型除砂器通过耳式支座固定在撬体
上，气体由斜切接管进入，在除砂器旋流段圆柱腔
完成固液气三相分离，分离后气体由顶部法兰流
出，固体砂砾落入除砂器下部锥形集砂腔内，在集
砂腔上方设有溢流口，当液体储存到溢流位置时由
溢流口排出，结构如图1所示。当需要排砂时，切
断进气口气流，打开排气管线上放空阀及排砂口阀
门后，固体砂粒及少量液体在自重作用下排出。为
防止砂砾冲击磨损器壁，在天然气进口磨损最严重
的地方，采用了耐磨陶瓷衬里。
该装置结构紧凑，易于安装运输，当一口气43井出砂完毕后可以直接拉运到其他气井重复使用；设备内部无旋流件，依靠入口倾角（接管与地面成27度夹角）将气流变成切向向下的旋转流，旋转流在除砂器圆柱腔完成离心分离过程；集砂装置直接设计在圆柱腔下部，减少了专用集砂筒。该设备的不足之处为无法根据介质流量和分级粒度调整旋转流，除砂效率不稳定。设备未开设洗砂口，砂砾及少量油污无法排净。采用手动排砂，
在井口压力较大时，工人劳动强度较大。在放空、排砂过程中，介质直接排放作者简介：
到大气，有一定安全隐患。装置需两台设备并联，一用一备保证井口连续正常作业。
1.2超高压旋流除砂器
武汉海王研发的超高压旋流除砂装置具有油、气、水、砂多相分离功能，最大处理气量99×104m 3/d，处理液量365m 3/d，分级粒度0.1mm，最高工作压力140Mpa，工作温度-29℃—121℃，允许最大压降0.5Mpa。该装置将两台超高压旋流除砂装置安装固定在框架中，可在非除砂工况、单级除砂工况、双级除砂工况使用。
超高压旋流除砂器由端盖、除砂
筒、集砂筒、排砂管，旋流筒、防冲
筒和卡箍等组成，如图2所示。除砂
筒上、下错位布置井流进口和出口，
除砂筒内腔嵌置防冲筒和旋流筒，旋
流筒内壁涂覆耐磨陶瓷层。在除砂作
业时，井流切向射入旋流筒，在离心
力作用下实现旋流分离。除砂后的井
流向上经过除砂筒出口流向下游。井
流中的砂粒及部分油、水经过旋流筒
的沉砂口落入集砂筒，当油、水充满
集砂筒后，井流中液相介质从溢流管
流出。当需要进行排砂作业时，关闭
除砂筒的井流进口，将筒体内压力降
至许用值后开启高压喷头和排砂管段
上的控制阀，高压水从集砂筒内腔底部射入筒体，在筒体内压力的作用下，砂水混合物经排砂口排出。
该装置除具有结构紧凑，易于安装运输特点外，能够在超高压力、强腐蚀环境下有效进行井流除砂作业；旋流筒可拆卸，安装固定在厚壁的除砂筒内部，可以根据介质流量和分级粒度的要求灵活更换；集砂筒内腔底部高压喷头可以喷射高压水冲砂，进行自动排砂作业，排砂效率高，人工作业劳动强度
低；但因集砂筒与除砂筒连成一体，单台设备无法保证井口连续正常作业。
1.3强制流式天然气井口除砂器
青海涩北一号气田应用的井口旋流除砂器，其工作原理是强制改变携砂流体的流向将直线形式转变为螺旋形式，使流体产生旋转流场，在离心力及重力的联合作用下，密度相对较大的砂粒被分离并进入沉砂口袋，达到砂粒与气水自动分离的目的，工作原理见图3所示[4]
。
1-法兰压盖2-本体3-分离组件4-沉砂筒5-精密过滤筒
6-堵头7-高压连接管8-法兰盲板
图3强制流式天然气井口除砂器
由于涩北气田出砂以细粉砂为主，平均粒度0.04-0.07mm，防砂难度极大，故该套设备在本体安装螺旋形组件强制流体以螺旋形式流动，并在气体出旋流器之前引入精密过滤筒，用于收集分离后的超细粉砂。实践表明该设备能够适用于涩北气田的细粉砂，还能够相应减缓气井出砂对地面设备所造成的损害，除砂效果良好，并且重复利用率高。通过出砂在线监测，强制流式天然气除砂器除砂率为83%，4个月累计除砂67.04kg。但该设备受沉砂筒体积限制，沉砂筒内积砂达到饱和后，不能够完全除砂；设备不能自动排砂，且容积较小，设备开关频繁，工作人员工作强度较大。
2国外天然气井口旋流除砂器应用现状
国外旋流除砂系统的研究始于20世纪60年代，但是直到1996年，旋流除砂器才被正式用于井口除砂，该台除砂器设计压力为70Mpa,处理液量2400m 3/d，处理气量30×105m 3/d,处理砂砾浓度为2.85Kg/m 3,分离15μm以上砂砾效率在95%-98%之间。
图4国外旋流除砂装置
典型的国外油气田使用的除砂器主要由旋流器和接在其下面的集砂筒组成，除砂器进出口接法兰，在旋流器内部安装可拆卸旋流筒，集砂筒为带储存空间的空罐，旋流器和集砂筒之间接闸阀开关，如图4所示。正常作业时，含砂气流切向进入旋流筒，固体颗粒在旋流筒壁面螺旋运动，经2-3秒钟后经旋流器下方闸阀流入集砂筒，集砂筒收集分离出来的砂砾及少量液体。排砂作业时，旋流器下方闸阀关闭，集砂筒压力放空，高压水流进入集砂筒进行清洗及排砂作业。因旋流器具有一定的储砂功
能，在排砂过程中除砂器可以连续除砂作
业。整套装置将砂砾分离、收集、清洗与
排放集成一体，且砂砾污水及放空气收集
在专用排污罐中。
国外哈里伯顿(HALLIBURTON)、斯伦
贝谢(SCHLUMBERGER)、EPROCESS公司除
砂器均采用此类型除砂器，设计压力高
达105Mpa，处理气量0-56×10m /d,处
理液量0-2400m 3/d，除砂器内部配备了
2in.至10in.多种不同规格旋流筒，如图
5所示。允许天然气或原油中含砂量达5%
（体积分数），分离5-50μm的砂砾效率达
99%。
53图5不同规格旋流筒
以上类型井口除砂器可同时满足天然气井场以及原油的分离除砂，介质处理量大，操作性强；介质适应高压、高硫化氢腐蚀环境，同时能够实连续除砂，间断排砂功能；另外，同一旋流器配备了不同结构尺寸旋流筒，根据介质处理量及分级粒度灵活更换。该类型井口旋流除砂器目前在气田、油田、陆上、海上均有使用。
3结论
除砂器是保证天然气井场设备长期安全运行的关键设备之一，除砂分离技术作为一种高效低成本的分离技术，是石油工业新型分离技术的热点。我国现有天然气除砂器主要有以下特点：
（1）以单体设备为主，需在井场配备两台设备，一用一备来保证井场的连续正常作业，设备自动化程度不高，人工劳动强度较大；
（2）开发产品针对性较强，功能较为单一。用于天然气除砂时，满足处理气量的条件下对液体处理量较小，在流体多变情况下，介质适应性不强；
（3）除砂效率偏低，分级粒度较大。除砂效率基本维持在90%左右，分级粒度在50μm上下，即使针对细粉砂开发的强制流式天然气井口除砂器分级粒度也偏大；
综上，我国已经开发了多种形式的除砂器，天然气井口旋流除砂水平已有很大提高，设计产品也逐渐向高压、高效、环保、稳定、自动化方向发展，但仍处于探索和发展阶段，还需不断优化除砂器结构，简化工艺流程，将砂砾分离、收集、清洗与排放集成一体。
参考文献
[1]桑义敏，陈家庆.油气田系统除砂技术探讨[J].石油化工安全环保技术，
2007.23(4)：5-10
[2]蒋巍.新型固-液水力旋流器结构设计及分离性能研究[D].大庆石油学院，
2005:7
[3]Hank Rawlins.Sand Management Methodologies for Sustained
Facilities Operations [J],Oil and Gas Facilities,2013.10:28-34.
[4]康瑞鑫，冯胜利.新涩试4井井口旋流除砂器应用效果分析[J].青海石油，
2014.32(1)：43-46
天然气井口旋流除砂器的应用探讨
刘长艳028-6018963
（四川四维工程设计有限公司，成都，610051）
摘要：天然气井出砂问题日趋严重，在天然气井口安装除砂器，可保证井口下游地面设备正常运行。旋流除砂器用于井口除砂，占地面积小、安装方便、运行费用低、使用方便灵活，能够连续、可靠地完成分离任务。本文对我国现有气井旋流除砂装置、超高压旋流除砂装置、强制流式天然气井口除砂器以及国外典型井口除砂器的应用现状及特点进行了探讨，指出了天然气井口除砂器应向高压、高效、环保、稳定、自动化方向发展。
关键词：天然气井口；除砂；旋流除砂器
引言
随着我国天然气田开采不断深入，气井出砂问题日趋严重，对地面集输及处理系统造成了很大的危害。如引起下游管线、节流管汇、三相分离器、加热炉等地面设备堵塞、腐蚀，增加设备、管线清砂和维修工作量，危害人体健康，污染环境等一系列问题。在天然气井口安装除砂器，有效地除去天然气中砂砾，将能很好地保护下游设备。但是，由于井口压力高，介质复杂，流体多变，井口除砂比集气站、计量站，接转站除砂更困难。井口除砂器通常要服务于多口井，多个气田，各个气田甚至同一气田的不同井之间出砂浓度，砂砾尺寸都不尽相同，井口除砂器操作条件及使用性能上应更具有广泛适应性[1]。
旋流分离技术由于其设备结构简单、占用空间较小、成本低、维护简单、能耗低且高效、环保，在工作过程中能够灵活、连续、可靠地完成分离任务，具备一定的自动性和稳定性，因而日益引起国际石油工程技术界的广泛关注
[2]。目前，井口除砂器在陆上和海上已经安装有100多台，设计压力等级从ANSI Class150到API 6A 20Kpsi 不等，在重油井、凝析油井、高压井、以及气井中广泛采用[3]。我国从上世纪90年代才开始接触旋流设备，国内多个高校及研究院所进行了文献收集、基础理论研究、新型设备开发等工作，并己经取得了一些成绩。但是，目前国内用于天然气井口除砂的设备还鲜有报道，用于作者简介：
井口的除砂设备种类较多，但差异较大，所以有必要对国内外天然气井口除砂器应
现状进行总结分析，找出我国现有天然气除砂器的优缺点，为下一步天然气除砂器的设计研究提供方向。
1国内天然气井口旋流除砂设备应用现状
1.1气井旋流除砂器
新疆石油勘察设计研究院研发的气井旋流除
砂装置处理气量5-15×10m /d，处理液量10-60
m 3/d，设计压力42Mpa,设计温度-10℃—40℃，对
粒径大于54μm砂粒脱除率≥90%。装置采用橇装
化设计，将两台天然气除砂器以及阀门管件等设备
组成一体。该类型除砂器通过耳式支座固定在撬体
上，气体由斜切接管进入，在除砂器旋流段圆柱腔
完成固液气三相分离，分离后气体由顶部法兰流
出，固体砂砾落入除砂器下部锥形集砂腔内，在集
砂腔上方设有溢流口，当液体储存到溢流位置时由
溢流口排出，结构如图1所示。当需要排砂时，切
断进气口气流，打开排气管线上放空阀及排砂口阀
门后，固体砂粒及少量液体在自重作用下排出。为
防止砂砾冲击磨损器壁，在天然气进口磨损最严重
的地方，采用了耐磨陶瓷衬里。
该装置结构紧凑，易于安装运输，当一口气43井出砂完毕后可以直接拉运到其他气井重复使用；设备内部无旋流件，依靠入口倾角（接管与地面成27度夹角）将气流变成切向向下的旋转流，旋转流在除砂器圆柱腔完成离心分离过程；集砂装置直接设计在圆柱腔下部，减少了专用集砂筒。该设备的不足之处为无法根据介质流量和分级粒度调整旋转流，除砂效率不稳定。设备未开设洗砂口，砂砾及少量油污无法排净。采用手动排砂，
在井口压力较大时，工人劳动强度较大。在放空、排砂过程中，介质直接排放作者简介：
到大气，有一定安全隐患。装置需两台设备并联，一用一备保证井口连续正常作业。
1.2超高压旋流除砂器
武汉海王研发的超高压旋流除砂装置具有油、气、水、砂多相分离功能，最大处理气量99×104m 3/d，处理液量365m 3/d，分级粒度0.1mm，最高工作压力140Mpa，工作温度-29℃—121℃，允许最大压降0.5Mpa。该装置将两台超高压旋流除砂装置安装固定在框架中，可在非除砂工况、单级除砂工况、双级除砂工况使用。
超高压旋流除砂器由端盖、除砂
筒、集砂筒、排砂管，旋流筒、防冲
筒和卡箍等组成，如图2所示。除砂
筒上、下错位布置井流进口和出口，
除砂筒内腔嵌置防冲筒和旋流筒，旋
流筒内壁涂覆耐磨陶瓷层。在除砂作
业时，井流切向射入旋流筒，在离心
力作用下实现旋流分离。除砂后的井
流向上经过除砂筒出口流向下游。井
流中的砂粒及部分油、水经过旋流筒
的沉砂口落入集砂筒，当油、水充满
集砂筒后，井流中液相介质从溢流管
流出。当需要进行排砂作业时，关闭
除砂筒的井流进口，将筒体内压力降
至许用值后开启高压喷头和排砂管段
上的控制阀，高压水从集砂筒内腔底部射入筒体，在筒体内压力的作用下，砂水混合物经排砂口排出。
该装置除具有结构紧凑，易于安装运输特点外，能够在超高压力、强腐蚀环境下有效进行井流除砂作业；旋流筒可拆卸，安装固定在厚壁的除砂筒内部，可以根据介质流量和分级粒度的要求灵活更换；集砂筒内腔底部高压喷头可以喷射高压水冲砂，进行自动排砂作业，排砂效率高，人工作业劳动强度
低；但因集砂筒与除砂筒连成一体，单台设备无法保证井口连续正常作业。
1.3强制流式天然气井口除砂器
青海涩北一号气田应用的井口旋流除砂器，其工作原理是强制改变携砂流体的流向将直线形式转变为螺旋形式，使流体产生旋转流场，在离心力及重力的联合作用下，密度相对较大的砂粒被分离并进入沉砂口袋，达到砂粒与气水自动分离的目的，工作原理见图3所示[4]
。
1-法兰压盖2-本体3-分离组件4-沉砂筒5-精密过滤筒
6-堵头7-高压连接管8-法兰盲板
图3强制流式天然气井口除砂器
由于涩北气田出砂以细粉砂为主，平均粒度0.04-0.07mm，防砂难度极大，故该套设备在本体安装螺旋形组件强制流体以螺旋形式流动，并在气体出旋流器之前引入精密过滤筒，用于收集分离后的超细粉砂。实践表明该设备能够适用于涩北气田的细粉砂，还能够相应减缓气井出砂对地面设备所造成的损害，除砂效果良好，并且重复利用率高。通过出砂在线监测，强制流式天然气除砂器除砂率为83%，4个月累计除砂67.04kg。但该设备受沉砂筒体积限制，沉砂筒内积砂达到饱和后，不能够完全除砂；设备不能自动排砂，且容积较小，设备开关频繁，工作人员工作强度较大。
2国外天然气井口旋流除砂器应用现状
国外旋流除砂系统的研究始于20世纪60年代，但是直到1996年，旋流除砂器才被正式用于井口除砂，该台除砂器设计压力为70Mpa,处理液量2400m 3/d，处理气量30×105m 3/d,处理砂砾浓度为2.85Kg/m 3,分离15μm以上砂砾效率在95%-98%之间。
图4国外旋流除砂装置
典型的国外油气田使用的除砂器主要由旋流器和接在其下面的集砂筒组成，除砂器进出口接法兰，在旋流器内部安装可拆卸旋流筒，集砂筒为带储存空间的空罐，旋流器和集砂筒之间接闸阀开关，如图4所示。正常作业时，含砂气流切向进入旋流筒，固体颗粒在旋流筒壁面螺旋运动，经2-3秒钟后经旋流器下方闸阀流入集砂筒，集砂筒收集分离出来的砂砾及少量液体。排砂作业时，旋流器下方闸阀关闭，集砂筒压力放空，高压水流进入集砂筒进行清洗及排砂作业。因旋流器具有一定的储砂功
能，在排砂过程中除砂器可以连续除砂作
业。整套装置将砂砾分离、收集、清洗与
排放集成一体，且砂砾污水及放空气收集
在专用排污罐中。
国外哈里伯顿(HALLIBURTON)、斯伦
贝谢(SCHLUMBERGER)、EPROCESS公司除
砂器均采用此类型除砂器，设计压力高
达105Mpa，处理气量0-56×10m /d,处
理液量0-2400m 3/d，除砂器内部配备了
2in.至10in.多种不同规格旋流筒，如图
5所示。允许天然气或原油中含砂量达5%
（体积分数），分离5-50μm的砂砾效率达
99%。
53图5不同规格旋流筒
以上类型井口除砂器可同时满足天然气井场以及原油的分离除砂，介质处理量大，操作性强；介质适应高压、高硫化氢腐蚀环境，同时能够实连续除砂，间断排砂功能；另外，同一旋流器配备了不同结构尺寸旋流筒，根据介质处理量及分级粒度灵活更换。该类型井口旋流除砂器目前在气田、油田、陆上、海上均有使用。
3结论
除砂器是保证天然气井场设备长期安全运行的关键设备之一，除砂分离技术作为一种高效低成本的分离技术，是石油工业新型分离技术的热点。我国现有天然气除砂器主要有以下特点：
（1）以单体设备为主，需在井场配备两台设备，一用一备来保证井场的连续正常作业，设备自动化程度不高，人工劳动强度较大；
（2）开发产品针对性较强，功能较为单一。用于天然气除砂时，满足处理气量的条件下对液体处理量较小，在流体多变情况下，介质适应性不强；
（3）除砂效率偏低，分级粒度较大。除砂效率基本维持在90%左右，分级粒度在50μm上下，即使针对细粉砂开发的强制流式天然气井口除砂器分级粒度也偏大；
综上，我国已经开发了多种形式的除砂器，天然气井口旋流除砂水平已有很大提高，设计产品也逐渐向高压、高效、环保、稳定、自动化方向发展，但仍处于探索和发展阶段，还需不断优化除砂器结构，简化工艺流程，将砂砾分离、收集、清洗与排放集成一体。
参考文献
[1]桑义敏，陈家庆.油气田系统除砂技术探讨[J].石油化工安全环保技术，
2007.23(4)：5-10
[2]蒋巍.新型固-液水力旋流器结构设计及分离性能研究[D].大庆石油学院，
2005:7
[3]Hank Rawlins.Sand Management Methodologies for Sustained
Facilities Operations [J],Oil and Gas Facilities,2013.10:28-34.
[4]康瑞鑫，冯胜利.新涩试4井井口旋流除砂器应用效果分析[J].青海石油，
2014.32(1)：43-46