CN111608636A - 一种海上天然气气井井口除砂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上天然气气井井口除砂装置。所述井口除砂装置包括稳流管路、富气出口管路和收砂筒；稳流管路与惯性迁移段沿直线相连通，惯性迁移段与分离室相连通，分离室分别与富气出口管路和收砂筒连通；分离室与惯性迁移段垂直设置，分离室与收砂筒沿直线连通；富气出口管路与分离室和稳流管路均垂直设置；收砂筒与分离室沿直线连通；稳流管路和富气出口管路上均设有取压口。本发明合理的利用了井口来气自身的压力及气液两相与固相砂粒的惯性差，整个分离过程具有高效性和低能耗性。本发明井口除砂装置的结构简单，无复杂内构件，为之后的设备保养和修理提供了便利。
Description
技术领域
本发明涉及一种海上天然气气井井口除砂装置，属于油气集输系统多相分离技术领域。
背景技术
在石油天然气的生产过程中，天然气气井出砂现象非常普遍。砂粒随着高速流动的天然气一起流入地面集输管网，在气流方向改变时，高速运动的砂粒会对设备、阀门、管线等造成冲蚀磨损，尤其在管线弯头处经常出现磨穿刺漏现象，对生产工艺体系及生产设备产生了严重的影响。增加生产风险、生产成本的同时降低了生产能力，干扰了污水系统处理效果等。因此，控砂和防砂已经成为油气集输流动保障技术需要解决的关键问题。
典型的控砂、防砂方法包括井底过滤、井口除砂和站场除砂。井底除砂最常用的方法为过滤法，该方法虽然简单，但对滤网有很高的要求，如适用范围的选择要求高，滤网的更换周期要比较长，不可频繁更换滤网，影响生产；站场除砂通常用的设备为分离器，如果在前期不加处理便将含砂天然气直接输送到站场，不仅会造成站场与井口之间管路、设备的严重磨损，带来严重的经济损失。也会加重站场内分离器的分离负担，降低油气分离效率，增加污水处理系统成本。所以，在海上气田生产环节中，设法在喷嘴上游安装井口设备，从源头上除砂、控砂是保障海管输运安全的一种经济有效的方法。目前陆上气井常用的除砂设备包括重力沉降除砂、多孔介质过滤除砂和离心分离除砂，在各自的应用领域发挥重要的作用。但是考虑到占地、分砂粒度、耗能等因素，这些设备不能直接移植到海上气田井口。
目前除砂器产品大多数以单体设备为主，针对性强，功能单一，介质适应性不强，不能突破狭小空间内作业的瓶颈，难以应用到海洋气井上。因此，研发具有紧凑性、封闭性、简洁性和高效性特点的除砂器对于保障天然气井场特别是海上天然气井场和下游的安全输送具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种海上天然气气井井口除砂装置，具有结构紧凑，占地面积小，分离效率高等优点，可以很好的分离天然气所含的砂砾，保护下游设备的安全与稳定。
本发明所提供的海上天然气气井井口除砂装置，包括稳流管路、分离室、富气出口管路和收砂筒；
所述稳流管路与惯性迁移段沿直线相连通，所述惯性迁移段与所述分离室相连通，所述分离室分别与所述富气出口管路和所述收砂筒连通；
所述分离室与所述惯性迁移段垂直设置，所述分离室与所述收砂筒沿直线连通；
所述富气出口管路与所述分离室和所述稳流管路均垂直设置；
所述收砂筒与所述分离室沿直线连通；
所述稳流管路和所述富气出口管路上均设有取压口，用于测定入口压力以及过流压降，从而确定其工作压力是否安全及装置能耗大小。
上述的井口除砂装置中，所述稳流管路通过支撑导轨水平设置；
所述稳流管路的多相入口通过法兰与天然气气井井口的来气管线连接；
所述稳流管路的长度可以连续调节，以适应生产中的不同工况；
所述富气出口管路通过法兰与下游管线连接。
上述的井口除砂装置中，沿气流方向，所述取压口设于所述稳流管路和所述富气出口管路的末端，用于检测所述井口除砂装置的进出口压力及压降。
上述的井口除砂装置中，所述分离室通过法兰分别与所述收砂筒和所述富气出口管路连接；
上述的井口除砂装置中，所述分离室的直径可根据工况不同选择不同规格尺寸。
上述的井口除砂装置中，所述惯性迁移段与所述分离室的连接位置处形成T型管(一端封闭)或弧形弯头。
上述的井口除砂装置中，所述收砂筒的末端为出砂口，靠近所述出砂口处设于阀门，处于常闭状态，排砂流程时，打开所述阀门，进行排砂。
本发明除砂装置主要是利用多相流流经T型管之后发生相分布不均的原理进行气液固三相分离。
本发明井口除砂装置工作过程如下：
工作前，利用支撑导轨将所述稳流管路调整至水平状态，含砂天然气通过所述稳流管路的多相入口进入所述稳流管路中，在所述稳流管路内运动发展稳定，实现初步的气液固三相预分离。含砂天然气经所述稳流管路之后到达所述惯性迁移段，经过T 型管后进入所述分离室，在所述分离室中重质相(液固两相)惯性力远大于气相，保持原有的运动状态，沿主管线进入收砂筒，液相夹带固相在所述收砂筒内停留，实现固相的沉降及置换。轻质的气体改变运动状态，经过所述富气出口管路，进入到下游管线。连续运行一段时间后，当所述收砂筒内固体含量达到所述收砂筒总体积的4/5 时，停产，走旁通管线，打开所述出砂口，进行排砂流程。排砂完成后关闭所述出砂口，恢复运行。
本发明井口除砂装置具有如下有益效果：
(1)本发明井口除砂装置的结构紧凑，占地面积小，可以很好地适应海洋气田的苛刻工作环境。
(2)本发明井口除砂装置可通过法兰与上下游管线连接，整个装置相对密封，可以很好地分离天然气中所含砂砾的同时，减少能量的损失。
(3)本发明通过在多相入口后设置稳流管路，有效的减轻了砂砾对设备造成的高速冲刷伤害。
(4)本发明合理的利用了井口来气自身的压力及气液两相与固相砂粒的惯性差，整个分离过程具有高效性和低能耗性。
(5)本发明井口除砂装置的结构简单，无复杂内构件，为之后的设备保养和修理提供了便利。
(6)本发明稳流管路、惯性迁移段、分离室的尺寸均可调节，可以适应不同的工况。
附图说明
图1为本发明井口除砂装置的主视图。
图2为本发明井口除砂装置的俯视图。
图3为本发明井口除砂装置的右视图。
图4为本发明井口除砂装置中惯性迁移段与分离室的两种连接形式展示图，其中，图4(a)为T型管连接，图4(b)为弧形弯头连接。
图5为本发明井口除砂装置的等轴侧图，其中，图5(a)为惯性迁移段与分离室连接形成T型管时的示意图，图5(b)为惯性迁移段与分离室连接形成图弧形弯头时的示意连接。
图6为本发明井口除砂装置的工作过程模拟图。
图7为本发明井口除砂装置的结构优化对比图，其中，图7(a)为分离室位置优选，图7(b)为出口管路与入口管路夹角优选。
图8为本发明井口除砂装置试验样机不同流速下的除砂效果图，其中，图8(a) 为液速为0.004m/s时该装置的除砂效率，图8(b)为液速为0.006m/s时该装置的除砂效率。
其中，图中各标记如下：
1多相入口、2-1，2-1，2-3取压口、3稳流管路、4富气出口管路、5惯性迁移段、6收砂筒、7富气出口、8分离室、9出砂口、10阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1-图5所示，为本发明海上天然气气井井口除砂装置的结构示意图，包括稳流管路3、分离室8、富气出口管路4和收砂筒6。稳流管路3与惯性迁移段4沿直线相连通，两者通过法兰连接，稳流管路3的多相入口1通过法兰与天然气气井井口的来气管线连接，稳流管路3可通过支撑导轨水平设置。惯性迁移段5与分离室8相连通，两者的连接处可形成T型管，如图4(a)和图5(a)所示，两者的连接处还可形成弧形弯头，如图4(b)和图5(b)所示。分离室8分别与富气出口管路4和收砂筒 6连通，且分离室8与收砂筒6沿直线连通(两者通过法兰连接)，富气出口管路4与分离室8和稳流管路4均垂直设置。收砂筒6的末端为出砂口9，靠近出砂口9处设于阀门10，处于常闭状态，排砂流程时，打开阀门10，进行排砂。
本发明海上天然气气井井口除砂装置中，沿气流方向，取压口2-1(2-2和2-3)设于稳流管路3和富气出口管路4的末端，用于检测井口除砂装置的进出口压力及压降。
本发明海上天然气气井井口除砂装置中，稳流管路4的长度可以连续调节，以适应生产中的不同工况；惯性迁移段5的长度及形状可根据工况变化，采用弧形弯头连接分离室8可减少砂粒二次回流(从颗粒群运动轨迹可以分析，大粒径颗粒动量较大，在封头处发生碰撞，运动方向改变，易发生二次回流，设定弧形弯头可避免这种现象发生)；分离室8可根据不同工况选择不同规格尺寸。
本发明海上天然气气井井口除砂装置的工作过程的模拟图如图6所示，具体为：
工作前，多相入口1调整至水平状态，含砂天然气通过多相入口1进入稳流管路 3，在稳流管路3运动发展稳定，实现初步的气液固三相预分离。含砂天然气经稳流管路(3)之后到达惯性迁移段5，经过T型管或弧形弯头后进入分离室8，在分离室8 中重质相(液固两相)惯性力远大于气相，保持原有的运动状态，沿主管线进入收砂筒6，液相夹带固相在收砂筒6内停留，实现固相的沉降及置换。轻质的气体改变运动状态，经过富气出口管路4，进入到下游管线。连续运行一段时间后，当收砂筒6 内固体含量达到收砂筒6总体积的4/5时，停产，走旁通管线，打开出砂口9，进行排砂流程。排砂完成后关闭出砂口9，恢复运行。
对本发明除砂装置的结构参数进行Fluent模拟优化及分离效率实验测试，结果如图7和图8所示，表明本发明装置对粒径超过163μm的砂粒实现有效分离，分离效率高于90％。
Claims (6)
1.一种海上天然气气井井口除砂装置，包括稳流管路、富气出口管路和收砂筒；
所述稳流管路与惯性迁移段沿直线相连通，所述惯性迁移段与分离室相连通，所述分离室分别与所述富气出口管路和所述收砂筒连通；
所述分离室与所述惯性迁移段垂直设置，所述分离室与所述收砂筒沿直线连通；
所述富气出口管路与所述分离室和所述稳流管路均垂直设置；
所述收砂筒与所述分离室沿直线连通；
所述稳流管路和所述富气出口管路上均设有取压口。
2.根据权利要求1所述的井口除砂装置，其特征在于：所述稳流管路通过支撑导轨水平设置；
所述稳流管路的多相入口通过法兰与天然气气井井口的来气管线连接；
所述富气出口管路通过法兰与下游管线连接。
3.根据权利要求1或2所述的井口除砂装置，其特征在于：沿气流方向，所述取压口设于所述稳流管路和所述富气出口管路的末端。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的井口除砂装置，其特征在于：所述分离室通过法兰分别与所述收砂筒和所述富气出口管路连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的井口除砂装置，其特征在于：所述惯性迁移段与所述分离室的连接位置处形成T型管或弧形弯头。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的井口除砂装置，其特征在于：所述收砂筒的末端为出砂口，靠近所述出砂口处设于阀门。
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