CN114737931B - 一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法，属于页岩气、天然气除砂装置技术领域；该系统包括除砂罐，所述除砂罐的下部设置有进气口，所述除砂罐的上部设置有出气口，所述除砂管的底部还设置有排污口；所述进气口和出气口设置有用于控制压力的控制组件；本发明的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法利用在除砂罐的进气口和出气口处设置控制组件有效的控制进气压力和出气压力，通过进出气压力的控制来实现天然气或者页岩气在除砂罐内的停留时间以及流速，从而实现更好的除砂效果，尤其是在气体含量量不等以及气体量不等的情况，进一步的提高了天然气或者页岩气的除砂效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法，属于页岩气、天然气除砂装置技术领域。
背景技术
井口天然气大量含砂一直是困扰油气开采及集输的重要问题之一，它的压力高、含砂量大，对输送管道、阀门等管道元件造成严重的磨蚀，不仅降低设备处理的能力，甚至容易造成工艺设备和管道的堵塞，给管线和系统造成极大的安全隐患。页岩气开发工艺又多以加砂压裂工艺，这就更加剧了井口天然气含砂量，给后续装置提出了严峻的挑战。现阶段采气工艺设置会先在井口附近对初采气进行除砂预处理，目前天然气开采中的除砂设备主要是旋流除砂器和过滤除砂器两种。
旋流式除砂器多为立式结构，是利用离心原理将不同密度的砂粒与油气分离除去，但是旋流式除砂器的分离精度较低，脱除砂粒的精度只能达到60μm左右。
过滤除砂器是应用筛分技术，具有下列缺点: 1、分离精度低，只能达到100μm；2、卧式滤筒式除砂器的滤筒较小，单台设备天然气处理量较小，容砂量较小，现场操作维护工作量较大。
这两种常见的规除砂器共同存在以下问题：1、除砂器分离效率低（一般在0.25mm）；2、除砂效果不稳定性；3、采用人工出砂；4、无法实现不停产清砂。
在传统的技术中，以如下现有文件作为说明：
1、作为控制方面的设计，在传统结构具有设计：甲烷气回收系统以及回收控制方法，CN2015101903560,在具体的系统设计中，一方面在进口气端设置了电动阀以及气压传感器，但是在具体的设计上，其主要是应用于甲烷气体液化，以及在液化的过程中的气体回收再利用，该系统即为天然气（甲烷气）除砂后进一步的工艺；
2、作为除砂工艺之一，压裂放喷天然气不点火工艺方法和净化回收装置，CN201910559085X，该方案中的设计，其主要是采用传统的除砂器结合沉砂脱液分离装置的结构设计使得除砂效果更加，且在结构的设计上虽有压力和液位的设计，但是落实到具体的作用上，其为了保证罐体和管路的运行安全；
3、作为除砂工艺之二，一种页岩气丛式井集气平台工艺流程及方法，CN2019111388935，该结构的设计中也是为了提高除砂的效果，其结构的设计主要是利用旋流除砂器和过滤式除砂器的结合使用，当然，作为工艺流程而言，其也具有使得气体停留除砂装置内的时间增长，但是该结构的设计显得的更加复杂，不仅增加现场的安装空间，同时还提高了安装成本。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法，通过该结构的设计有效的能够提高天然气或者页岩气的除砂效果，并通过调节压力和流速从而有效的实现更高效果的除砂效果。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统，包括除砂罐，所述除砂罐的下部设置有进气口，所述除砂罐的上部设置有出气口，所述除砂罐的底部还设置有排污口；
所述进气口和出气口设置有用于控制压力的控制组件，通过控制组件控制天然气的流动。
进一步的，所述控制组件包括设置于进气口的进气控制组件和设置于出气口的出气控制组件。
进一步的，所述进气口通过进气管道连通介质入口，所述进气控制组件包括设置在所述进气管道上的进气电动阀以及用于测试管道内气体压力的进气压力传感器。
进一步的，所述出气口通过出气管道连通于介质出口，所述出气控制组件包括设置在所述出气管道上的出气电动阀以及用于测试管道内气体压力的出气压力传感器。
进一步的，还包括设置于除砂罐上的液位检测装置，所述排污口还连通有排污管，在所述排污管上还设置有排污电动阀。
进一步的，还包括设置于出气控制组件后端的气压控制组件，所述气压组件包括并网电动阀以及并网压力传感器。
进一步的，还包括给水系统，所述给水系统包括设置于除砂罐内用于清洗侧壁的环形幕布圈以及用于供水的给水泵，所述环形幕布圈通过给水管连通给水泵。
进一步的，所述除砂罐的底部还设置有冲砂进水口，所述冲砂进水口通过冲砂管道连通给水泵，所述给水管和/或冲砂管道上还设置有供水电动阀。
进一步的，还包括用于控制电动部件的控制终端。进一步的，所述除砂罐为旋流式除砂罐或者过滤式除砂罐。
一种除砂方法，采用上述的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统，包括以下步骤：
a、井口来源气经过进气管道进入到除砂罐内，在进气管道上，通过进气压力传感器检测进气管道的气压，并以此信号控制进气电动阀门的开度，使气体以目标压力进入到除砂罐内；
b、气体经过除砂罐进行除砂后，气体从出气口和出气管道流出，在出气管道上，通过出气压力传感器检测出气口的气压，并以此信号控制出气电动阀门的开度，同步控制进气电动阀门的开度，使出气口处气压保持在指定的气压范围内。
进一步的，在运行过程中，通过液位检测装置监控除砂罐内的液位；
当液位上升至设定值，或上升速度超过预设值，则排污电动阀以对应开度开启，同时对进气电动阀进行调节，降低开度，降低来源气压力；同时对出气电动阀进行调节，增加开度，降低出口气流速；
当液位低于设定值或上升缓慢或不上升，则对进气电动阀进行调节，增加开度，增加来源气压力；同时对出气电动阀进行调节，降低开度，增加出口气流速。
进一步的，当进气电动阀开度减小，排污电动阀开度调大，液位检测装置检测液面不下降，且出气电动阀在出气压力传感器的控制下开度增加，说明系统出现堵塞现象，则系统报警，同时开启给水泵及冲砂管道上的供水电动阀，从底部反冲除砂器内部沉沙，同时全开排污电动阀，消除堵塞；
当液位检测装置检测液面开始快速下降，则关闭冲砂管道上的供水电动阀，当液位检测装置检测液面低于预设值点时，开启给水管上的供水电动阀，通过环形幕布圈形成环形水幕进行补液，同时对罐体内壁进行冲洗。
进一步的，还包括根据排污电动阀的开启量及实际排砂效果，设置指定的时间间隔启动给水泵，定时对设备内壁进行冲洗，清除粘粘在设备内壁的沉沙。
进一步的，步骤b中，净化后的气体通过出气电动阀排出，并进入到后端的净化气管网，在并网前，通过并网压力传感器检测管道内的气压，并以此信号控制并网电动阀的开度，使气体以指定的净化气管网内的气压进行并网。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法利用在除砂罐的进气口和出气口处设置控制组件有效的控制进气压力和出气压力，通过进出气压力的控制来实现天然气或者页岩气在除砂罐内的停留时间以及流速，从而实现更好的除砂效果，尤其是在气体含量量不等以及气体量不等的情况，进一步的提高了天然气或者页岩气的除砂效果；
2、本发明的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法还有效的设计了除砂罐内液体的控制的相关组件，并结合设计了给水泵，考虑到砂子会堵住排污口，有效的解决了该技术问题，以及罐体内的液体液位使得气压变化而得以更加有效的控制，通过该结构的设计能够有效的实现整个系统的除砂效果，甚至能够有效的可达到除砂精度在50μm以下；
3、本发明的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法结合结构的设计和方法的设计有效的控制调节天然气的压力和流速，同时控制天然气（含杂质气体）在除砂器中的停留时间，增加分离效率，分离精度，配合我司高效除砂装置，可达到除砂精度在50μm以下，固液分离速度快效率高达到(1-20)x104m3/d的处理量，配合其他常规除砂器均可不同程度的提高除砂精度与除砂效率；同时本系统配合然气除砂装置（或气体净化装置）可在中控室远传操作，实现自动排砂，避免减少现场操作维护工作。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构示意图。
图中标记：1-除砂罐，2-进气口，3-出气口，4-排污口，5-进气电动阀，6-进气压力传感器，7-进气管道，8-出气管道，9-出气电动阀，10-出气压力传感器，11-液位传感器，12-引流管，13-排污管，14-排污电动阀，15-并网电动阀，16-并网压力传感器，17-环形幕布圈，18-给水泵，19-给水管，20-冲砂进水口，21-冲砂管道，22-供水电动阀，23-控制终端。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统，如图1所示，包括除砂罐1，所述除砂罐1的下部设置有进气口2，所述除砂罐1的上部设置有出气口3，所述除砂罐的底部还设置有排污口4；
所述进气口2和出气口3设置有用于控制压力的控制组件，通过控制组件控制天然气的流动。
在本实施例中，在结构的设计上，与传统的除砂系统不同的是，本设计采用的结构在除砂装置的进气口2和出气口3设置用于气压控制的控制组件，而在传统的结构设计中，控制组件通常是为了实现更安全的运行，作为明显不同的是，本结构的设计是有效的实现控制气体的流速和压力控制，其主要的目的是为了使气体能够在除砂罐1停留足够的时间以提高整个除砂的效果。当然作为更加安全以及更加自动化的操作，采用电控部件来实现更好的气压和流速控制，从而进一步降低现场操作人员。
在上述具体的描述基础上，作为更加具体的设计，所述控制组件包括设置于进气口2的进气控制组件和设置于出气口3的出气控制组件。
针对控制组件进一步的设计，为了有效的实现更好的监控效果，更加具体的，所述进气口2通过进气管道7连通介质入口，所述进气控制组件包括设置在所述进气管道7上的进气电动阀5以及用于测试管道内气体压力的进气压力传感器6。在该结构的设计上，进气压力传感器6的信号主要是给予进气电动阀5的开度控制，最终的目的是为了使进气管道7内的气体以指定的气压进入到除砂罐1道中。
作为更加具体的设计，为了更加有效的检测进气的气压，更进一步的设计，所述进气压力传感器6设置于进气电动阀5所在介质流向的前端。
在上述的设计中，具体的对进气控制组件进行了优化设计，而同为同步的设计，更加进一步的设计，所述出气口3通过出气管道8连通于介质出口，所述出气控制组件包括设置在所述出气管道8上的出气电动阀9以及用于测试管道内气体压力的出气压力传感器10。
更加具体的设计，所述出气压力传感器10设置于出气口3与出气电动阀9之间所在的管道上。
在出气口3设置的出气控制组件的主要目的在于对出气口3处的气压进行监测，并通过该监测结果能够有效的控制出气电动阀9和进气电动阀5的开度，利用开度的变动，促进罐体内的气压达到需要的一个气压值，实现整个其他的压力和流速控制，促使除砂的效果。
在上述具体的结构设计基础上，作为更加具体的设计，还包括设置于除砂罐1上的液位检测装置，所述排污口4还连通有排污管13，在所述排污管13上还设置有排污电动阀14。在该结构的设计上，能够有效的控制罐体内的液位，并且液位的上升和下降也直观的影响罐体内的气压。
在上述具体的基础上，通常的，尤其是页岩气，在出气的过程中，气体内的含液量会降低，但是为了保证气体的液体含量，提高除砂的效果，那么则需要外加液体，同时，除砂过程中，罐体的内侧壁容易附着有砂子，甚至排污口4处会堆积有砂子，在出现堆积过多的情况下甚至还会出现堵住排污口4的情况。那么，为了更好的一一解决上述具体的问题，还包括给水系统，所述给水系统包括设置于除砂罐1内用于清洗侧壁的环形幕布圈17以及用于供水的给水泵18，所述环形幕布圈17通过给水管19连通给水泵18。
进一步的，为了实现更好的自动化控制以及解决堵塞的问题，所述除砂罐1的底部还设置有冲砂进水口20，所述冲砂进水口20通过冲砂管道21连通给水泵18，所述给水管19和/或冲砂管道21上还设置有供水电动阀22。
当然，作为自动化控制的设计，在该设计中，还包括用于控制电动部件的控制终端23。更加具体的，作为细节描述，在上述的的结构中，进气控制组件（进气电动阀5和进气压力传感器6）、出气控制组件（出气电动阀9和出气压力传感器10）、检测装置（液位传感器11）、给水系统（给水泵18、给水电动阀）、排污电动阀14以及下面实施例中涉及的气压组件（并网电动阀15和并网压力传感器16）均与控制终端23电连接，而在电连接后实现相关的通讯功能。更加具体的，控制终端23即为终端控制室。
实施例2
在实施例1的结构设计基础上，上述为天然气或者页岩气的净化过程，而在净化后的气体是需要排放至净化气管网内，由于净化气管网本身就有一定的气压，而净化后的气体在并网之前是需要进行等压过渡的，作为更加具体的设计，还包括设置于出气控制组件后端的气压控制组件，所述气压组件包括并网电动阀15以及并网压力传感器16。
实施例3
在实施例1的设计基础上，针对检测装置进一步的设计，作为具体的设计，在除砂罐1的侧壁设置有引流管12，所述引流管12的底部连通除砂罐1的下部，在引流管12上设置有液位传感器11。作为具体的描述，该方式的设计，即形成U形液位计。同步的，引流管12的顶部还连通除砂罐1的上部。在引流管12的顶部和底部与除砂罐1之间连通的管道上还设置有阀门。
实施例4
在实施例1至实施例3任一项描述的当中，针对除砂罐1进一步的设计，所述除砂罐1为旋流式除砂罐1或者过滤式除砂罐1。
作为具体的描述，以旋流式除砂罐1作为具体的说明，内部结构以在先公开文件CN2020115018501为例，在结构的设计基础上，增加设置位于罐体内部上部的环形幕布圈17，也就是环形喷淋管。并在具体的进气口2、出气口3以及液体进入按照上述实施例中的设计进行。
更加具体的，进气口2设置于除砂罐1的下部，出气口3设置于除砂罐1的上部，更加具体的，进气口2的位置低于引流管12的底部，出气口3的位置高于引流管12的顶部。该结构能够有效的使气体进入到液体当中并在此排出，实现更好的除砂和洗气的效果。
实施例5
一种除砂方法，采用上述实施例的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统，包括以下步骤：
a、井口来源气经过进气管道7进入到除砂罐1内，在进气管道7上，通过进气压力传感器6检测进气管道7的气压，并以此信号控制进气电动阀5门的开度，使气体以目标压力进入到除砂罐1内；
b、气体经过除砂罐1进行除砂后，气体从出气口3和出气管道8流出，在出气管道8上，通过出气压力传感器10检测出气口3的气压，并以此信号控制出气电动阀9门的开度，同步控制进气电动阀5门的开度，使出气口3处气压保持在指定的气压范围内。
在上述具体的设计当中，更加具体的设计，在运行过程中，通过液位检测装置监控除砂罐1内的液位；
当液位上升至设定值，或上升速度超过预设值，则排污电动阀14以对应开度开启，同时对进气电动阀5进行调节，降低开度，降低来源气压力；同时对出气电动阀9进行调节，增加开度，降低出口气流速；
当液位低于设定值或上升缓慢或不上升，则对进气电动阀5进行调节，增加开度，增加来源气压力；同时对出气电动阀9进行调节，降低开度，增加出口气流速。
更加具体的设计，当进气电动阀5开度减小，排污电动阀14开度调大，液位检测装置检测液面不下降，且出气电动阀9在出气压力传感器10的控制下开度增加，说明系统出现堵塞现象，则系统报警，同时开启给水泵18及冲砂管道21上的供水电动阀22，从底部反冲除砂器内部沉沙，同时全开排污电动阀14，消除堵塞；
当液位检测装置检测液面开始快速下降，则关闭冲砂管道21上的供水电动阀22，当液位检测装置检测液面低于预设值点时，开启给水管19上的供水电动阀22，通过环形幕布圈17形成环形水幕进行补液，同时对罐体内壁进行冲洗。
更加优化的设计，包括根据排污电动阀14的开启量及实际排砂效果，设置指定的时间间隔启动给水泵18，定时对设备内壁进行冲洗，清除粘粘在设备内壁的沉沙。
作为更加具体的设计，步骤b中，净化后的气体通过出气电动阀9排出，并进入到后端的净化气管网，在并网前，通过并网压力传感器16检测管道内的气压，并以此信号控制并网电动阀15的开度，使气体以指定的净化气管网内的气压进行并网。
综上所述：
1、本发明的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法利用在除砂罐的进气口和出气口处设置控制组件有效的控制进气压力和出气压力，通过进出气压力的控制来实现天然气或者页岩气在除砂罐内的停留时间以及流速，从而实现更好的除砂效果，尤其是在气体含量量不等以及气体量不等的情况，进一步的提高了天然气或者页岩气的除砂效果；
2、本发明的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法还有效的设计了除砂罐内液体的控制的相关组件，并结合设计了给水泵，考虑到砂子会堵住排污口，有效的解决了该技术问题，以及罐体内的液体液位使得气压变化而得以更加有效的控制，通过该结构的设计能够有效的实现整个系统的除砂效果，甚至能够有效的可达到除砂精度在50μm以下；
3、本发明的一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统及除砂方法结合结构的设计和方法的设计有效的控制调节天然气的压力和流速，同时控制天然气（含杂质气体）在除砂器中的停留时间，增加分离效率，分离精度，配合我司高效除砂装置，可达到除砂精度在50μm以下，固液分离速度快效率高达到(1-20)x104m3/d的处理量，配合其他常规除砂器均可不同程度的提高除砂精度与除砂效率；同时本系统配合然气除砂装置（或气体净化装置）可在中控室远传操作，实现自动排砂，避免减少现场操作维护工作。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种除砂方法，采用一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统，其特征在于：一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统包括除砂罐，所述除砂罐的下部设置有进气口，所述除砂罐的上部设置有出气口，所述除砂罐的底部还设置有排污口；
所述进气口和出气口设置有用于控制压力的控制组件，通过控制组件控制天然气的流动；所述进气口连通有进气管道，所述出气口连通有出气管道；
所述控制组件包括设置于进气口的进气控制组件和设置于出气口的出气控制组件；所述进气控制组件包括设置在所述进气管道上的进气电动阀以及用于测试管道内气体压力的进气压力传感器；所述进气压力传感器设置于进气电动阀所在介质流向的前端；所述出气控制组件包括设置在所述出气管道上的出气电动阀以及用于测试管道内气体压力的出气压力传感器；所述出气压力传感器设置于出气口与出气电动阀之间所在的管道上；
一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统还包括设置于除砂罐上的液位检测装置，所述排污口还连通有排污管，在所述排污管上还设置有排污电动阀；所述液位检测装置包括设置在除砂罐侧壁的引流管，所述引流管的底部连通除砂罐的下部，在引流管上设置有液位传感器；
所述进气口的位置低于引流管的底部，出气口的位置高于引流管的顶部；
所述除砂方法还包括以下步骤：
a、井口来源气经过进气管道进入到除砂罐内，在进气管道上，通过进气压力传感器检测进气管道的气压，并以此信号控制进气电动阀门的开度，使气体以目标压力进入到除砂罐内；
b、气体经过除砂罐进行除砂后，气体从出气口和出气管道流出，在出气管道上，通过出气压力传感器检测出气口的气压，并以此信号控制出气电动阀门的开度，同步控制进气电动阀门的开度，使出气口处气压保持在指定的气压范围内；
在运行过程中，通过液位检测装置监控除砂罐内的液位；
当液位上升至设定值，或上升速度超过预设值，则排污电动阀以对应开度开启，同时对进气电动阀进行调节，降低开度，降低来源气压力；同时对出气电动阀进行调节，增加开度，降低出口气流速；
当液位低于设定值或上升缓慢或不上升，则对进气电动阀进行调节，增加开度，增加来源气压力；同时对出气电动阀进行调节，降低开度，增加出口气流速；
当进气电动阀开度减小，排污电动阀开度调大，液位检测装置检测液面不下降，且出气电动阀在出气压力传感器的控制下开度增加，说明系统出现堵塞现象，则系统报警，同时开启给水泵及冲砂管道上的供水电动阀，从底部反冲除砂器内部沉沙，同时全开排污电动阀，消除堵塞；
当液位检测装置检测液面开始快速下降，则关闭冲砂管道上的供水电动阀，当液位检测装置检测液面低于预设值点时，开启给水管上的供水电动阀，通过环形幕布圈形成环形水幕进行补液，同时对罐体内壁进行冲洗。
2.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：所述进气口通过进气管道连通介质入口。
3.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：所述出气口通过出气管道连通于介质出口。
4.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统还包括设置于出气控制组件后端的气压控制组件，所述气压控制组件包括并网电动阀以及并网压力传感器。
5.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统还包括给水系统，所述给水系统包括设置于除砂罐内用于清洗侧壁的环形幕布圈以及用于供水的给水泵，所述环形幕布圈通过给水管连通给水泵。
6.如权利要求5所述的一种除砂方法，其特征在于：所述除砂罐的底部还设置有冲砂进水口，所述冲砂进水口通过冲砂管道连通给水泵，所述给水管和/或冲砂管道上还设置有供水电动阀。
7.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：一种利用压力和流速调节的天然气除砂系统还包括用于控制电动部件的控制终端。
8.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：所述除砂罐为旋流式除砂罐或者过滤式除砂罐。
9.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：除砂方法还包括根据排污电动阀的开启量及实际排砂效果，设置指定的时间间隔启动给水泵，定时对设备内壁进行冲洗，清除粘粘在设备内壁的沉沙。
10.如权利要求1所述的一种除砂方法，其特征在于：步骤b中，净化后的气体通过出气电动阀排出，并进入到后端的净化气管网，在并网前，通过并网压力传感器检测管道内的气压，并以此信号控制并网电动阀的开度，使气体以指定的净化气管网内的气压进行并网。
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