CN117605457A - 一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置、撬装以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置、撬装以及系统，属于化工处理设备技术领域。其包括筒体，所述筒体中部内沿所述筒体中心线设有多根旋流管，所述筒体通过液位计、液位开关和气动调节阀形成联锁控制。本发明提供的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置采用多旋流管进行除砂排砂分离，实现阀门自动联锁控制开度，实现自动控制排砂，降低劳动强度，处理规模适用性强，适应工况范围广，满足页岩气产量及压力波动大的除砂深度要求。该装置可全程密闭排砂液，安全，且结构简单、可靠、效率高、使用寿命长，减少设备维护工作量，节约综合成本。

Description

一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置、撬装以及系统

技术领域

本发明涉及化工处理设备技术领域，具体涉及一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置、撬装以及系统。

背景技术

页岩气、致密气等非常规天然气开采过程中，由于采用水力压裂工艺，导致在地面集输过程中天然气会携带大量的水和砂。高压气体流动时带动高速砂粒运动对天然气集输设备和管道有较大的冲蚀作用。除砂器是去除流体中砂粒的关键设备，通过使用除砂器，将管道内高压流体混合的砂粒分离出来，并排出管道系统外，以保证下游设施的正常运行。

目前国内页岩气田应用的除砂器主要通过过滤器(外进内出或内进外出)过滤，或者旋风分离将砂粒分离后储存进集砂罐，再定期排出。在实际生产运行中，过滤式分离由于高压气体流量大，当滤芯被砂粒逐渐堵塞后造成除砂器差压很高，需要频繁打开除砂器，进行取滤芯清洗作业。旋风式分离适应范围有限，页岩气井相对稳产期与递减期的压力及产量差异大，旋风分离无法兼顾适应，并且旋风分离器要实现气、液、砂多相混合流体中气液与砂的分离，分离效果不佳。

由于页岩气井生产初期，砂水量均较大。现有仪表无法对砂量进行监测，现运行的页岩气除砂器均依靠现场操作工经验进行定期排砂，这与无人值守平台井站的设计理念冲突。若现场操作人员经验不足或排砂不及时，导致除砂器除砂效率降低或除砂功能失效。砂粒带入下游设备及管道，致使下游设备(分离器等)、管件(弯头、大小头等)、阀门(调节阀等)及管线受砂粒冲蚀穿孔而引发生产事故。

综上所述，除砂器作为页岩气田开采地面工程中的重要设备，现亟需一套可靠的、有效的、且能实现无人化值守的自动除砂设备，对于保障页岩气、致密气的正常生产和人员、设备的安全，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置、撬装以及系统，以解决现有页岩气田应用的除砂器分离效果不佳，无法实现自动除砂排砂的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，包括筒体，所述筒体上部设有排气口，所述筒体中部设有进气口，所述筒体下部设有排砂液口；所述筒体中部内沿所述筒体中心线设有多根旋流管；

所述筒体下部设置有液位计口和液位开关口，连通所述排砂液口的排砂管道上连接有气动调节阀，且所述气动调节阀与设在所述液位开关口上的液位计通信连接且形成联锁控制。

进一步地，在所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置中，所述筒体下部靠近所述旋流管底部设有第一液位计口，所述筒体下部远离所述旋流管底部设有第二液位计口，所述液位开关口位于所述第一液位计口和所述第二液位计口之间。

进一步地，在所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置中，所述筒体从上向下包括：上部腔室、中部腔室和下部腔室；所述筒体的排气口开设在所述筒体的上部腔室侧壁处；所述筒体的进气口开设在所述筒体的中部腔室侧壁处；所述筒体的排砂液口开设在所述筒体的下部腔室侧壁处。

进一步地，在所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置中，所述旋流管分别通过上支撑板和下支撑板安装在所述筒体中部腔室内，且所述旋流管的端口分别连通所述筒体的上部腔室和所述筒体的下部腔室。

进一步地，在所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置中，多根所述旋流管呈圆周均匀分布在所述筒体内。

进一步地，在所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置中，所述排砂液口的排砂管道上还连接有气动球阀。

进一步地，在所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置中，所述筒体的顶部设有快开盲板。

进一步地，在所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置中，所述筒体的底部安装有封头。

本发明还提供一种页岩气中压流程自动除砂排砂的撬装，包括：撬座以及安装在所述撬座上的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置。

本发明还提供一种页岩气中压流程自动除砂排砂的系统，包括：上述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置；

所述装置的进气口通过进气管道连通原料气，所述装置的排砂液口通过排砂管道连通去污水池；所述装置的排气口通过出气管道用于下一工段；在进气管道上连通有放空管道；所述系统监测所述装置中筒体的下部腔体中的液位、所述装置的运行压力和所述装置的前后压差对并自动控制所述装置中阀门联锁开度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置采用多旋流管进行除砂排砂分离，实现阀门自动联锁控制开度，实现自动控制排砂，降低劳动强度，处理规模适用性强，适应工况范围广，满足页岩气产量及压力波动大的除砂深度要求。该装置可全程密闭排砂液，安全，且结构简单、可靠、效率高、使用寿命长、，减少设备维护工作量，节约综合成本。

2、本发明实施例的系统采用页岩气中压流程自动除砂排砂的装置可通过数字化、信息化、网络化、实现数据共享，管理中心同时对除砂器的砂水液位、运行压力、前后差压、视频监控、和阀门联锁开度设备实现实时数据采集、自动联锁在线排砂或远程控制，通过企业内部网或国际互联网，管理人员可以方便的实现远程监控，并根据一定的权限进行不同的查询和操作。实现自动在线排砂，更可靠，降低劳动强度，达到无人值守的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置筒体的结构示意图；

图2为本发明的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置筒体的A-A向剖视截面图

图3为本发明的页岩气中压流程自动除砂排砂的撬装的结构示意图；

图4为本发明的页岩气中压流程自动除砂排砂的系统的流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

图中：10-筒体，11-排气口，12-进气口，13-排砂液口，14-快开盲板，15-封头，21-旋流管，22-上支撑板，23-下支撑板，31-液位开关口，32-第一液位计口，33-第二液位计口，41-气动调节阀，42-气动球阀，50-撬座，51-安全阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前国内页岩气田应用的除砂器主要通过过滤器(外进内出或内进外出)过滤，存在以下不足：

(一)清洗滤芯过程繁琐、劳动强度大

目前页岩气田运行的过滤式分离除砂工艺，根据现场运行实际3～7天进行一次清洗滤芯操作流程。清洗滤芯过程包括截断、放空、取滤芯、清洗、回装、启动等步骤，涉及多个阀门操作，操作繁琐劳动强度大。

(二)压力容器打开存在安全风险

在过滤式除砂器进行清洗滤芯作业过程中，因该除砂器运行压力为20MPa左右，若截断阀出现内漏、压力表故障误导放空未净时而打开快开盲板，会引发设备打击而致使的人身伤害事故。依赖操作人员的熟练度及仪表的敏锐性，具有较大操作安全风险。

(三)滤芯易损坏

过滤式分离滤芯在运行一段时间后会出现堵塞报警，若现场操作人员未赶到现场进行处理，滤芯因承受较大压差而变形甚至破裂。

(四)设备繁多不便管理

目前页岩气平台井口数多为4-10井式，过滤式除砂器是一对一除砂设计，为保证连续生产运行除砂清洗过程中不停产设置为一用一备，从而平台井站设置较多的除砂器，维护管理不便。

(五)对操作工经验要求高

经过现场多个井站调研，不管是过滤式分离的清洗滤芯操作流程还是旋风式分离集砂罐的冲洗排砂，因操作过程繁琐，需操作设备较多。经验不丰富的操作人员容易发生操作失误而诱发生产事故。

现提供一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置：

实施例1

请参照图1，本发明实施例提供的一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，包括筒体10，该筒体10为立式容器，筒体10上部设有排气口11，筒体10中部设有进气口12，筒体10下部设有排砂液口13；筒体10中部内沿筒体10中心线设有多根旋流管21。

(含砂、液、气)的原料气通过进气管从筒体10的进气口12进入到筒体10内的旋流器中，在旋流分离作用下，分离出的页岩气进入到筒体10上部从筒体10的排气口11排出，输送到下一工段；分离出的水和固体颗粒进入到筒体10下部，并通过排砂液口13排出，从而将原料气中的天然气和砂液分离，实现除砂排砂分离的功能。

其中，在筒体10内安装有上支撑板22和下支撑板23，上支撑板22和下支撑板23将筒体10分为三个部分，从上向下包括：上部腔室、中部腔室和下部腔室；筒体10的排气口11开设在筒体10的上部腔室侧壁处，筒体10的进气口12开设在筒体10的中部腔室侧壁处，筒体10的排砂液口13开设在筒体10的下部腔室侧壁处。在筒体10的顶部设有快开盲板14，以快速开启或关闭筒体10；筒体10的底部安装有封头15，形成密闭空间。此外，在筒体10下部还方便检修操作的手孔(图中未示意出)，以及用于安装支撑筒体10的支座(图中未示出)，以及为了安全的接地。

请参照图1和图2，旋流管21的两端分别通过上支撑板22和下支撑板23安装在筒体10中部腔室内，且旋流管21的端口分别连通筒体10的上部腔室和筒体10的下部腔室，原料气从筒体10的进气口12进入到旋流管21中，通过旋流作用分离出气体通过旋流管21的顶部端口进入到筒体10的上部腔室，分离出的液体和固体颗粒通过旋流管21的底部端口进入到筒体10的下部腔室。在本实施例的装置，多根旋流管21呈圆周均匀分布在筒体10内，每根旋流管21处理量为6×104Nm3/d，具体工程可根据最大处理量进行配置多根旋流管21的数目以适配处理规模。这样形成的多管式旋流器进行除砂分离效率更高，且多管式旋流管21本身没有运动部件，结构简单，不易堵塞，操作弹性大，适应范围广。采用耐冲蚀型高压差排砂控制阀可作为节流、降压作用，采用碳化硅等超耐磨材料制造阀芯、阀座，使用寿命长。

请参照图1，筒体10下部设置有液位计口和液位开关口31，具体地，筒体10下部靠近旋流管21底部设有第一液位计口32，筒体10下部远离旋流管21底部设有第二液位计口33，液位开关口31位于第一液位计口32和第二液位计口33之间。连通排砂液口13的排砂管道上连接有气动调节阀41，且气动调节阀41与设在液位开关口31上的液位计通信连接且形成联锁控制。第一液位计口32安装有第一液位计，用于检测砂水混合物液位的最高液位，第二液位计口33安装有第二液位计，用于检测砂水混合物液位的最低液位，为确保检测数据更准确，第一液位计口32和第二液位计口33的数目为2，分别水平对应设在筒体10的两侧。在本实施例中，第一液位计口32选用双法兰液位计口，第二液位计口33选用磁浮子液位计口。

当筒体10下部腔室中的砂水混合物液位到达高液位a1时，液位计连锁控制气动调节阀41开度调大，当筒体10下部腔室中的砂水混合物液位降低至低液位a2时，液位计连锁控制气动调节阀41开度调小，实时根据液位高低自动控制气动调节阀41的开度保证液位持续处于合理范围内，在排液过程中由于密度差沉降在底部的砂粒随液相带出除砂器从而实现自动排砂。排出的砂水混合物经管道送至下一工段。为防止低液位时气动调节阀41故障导致气相从排液管线串出，排砂液口13的排砂管道上还连接有气动球阀42，作为紧急切断阀使用。

实施例2

请参照图1、图2和图3，基于实施例1的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，本实施例的页岩气中压流程自动除砂排砂的撬装，包括撬座以及撬座上的实施例1的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置；该装置压力合理，适用于大部分平台橇工况，以撬装形式满足搬迁重复利用的需求。

具体地，该撬座为上下两层结构，该装置固定在撬座上，连接在筒体排砂口的排砂管道位于撬座的下方，排砂管道上连接有气动调节阀和气动球阀。

连接在筒体进气口的进气管道位于撬座的上方，进气管道上连接有安全阀，安全阀在超压工况下保护装置的设备及管路安全。

实施例3

请参照图1、图2、图3和图4，基于实施例1的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置以及基于实施例2的页岩气中压流程自动除砂排砂的撬装，本发明实施例的页岩气中压流程自动除砂排砂的系统，包括：实施例1中的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置。

装置的进气口通过进气管道连通原料气，装置的排砂液口通过排砂管道连通去污水池；装置的排气口通过出气管道用于下一工段；在进气管道上连通有放空管道。在放空管道上连接有安全阀，安全阀入口放空天然气选用平板闸阀，安全阀出口选用全通径球阀，该两处阀门均设为锁开，保证放空安全。安全阀在超压工况下保护装置及管路安全，此外，在放空管道上还连接有手动节流截止放空阀，可以在设备检修过程进行安全放空，放空管线连接至站内放空系统。

在本发明实施例的系统与站场控制系统连接，通过站场控制系统实现对仪表的数据采集、与设备之间的联锁控制，该控制内容为现有技术，以能实现为准。系统监测装置中筒体的下部腔体中的液位、装置的运行压力和装置的前后压差对并自动控制装置中阀门联锁开度。

原料气的进气管道出口处安装有压力表，原料气的排气管道出口处安装有压力表，排砂管道出口处均安装有压力表，以就地检测指示压力。

原料气的进气管道和出口管道间安装有压差变送器，信号接入站控制系统进行压差显示、报警及数据上传。

该装置连接有双法兰液位变送器，信号接入站控制系统进行液位显示、报警，流量正常时与气动调节阀做PID调节。

该装置连接磁致伸缩液位变送器和射频导纳液位计，信号接入站控制系统进行液位显示、报警，磁致伸缩液位变送器和射频导纳液位计任意一台液位计触发液位低低联锁时关闭排污管线上的气动切断阀，防止装置筒体内液体排空。

本发明实施例的系统采用页岩气中压流程自动除砂排砂的装置可通过数字化、信息化、网络化、实现数据共享，管理中心同时对除砂器的砂水液位、运行压力、前后差压、视频监控、和阀门联锁开度设备实现实时数据采集、自动联锁在线排砂或远程控制，通过企业内部网或国际互联网，管理人员可以方便的实现远程监控，并根据一定的权限进行不同的查询和操作。实现自动在线排砂，更可靠，降低劳动强度，达到无人值守的要求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，包括筒体(10)，所述筒体(10)上部设有排气口(11)，所述筒体(10)中部设有进气口(12)，所述筒体(10)下部设有排砂液口(13)；所述筒体(10)中部内沿所述筒体(10)中心线设有多根旋流管(21)；

所述筒体(10)下部设置有液位计口和液位开关口(31)，连通所述排砂液口(13)的排砂管道上连接有气动调节阀(41)，且所述气动调节阀(41)与设在所述液位开关口(31)上的液位计通信连接且形成联锁控制。

2.根据权利要求1所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，所述筒体(10)下部靠近所述旋流管(21)底部设有第一液位计口(32)，所述筒体(10)下部远离所述旋流管(21)底部设有第二液位计口(33)，所述液位开关口(31)位于所述第一液位计口(32)和所述第二液位计口(33)之间。

3.根据权利要求1所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，所述筒体(10)从上向下包括：上部腔室、中部腔室和下部腔室；所述筒体(10)的排气口(11)开设在所述筒体(10)的上部腔室侧壁处；所述筒体(10)的进气口(12)开设在所述筒体(10)的中部腔室侧壁处；所述筒体(10)的排砂液口(13)开设在所述筒体(10)的下部腔室侧壁处。

4.根据权利要求1所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，所述旋流管(21)分别通过上支撑板(22)和下支撑板(23)安装在所述筒体(10)中部腔室内，且所述旋流管(21)的端口分别连通所述筒体(10)的上部腔室和所述筒体(10)的下部腔室。

5.根据权利要求1所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，多根所述旋流管(21)呈圆周均匀分布在所述筒体(10)内。

6.根据权利要求1所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，所述排砂液口(13)的排砂管道上还连接有气动球阀(42)。

7.根据权利要求1所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，所述筒体(10)的顶部设有快开盲板(14)。

8.根据权利要求1所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置，其特征在于，所述筒体(10)的底部安装有封头(15)。

9.一种页岩气中压流程自动除砂排砂的撬装，其特征在于，包括：撬座(50)以及安装在所述撬座(50)上的如权利要求1-8任一项所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置。

10.一种页岩气中压流程自动除砂排砂的系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的页岩气中压流程自动除砂排砂的装置；

所述装置的进气口(12)通过进气管道连通原料气，所述装置的排砂液口(13)通过排砂管道连通去污水池；所述装置的排气口(11)通过出气管道用于下一工段；在进气管道上连通有放空管道；

所述系统监测所述筒体(10)的下部腔体中的液位、所述装置的运行压力和所述装置的前后压差对并自动控制所述装置中阀门联锁开度。