旋流除砂器结构设计研究

张伟刘正德牛月来张雨 张洲

(1.渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津300283；2.渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津300280；3.大港油田天然气公司，天津200280)

0 引言

随着社会经济的发展，页岩气开发工厂化施工作业与日俱增，大型压裂在页岩气开发中越来越重要。在页岩气压裂后地面返排作业中，通过地面返排设备来进行排液，在见气之后立即倒入生产流程进行输气作业。在返排作业过程中早期返排液存在较高的含砂量，增加了地面返排作业的难度，对返排作业工艺过程产生严重影响，对地面返排设备带来损害。因此，开展除砂工艺研究工作十分必要和关键，本文主要对除砂器的设计和数值模拟相关内容进行介绍。

1 旋流除砂器结构初步设计

返排作业过程中，返排液的成分比较复杂，操作介质具有压力高、流速快等特点，如果直接利用现有的滤网式除砂器进行比例缩放分析，不符合实际需求。因此，下文针对具体的现场操作介质的特点，进行针对性的改进优化设计，在整个设计前期，需要充分考虑结构尺寸对于压力降和生产效率等的影响，因此本次设计首先对旋流器的基本尺寸进行确定，然后根据模型计算，对各结构参数进行优化求解。

以单位时间(h)内处理能力100m3返排液的旋流器为例，根据现场操作的具体情况，初步选择旋流腔的主直径为500mm，旋流器的入口倾斜角控制在15°以下，溢流口插入深度控制在30mm，管壁3mm；旋流器的柱段选取60mm，锥角10°，底流口15mm 直径，选择沉砂尾管和旋流分离器的直径相同，均控制在60mm，长度为2000mm。

2 除砂器结构参数优选

旋流除砂器的结构参数看似简单，其结构尺寸参数的变化，对于内部的介质除砂能力和效率均产生较大的影响，旋流除砂器的结构情况会决定介质在内部流动时的流动状态、停留时间和具体流体特性。根据实际操作情况，下文主要借助计算模拟软件对相关模型进行数值模拟，以期优化选择最佳的尺寸组合，获得结构最佳、效果最好的旋流除砂器。

2.1 模型的建立

首先对旋流器的进口做相应的假设和简化，采用六面体模型单元分块划分结构化网格结构，从而建立几何模型。在模拟计算过程中，流体流动的状态选择雷诺应力RSM 模型，多相流动方式为混合流(层流和湍流流动均存在)。旋流器的入口选择速度入口，出口为自由流出，壁面处采取标准函数模型，介质在管壁处不存在滑移情况。

2.2 介质参数输入。

根据模拟返排液的具体特性情况，选择旋流除砂器的入口流速为8m/s，介质中存在的泥沙的成分在0.3%，密度为0.98g/cm3，其运动黏度为0.01Pa·s，泥沙的粒径在60微米左右，密度为2.60.98g/cm3。

2.3 旋流器的截面尺寸模拟优化

分别选择3 种截面尺寸进行优化模拟，分别为8×10，10×17及12×17。(单位mm)。根据旋流除砂器的截面尺寸对于分离效率和压力降的影响数据情况，可以看出分离效率和压力降的变化规律基本类似，随着入口截面积的变化而变化，呈现出先增加后减小的趋势。分离效率最佳的位置其截面尺寸为10×17，此时的压力降约为0.24MPa。

2.4 溢流管直径尺寸模拟优化

固定旋流除砂器的入口截面尺寸为10×17，分别选择3种溢流管直径进行数据模拟，分别为20、22、24。(单位mm)。根据旋流除砂器的溢流管直径对于分离效率和压力降的影响数据情况，可以看出分离效率和压力降的变化规律基本类似，随着溢流管直径的变化而变化，基本呈现下降趋势，但随着溢流管直径的增加，分离效率曲线存在一个谷值，即溢流管直径约为23mm 时，分离效率最低。压力降曲线基本与溢流管直径呈现负相关规律。因此，根据两者的综合情况，选择溢流管的直径为20mm，此时的分离效率基本在91.3%，压力降约为0.24MPa。

2.5 锥角参数模拟优化

固定旋流除砂器的入口截面尺寸为10×17；溢流管直径为20mm；分别选择4组锥角尺寸进行数据模拟，分别为8、10、12、15(单位°)。如下图1是旋流除砂器的锥角尺寸对于分离效率和压力降的影响数据情况。

根据图1的数据看出，分离效率和压力降的变化趋势不同，随着锥角角度的增加，分离效率先增加后降低，存在一个峰值；而压力降呈现增加趋势。从分离效率图可以看出，峰值时的锥角尺寸约为10°，此时的分离效率为91.3%，压力降0.24MPa。

2.6 柱长尺寸模拟优化

固定旋流除砂器的入口截面尺寸为10×17；溢流管直径为20mm；锥角角度为10°；分别选择5组柱长尺寸进行数据模拟，分别为45、50、55、60、65(单位mm)。如下图2是旋流除砂器的柱长尺寸对于分离效率和压力降的影响数据情况。

根据图2的数据看出，分离效率和压力降的变化趋势不同，随着柱长长度的增加，分离效率先增加后降低，存在一个峰值；而压力降呈现增加趋势。从分离效率图可以看出，峰值时的柱长尺寸约为55mm，此时的分离效率为92.3%，压力降

0.205MPa。

通过模型计算优化，最终确定旋流除砂器的入口截面尺寸为10mm×17mm，溢流管直径为20mm，锥角角度10°，柱长为55mm时的效率最佳，此时分离效率为92.3%，压力降为0.205MPa。

图1锥角角度对于效率和压力降的影响

图2柱长尺寸对于效率和压力降的影响

3 结语

页岩气开发过程中，采用大型工厂化压裂施工工艺提高产气量，但压裂后，会导致返排液中存在大量的压裂砂成分，对地面返排作业设备造成严重损害，通过旋流除砂器的作用可以有效降低返排液的含砂量。本文主要对旋流除砂器的结构进行设计、模型优化计算，通过此方式可以获得效果最佳的旋流除砂器。