一种致密气井井口除砂采气一体化系统及其工艺方法与流程

1.本发明属于非常规油气藏开采的技术领域，具体涉及一种致密气井井口除砂采气一体化系统及其工艺方法。


背景技术：

2.致密气藏（页岩气）通常采用大型加砂压裂后投产，因压裂返排不彻底和快速投产，导致排采期及正常生产过程中压裂砂排出，严重影响气井的正常生产、气井产量和地面设备与管线的安全。
3.目前井口普遍采用除砂器或四相分离器除砂，因凝析油乳化变质及分砂工艺、设备难以满足现场工况，导致下游处理设备过流部件（水套炉盘管、针阀、排污阀门等）冲蚀、磨损而过早损坏，严重影响了气井的正常生产，降低了气井的生产时率，增加生产成本。急需根据压裂返排砂的粒径、液相物性、运行工况参数创新设计新型井口除砂装置，优化完善现场调研发现的其它问题，解决现场因出砂导致的技术难题，形成致密气田集气和天然气处理综合处理装置和技术体系。
4.致密气井口压力高达20mpa，需要降压后分离输送，目前普遍技术手段采用针阀降压，为防止针阀降压后低温结冰堵塞阀门，则会使用水套炉对上游气体加热，而水套炉中盘管弯曲多，含砂致密气对水套炉盘管冲蚀极为严重，盘管使用寿命极低，大大增加了生产成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种致密气井井口除砂采气一体化系统及其工艺方法，以解决含砂致密气对水套炉盘管冲蚀严重，盘管使用寿命低，增加生产成本的问题。
6.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一方面，一种致密气井井口除砂采气一体化系统，其包括用于分离气相和水砂的缓冲分离罐；缓冲分离罐通过管道与位于缓冲分离罐上方的集气管连通，并与位于缓冲分离罐下方的液砂沉降分离器连通；集气管与用于气水砂分离的旋流分离器连通；旋流分离器的底部沉沙口和液砂沉降分离器均与用于收集水砂的集砂器连通；旋流分离器通过顶部开设的溢流口与涡流管入口连通；涡流管用于将气相分离为热气流和冷气流，热气流通过涡流管开设的热气口依次导入加热器和混合罐中，冷气流通过涡流管开设的冷气口导入混合罐中，加热器用于对涡流管冷气口加热；混合罐内充分混合的气体通过计量分离器与集气站连通。
7.进一步地，位于涡流管冷气口的连接管线上安装压力变送器a和温度变送器a；位于涡流管热气口的连接管线上安装压力变送器b和温度变送器b；混合罐的出口管线上安装压力变送器c。
8.根据管线监测反馈的压力、温度信息，对涡流管分流比率进行调整，从而满足生产
需求。
9.进一步地，缓冲分离罐上设置有入流口和出砂口；集气管中部设置有多根与集气管内部连通的排气管，多根排气管与所述缓冲分离罐连通；缓冲分离罐上设置有放气口，放气口一侧设置有旋流分离器；旋流分离器包括入料口、溢流管和沉砂口，放气口通过第一管道与所述入料口连通；溢流管上设置有涡流管组件，涡流管组件包括管体，管体外壁上设置有与其内部连通的切向入口，切向入口与所述溢流管连通；管体的两端分别密封连接有热气接头和冷气接头；管体与热气接头的连接端为锥口结构，锥口结构的小径端朝向管体中部，热气接头内设置有与锥口结构匹配的圆锥阀芯，圆锥阀芯沿自身轴线方向轴向移动；管体与冷气接头的连接端外壁上设置有与热气接头连通的加热器；管体的下方设置有用于收集气体的混合罐，冷气接头和加热器均与混合罐连通。
10.进一步地，旋流分离器包括分砂筒，分砂筒上部呈圆柱形筒体结构，分砂筒下部呈倒圆锥形筒体结构，分砂筒上部外壁上圆周切线位置设置有入料口，分砂筒上部顶部设置有溢流管，分砂筒下部设置有沉砂口。
11.进一步地，缓冲分离罐为倾斜布置，所述入流口设置在缓冲分离罐高端，所述出砂口设置于缓冲分离罐低端；集气管为水平布置，多根排气管间隔均匀设置在集气管中部，多根排气管均为竖直设置，多根排气管底部均与缓冲分离罐连通；溢流管的底端穿过分砂筒位于其中部。
12.进一步地，圆锥阀芯的顶端为与管体锥口结构相匹配的圆锥体，圆锥阀芯的中部为圆柱体，圆锥阀芯的尾端为花键结构；圆锥阀芯的中部与热气接头内壁螺纹连接；热气接头底部外壁侧设置有固定筒，固定筒内设置有与圆锥阀芯的尾端匹配的花键套，圆锥阀芯的尾端穿过热气接头与所述花键套连接；固定筒底部外壁侧设置有电机，电机的输出端与花键套固定连接，电机的旋转带动花键套绕自身轴线旋转。
13.进一步地，加热器包括呈中空圆柱的腔体，腔体密封套设在所述管体外壁上，腔体内设置有螺旋导叶，腔体上设置有与其内部连通的入气口和出气口，入气口通过第二管道与所述热气接头连通；入气口与所述混合罐连通。
14.进一步地，混合罐内设置有筛管，筛管的顶端设置有与所述出气口连通的热气入口，筛管的底端设置有若干个筛孔；混合罐的外壁两侧分别设置有与其内部连通的冷气入口和混合气体出口，所述冷气入口通过第三管道与冷气接头连通。
15.一方面，一种致密气井井口除砂采气一体化系统的工艺方法，包括以下步骤：s1、开启缓冲分离罐入口阀门，将气水砂导入缓冲分离罐，在重力作用下，气水砂中的气相上浮，水和砂下沉；且气相携带的部分水和砂进入集气管内；另外部分的水和砂则进入液砂沉降分离器中；s2、进入沉降分离器中的水砂进行水和砂的分离，并将分离出的砂导入集砂器内；s3、集气管内的气相携带的部分水和砂进入旋流分离器入口，在旋流分离器内进行气水砂分离，其中，气相从旋流分离器顶部溢流口导出并进入涡流管内，水和砂从旋流分离器底部沉沙口排出进入集砂器内；s4、气相在涡流管内部分离为热气流和冷气流，热气流从涡流管热气口排出，冷气流从涡流管冷气口排出；
s5、从涡流管热气口排出的热气流进入加热器，加热器内腔充满的热气流用于对涡流管的冷气口进行加热；s6、涡流管冷气口排出的冷气流进入混合罐，加热器出口排出的热气流进入混合罐，热气流和冷气流在混合罐内充分混合，热气流中的水汽冷凝分离；s7、混合罐内充分混合的气体排出至计量分离器，并经计量分离器导出至集气站。
16.进一步地，还包括：实时接收压力变送器a、温度变送器a、压力变送器b、温度变送器b和压力变送器c的测量值，根据测量值反馈信息调整涡流管热气口开度，以调整控制热气流和冷气流的分配比率。
17.本发明提供的致密气井井口除砂采气一体化系统及其工艺方法，具有以下有益效果：（1）利用缓冲分离罐、旋流分离器对致密气进行水和砂分离，提高致密气纯度；（2）采用涡流管对致密气进行冷热分离，并在涡流管内消耗大量气压，达到降压效果；（3）利用热气流对涡流管冷气口加热，既防止冷气口结冰又降低热气流温度，使热气流体积收缩，压力降低；（4）本发明利用管线监测的压力、温度信息，可对涡流管分流比率进行调整，从而适应多种工况，满足生产需求。
附图说明
18.图1为致密气井井口除砂采气一体化系统的原理框图。
19.图2为致密气井井口除砂采气一体化系统中集气管和旋流分离器的结构图。
20.图3为致密气井井口除砂采气一体化系统中加热器、涡流管和混合罐的结构图。
21.其中，1、缓冲分离罐；2、集气管；201、排气管；202、放气口；3、旋流分离器；301、入料口；302、溢流管；303、沉砂口；4、液砂沉降分离器；5、集砂器；6、加热器；601、螺旋导叶；602、入气口；603、出气口；7、涡流管组件；701、切向入口；702、热气接头；703、圆锥阀芯；704、花键套；705、固定筒；706、电机；707、冷气接头；708、管体；8、混合罐；801、冷气入口；802、混合气体出口；803、热气入口；804、筛管；9、计量分离器；10、压力变送器a；11、温度变送器a；12、压力变送器b；13、温度变送器b；14、压力变送器c；15、第一管道；16、第二管道；17、第三管道。
具体实施方式
22.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
23.根据本技术的第一个实施例，参考图1，本方案的致密气井井口除砂采气一体化系统，包括缓冲分离罐1、集气管2、旋流分离器3、液砂沉降分离器4、集砂器5、加热器6、涡流管组件7、混合罐8和计量分离器9。
24.以下将对上述各个结构进行详细说明；缓冲分离罐1，其入流口处101安装入口阀门，用于控制气水砂的导入，当气水砂进入缓冲分离罐1时，在重力作用下，气相上浮，水和砂下沉。
25.缓冲分离罐1上设置有入流口101和出砂口102；其中，上浮的气相携带少量水和砂通过管道进入集气管2内；下沉的水和砂通过管道进入液砂沉降分离器4中。
26.液砂沉降分离器4，位于缓冲分离罐1下方，用于进一步沉降分离水和砂，且分离后的砂进入集砂器5内。
27.集气管2与旋流分离器3连通，用于将气相携带少量水和砂共同导入旋流分离器3中。
28.集气管2中部设置有多根与集气管2内部连通的排气管201，多根排气管201与缓冲分离罐1连通；集气管2上设置有放气口202，放气口202一侧设置有旋流分离器3。
29.具体为：缓冲分离罐1为倾斜布置，入流口101设置在缓冲分离罐1高端，出砂口102设置于缓冲分离罐1低端；集气管2为水平布置，多根排气管201间隔均匀设置在集气管2中部，多根排气管201均为竖直设置，多根排气管201底部均与缓冲分离罐1连通。缓冲分离罐1为倾斜布置，气水砂混合体中的大量水和砂在重力的作用下从沉沙口排出，大量气体和少量水与砂进入集气管2内，缓冲分离罐1完成对气水砂混合体的初步筛分。缓冲分离罐1、旋流分离器4对致密气进行水和砂分离，提高致密气纯度。
30.旋流分离器3，用于将气水砂分离，气相从旋流分离器3顶部溢流口排出，水和砂从旋流分离器3底部沉沙口排出，水和砂进入集砂器5内。
31.旋流分离器3包括入料口301、溢流管302和沉砂口303，放气口202通过第一管道15与入料口301连通。
32.具体的：旋流分离器3包括分砂筒，分砂筒上部呈圆柱形筒体结构，分砂筒下部呈倒圆锥形筒体结构，分砂筒上部外壁上圆周切线位置设置有入料口301，分砂筒上部顶部设置有溢流管302，分砂筒下部设置有沉砂口303；溢流管302的底端穿过分砂筒位于其中部。分砂筒下部呈倒圆锥形筒体结构使得水与砂更易集中从沉砂口303排除。
33.集砂器5分别与液砂沉降分离器4和旋流分离器3连通，用于收集排出的水和砂。
34.溢流管302上设置有涡流管组件7，涡流管组件7包括管体708，管体708外壁上设置有与其内部连通的切向入口701，切向入口701与溢流管302连通；管体708的两端分别密封连接有热气接头702和冷气接头707；管体708与热气接头702的连接端为锥口结构，锥口结构的小径端朝向管体708中部，热气接头702内设置有与锥口结构匹配的圆锥阀芯703，圆锥阀芯703延自身轴线方向轴向移动。切向入口701朝向管体708的锥口结构端，以达到高压混合气体进入切向入口701后，气流产生漩涡分离出冷、热两股气流。涡流管组件7对致密气进行冷热分离，消耗大量气压，达到降压效果。
35.气相从旋流分离器3顶部溢流口排出并进入涡流管组件7内，气相在涡流管组件7内部分离为热气流和冷气流，热气流从涡流管组件7热气口排出，冷气流从涡流管组件7冷气口排出。
36.具体的：圆锥阀芯703的顶端为与管体708锥口结构相匹配的圆锥体，圆锥阀芯703的中部为圆柱体，圆锥阀芯703的尾端为花键结构；圆锥阀芯703的中部与热气接头702内壁螺纹连接；热气接头702底部外壁侧设置有固定筒705，固定筒705内设置有与圆锥阀芯703
的尾端匹配的花键套704，圆锥阀芯703的尾端穿过热气接头702与花键套704连接；固定筒705底部外壁侧设置有电机706，电机706的输出端与花键套704固定连接，电机706的旋转带动花键套704绕自身轴线旋转。电机706的输出端通过花键套704带动整个圆锥阀芯703旋转，圆锥阀芯703的中部与热气接头702内壁螺纹连接，圆锥阀芯703的尾端在花键套704内轴向滑动，进而带动圆锥阀芯703的顶端的移动，轴向移动的圆锥阀芯703的顶端与管体708锥口端配合，实现有效调节管体708锥口端的开度，达到控制热气流和冷气流的比率以及压力损耗的目的；管体708锥口端的开度越大，热气流方向的流量就越大，同时冷气流方向的流量就越小，控制冷热气流合适的流量以控制分砂装置的整个压力降，从而适应多种工况，满足生产需求。
37.加热器6，从涡流管组件7热气口排出的热气流进入加热器6，加热器6内腔充满热气流用于对涡流管组件7冷气口进行加热，防止涡流管组件7冷气口结冰堵塞。
38.加热器6包括呈中空圆柱的腔体，腔体密封套设在管体708外壁上，腔体内设置有螺旋导叶601，腔体上设置有与其内部连通的入气口602和出气口603，入气口602通过第二管道16与热气接头702连通；入气口602与混合罐8连通。涡流管组件7内的热气流进入加热器6内对冷气接头707进行加热，防止冷气接头707因温度过低而结冰堵塞通道，同时热气流遇冷后体积收缩，压力降低。
39.涡流管组件7结构简单，使气流在内部正反方向旋转运动，摩擦碰撞消耗能量，克服了现有技术中的除砂器设备盘管长度长、弯曲多，流体对内壁冲蚀大的缺陷。
40.管体708与冷气接头707的连接端外壁上设置有与热气接头702连通的加热器6；管体708的下方设置有用于收集气体的混合罐8，冷气接头707和加热器6均与混合罐8连通。
41.混合罐8，涡流管组件7冷气口排出的冷气流进入混合罐8，加热器6出口排出的热气流进入混合罐8，热气流和冷气流在混合罐8内充分混合，热气流中的水汽冷凝分离。混合罐8内充分混合的气体排出至计量分离器9，经计量分离器9排出至集气站。
42.具体结构为：混合罐8内设置有筛管804，筛管804的顶端设置有与出气口603连通的热气入口803，筛管804的底端设置有若干个筛孔；混合罐8的外壁两侧分别设置有与其内部连通的冷气入口801和混合气体出口802，冷气入口801通过第三管道17与冷气接头707连通。筛管804可以过滤热气流中的杂质，且热气流和冷气流在混合罐8内充分混合后形成可以被集气站利用的低压纯净气体，低压纯净气体从混合气体出口802排出。
43.位于涡流管组件7冷气口连接管线上安装压力变送器a10和温度变送器a11，位于涡流管组件7热气口连接管线上安装压力变送器b12和温度变送器b13，且在混合罐8出口管线上安装压力变送器c14。
44.本方案的工作原理为：气水砂混合体从入流口101进入缓冲分离罐1，在缓冲分离罐1内分层分离，大量气体和少量水与砂进入集气管2内，大量水和砂从出砂口102排出回收；集气管2内的大量气体和少量水与砂进入旋流分离器3，水和砂从沉沙口303排出，高压气体从溢流管302排出进入涡流管组件7的切向入口701，高压气体在涡流管内沿切线方向高速旋转，最终分离出热气流从热气接头702排出，分离出冷气流从冷气接头707排出，热气流和冷气流在管体708内反向运动产生剧烈摩擦消耗大量能量，气体压力迅速降低，移动的圆锥阀芯703有效调节管体708右端锥口的开度，控制热气流和冷气流的比率以及压力损耗；热气流进入加热器6内对
冷气接头707进行加热，防止冷气接头707因温度过低而结冰堵塞通道，同时热气流预冷后体积收缩，压力降低；热气流和冷气流在混合罐8内充分混合后形成可以被集气站利用的低压纯净气体。
45.实时接收压力变送器a10、温度变送器a11、压力变送器b12、温度变送器b13和压力变送器c14的测量值，并根据测量值反馈信息对涡流管组件7分流比率进行调整，从而适应多种工况，满足生产需求根据本技术的第二个实施例，参考图1，一种致密气井井口除砂采气一体化系统的工艺方法，包括以下步骤：步骤s1、开启缓冲分离罐1入口阀门，气水砂导入缓冲分离罐1，在重力作用下，气水砂中的气相上浮，水和砂下沉；且气相携带的部分水和砂进入集气管2内；另外部分的水和砂则进入液砂沉降分离器4中。
46.步骤s2、进入沉降分离器中的水砂进行水和砂进一步分离，并将分离出的砂导入集砂器5内。
47.步骤s3、集气管2内的气相携带的部分水和砂进入旋流分离器3入口，在旋流分离器3内进行气水砂分离，其中，气相从旋流分离器3顶部溢流口导出并进入涡流管组件7内，水和砂从旋流分离器3底部沉沙口排出进入集砂器5内。
48.步骤s4、从旋流分离器3顶部溢流口排出的气相进入涡流管组件7入口，气相在涡流管组件7内部分离为热气流和冷气流，热气流从涡流管组件7热气口排出，冷气流从涡流管组件7冷气口排出；且在涡流管组件7冷气口上安装加热器6，压力变送器a10和温度变送器a11安装在涡流管组件7冷气口连接管线上；压力变送器b12和温度变送器b13安装在涡流管组件7热气口连接管线上。
49.气相在涡流管组件7内部结构作用下，气相内部发生剧烈摩擦振动，并分离成热气流和冷气流，消耗大量气体压力。
50.步骤s5、从涡流管组件7热气口排出的热气流进入加热器6，加热器6内腔充满的热气流用于对涡流管组件7的冷气口进行加热，防止涡流管组件7冷气口结冰堵塞。
51.步骤s6、涡流管组件7冷气口排出的冷气流进入混合罐8，加热器6出口排出的热气流进入混合罐8，热气流和冷气流在混合罐8内充分混合，热气流中的水汽冷凝分离。
52.步骤s7、混合罐8内充分混合的气体排出至计量分离器9，并经计量分离器9导出至集气站。
53.本方案进一步可实现对热气流和冷气流的分配比率的调控，包括：实时接收压力变送器a10、温度变送器a11、压力变送器b12、温度变送器b13和压力变送器c14的测量值，根据测量值反馈信息控制热气流和冷气流的分配比率，根据生产需求可对压力变送器a10、压力变送器b12、压力变送器c14、温度变送器a11、温度变送器b13的测量值进行调控，以满足生产需求。
54.虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。