天然气井用矩阵式柔性除砂设备

技术领域

本发明涉及石油天然气除砂设备技术领域，更具体地说涉及一种天然气井用矩阵式柔性除砂设备。

背景技术

随着我国经济的迅猛发展，天然气应用日益广泛；天然气在采集过程中伴随着高温、高压、夹袋的固体颗粒随着气体从井口采集出来，含固体颗粒的气体随着管道向下游输气，在其转弯处及通过管路阀门处会对管道元件造成巨大的冲击，破坏管道及后端的相关设备，导致高压气体泄漏，泄漏的高压气体会对附近造成毁灭性的破坏。

因此，需要对采集出来的气体所含的固体颗粒在第一时间内将其脱除，以保护后端设备及其管道的安全运行。

国家知识产权局于2018年3月13日，公开了一件公开号为CN207093055U，名称为“天然气井井口除砂装置”的实用新型专利，该实用新型专利包括筒体、进气封头和盲板，进气封头和盲板分别通过螺栓密封连接在筒体的两端，进气封头和盲板之间夹有一个滤砂管，滤砂管上设置有滤砂孔，天然气原气由进气封头进入滤砂管内部，经过滤砂孔过滤后进入筒体和滤砂管之间的环形空间，继而从筒体底部的出气口排出，所述的滤砂管的两端分别插接在进气封头和盲板上，该实用新型的盲板仍然采用螺栓连接，转而在盲板上加设了用于清砂的盖板，拆下盖板后，工人可在不取出滤砂管的情况下通过耙子等工具清理滤砂管内部的砂粒，也可将滤砂管从盲板上的圆孔取出后进行深度清理或更换，清理过程十分便捷。

上述现有技术中的除砂装置，以及现有的其他类型的除砂装置虽然能够在短时间内运行，并获得比较满意的效果。但是由于其滤砂管经常受到高压携砂天然气的冲蚀，对滤砂管的滤砂孔、管壁等造成不可逆的破坏，运行一段时间后，就需要对滤砂管进行更换，滤砂管的使用寿命较低。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种天然气井用矩阵式柔性除砂设备，本发明的发明目的在于解决现有技术中天然气井口除砂装置使用寿命短，需要频繁更换零部件，并导致运行成本高的问题。本发明通过动能的转换将气体中含的砂砾动能转化，避免直接碰撞内件，让沙自己沉降下来，拦截沙的组件因此可以获得更长的使用寿命从而大大延长产品的寿命。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

天然气井用矩阵式柔性除砂设备，包括进气管、吸能筒、集砂筒和储砂筒，进气管沿吸能筒切线方向与吸能筒连通；集砂筒连接在吸能筒底部，并与吸能筒连通；储砂筒与集砂筒连通，用于存储集砂筒收集的砂粒；储砂筒与集砂筒之间设置有阀门，在储砂筒底部设置有排沙阀；所述吸能筒上端中部连接有出气管，所述出气管与吸能筒共轴；所述吸能筒内设置有若干转轴，在转轴上安装有若干吸能块，所述吸能块可与转轴发生相对转动。

所述转轴平行于吸能筒的轴线设置。

所述转轴平行于吸能筒的径向设置。

所述转轴均匀分布在吸能筒内对应连接进气管的区域内。

所述转轴均匀分布于吸能筒内除连接出气管区域外的全部区域内。

所述出气管部分伸入到吸能筒内，向筒体内延伸。

所述吸能块为风轮。

若干转轴上的若干吸能块呈矩阵排列。

吸能块与转轴之间通过轴承相连。

本发明的工作原理为：

含沙的高压天然气通过进气管进入到吸能筒的圆筒体区，当含沙气体沿吸能筒侧壁切向进入圆筒体内后，产生强烈气旋，气流沿吸能筒内壁呈螺旋形向下进入，密度大的尘粒和液滴在离心力的作用下抛向吸能筒内壁，并在重力的作用下，沿内壁下落到达底部的集砂筒内，旋转的气流在吸能筒中收缩向中心流动，向上形成二次涡流经出气管从设备顶部流出，从而实现气砂分离。

更进一步地，含沙的高压天然气通过进气管进入到装置的吸能筒区，当含沙气体沿吸能筒壁切向进入吸能筒内后，冲向呈矩阵排列的吸能块，气流中的沙与密集的吸能块发生撞击，撞击后速度降下来，并在在重力的作用下直接下落到达底部的集砂筒，旋转的气流在吸能筒中收缩向中心流动，向上形成二次涡流经出气管从设备顶部流出，从而实现气砂分离。

更进一步地，当砂粒随着气流进入吸能筒内后与第一个吸能块产生碰撞，使得砂粒的能量损失，砂粒碰撞吸能块后，使得吸能块的转动动能增加或者减少为；同时砂砾被旋转的吸能块从切线方向弹开，砂砾的动能被减弱一次，弹开的砂砾再次碰撞到附近的吸能块再次重复以上过程，通过矩阵排列的吸能区后砂砾的速度被削弱到足以被重力捕获掉入及集砂筒形成的集沙区域，除砂的目的完成。每个吸能块的转动可能为顺时针、可能为逆时针，速度各不相同，砂砾高速进入矩阵区后与吸能块产生不同的能量转化后停下来，转动的吸能块在与轴的摩擦过程中、或与气体紊流的冲刷中能量被消耗而趋于平衡。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明通过吸能块采用沿轴转动的滚子形式，高压气体中携带的沙子在多次的碰撞过程中，沙子的动能直接转化为吸能块的转动能量，且通过边沿碰撞后沿着切线方向再次与下一个吸能块重复上一个过程，直到砂砾的能量被全部接收，失去动能的砂砾掉入集沙区域，实现了除砂的目的。由于砂砾的运动与吸能块是能量相互转化，砂砾与吸能块的碰撞力被大大的减弱，砂砾对吸能块的切割就被高度减弱，实现了柔性去砂过程；从而大大的提高了除砂设备的使用寿命。

2、本发明中集砂筒呈圆锥状，当天然气中携带的砂粒与吸能块碰撞后掉落下来，进入集砂筒收集，达到一定量后，需打开集砂筒与除砂筒之间的阀门，将集砂筒内的砂粒卸载到储砂筒内，避免因集砂筒内砂粒过多，导致气体将集砂筒内砂粒再次携带起来，而影响除砂效果。

附图说明

图1为本发明除砂设备的剖视结构示意图；

图2为本发明除砂设备中砂粒与吸能块之间的能量转换结构示意图；

图3为本发明除砂设备的俯剖结构示意图；

附图标记：1、吸能筒，2、集砂筒，3、储砂筒，4、进气管，5、排沙阀，6、出气管，7、转轴，8、吸能块，9、阀门。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照说明书附图1，本实施例公开了天然气井用矩阵式柔性除砂设备，包括进气管4、吸能筒1、集砂筒2和储砂筒3，进气管4沿吸能筒1切线方向与吸能筒1连通；集砂筒2连接在吸能筒1底部，并与吸能筒1连通；储砂筒3与集砂筒2连通，用于存储集砂筒2收集的砂粒；储砂筒3与集砂筒2之间设置有阀门9，在储砂筒3底部设置有排沙阀5；所述吸能筒1上端中部连接有出气管6，所述出气管6与吸能筒1共轴；所述吸能筒1内设置有若干转轴7，在转轴7上安装有若干吸能块8，所述吸能块8可与转轴7发生相对转动。

在本实施例中，含沙的高压天然气通过进气管4进入到吸能筒1的圆筒体区，当含沙气体沿吸能筒1侧壁切向进入圆筒体内后，产生强烈气旋，气流沿吸能筒1内壁呈螺旋形向下进入，密度大的尘粒和液滴在离心力的作用下抛向吸能筒1内壁，并在重力的作用下，沿内壁下落到达底部的集砂筒2内，旋转的气流在吸能筒1中收缩向中心流动，向上形成二次涡流经出气管6从设备顶部流出，从而实现气砂分离。

在本实施例中，含沙的高压天然气通过进气管4进入到装置的吸能筒1区，当含沙气体沿吸能筒1壁切向进入吸能筒1内后，冲向呈矩阵排列的吸能块8，气流中的沙与密集的吸能块8发生撞击，撞击后速度降下来，并在在重力的作用下直接下落到达底部的集砂筒2，旋转的气流在吸能筒1中收缩向中心流动，向上形成二次涡流经出气管6从设备顶部流出，从而实现气砂分离。

在本实施例中，如图2所示，含砂高压气流，从进气管4沿切线方向进入进入吸能筒1内，其中一部分气体沿着吸能筒1作圆周运动；更多气体的进入由吸能块8与转轴7组成的矩阵，在碰撞与旋流的组合作用下将砂砾阻挡下来。

具体为：取高压天然气中所含的沙来研究，其中一个沙的质量为m

转轴7上设置的用于接收动能的吸能块8转动惯量为J，初始速度为ω

当沙随着气流进入后与第一个吸能块8产生碰撞，使得沙的能量损失Δek通过碰撞吸能块8后使得吸能块8的转动动能增加或者减少为W2；同时砂砾被旋转的吸能块8从切线方向弹开，砂砾的动能被减弱一次，弹开的砂砾再次碰撞到附近的吸能块8再次重复以上过程，通过矩阵排列的吸能区后砂砾的速度被削弱到足以被重力捕获掉入下方集砂筒2形成的集沙区域，除砂的目的完成；每个吸能块8的转动可能为顺时针、可能为逆时针，速度各不相同，砂砾高速进入矩阵区后与吸能块8产生不同的能量转化后停下来，转动的吸能块8在与轴的摩擦过程中、或与气体紊流的冲刷中能量被消耗而趋于平衡。

如果吸能块8为固定不能转动，则沙子对吸能块8的碰撞为直接切削状态，如果沙子被捕获后的速度为v

本实施例通过吸能块8采用沿轴转动的滚子形式，如上所述沙子在多次的碰撞过程中将沙子的动能直接转化为吸能块8的转动能量，且通过边沿碰撞后沿着切线方向再次与下一个吸能块8重复上一个过程，直到砂砾的能量被全部接收后失去动能的砂砾调入集沙区域，实现了除砂的目的；由于砂砾的运动与吸能块8是能量相互转化，砂砾与吸能块8的碰撞力被大大的减弱，砂砾对吸能块8的切割就被高度减弱，实现了柔性去砂过程；从而大大的提高了除砂设备的使用寿命。

作为本实施例的一种实施方式，所述转轴7平行于吸能筒1的轴线设置。或者所述转轴7平行于吸能筒1的径向线设置。或者转轴7倾斜设置在吸能筒1内，其上的吸能块8均能起到吸能换能作用。

作为本实施例的一种实施方式，所述转轴7均匀分布在吸能筒1内对应连接进气管4的区域内。当气体压力较低时，可以仅在进气管4区域内设置转轴7，以降低设备成本，仍能实现同样的除砂功能。

作为本实施例的一种实施方式，所述转轴7均匀分布于吸能筒1内除连接出气管6区域外的全部区域内。当气体压力较高时，仅仅在进气管4区域设置转轴7已经无法满足对高压气体内携带的砂粒进行柔性减速吸能，因此可将除出气管6区域外的其他全部区域均设置转轴7和吸能块8。

作为本实施例的一种实施方式，将出气管6的底部向吸能筒1内延伸，防止携砂高压气体未被净化完全就从出气管6排出。

作为本实施例的一种实施方式，吸能块8可以选择风轮，减少吸能块8与砂粒之间的直接碰撞，也可以是其他形状的可转动的结构块。吸能块8通过轴承连接在转轴7上，便于吸能块8转动，吸能块8在收到砂粒碰撞中会后转动，以达到动能转换，避免直接冲刷，以延长使用寿命。矩阵排列的吸能块8，砂粒多次碰撞到吸能块8上之后，能量为0，可依靠重力掉落至集砂筒2形成的集砂区域内。当天然气中携带的砂粒与吸能块8碰撞后掉落下来，进入集砂筒2收集，达到一定量后，需打开集砂筒2与除砂筒之间的阀门9，将集砂筒2内的砂粒卸载到储砂筒3内，避免因集砂筒2内砂粒过多，导致气体将集砂筒2内砂粒再次携带起来，而影响除砂效果。