气井井口出砂对井口设备和下游油气集输系统都会造成影响,严重时可能会出现管线砂堵、阀门刺漏等现象。海洋井口平台具有空间有限、远离陆地、无人员常驻、设备维护成本高等特点,对除砂设备与相关工艺的设计提出了更高的挑战。本文将传统的多相流控砂技术进行了分析对比,在管式除砂器的基础上进行了结构改造,使用Fluent研究了除砂器的工作特性,通过室内实验测试了不同结构下除砂器的分离效率,并提出了除砂器适用性的评价方法。主要内容与结论如下:将除砂器划分为入口管路、三通、出口管路、惯性迁移段和储砂筒五个模块。数值模拟结果显示,在入口管路至三通段,除砂器内压力呈现逐渐降低的趋势,速度值较入口速度几乎无变化;在三通处,连续相流动状态变化最为明显;三通至出口管路段,产生了强烈的气核区,局部流速上升,并在另一侧产生了旋涡,压力沿出口管路轴向产生了连续的波动,引起了湍流动能耗散,增大了分离器内能量损耗。在惯性迁移段和储砂筒区,连续相流速逐渐降至0,静压值产生跃升,砂粒进入该区域后仅依靠自身惯性向前运动,并在重力作用下沉积到储砂筒底部。通过数值模拟比较了不同结构下除砂器的分离效率,为实体机选型提供了理论依据。设计并搭建了天然气凝析液井口控砂实验系统,改进加砂方式保证多相流砂粒加入的均匀性。基于此实验系统,研究了工况参数与结构参数对除砂器分离性能的影响。极差分析法表明影响除砂器分离性能的因素强弱依次为颗粒粒径、表观气速、表观液速,其中砂粒粒径影响表现最为显著,其它两者显著性接近,相较于颗粒粒径不明显。实验表明分离室扩径和两级结构可以有效的提升除砂器分离效率。分离室直径由D1扩至2D1时,连续相流动状态由直接冲击储砂筒上方气液两相分界面变为旋流,大粒径砂粒分离效率提升明显,再次增大直径会造成分离器内压降值骤增,分离效率几乎无提升;使用两级结构代替单级结构会造成除砂器占地面积增大,但相较于分离室扩径,整体压降更低,分离性能提升显著。对实验结果综合考虑,本文给出了井口管式除砂器的基本结构。通过调研与数值计算,给出了天然气凝析液井口除砂器适用性判断方法,为相似应用需求的除砂器设计提供了指导。