鼠籠式兩級旋流固液分離裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，用于油氣井采出液的固液高效分離。該裝置采用鼠籠式旋流管和兩級旋流技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊且造價經(jīng)濟；鼠籠式旋流管和二級旋流筒總成順次完成第一級和第二級固液分離，實現(xiàn)采出液高效而徹底的分離；該裝置適應(yīng)性好，第一級固液分離完成大部分的處理工作，液量和黏度大時第二級固液分離用來處理少量剩余液；旋流管和二級旋流筒各錐段的優(yōu)化設(shè)計，使采出液阻力系數(shù)小并保持高速的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；各旋流管采用相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，實現(xiàn)標準化和組塊化設(shè)計；分離后的液體經(jīng)集液管總成收集由排液總成排出，而砂粒經(jīng)集砂管總成和封體收集后由排砂管排出；該裝置的自動化程度高，并易于安裝、操作和維護。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種陸上和海洋油氣井含砂采出液固液高效分離處理的裝置。 鼠籠式兩級旋流固液分離裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 陸上和海洋油氣田開發(fā)中，采出液攜帶的大量砂粒容易在集輸管道及各類分離存 儲設(shè)備中沉積下來，由此造成設(shè)備與管線堵塞、泵類裝置磨損加劇、油氣分離設(shè)備的處理效 率大幅度下降以及存儲類設(shè)備的有效利用率降低等一系列不利影響，為此，含砂采出液固 液高效分離是國內(nèi)外油氣開采中面臨的一大難題。
[0003] 當前國內(nèi)外含砂采出液固液分離的方法可以歸納為兩種：重力沉降法和旋流分離 法，其中重力沉降法是將采出液引入大型沉降設(shè)備，利用油、水和砂粒的不同比重進行自然 沉降分離，該方法比較簡單，但分離效率較低，設(shè)備占地面積大，而且分離設(shè)備內(nèi)沉積砂粒 的清理工作相當繁瑣，且不安全。旋流分離法主要是采用水力旋流器，也是目前國內(nèi)外各 大油田主要使用的采出液固液分離方法，較之重力沉降法，該方法的分離效果顯著提高，但 由于水力旋流器通常采用單級單筒的方式，使得其在進一步提高分離效率方面受到種種限 制，并且隨著采出液黏度的增大，介質(zhì)內(nèi)摩擦阻力增加，最終導(dǎo)致能量損失的增大，分離能 力有限。
[0004] 隨著陸上和海洋油氣田開發(fā)深度的加大，稠油油藏的大量開發(fā)和聚合物驅(qū)采油技 術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，常規(guī)的水力旋流器技術(shù)已經(jīng)滿足不了油田現(xiàn)場的生產(chǎn)需要，為此依 托現(xiàn)有可行性技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時采用新技術(shù)、新材料及加工工藝，研制出新型固液高效分 離處理裝置，該裝置依據(jù)流場的數(shù)值模擬和仿真分析結(jié)果進行設(shè)計，并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)對裝 置的關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了油氣井含砂采出液的固液高效分離處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有油氣井采出液固液分離技術(shù)存在的缺陷和不足，并適應(yīng)稠油井和聚 合物驅(qū)采油技術(shù)的需要，本發(fā)明的目的是提供一種適合陸上和海洋油氣井含砂采出液的鼠 籠式兩級旋流固液分離裝置。該固液分離裝置采用鼠籠式旋流管和兩級旋流分離的特殊結(jié) 構(gòu)和處理工藝，具備結(jié)構(gòu)緊湊和造價經(jīng)濟，采出液高效分離處理，適應(yīng)性好，阻力系數(shù)小，標 準化和組塊化，自動化程度高，易于安裝、操作和維護等特點。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是開發(fā)一種鼠籠式兩級旋流固液分離 裝置，主要由除砂罐、鼠籠式旋流管總成、二級旋流筒總成、集砂管總成、集液管總成、進液 管匯、排液總成、排砂管等幾部分組成。
[0007] 兩級旋流固液分離方法為，采出液經(jīng)進液管匯切向進入鼠籠式旋流管總成并在各 個旋流管單體的旋流段產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，流入大錐段后，流道截面迅速收縮，采出液獲得很大 的角加速度，加速旋轉(zhuǎn)，流進小錐段后，流道截面緩慢收縮，增加的角動量補償采出液與管 內(nèi)壁的摩擦損失，使采出液保持高速旋轉(zhuǎn)，進入直管段后，由于摩擦采出液的旋轉(zhuǎn)速度逐漸 減弱，但增加了采出液在旋轉(zhuǎn)流場內(nèi)的停留時間，由于固液密度差異，在離心力場中密度小 的液體運移至旋流管中心形成液芯，液芯反向從旋流管溢流口流出并匯集到集液管總成的 上集液管內(nèi)，而密度大的砂粒逐漸甩向管壁并經(jīng)小錐段排砂錐孔和砂縫落入集砂管總成 內(nèi)，由此實現(xiàn)第一級固液分離；一級分離后的部分采出液經(jīng)各個旋流管出口段切向進入二 級旋流筒總成形成旋轉(zhuǎn)流，旋流筒中央的下集液管外表面形成液環(huán)并反向上升溢進下集液 管內(nèi)，最后通過排液總成抽吸泵的提升經(jīng)排液管流出，而砂粒甩向筒壁并經(jīng)由排砂管排出， 由此實現(xiàn)第二級固液分離，經(jīng)兩級分離處理后采出液得到高效而徹底的固液分離。
[0008] 除砂罐材質(zhì)選用壓力容器材料Q345R，罐腔通體內(nèi)襯環(huán)氧樹脂。除砂罐采用立式分 體式容器的構(gòu)造，其上部采用圓錐形封頭，封頭本體為圓錐形筒體，筒體上部與圓板焊接在 一起，而其下部與法蘭盤焊接在一起，封頭法蘭盤上均勻布置36?48個螺孔，并通過雙頭 螺柱與下部的罐體法蘭盤聯(lián)接在一起。封頭與罐體結(jié)合處均設(shè)計有凸臺，封頭圓板的中央 部位加工有柱形孔眼，孔眼直徑等于排液管外徑；封頭圓板邊緣處均勻布置四個沖洗管，沖 洗作業(yè)時清洗液經(jīng)沖洗管進入除砂罐，保證對罐體內(nèi)的各部件進行全方位沖洗。除砂罐下 部的罐體采用筒體結(jié)構(gòu)，通過下隔板和墊板將其分為上下兩個部分,上部柱形筒體內(nèi)容納 鼠籠式旋流管總成，下部圓錐形筒體配置二級旋流筒總成。
[0009] 封頭圓板內(nèi)側(cè)布置有壓力安全閥接頭，其上聯(lián)接的壓力安全閥在除砂罐出現(xiàn)危險 工況時自動釋放壓力。封頭本體上設(shè)計有液位控制閥接頭，其上聯(lián)接的液位控制閥自動檢 測集液管總成內(nèi)的液位并控制排液總成的排液量。封頭本體和二級旋流筒總成頂部設(shè)置有 上下兩個壓差變送器接頭，其上聯(lián)接的壓差變送器自動檢測封頭與二級旋流筒總成間的壓 差，并將壓差信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦?，實施高壓差報警及高高壓差關(guān)斷操作。
[0010] 進液管匯作為采出液進入除砂罐的通道，位于鼠籠式旋流管總成的上部，進液管 匯由多個進液管組成，其數(shù)量為單體旋流管數(shù)的一半，各進液管沿除砂罐罐體的罐壁均勻 排列，進液管入口軸線分別與對應(yīng)位置旋流管中心連線的垂直平分線重合，保證每個進液 管可以同時為兩個旋流管提供采出液。每個進液管包括進口段、入口段和出口段，其進口 段圓管軸線間相互平行，且進口朝向一致；其入口段采用圓錐體與柱體相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，柱體 端面加工有8個均勻布置的螺釘孔；而出口段外側(cè)采用法蘭盤結(jié)構(gòu)，并通過緊定螺釘實現(xiàn) 入口段和出口段間的聯(lián)接，入口段和出口段間通過丁腈橡膠墊進行密封；出口段內(nèi)側(cè)由2 個相同管徑的液管分支組成，且液管分支沿出口段軸線對稱布置，液管分支通過三通管和 135°彎頭與出口段法蘭盤進行連接；進液管流道的橫截面積等于2個液管分支流動橫截 面積之和。進液管的2個液管分支分別貫穿旋流管的管壁并且液管分支的出口切向進入旋 流管的旋流段；液管分支出口與旋流管對應(yīng)位置導(dǎo)流齒的上齒面平齊，并且出口流道直徑 等于導(dǎo)流齒的齒高，保證采出液由進液管平穩(wěn)切入旋流管的導(dǎo)流齒。各進液管入口段與除 砂罐罐體以及各液管分支與旋流管管壁間均采用插焊實現(xiàn)連接。
[0011] 鼠籠式旋流管總成用來實現(xiàn)采出液的第一級固液分離，完成大部分的固液分離處 理工作，主要包括旋流管、上隔板、下隔板、筋板和墊板，各部件材質(zhì)均選用雙向不銹鋼。旋 流管在除砂罐內(nèi)垂直布置并沿圓周方向均勻排列，其個數(shù)依據(jù)采出液總流量在6?12個選 取，保證采出液高效分離處理。旋流管上端口與上隔板孔眼聯(lián)通，并與孔眼壁通過過盈配合 保證密封性；旋流管下部出口段與二級旋流筒總成聯(lián)通，并且小錐段與下隔板孔眼通過間 隙配合實現(xiàn)旋流管固定。
[0012] 每個單體旋流管均采用相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，以實現(xiàn)其標準化和組塊化設(shè)計，為滿 足油田開采中不同階段采出液量的變化，在采出液量較小時可通過堵塞部分旋流管上端口 的方式來滿足固液分離處理量要求。每個旋流管呈上粗下細的V形構(gòu)造，由錐蓋段、旋流 段、大錐段、小錐段、直管段和出口段組成，依次采用圓錐形和圓柱形管體相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，各 管段結(jié)合處采用圓弧過渡，保證各管段壁上形成連續(xù)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)流。
[0013] 旋流管的旋流段、大錐段、小錐段和直管段沿軸向的間距依次減小，保證采出液形 成旋轉(zhuǎn)流后，先加速旋轉(zhuǎn)后流道緩慢收縮，小錐段后直接設(shè)計有直管段增加旋轉(zhuǎn)流的停留 時間。旋流段、大錐段和小錐段的錐度依次增大，依次設(shè)計為0°、15°和25°，使旋轉(zhuǎn)流保 持高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并實現(xiàn)采出液在各管段上的最佳分離效果。
[0014] 旋流管的旋流段管壁上焊接有導(dǎo)流齒，導(dǎo)流齒的齒線為沿圓柱面從進液管液管分 支出口至旋流段底端面之間展開的螺旋線，螺旋線的圈數(shù)依據(jù)采出液的物性在3?6圈內(nèi) 選取，螺旋線的螺距沿軸向朝下逐漸增大，以適應(yīng)不斷提升的旋轉(zhuǎn)流速度。導(dǎo)流齒的起始端 與進液管液管分支出口的末端相聯(lián)接，保證導(dǎo)流管和進液管內(nèi)形成一股連續(xù)的旋轉(zhuǎn)流。導(dǎo) 流齒在垂直于齒線的法面端面為組合曲面，該法面端面的上邊線為下凹的圓弧，圓弧起始 端與旋流段管壁相切，保證旋轉(zhuǎn)流可以順利切入導(dǎo)流齒；而其下邊線為上凸的圓弧，圓弧末 端與旋流管管壁相垂直，保證導(dǎo)流齒具有足夠的強度和剛度。導(dǎo)流齒法面端面的高度沿齒 線逐漸降低，保證旋轉(zhuǎn)流在導(dǎo)流齒上的接觸線不斷縮短，流出導(dǎo)流齒面后順利切入大錐段。
[0015] 旋流管的小錐段實施固液分離的同時，將第一級固液分離后的砂粒等固體顆粒排 入集砂管總成內(nèi)。小錐段外錐面采用變錐面構(gòu)造，下部錐面向內(nèi)收縮，以便與下隔板孔眼相 配合。小錐段錐體的中部鉆有分層布置的圓錐形排砂錐孔，層間間距相等，共三層，每層的 排砂錐孔沿錐面均勻排列，個數(shù)取12?18,排砂錐孔剖面內(nèi)窄外寬，可以避免砂粒在排砂 錐孔內(nèi)不斷聚集而造成堵塞。小錐段錐體的下部切割有一定寬度和密度的砂縫，該砂縫沿 錐面等間距均勻布置，砂縫數(shù)與排砂錐孔數(shù)相同，各砂縫沿垂向傾斜布置，砂縫中線與小錐 段軸線間的夾角大于60°，同時砂縫也內(nèi)窄外寬，可以保證砂粒及時排出旋流管而避免發(fā) 生堵塞，為此所設(shè)計的小錐段排砂錐孔和砂縫均具有自潔凈作用。依據(jù)除砂罐內(nèi)的壓力和 旋轉(zhuǎn)流的流速，設(shè)計排砂錐孔層間連線與砂縫頂端中線沿旋轉(zhuǎn)流旋向錯開的角度，以保證 通過排砂錐孔出砂后的剩余砂粒可以順利通過砂縫排出。
[0016] 旋流管的錐蓋段位于旋流管的頂部，采用錐度為60°的倒圓錐形結(jié)構(gòu)，保證離心 力場中上升的液芯順利收油并溢出旋流管。出口段位于旋流管的底部，采用流道截面面積 不斷減小的彎頭構(gòu)造，以提升進入二級旋流筒總成的采出液流速；出口段的始入端軸線與 直管段軸線重合，而末端軸線水平并且與該平面二級旋流筒總成本體的圓周切線相平行， 保證提速后的井液切向進入二級旋流筒總成而形成新的旋轉(zhuǎn)流。
[0017] 上隔板和下隔板將除砂罐由上而下分隔成封頭、鼠籠式旋流管總成和二級旋流筒 總成幾個腔室。上隔板采用柱形圓板，中間內(nèi)環(huán)面上部采用錐度為160°的倒圓錐形結(jié)構(gòu)， 保證從旋流管上端溢流出來的液體順利流進集液管總成的上集液管；內(nèi)環(huán)面下部采用柱形 孔眼，并與該位置的上集液管相配合；上隔板四周均勻布置與旋流管個數(shù)相同的柱形孔眼， 邊緣加工有均勻排列的螺釘孔。筋板采用環(huán)形圓板，與除砂罐罐壁通過圓周焊的方式進行 固定，筋板內(nèi)環(huán)面上部設(shè)計有矩形全環(huán)凹槽，與上隔板間隙配合進行聯(lián)接，凹槽下面加工有 與上隔板螺釘孔相同數(shù)量的均勻布置的螺紋通孔。下隔板的結(jié)構(gòu)及尺寸與上隔板相同，只 是其內(nèi)外環(huán)面采用倒圓錐形結(jié)構(gòu)，四周均勻布置與旋流管個數(shù)相同的倒圓錐形孔眼。墊板 的結(jié)構(gòu)及尺寸與筋板相同，只是采用倒圓錐形的全環(huán)凹槽，與下隔板配合而實現(xiàn)定位，保證 上隔板和下隔板的水平度以及旋流管的垂直度。上隔板與筋板以及下隔板與墊板間通過螺 釘進行聯(lián)接以方便旋流管拆卸，并通過丁腈橡膠墊進行密封。
[0018] 二級旋流筒總成用來實現(xiàn)采出液的第二級固液分離，在采出液流量比較大以及黏 度值較高時需要完成少量剩余液的固液分離處理工作，包括本體和封體兩部分。其本體采 用圓錐形筒體構(gòu)造，錐面的錐度優(yōu)化設(shè)計為30° ;本體錐面的大端直徑等于除砂罐罐體內(nèi) 環(huán)面直徑，而本體錐面的小端直徑等于封體外環(huán)面直徑；本體錐面的大端面在垂向上高于 旋流管出口段的末端，超出的高度為一個出口段末端的直徑。本體底部采用厚壁筒形封體， 收集第二級固液分離后的固體顆粒，封體內(nèi)環(huán)面采用變截面回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，其上部和中部均 采用倒圓錐體，而下部采用圓柱形結(jié)構(gòu)，且上部、中部和下部的錐度依次減小，依次設(shè)計為 90°、50°和0°，且各截面不斷收縮，以保證本體內(nèi)固液分離后的砂粒經(jīng)由封體順利滑落 入排砂管；封體下端面的四周均勻布置12個螺釘孔。
[0019] 集液管總成用來收集采出液固液分離后的液體，包括垂直布置的上集液管和下集 液管。上集液管用來收集第一級固液分離后的液體，其上端面采用160°的倒圓錐形結(jié)構(gòu)， 并且上端面所在的錐面與上隔板內(nèi)環(huán)面上的錐面相平齊；主體部分采用圓管，其上部與上 隔板內(nèi)環(huán)面過盈配合而實現(xiàn)固定，其下部采用錐度為90°的倒圓錐形結(jié)構(gòu)，并與下隔板內(nèi) 環(huán)面間隙配合而實現(xiàn)定位，保證上集液管的垂直度，錐面頂部加工有與排液管同管徑的柱 形孔眼。下集液管用來收集第二級固液分離后的液體，其主體部分采用管徑大于上集液管 的圓管，上端口稍低于二級旋流筒總成本體的大端面；下部采用錐度為90°的倒圓錐形結(jié) 構(gòu)，與集砂管總成聯(lián)通管同軸布置，并且與聯(lián)通管上端通過焊接實現(xiàn)固定。
[0020] 排液總成將集液管總成內(nèi)收集的液體及時排出除砂罐，包括排液管和抽吸泵，抽 吸泵為液體排出除砂罐提供吸力，采用雙吸式非密閉的雙螺桿泵，一端伸出泵外的主動螺 桿由變頻電機驅(qū)動，并通過同步齒輪帶動從動螺桿，主動螺桿與從動螺桿上的螺紋旋向相 反，兩螺桿與泵體間緊密貼合。排液管作為液體流動的通道，采用彎頭和雙片法蘭實現(xiàn)管線 間連接，其水平段通過法蘭盤與雙螺桿抽吸泵入口進行聯(lián)接，而其垂直段由上而下依次貫 穿除砂罐封頭和上集液管的中央部位，最終插入下集液管內(nèi)并與下集液管同心布置。排液 管下端口位于下集液管底部，以便及時排出下集液管中所匯集的全部液體；排液管與上集 液管結(jié)合部位的上部設(shè)計有4個圓形孔眼，孔眼沿圓周方向均勻布置，以便及時排出上集 液管中所匯集的全部液體；排液管與上集液管以及除砂罐封頭間均采用插焊進行固定。
[0021] 集砂管總成用來收集第一級固液分離后的砂粒等固體顆粒，依次由砂斗、承接彎 管、聯(lián)通管和支撐筋板構(gòu)成一個整體，砂斗、承接彎管和聯(lián)通管旁通管沿圓周方向均勻布 置，同時其數(shù)量與旋流管數(shù)相同。砂斗采用與旋流管小錐段相同錐度的倒圓錐形結(jié)構(gòu)，砂 斗錐面大端的直徑大于旋流管小錐段的大端直徑，同時砂斗錐面大端面高于旋流管小錐段 上最頂層的排砂錐孔，以保證旋流管所分離去來的固體顆粒全部甩入砂斗；砂斗的中下部 鉆有軸線水平的圓孔，孔眼直徑等于旋流管出口段末端的直徑，并與旋流管間隙配合；砂斗 小端面所在平面與水平面間的夾角為15°。承接彎管用來連接砂斗和聯(lián)通管旁通管，采用 135°變徑彎頭，彎頭出口端面與水平面間的夾角為18°。聯(lián)通管作為集砂管總成的本體， 中間主管的上端面采用與下集液管相同錐度的錐面，主管上部均勻排列的旁通管軸線與水 平面間的夾角為45°，旁通管橫截面積之和等于主管的橫截面積；主管的管徑小于下集液 管的管徑，并且其下端面與二級旋流筒總成封體的下端面相平齊。聯(lián)通管下部設(shè)計有四個 均勻布置的條形板狀的支撐筋板，支撐筋板的兩端分別通過焊接實現(xiàn)集砂管總成與二級旋 流筒總成間的固定。
[0022] 排砂管將集砂管總成內(nèi)收集的固體顆粒及時排出除砂罐，位于二級旋流筒總成封 體的下部，其入口正對封體內(nèi)環(huán)面，而出口段水平布置并與排液管水平段反向布置而與進 液管匯進口段同向布置。排砂管通過法蘭盤和螺釘與二級旋流筒總成封體底部相聯(lián)接，且 排砂管與封體間通過丁腈橡膠墊進行密封。排砂管入口段和出口段間通過彎頭進行連接， 入口段采用錐體結(jié)構(gòu)，錐體外錐面的錐度大于內(nèi)錐面的錐度，且內(nèi)錐面大端的直徑等于封 體內(nèi)環(huán)面柱體的直徑，彎頭和出口段管線內(nèi)徑等于內(nèi)錐面小端的直徑。
[0023] 本發(fā)明所能達到的技術(shù)效果是，該固液分離裝置采用鼠籠式旋流管和兩級旋流分 離技術(shù)，具備結(jié)構(gòu)緊湊和造價經(jīng)濟的特點，為整個油氣處理系統(tǒng)節(jié)省布置空間和生產(chǎn)成本； 鼠籠式旋流管總成和二級旋流筒總成順次實現(xiàn)采出液的第一級和第二級固液分離，保證采 出液得到高效而徹底的固液分離；該裝置的適應(yīng)性好，通常情況通過第一級固液分離即可 完成大部分的處理工作，而在采出液流量比較大以及黏度值較高時，通過第二級固液分離 來完成少量剩余液的處理工作；旋流管的旋流段、大錐段和小錐段的軸向間距依次減小而 錐度依次增大，結(jié)合二級旋流筒總成優(yōu)化設(shè)計的錐度，使采出液在固液分離時的阻力系數(shù) 小，從而保持高速的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)各管段上的最佳分離效果；每個旋流管均采用相同的結(jié) 構(gòu)和尺寸，實現(xiàn)標準化和組塊化設(shè)計，通過改變旋流管開關(guān)數(shù)量來適應(yīng)不同的采出液量；采 出液固液分離后的液體通過集液管總成來收集并經(jīng)由排液總成及時排出，同時分離后固體 顆粒通過集砂管總成和封體收集并經(jīng)由排砂管排出；配置壓力安全閥并于危險工況時自動 釋放壓力，液位控制閥自動檢測集液管總成內(nèi)的液位進而控制排液量，壓差變送器自動檢 測罐內(nèi)壓差并實施報警及關(guān)斷操作，使得整套裝置的自動化程度高；整套裝置成撬設(shè)計，各 接口采用法蘭聯(lián)接，且各部件采用分體式構(gòu)造，使得其易于安裝、操作和維護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0025] 圖1是根據(jù)本發(fā)明所提出的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置的典型結(jié)構(gòu)簡圖。
[0026] 圖2是鼠籠式兩級旋流固液分離裝置中除砂罐、二級旋流筒總成和集砂管總成集 于一體的結(jié)構(gòu)簡圖。
[0027] 圖3是鼠籠式兩級旋流固液分離裝置中鼠籠式旋流管總成和進液管匯的結(jié)構(gòu)簡 圖。
[0028] 圖4是圖3的A- A剖視圖。
[0029] 圖5是鼠籠式兩級旋流固液分離裝置中單體旋流管的結(jié)構(gòu)簡圖。
[0030] 圖6是單體旋流管中小錐段的仰視圖。
[0031] 圖7是鼠籠式兩級旋流固液分離裝置的采出液高效分離處理的流程簡圖。
[0032] 圖中1 -除砂罐，2 -進液管匯，3 -鼠籠式旋流管總成，4 -集液管總成，5 -排液 總成，6 -二級旋流筒總成，7 -集砂管總成，8 -排砂管，9 一壓差變送器接頭，10 -沖洗管， 11 一壓力安全閥接頭，12 -液位控制閥接頭，13 -封頭，14 一雙頭螺柱，15 -罐體，16 -本 體，17 -封體，18 -支撐筋板，19 -聯(lián)通管，20 -承接彎管，21 -砂斗，22 -上隔板，23 -筋 板，24 -進液管，25 -旋流管，26 -下隔板，27 -墊板，28 -進口段，29 -入口段，30 -進液 管出口段，31 -錐蓋段，32 -旋流段，33 -導(dǎo)流齒，34 -大錐段，35 -小錐段，36 -直管段， 37 -旋流管出口段。

【具體實施方式】
[0033] 在圖1中，鼠籠式兩級旋流固液分離裝置由除砂罐1、進液管匯2、鼠籠式旋流管總 成3、集液管總成4、排液總成5、二級旋流筒總成6、集砂管總成7和排砂管8組成。裝配時， 首先將集液管總成4下集液管與集砂管總成7焊接好后裝入二級旋流筒總成6的封體內(nèi)， 并通過螺釘將排砂管8聯(lián)接到二級旋流筒總成6上，然后將鼠籠式旋流管總成3下隔板置 入墊板內(nèi)，進液管匯2與各旋流管焊接好后順次放入除砂罐1內(nèi)，再蓋好上隔板，接著將集 液管總成4上集液管置入鼠籠式旋流管總成3內(nèi)，并將除砂罐1封頭與排液總成5排液管 焊接好后通過雙頭螺柱接到罐體上。
[0034] 在圖1中，鼠籠式兩級旋流固液分離裝置調(diào)試時，首先對整個裝置進行液壓試驗， 試驗壓力為設(shè)計壓力的1. 25倍；然后，順次檢查裝置各管線、閥門、儀表等接口是否連接正 確、是否松動，接頭是否通暢、是否存在泄漏；最后，接通儀表氣源，檢查儀表氣源壓力。裝置 維護時，每年需對各部件進行一次檢修，依次檢查進液管匯2和集砂管總成7管路是否有異 物堆積，鼠籠式旋流管總成3和二級旋流筒總成6是否有銹蝕，鼠籠式旋流管總成3的導(dǎo)流 齒表面是否有銹蝕，銹蝕嚴重時需要進行更換。吹掃時，關(guān)閉排液總成5和排砂管8上的閥 門，然后通過進液管匯2的進液管向固液分離裝置及其管線注入氮氣，并通過放空閥監(jiān)測 釋放出氮氣的含氧量，在含氧量達到限定值后，依次關(guān)閉氣體排放口以及進液管匯2閥門。
[0035] 在圖1中，采出液量變化可以通過調(diào)整單體旋流管數(shù)量來實現(xiàn)，而采出液的流速 可以通過調(diào)節(jié)進液管匯2上的調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)。在采出液量和流速一定的情況下，通過排液總 成5的變頻電機調(diào)整抽吸泵輸送液體量，來控制除砂罐1內(nèi)合適的差壓比，以保證采出液的 固液分離效果。裝置的最大采出液量可以通過調(diào)整鼠籠式旋流管總成3和二級旋流筒總成 6的軸向間距來實現(xiàn)。采出液固液分離后的液體量較多時，可以通過增大排液總成5抽吸泵 輸送液體量或者增大集液管總成4管徑來解決。采出液固液分離后的砂粒較多而無法及時 排出時，可以通過在排砂管8上安裝抽風(fēng)機的方式來解決。
[0036] 在圖2中，分體式除砂罐1的封頭13與罐體15通過雙頭螺柱14進行聯(lián)接，清洗 液經(jīng)四個沖洗管10同時進入除砂罐1內(nèi)實施沖洗作業(yè)。壓力安全閥接頭11上安裝壓力安 全閥用于超壓危險工況時的自我保護，液位控制閥接頭12上安裝液位控制閥用于調(diào)整排 液總成5的排液量，而壓差變送器接頭9上安裝上下兩個壓差變送器用于實施高壓差報警 及關(guān)斷操作。
[0037] 在圖2中，二級旋流筒總成6實施第二級旋流固液分離，其外形呈現(xiàn)"V形"構(gòu)造， 并與除砂罐1之間通過本體16錐面大端與罐體15實現(xiàn)聯(lián)接，封體17接于本體16底部，保 證本體16內(nèi)實施第二級固液分離后的砂?？梢越?jīng)由封體17順利落入排砂管8。集砂管總 成7同心布置于二級旋流筒總成6的腔室內(nèi)，并通過支撐筋板18實現(xiàn)二者的固定，砂斗21、 承接彎管20和聯(lián)通管19旁通管的位置與旋流管一一對應(yīng)。
[0038] 在圖3中，鼠籠式旋流管總成3實施第一級旋流固液分離，其旋流管25沿圓周均 勻排列而使其外形呈現(xiàn)"鼠籠式"構(gòu)造，旋流管25貫穿上隔板22與下隔板26孔眼，而實現(xiàn) 封頭13、鼠籠式旋流管總成3和二級旋流筒總成6幾個腔室間的相互聯(lián)通。上隔板22和下 隔板26分別與筋板23和墊板27的凹槽配合后通過螺釘聯(lián)接實現(xiàn)鼠籠式旋流管總成3與 除砂罐1間的固定。各旋流管25軸線與除砂罐1的軸線平行布置，且第一級固液分離后的 采出液經(jīng)旋流管25的出口段切向進入二級旋流筒總成6。
[0039] 在圖4中，進液管匯2水平放置，包含多個均布的進液管24,其出口段30的液管分 支與旋流管25導(dǎo)流齒平齊，采出液通過進口段28后，經(jīng)入口段29改變流動方向而進入進 液管出口段30,最后由進液管出口段30的液管分支切向進入旋流管25。
[0040] 在圖5和圖6中，旋流管25采用標準化和組塊化設(shè)計，其旋流段32管壁上焊接后 螺距不斷增大的導(dǎo)流齒33,采出液經(jīng)進液管24切向進入旋流段32后，經(jīng)導(dǎo)流齒33的導(dǎo)向 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，旋轉(zhuǎn)流進入大錐段34后獲得很大的角加速度而加速旋轉(zhuǎn)，之后流進小錐段35 仍保持高速旋轉(zhuǎn)，而在進入直管段36后旋轉(zhuǎn)速度逐漸減弱。在離心力場旋流管25中心的 液芯反向上升，經(jīng)錐蓋段31順利收油后溢出旋流管25,而砂粒經(jīng)小錐段35的排砂錐孔和砂 縫排出旋流管25, 一級分離后的部分采出液經(jīng)旋流管出口段37切向進入二級旋流筒總成 6〇
[0041] 在圖7中，油氣井含砂采出液固液高效分離處理通過兩級旋流固液分離過程來實 現(xiàn)，其中鼠籠式旋流管總成3的第一級固液分離可完成采出液大部分的處理工作，其具體 流程為，采出液經(jīng)進液管匯2的進液管24切向進入鼠籠式旋流管總成3的旋流管25并在 其旋流段32產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，再經(jīng)大錐段34的加速旋轉(zhuǎn)和小錐段35的保持高速后，進入直管 段36進行減速，在離心力場中液體運移至旋流管25中心形成液芯并反向從旋流管25溢流 口流出，統(tǒng)一匯集到集液管總成4的上集液管內(nèi)，液位控制閥自動檢測上集液管內(nèi)的液位 并通過排液總成5抽吸泵的提升作用經(jīng)排液管排出除砂罐1，而砂粒逐漸甩向旋流管25的 管壁并經(jīng)其小錐段35進入集砂管總成7內(nèi)，然后依次經(jīng)由砂斗21、承接彎管20和聯(lián)通管 19輸送至排砂管8并排出除砂罐1。在采出液流量比較大以及黏度值較高時，通過二級旋 流筒總成6的第二級固液分離來完成少量剩余液的處理工作，其具體流程為，先通過鼠籠 式旋流管總成3完成第一級固液分離，一級分離后的部分采出液經(jīng)旋流管出口段37切向進 入二級旋流筒總成6的本體16錐面再次形成旋轉(zhuǎn)流，液體運移至集液管總成4的下集液管 形成液環(huán)并反向上升溢進下集液管內(nèi)，液位控制閥自動檢測下集液管內(nèi)的液位并通過排液 總成5抽吸泵的提升作用與第一級固液分離后的液體一起經(jīng)排液管排出除砂罐1，而砂粒 甩向本體16的筒壁并經(jīng)由封體17進入排砂管8并與第一級固液分離后的砂粒一起排出除 砂罐1。
【權(quán)利要求】
1. 一種鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，采出液經(jīng)進液管匯切向進入鼠籠式旋流管總成 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，流入大錐段后加速旋轉(zhuǎn)，流進小錐段后保持高速旋轉(zhuǎn)，進入直管段后增加了 采出液在旋轉(zhuǎn)流場內(nèi)的停留時間，液體運移至旋流管中心形成液芯，而砂粒逐漸甩向管壁， 實現(xiàn)第一級固液分離；一級分離后的部分采出液切向進入二級旋流筒總成形成旋轉(zhuǎn)流，旋 流筒中央的下集液管外表面形成液環(huán)，砂粒甩向筒壁，實現(xiàn)第二級固液分離，其特征在于： 一除砂罐；所述除砂罐上部采用圓錐形封頭，封頭圓板邊緣處均勻布置四個沖洗管，沖 洗作業(yè)時清洗液經(jīng)沖洗管進入除砂罐，罐體通過下隔板和墊板分為上下兩個部分； 一進液管匯；所述進液管匯由多個進液管組成，各進液管沿除砂罐罐體的罐壁均勻排 列，進液管入口軸線分別與對應(yīng)位置旋流管中心連線的垂直平分線重合；進液管的2個液 管分支分別貫穿旋流管的管壁并且液管分支的出口切向進入旋流管的旋流段； 一鼠籠式旋流管總成；所述鼠籠式旋流管總成的旋流管在除砂罐內(nèi)垂直布置并沿圓周 方向均勻排列，每個單體旋流管均采用相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，呈上粗下細的V形構(gòu)造；旋流管 的旋流段、大錐段、小錐段和直管段沿軸向的間距依次減小，且旋流段、大錐段和小錐段的 錐度依次增大；旋流管的旋流段管壁上焊接有導(dǎo)流齒，導(dǎo)流齒的起始端與進液管液管分支 出口的末端相聯(lián)接，導(dǎo)流齒法面端面的高度沿齒線逐漸降低；小錐段錐體的中部鉆有分層 布置的圓錐形排砂錐孔，排砂錐孔剖面內(nèi)窄外寬，而下部切割有一定寬度和密度的砂縫，砂 縫也內(nèi)窄外寬；錐蓋段采用倒圓錐形結(jié)構(gòu)，而出口段采用流道截面面積不斷減小的彎頭構(gòu) 造，出口段的末端軸線水平并且與該平面二級旋流筒總成本體的圓周切線相平行；上隔板 和下隔板將除砂罐由上而下分隔成封頭、鼠籠式旋流管總成和二級旋流筒總成幾個腔室； 一二級旋流筒總成；所述二級旋流筒總成的本體采用圓錐形筒體構(gòu)造，錐面的錐度優(yōu) 化設(shè)計為30° ;本體錐面的大端面在垂向上高于旋流管出口段的末端，超出的高度為一個 出口段末端的直徑；本體底部采用厚壁筒形封體，封體內(nèi)環(huán)面采用變截面回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)； 一集液管總成；所述集液管總成包括垂直布置的上集液管和下集液管，上集液管上端 面所在的錐面與上隔板內(nèi)環(huán)面上的錐面相平齊；下集液管主體部分采用管徑大于上集液管 的圓管，上端口稍低于二級旋流筒總成本體的大端面； 一排液總成；所述排液總成包括排液管和抽吸泵，抽吸泵為液體排出除砂罐提供吸力， 采用雙吸式非密閉的雙螺桿泵；排液管水平段通過法蘭盤與抽吸泵入口聯(lián)接，而其垂直段 由上而下依次貫穿除砂罐封頭和上集液管的中央部位，最終插入下集液管內(nèi)并與其同心布 置； 一集砂管總成；所述集砂管總成的砂斗采用與旋流管小錐段相同錐度的倒圓錐形結(jié) 構(gòu)，承接彎管采用變徑彎頭，聯(lián)通管的主管上部均勻排列的旁通管軸線與水平面間的夾角 為45°，旁通管橫截面積之和等于主管的橫截面積； 一排砂管；所述排砂管入口正對封體內(nèi)環(huán)面，入口段采用錐體結(jié)構(gòu)，錐體外錐面的錐 度大于內(nèi)錐面，而出口段水平布置并與排液管水平段反向布置而與進液管匯進口段同向布 置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述除砂罐的 封頭本體上設(shè)計有液位控制閥接頭，其上聯(lián)接的液位控制閥自動檢測集液管總成內(nèi)的液位 并控制排液總成的排液量； 所述封頭本體和二級旋流筒總成頂部設(shè)置有上下兩個壓差變送器接頭，其上聯(lián)接的 壓差變送器自動檢測封頭與二級旋流筒總成間的壓差，實施高壓差報警及高高壓差關(guān)斷操 作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述進液管包 括進口段、入口段和出口段，其進口段圓管軸線間相互平行，且進口朝向一致；出口段內(nèi)側(cè) 由2個相同管徑的液管分支組成，且液管分支沿出口段軸線對稱布置，液管分支通過三通 管和彎頭與出口段法蘭盤進行連接；液管分支出口與旋流管對應(yīng)位置導(dǎo)流齒的上齒面平 齊，并且出口流道直徑等于導(dǎo)流齒的齒高。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述旋流管旋 流段上導(dǎo)流齒的齒線為沿圓柱面從進液管液管分支出口至旋流段底端面之間展開的螺旋 線，螺旋線的螺距沿軸向朝下逐漸增大； 所述導(dǎo)流齒在垂直于齒線的法面端面為組合曲面，該法面端面的上邊線為下凹的圓 弧，圓弧起始端與旋流段管壁相切；而其下邊線為上凸的圓弧，圓弧末端與旋流管管壁相垂 直。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述旋流管的 小錐段外錐面采用變錐面構(gòu)造，下部錐面向內(nèi)收縮；排砂錐孔的層間間距相等，每層的排砂 錐孔沿錐面均勻排列；而砂縫沿錐面等間距均勻布置，砂縫數(shù)與排砂錐孔數(shù)相同，各砂縫沿 垂向傾斜布置，砂縫中線與小錐段軸線間的夾角大于60° ;依據(jù)除砂罐內(nèi)的壓力和旋轉(zhuǎn)流 的流速，設(shè)計排砂錐孔層間連線與砂縫頂端中線沿旋轉(zhuǎn)流旋向錯開的角度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述旋流管上 端口與上隔板孔眼聯(lián)通，并與孔眼壁通過過盈配合保證密封性；旋流管下部出口段與二級 旋流筒總成聯(lián)通，并且小錐段與下隔板孔眼通過間隙配合實現(xiàn)旋流管固定； 所述上隔板中間內(nèi)環(huán)面上部采用錐度為160°的倒圓錐形結(jié)構(gòu)，筋板內(nèi)環(huán)面上部設(shè)計 有矩形全環(huán)凹槽，與上隔板間隙配合進行聯(lián)接；下隔板內(nèi)外環(huán)面采用倒圓錐形結(jié)構(gòu)，墊板采 用倒圓錐形的全環(huán)凹槽，與下隔板配合而實現(xiàn)定位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述二級旋流 筒總成本體錐面的大端直徑等于除砂罐罐體內(nèi)環(huán)面直徑，而本體錐面的小端直徑等于封體 外環(huán)面直徑； 所述封體內(nèi)環(huán)面上部和中部均采用倒圓錐體，而下部采用圓柱形結(jié)構(gòu)，且上部、中部和 下部的錐度依次減小，且各截面不斷收縮。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述集液管總 成的上集液管主體部分采用圓管，其上部與上隔板內(nèi)環(huán)面過盈配合而實現(xiàn)固定，其下部采 用倒圓錐形結(jié)構(gòu)，并與下隔板內(nèi)環(huán)面間隙配合而實現(xiàn)定位； 所述下集液管下部采用倒圓錐形結(jié)構(gòu)，與集砂管總成聯(lián)通管同軸布置，并且與聯(lián)通管 上端通過焊接實現(xiàn)固定。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述排液總成 抽吸泵一端伸出泵外的主動螺桿由變頻電機驅(qū)動，并通過同步齒輪帶動從動螺桿，主動螺 桿與從動螺桿上的螺紋旋向相反，兩螺桿與泵體間緊密貼合； 所述排液管下端口位于下集液管底部，排液管與上集液管結(jié)合部位的上部設(shè)計有圓形 孔眼，孔眼沿圓周方向均勻布置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼠籠式兩級旋流固液分離裝置，其特征在于：所述集砂管總 成的砂斗、承接彎管和聯(lián)通管旁通管沿圓周方向均勻布置，同時其數(shù)量與旋流管數(shù)相同； 所述砂斗錐面大端的直徑大于旋流管小錐段的大端直徑，同時砂斗錐面大端面高于旋 流管小錐段上最頂層的排砂錐孔；聯(lián)通管主管的管徑小于下集液管的管徑，其下部設(shè)計有 四個均勻布置的條形板狀的支撐筋板。
【文檔編號】B01D21/26GK104056472SQ201410276100
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】劉春花, 劉新福, 陳國龍 申請人:中國石油大學(xué)(華東)