CN104056472A - 鼠笼式两级旋流固液分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种鼠笼式两级旋流固液分离装置，用于油气井采出液的固液高效分离。该装置采用鼠笼式旋流管和两级旋流技术，结构紧凑且造价经济；鼠笼式旋流管和二级旋流筒总成顺次完成第一级和第二级固液分离，实现采出液高效而彻底的分离；该装置适应性好，第一级固液分离完成大部分的处理工作，液量和黏度大时第二级固液分离用来处理少量剩余液；旋流管和二级旋流筒各锥段的优化设计，使采出液阻力系数小并保持高速的旋转状态；各旋流管采用相同的结构和尺寸，实现标准化和组块化设计；分离后的液体经集液管总成收集由排液总成排出，而砂粒经集砂管总成和封体收集后由排砂管排出；该装置的自动化程度高，并易于安装、操作和维护。

Description

鼠笼式两级旋流固液分离装置

技术领域

本发明涉及一种陆上和海洋油气井含砂采出液固液高效分离处理的装置。

背景技术

陆上和海洋油气田开发中，采出液携带的大量砂粒容易在集输管道及各类分离存储设备中沉积下来，由此造成设备与管线堵塞、泵类装置磨损加剧、油气分离设备的处理效率大幅度下降以及存储类设备的有效利用率降低等一系列不利影响，为此，含砂采出液固液高效分离是国内外油气开采中面临的一大难题。

当前国内外含砂采出液固液分离的方法可以归纳为两种：重力沉降法和旋流分离法，其中重力沉降法是将采出液引入大型沉降设备，利用油、水和砂粒的不同比重进行自然沉降分离，该方法比较简单，但分离效率较低，设备占地面积大，而且分离设备内沉积砂粒的清理工作相当繁琐，且不安全。旋流分离法主要是采用水力旋流器，也是目前国内外各大油田主要使用的采出液固液分离方法，较之重力沉降法，该方法的分离效果显著提高，但由于水力旋流器通常采用单级单筒的方式，使得其在进一步提高分离效率方面受到种种限制，并且随着采出液黏度的增大，介质内摩擦阻力增加，最终导致能量损失的增大，分离能力有限。

随着陆上和海洋油气田开发深度的加大，稠油油藏的大量开发和聚合物驱采油技术的大面积推广应用，常规的水力旋流器技术已经满足不了油田现场的生产需要，为此依托现有可行性技术的基础上，同时采用新技术、新材料及加工工艺，研制出新型固液高效分离处理装置，该装置依据流场的数值模拟和仿真分析结果进行设计，并依据试验数据对装置的关键参数进行了优化设计，实现了油气井含砂采出液的固液高效分离处理。

发明内容

为了克服现有油气井采出液固液分离技术存在的缺陷和不足，并适应稠油井和聚合物驱采油技术的需要，本发明的目的是提供一种适合陆上和海洋油气井含砂采出液的鼠笼式两级旋流固液分离装置。该固液分离装置采用鼠笼式旋流管和两级旋流分离的特殊结构和处理工艺，具备结构紧凑和造价经济，采出液高效分离处理，适应性好，阻力系数小，标准化和组块化，自动化程度高，易于安装、操作和维护等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种鼠笼式两级旋流固液分离装置，主要由除砂罐、鼠笼式旋流管总成、二级旋流筒总成、集砂管总成、集液管总成、进液管汇、排液总成、排砂管等几部分组成。

两级旋流固液分离方法为，采出液经进液管汇切向进入鼠笼式旋流管总成并在各个旋流管单体的旋流段产生旋转运动，流入大锥段后，流道截面迅速收缩，采出液获得很大的角加速度，加速旋转，流进小锥段后，流道截面缓慢收缩，增加的角动量补偿采出液与管内壁的摩擦损失，使采出液保持高速旋转，进入直管段后，由于摩擦采出液的旋转速度逐渐减弱，但增加了采出液在旋转流场内的停留时间，由于固液密度差异，在离心力场中密度小的液体运移至旋流管中心形成液芯，液芯反向从旋流管溢流口流出并汇集到集液管总成的上集液管内，而密度大的砂粒逐渐甩向管壁并经小锥段排砂锥孔和砂缝落入集砂管总成内，由此实现第一级固液分离；一级分离后的部分采出液经各个旋流管出口段切向进入二级旋流筒总成形成旋转流，旋流筒中央的下集液管外表面形成液环并反向上升溢进下集液管内，最后通过排液总成抽吸泵的提升经排液管流出，而砂粒甩向筒壁并经由排砂管排出，由此实现第二级固液分离，经两级分离处理后采出液得到高效而彻底的固液分离。

除砂罐材质选用压力容器材料Q345R，罐腔通体内衬环氧树脂。除砂罐采用立式分体式容器的构造，其上部采用圆锥形封头，封头本体为圆锥形筒体，筒体上部与圆板焊接在一起，而其下部与法兰盘焊接在一起，封头法兰盘上均匀布置36～48个螺孔，并通过双头螺柱与下部的罐体法兰盘联接在一起。封头与罐体结合处均设计有凸台，封头圆板的中央部位加工有柱形孔眼，孔眼直径等于排液管外径；封头圆板边缘处均匀布置四个冲洗管，冲洗作业时清洗液经冲洗管进入除砂罐，保证对罐体内的各部件进行全方位冲洗。除砂罐下部的罐体采用筒体结构，通过下隔板和垫板将其分为上下两个部分，上部柱形筒体内容纳鼠笼式旋流管总成，下部圆锥形筒体配置二级旋流筒总成。

封头圆板内侧布置有压力安全阀接头，其上联接的压力安全阀在除砂罐出现危险工况时自动释放压力。封头本体上设计有液位控制阀接头，其上联接的液位控制阀自动检测集液管总成内的液位并控制排液总成的排液量。封头本体和二级旋流筒总成顶部设置有上下两个压差变送器接头，其上联接的压差变送器自动检测封头与二级旋流筒总成间的压差，并将压差信号转变为电讯号，实施高压差报警及高高压差关断操作。

进液管汇作为采出液进入除砂罐的通道，位于鼠笼式旋流管总成的上部，进液管汇由多个进液管组成，其数量为单体旋流管数的一半，各进液管沿除砂罐罐体的罐壁均匀排列，进液管入口轴线分别与对应位置旋流管中心连线的垂直平分线重合，保证每个进液管可以同时为两个旋流管提供采出液。每个进液管包括进口段、入口段和出口段，其进口段圆管轴线间相互平行，且进口朝向一致；其入口段采用圆锥体与柱体相结合的结构，柱体端面加工有8个均匀布置的螺钉孔；而出口段外侧采用法兰盘结构，并通过紧定螺钉实现入口段和出口段间的联接，入口段和出口段间通过丁腈橡胶垫进行密封；出口段内侧由2个相同管径的液管分支组成，且液管分支沿出口段轴线对称布置，液管分支通过三通管和135°弯头与出口段法兰盘进行连接；进液管流道的横截面积等于2个液管分支流动横截面积之和。进液管的2个液管分支分别贯穿旋流管的管壁并且液管分支的出口切向进入旋流管的旋流段；液管分支出口与旋流管对应位置导流齿的上齿面平齐，并且出口流道直径等于导流齿的齿高，保证采出液由进液管平稳切入旋流管的导流齿。各进液管入口段与除砂罐罐体以及各液管分支与旋流管管壁间均采用插焊实现连接。

鼠笼式旋流管总成用来实现采出液的第一级固液分离，完成大部分的固液分离处理工作，主要包括旋流管、上隔板、下隔板、筋板和垫板，各部件材质均选用双向不锈钢。旋流管在除砂罐内垂直布置并沿圆周方向均匀排列，其个数依据采出液总流量在6～12个选取，保证采出液高效分离处理。旋流管上端口与上隔板孔眼联通，并与孔眼壁通过过盈配合保证密封性；旋流管下部出口段与二级旋流筒总成联通，并且小锥段与下隔板孔眼通过间隙配合实现旋流管固定。

每个单体旋流管均采用相同的结构和尺寸，以实现其标准化和组块化设计，为满足油田开采中不同阶段采出液量的变化，在采出液量较小时可通过堵塞部分旋流管上端口的方式来满足固液分离处理量要求。每个旋流管呈上粗下细的V形构造，由锥盖段、旋流段、大锥段、小锥段、直管段和出口段组成，依次采用圆锥形和圆柱形管体相结合的结构，各管段结合处采用圆弧过渡，保证各管段壁上形成连续稳定旋转流。

旋流管的旋流段、大锥段、小锥段和直管段沿轴向的间距依次减小，保证采出液形成旋转流后，先加速旋转后流道缓慢收缩，小锥段后直接设计有直管段增加旋转流的停留时间。旋流段、大锥段和小锥段的锥度依次增大，依次设计为0°、15°和25°，使旋转流保持高速旋转状态，并实现采出液在各管段上的最佳分离效果。

旋流管的旋流段管壁上焊接有导流齿，导流齿的齿线为沿圆柱面从进液管液管分支出口至旋流段底端面之间展开的螺旋线，螺旋线的圈数依据采出液的物性在3～6圈内选取，螺旋线的螺距沿轴向朝下逐渐增大，以适应不断提升的旋转流速度。导流齿的起始端与进液管液管分支出口的末端相联接，保证导流管和进液管内形成一股连续的旋转流。导流齿在垂直于齿线的法面端面为组合曲面，该法面端面的上边线为下凹的圆弧，圆弧起始端与旋流段管壁相切，保证旋转流可以顺利切入导流齿；而其下边线为上凸的圆弧，圆弧末端与旋流管管壁相垂直，保证导流齿具有足够的强度和刚度。导流齿法面端面的高度沿齿线逐渐降低，保证旋转流在导流齿上的接触线不断缩短，流出导流齿面后顺利切入大锥段。

旋流管的小锥段实施固液分离的同时，将第一级固液分离后的砂粒等固体颗粒排入集砂管总成内。小锥段外锥面采用变锥面构造，下部锥面向内收缩，以便与下隔板孔眼相配合。小锥段锥体的中部钻有分层布置的圆锥形排砂锥孔，层间间距相等，共三层，每层的排砂锥孔沿锥面均匀排列，个数取12～18，排砂锥孔剖面内窄外宽，可以避免砂粒在排砂锥孔内不断聚集而造成堵塞。小锥段锥体的下部切割有一定宽度和密度的砂缝，该砂缝沿锥面等间距均匀布置，砂缝数与排砂锥孔数相同，各砂缝沿垂向倾斜布置，砂缝中线与小锥段轴线间的夹角大于60°，同时砂缝也内窄外宽，可以保证砂粒及时排出旋流管而避免发生堵塞，为此所设计的小锥段排砂锥孔和砂缝均具有自洁净作用。依据除砂罐内的压力和旋转流的流速，设计排砂锥孔层间连线与砂缝顶端中线沿旋转流旋向错开的角度，以保证通过排砂锥孔出砂后的剩余砂粒可以顺利通过砂缝排出。

旋流管的锥盖段位于旋流管的顶部，采用锥度为60°的倒圆锥形结构，保证离心力场中上升的液芯顺利收油并溢出旋流管。出口段位于旋流管的底部，采用流道截面面积不断减小的弯头构造，以提升进入二级旋流筒总成的采出液流速；出口段的始入端轴线与直管段轴线重合，而末端轴线水平并且与该平面二级旋流筒总成本体的圆周切线相平行，保证提速后的井液切向进入二级旋流筒总成而形成新的旋转流。

上隔板和下隔板将除砂罐由上而下分隔成封头、鼠笼式旋流管总成和二级旋流筒总成几个腔室。上隔板采用柱形圆板，中间内环面上部采用锥度为160°的倒圆锥形结构，保证从旋流管上端溢流出来的液体顺利流进集液管总成的上集液管；内环面下部采用柱形孔眼，并与该位置的上集液管相配合；上隔板四周均匀布置与旋流管个数相同的柱形孔眼，边缘加工有均匀排列的螺钉孔。筋板采用环形圆板，与除砂罐罐壁通过圆周焊的方式进行固定，筋板内环面上部设计有矩形全环凹槽，与上隔板间隙配合进行联接，凹槽下面加工有与上隔板螺钉孔相同数量的均匀布置的螺纹通孔。下隔板的结构及尺寸与上隔板相同，只是其内外环面采用倒圆锥形结构，四周均匀布置与旋流管个数相同的倒圆锥形孔眼。垫板的结构及尺寸与筋板相同，只是采用倒圆锥形的全环凹槽，与下隔板配合而实现定位，保证上隔板和下隔板的水平度以及旋流管的垂直度。上隔板与筋板以及下隔板与垫板间通过螺钉进行联接以方便旋流管拆卸，并通过丁腈橡胶垫进行密封。

二级旋流筒总成用来实现采出液的第二级固液分离，在采出液流量比较大以及黏度值较高时需要完成少量剩余液的固液分离处理工作，包括本体和封体两部分。其本体采用圆锥形筒体构造，锥面的锥度优化设计为30°；本体锥面的大端直径等于除砂罐罐体内环面直径，而本体锥面的小端直径等于封体外环面直径；本体锥面的大端面在垂向上高于旋流管出口段的末端，超出的高度为一个出口段末端的直径。本体底部采用厚壁筒形封体，收集第二级固液分离后的固体颗粒，封体内环面采用变截面回转体结构，其上部和中部均采用倒圆锥体，而下部采用圆柱形结构，且上部、中部和下部的锥度依次减小，依次设计为90°、50°和0°，且各截面不断收缩，以保证本体内固液分离后的砂粒经由封体顺利滑落入排砂管；封体下端面的四周均匀布置12个螺钉孔。

集液管总成用来收集采出液固液分离后的液体，包括垂直布置的上集液管和下集液管。上集液管用来收集第一级固液分离后的液体，其上端面采用160°的倒圆锥形结构，并且上端面所在的锥面与上隔板内环面上的锥面相平齐；主体部分采用圆管，其上部与上隔板内环面过盈配合而实现固定，其下部采用锥度为90°的倒圆锥形结构，并与下隔板内环面间隙配合而实现定位，保证上集液管的垂直度，锥面顶部加工有与排液管同管径的柱形孔眼。下集液管用来收集第二级固液分离后的液体，其主体部分采用管径大于上集液管的圆管，上端口稍低于二级旋流筒总成本体的大端面；下部采用锥度为90°的倒圆锥形结构，与集砂管总成联通管同轴布置，并且与联通管上端通过焊接实现固定。

排液总成将集液管总成内收集的液体及时排出除砂罐，包括排液管和抽吸泵，抽吸泵为液体排出除砂罐提供吸力，采用双吸式非密闭的双螺杆泵，一端伸出泵外的主动螺杆由变频电机驱动，并通过同步齿轮带动从动螺杆，主动螺杆与从动螺杆上的螺纹旋向相反，两螺杆与泵体间紧密贴合。排液管作为液体流动的通道，采用弯头和双片法兰实现管线间连接，其水平段通过法兰盘与双螺杆抽吸泵入口进行联接，而其垂直段由上而下依次贯穿除砂罐封头和上集液管的中央部位，最终插入下集液管内并与下集液管同心布置。排液管下端口位于下集液管底部，以便及时排出下集液管中所汇集的全部液体；排液管与上集液管结合部位的上部设计有4个圆形孔眼，孔眼沿圆周方向均匀布置，以便及时排出上集液管中所汇集的全部液体；排液管与上集液管以及除砂罐封头间均采用插焊进行固定。

集砂管总成用来收集第一级固液分离后的砂粒等固体颗粒，依次由砂斗、承接弯管、联通管和支撑筋板构成一个整体，砂斗、承接弯管和联通管旁通管沿圆周方向均匀布置，同时其数量与旋流管数相同。砂斗采用与旋流管小锥段相同锥度的倒圆锥形结构，砂斗锥面大端的直径大于旋流管小锥段的大端直径，同时砂斗锥面大端面高于旋流管小锥段上最顶层的排砂锥孔，以保证旋流管所分离去来的固体颗粒全部甩入砂斗；砂斗的中下部钻有轴线水平的圆孔，孔眼直径等于旋流管出口段末端的直径，并与旋流管间隙配合；砂斗小端面所在平面与水平面间的夹角为15°。承接弯管用来连接砂斗和联通管旁通管，采用135°变径弯头，弯头出口端面与水平面间的夹角为18°。联通管作为集砂管总成的本体，中间主管的上端面采用与下集液管相同锥度的锥面，主管上部均匀排列的旁通管轴线与水平面间的夹角为45°，旁通管横截面积之和等于主管的横截面积；主管的管径小于下集液管的管径，并且其下端面与二级旋流筒总成封体的下端面相平齐。联通管下部设计有四个均匀布置的条形板状的支撑筋板，支撑筋板的两端分别通过焊接实现集砂管总成与二级旋流筒总成间的固定。

排砂管将集砂管总成内收集的固体颗粒及时排出除砂罐，位于二级旋流筒总成封体的下部，其入口正对封体内环面，而出口段水平布置并与排液管水平段反向布置而与进液管汇进口段同向布置。排砂管通过法兰盘和螺钉与二级旋流筒总成封体底部相联接，且排砂管与封体间通过丁腈橡胶垫进行密封。排砂管入口段和出口段间通过弯头进行连接，入口段采用锥体结构，锥体外锥面的锥度大于内锥面的锥度，且内锥面大端的直径等于封体内环面柱体的直径，弯头和出口段管线内径等于内锥面小端的直径。

本发明所能达到的技术效果是，该固液分离装置采用鼠笼式旋流管和两级旋流分离技术，具备结构紧凑和造价经济的特点，为整个油气处理系统节省布置空间和生产成本；鼠笼式旋流管总成和二级旋流筒总成顺次实现采出液的第一级和第二级固液分离，保证采出液得到高效而彻底的固液分离；该装置的适应性好，通常情况通过第一级固液分离即可完成大部分的处理工作，而在采出液流量比较大以及黏度值较高时，通过第二级固液分离来完成少量剩余液的处理工作；旋流管的旋流段、大锥段和小锥段的轴向间距依次减小而锥度依次增大，结合二级旋流筒总成优化设计的锥度，使采出液在固液分离时的阻力系数小，从而保持高速的旋转状态，实现各管段上的最佳分离效果；每个旋流管均采用相同的结构和尺寸，实现标准化和组块化设计，通过改变旋流管开关数量来适应不同的采出液量；采出液固液分离后的液体通过集液管总成来收集并经由排液总成及时排出，同时分离后固体颗粒通过集砂管总成和封体收集并经由排砂管排出；配置压力安全阀并于危险工况时自动释放压力，液位控制阀自动检测集液管总成内的液位进而控制排液量，压差变送器自动检测罐内压差并实施报警及关断操作，使得整套装置的自动化程度高；整套装置成撬设计，各接口采用法兰联接，且各部件采用分体式构造，使得其易于安装、操作和维护。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的鼠笼式两级旋流固液分离装置的典型结构简图。

图2是鼠笼式两级旋流固液分离装置中除砂罐、二级旋流筒总成和集砂管总成集于一体的结构简图。

图3是鼠笼式两级旋流固液分离装置中鼠笼式旋流管总成和进液管汇的结构简图。

图4是图3的A—A剖视图。

图5是鼠笼式两级旋流固液分离装置中单体旋流管的结构简图。

图6是单体旋流管中小锥段的仰视图。

图7是鼠笼式两级旋流固液分离装置的采出液高效分离处理的流程简图。

图中1－除砂罐，2－进液管汇，3－鼠笼式旋流管总成，4－集液管总成，5－排液总成，6－二级旋流筒总成，7－集砂管总成，8－排砂管，9－压差变送器接头，10－冲洗管，11－压力安全阀接头，12－液位控制阀接头，13－封头，14－双头螺柱，15－罐体，16－本体，17－封体，18－支撑筋板，19－联通管，20－承接弯管，21－砂斗，22－上隔板，23－筋板，24－进液管，25－旋流管，26－下隔板，27－垫板，28－进口段，29－入口段，30－进液管出口段，31－锥盖段，32－旋流段，33－导流齿，34－大锥段，35－小锥段，36－直管段，37－旋流管出口段。

具体实施方式

在图1中，鼠笼式两级旋流固液分离装置由除砂罐1、进液管汇2、鼠笼式旋流管总成3、集液管总成4、排液总成5、二级旋流筒总成6、集砂管总成7和排砂管8组成。装配时，首先将集液管总成4下集液管与集砂管总成7焊接好后装入二级旋流筒总成6的封体内，并通过螺钉将排砂管8联接到二级旋流筒总成6上，然后将鼠笼式旋流管总成3下隔板置入垫板内，进液管汇2与各旋流管焊接好后顺次放入除砂罐1内，再盖好上隔板，接着将集液管总成4上集液管置入鼠笼式旋流管总成3内，并将除砂罐1封头与排液总成5排液管焊接好后通过双头螺柱接到罐体上。

在图1中，鼠笼式两级旋流固液分离装置调试时，首先对整个装置进行液压试验，试验压力为设计压力的1.25倍；然后，顺次检查装置各管线、阀门、仪表等接口是否连接正确、是否松动，接头是否通畅、是否存在泄漏；最后，接通仪表气源，检查仪表气源压力。装置维护时，每年需对各部件进行一次检修，依次检查进液管汇2和集砂管总成7管路是否有异物堆积，鼠笼式旋流管总成3和二级旋流筒总成6是否有锈蚀，鼠笼式旋流管总成3的导流齿表面是否有锈蚀，锈蚀严重时需要进行更换。吹扫时，关闭排液总成5和排砂管8上的阀门，然后通过进液管汇2的进液管向固液分离装置及其管线注入氮气，并通过放空阀监测释放出氮气的含氧量，在含氧量达到限定值后，依次关闭气体排放口以及进液管汇2阀门。

在图1中，采出液量变化可以通过调整单体旋流管数量来实现，而采出液的流速可以通过调节进液管汇2上的调节阀实现。在采出液量和流速一定的情况下，通过排液总成5的变频电机调整抽吸泵输送液体量，来控制除砂罐1内合适的差压比，以保证采出液的固液分离效果。装置的最大采出液量可以通过调整鼠笼式旋流管总成3和二级旋流筒总成6的轴向间距来实现。采出液固液分离后的液体量较多时，可以通过增大排液总成5抽吸泵输送液体量或者增大集液管总成4管径来解决。采出液固液分离后的砂粒较多而无法及时排出时，可以通过在排砂管8上安装抽风机的方式来解决。

在图2中，分体式除砂罐1的封头13与罐体15通过双头螺柱14进行联接，清洗液经四个冲洗管10同时进入除砂罐1内实施冲洗作业。压力安全阀接头11上安装压力安全阀用于超压危险工况时的自我保护，液位控制阀接头12上安装液位控制阀用于调整排液总成5的排液量，而压差变送器接头9上安装上下两个压差变送器用于实施高压差报警及关断操作。

在图2中，二级旋流筒总成6实施第二级旋流固液分离，其外形呈现“V形”构造，并与除砂罐1之间通过本体16锥面大端与罐体15实现联接，封体17接于本体16底部，保证本体16内实施第二级固液分离后的砂粒可以经由封体17顺利落入排砂管8。集砂管总成7同心布置于二级旋流筒总成6的腔室内，并通过支撑筋板18实现二者的固定，砂斗21、承接弯管20和联通管19旁通管的位置与旋流管一一对应。

在图3中，鼠笼式旋流管总成3实施第一级旋流固液分离，其旋流管25沿圆周均匀排列而使其外形呈现“鼠笼式”构造，旋流管25贯穿上隔板22与下隔板26孔眼，而实现封头13、鼠笼式旋流管总成3和二级旋流筒总成6几个腔室间的相互联通。上隔板22和下隔板26分别与筋板23和垫板27的凹槽配合后通过螺钉联接实现鼠笼式旋流管总成3与除砂罐1间的固定。各旋流管25轴线与除砂罐1的轴线平行布置，且第一级固液分离后的采出液经旋流管25的出口段切向进入二级旋流筒总成6。

在图4中，进液管汇2水平放置，包含多个均布的进液管24，其出口段30的液管分支与旋流管25导流齿平齐，采出液通过进口段28后，经入口段29改变流动方向而进入进液管出口段30，最后由进液管出口段30的液管分支切向进入旋流管25。

在图5和图6中，旋流管25采用标准化和组块化设计，其旋流段32管壁上焊接后螺距不断增大的导流齿33，采出液经进液管24切向进入旋流段32后，经导流齿33的导向产生旋转流，旋转流进入大锥段34后获得很大的角加速度而加速旋转，之后流进小锥段35仍保持高速旋转，而在进入直管段36后旋转速度逐渐减弱。在离心力场旋流管25中心的液芯反向上升，经锥盖段31顺利收油后溢出旋流管25，而砂粒经小锥段35的排砂锥孔和砂缝排出旋流管25，一级分离后的部分采出液经旋流管出口段37切向进入二级旋流筒总成6。

在图7中，油气井含砂采出液固液高效分离处理通过两级旋流固液分离过程来实现，其中鼠笼式旋流管总成3的第一级固液分离可完成采出液大部分的处理工作，其具体流程为，采出液经进液管汇2的进液管24切向进入鼠笼式旋流管总成3的旋流管25并在其旋流段32产生旋转流，再经大锥段34的加速旋转和小锥段35的保持高速后，进入直管段36进行减速，在离心力场中液体运移至旋流管25中心形成液芯并反向从旋流管25溢流口流出，统一汇集到集液管总成4的上集液管内，液位控制阀自动检测上集液管内的液位并通过排液总成5抽吸泵的提升作用经排液管排出除砂罐1，而砂粒逐渐甩向旋流管25的管壁并经其小锥段35进入集砂管总成7内，然后依次经由砂斗21、承接弯管20和联通管19输送至排砂管8并排出除砂罐1。在采出液流量比较大以及黏度值较高时，通过二级旋流筒总成6的第二级固液分离来完成少量剩余液的处理工作，其具体流程为，先通过鼠笼式旋流管总成3完成第一级固液分离，一级分离后的部分采出液经旋流管出口段37切向进入二级旋流筒总成6的本体16锥面再次形成旋转流，液体运移至集液管总成4的下集液管形成液环并反向上升溢进下集液管内，液位控制阀自动检测下集液管内的液位并通过排液总成5抽吸泵的提升作用与第一级固液分离后的液体一起经排液管排出除砂罐1，而砂粒甩向本体16的筒壁并经由封体17进入排砂管8并与第一级固液分离后的砂粒一起排出除砂罐1。

Claims (10)

1.一种鼠笼式两级旋流固液分离装置，采出液经进液管汇切向进入鼠笼式旋流管总成产生旋转运动，流入大锥段后加速旋转，流进小锥段后保持高速旋转，进入直管段后增加了采出液在旋转流场内的停留时间，液体运移至旋流管中心形成液芯，而砂粒逐渐甩向管壁，实现第一级固液分离；一级分离后的部分采出液切向进入二级旋流筒总成形成旋转流，旋流筒中央的下集液管外表面形成液环，砂粒甩向筒壁，实现第二级固液分离，其特征在于：

一除砂罐；所述除砂罐上部采用圆锥形封头，封头圆板边缘处均匀布置四个冲洗管，冲洗作业时清洗液经冲洗管进入除砂罐，罐体通过下隔板和垫板分为上下两个部分；

一进液管汇；所述进液管汇由多个进液管组成，各进液管沿除砂罐罐体的罐壁均匀排列，进液管入口轴线分别与对应位置旋流管中心连线的垂直平分线重合；进液管的2个液管分支分别贯穿旋流管的管壁并且液管分支的出口切向进入旋流管的旋流段；

一鼠笼式旋流管总成；所述鼠笼式旋流管总成的旋流管在除砂罐内垂直布置并沿圆周方向均匀排列，每个单体旋流管均采用相同的结构和尺寸，呈上粗下细的V形构造；旋流管的旋流段、大锥段、小锥段和直管段沿轴向的间距依次减小，且旋流段、大锥段和小锥段的锥度依次增大；旋流管的旋流段管壁上焊接有导流齿，导流齿的起始端与进液管液管分支出口的末端相联接，导流齿法面端面的高度沿齿线逐渐降低；小锥段锥体的中部钻有分层布置的圆锥形排砂锥孔，排砂锥孔剖面内窄外宽，而下部切割有一定宽度和密度的砂缝，砂缝也内窄外宽；锥盖段采用倒圆锥形结构，而出口段采用流道截面面积不断减小的弯头构造，出口段的末端轴线水平并且与该平面二级旋流筒总成本体的圆周切线相平行；上隔板和下隔板将除砂罐由上而下分隔成封头、鼠笼式旋流管总成和二级旋流筒总成几个腔室；

一二级旋流筒总成；所述二级旋流筒总成的本体采用圆锥形筒体构造，锥面的锥度优化设计为30°；本体锥面的大端面在垂向上高于旋流管出口段的末端，超出的高度为一个出口段末端的直径；本体底部采用厚壁筒形封体，封体内环面采用变截面回转体结构；

一集液管总成；所述集液管总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锥面与上隔板内环面上的锥面相平齐；下集液管主体部分采用管径大于上集液管的圆管，上端口稍低于二级旋流筒总成本体的大端面；

一排液总成；所述排液总成包括排液管和抽吸泵，抽吸泵为液体排出除砂罐提供吸力，采用双吸式非密闭的双螺杆泵；排液管水平段通过法兰盘与抽吸泵入口联接，而其垂直段由上而下依次贯穿除砂罐封头和上集液管的中央部位，最终插入下集液管内并与其同心布置；

一集砂管总成；所述集砂管总成的砂斗采用与旋流管小锥段相同锥度的倒圆锥形结构，承接弯管采用变径弯头，联通管的主管上部均匀排列的旁通管轴线与水平面间的夹角为45°，旁通管横截面积之和等于主管的横截面积；

一排砂管；所述排砂管入口正对封体内环面，入口段采用锥体结构，锥体外锥面的锥度大于内锥面，而出口段水平布置并与排液管水平段反向布置而与进液管汇进口段同向布置。

2.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述除砂罐的封头本体上设计有液位控制阀接头，其上联接的液位控制阀自动检测集液管总成内的液位并控制排液总成的排液量；

所述封头本体和二级旋流筒总成顶部设置有上下两个压差变送器接头，其上联接的压差变送器自动检测封头与二级旋流筒总成间的压差，实施高压差报警及高高压差关断操作。

3.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述进液管包括进口段、入口段和出口段，其进口段圆管轴线间相互平行，且进口朝向一致；出口段内侧由2个相同管径的液管分支组成，且液管分支沿出口段轴线对称布置，液管分支通过三通管和弯头与出口段法兰盘进行连接；液管分支出口与旋流管对应位置导流齿的上齿面平齐，并且出口流道直径等于导流齿的齿高。

4.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述旋流管旋流段上导流齿的齿线为沿圆柱面从进液管液管分支出口至旋流段底端面之间展开的螺旋线，螺旋线的螺距沿轴向朝下逐渐增大；

所述导流齿在垂直于齿线的法面端面为组合曲面，该法面端面的上边线为下凹的圆弧，圆弧起始端与旋流段管壁相切；而其下边线为上凸的圆弧，圆弧末端与旋流管管壁相垂直。

5.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述旋流管的小锥段外锥面采用变锥面构造，下部锥面向内收缩；排砂锥孔的层间间距相等，每层的排砂锥孔沿锥面均匀排列；而砂缝沿锥面等间距均匀布置，砂缝数与排砂锥孔数相同，各砂缝沿垂向倾斜布置，砂缝中线与小锥段轴线间的夹角大于60°；依据除砂罐内的压力和旋转流的流速，设计排砂锥孔层间连线与砂缝顶端中线沿旋转流旋向错开的角度。

6.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述旋流管上端口与上隔板孔眼联通，并与孔眼壁通过过盈配合保证密封性；旋流管下部出口段与二级旋流筒总成联通，并且小锥段与下隔板孔眼通过间隙配合实现旋流管固定；

所述上隔板中间内环面上部采用锥度为160°的倒圆锥形结构，筋板内环面上部设计有矩形全环凹槽，与上隔板间隙配合进行联接；下隔板内外环面采用倒圆锥形结构，垫板采用倒圆锥形的全环凹槽，与下隔板配合而实现定位。

7.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述二级旋流筒总成本体锥面的大端直径等于除砂罐罐体内环面直径，而本体锥面的小端直径等于封体外环面直径；

所述封体内环面上部和中部均采用倒圆锥体，而下部采用圆柱形结构，且上部、中部和下部的锥度依次减小，且各截面不断收缩。

8.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述集液管总成的上集液管主体部分采用圆管，其上部与上隔板内环面过盈配合而实现固定，其下部采用倒圆锥形结构，并与下隔板内环面间隙配合而实现定位；

所述下集液管下部采用倒圆锥形结构，与集砂管总成联通管同轴布置，并且与联通管上端通过焊接实现固定。

9.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述排液总成抽吸泵一端伸出泵外的主动螺杆由变频电机驱动，并通过同步齿轮带动从动螺杆，主动螺杆与从动螺杆上的螺纹旋向相反，两螺杆与泵体间紧密贴合；

所述排液管下端口位于下集液管底部，排液管与上集液管结合部位的上部设计有圆形孔眼，孔眼沿圆周方向均匀布置。

10.根据权利要求1所述的鼠笼式两级旋流固液分离装置，其特征在于：所述集砂管总成的砂斗、承接弯管和联通管旁通管沿圆周方向均匀布置，同时其数量与旋流管数相同；

所述砂斗锥面大端的直径大于旋流管小锥段的大端直径，同时砂斗锥面大端面高于旋流管小锥段上最顶层的排砂锥孔；联通管主管的管径小于下集液管的管径，其下部设计有四个均匀布置的条形板状的支撑筋板。