CN109555511B - 一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于油井钻井修井开发领域，具体涉及一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其主体结构包括有脉冲射流抽砂系统、地面缓冲系统、三相旋流脱气除砂系统、连接管路、控制系统和动力系统，采用射流泵将传统的水力冲砂变为水力吸砂，在进行井底除砂作业时，工作液由工作液入口管高速进入射流泵，以高速通过射流泵的喉管，在喉管内部形成一个低于井内压力的低压区，则夹杂着大量砂子的混合流体吸入射流泵内，高速流体不会携带部分油气、砂子等冲入储油层，破坏地层结构，对石油等的开采造成影响；该系统能够实现整个除砂系统的智能控制，极大降低了工人的劳动强度，提高了井下的除砂效率以及油井的产量。

Description

一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置

技术领域：

本发明属于油井钻井修井开发领域，具体涉及一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，该系统包括有三项旋流脱气除砂系统，工作时不需要放空井口，极大提高了钻井修井效率。

背景技术：

在油井等井口修建及开采过程中，不可避免的会产生固体颗粒(砂子)的现象，砂子不及时清理会造成井筒堵塞等，进而会导致油气井等的减产甚至停产等。针对这一问题，许多专家学者针对这一问题研究出了几种除砂方式。一般地，可以分为水力冲砂、机械除砂等两种方式。但是这些除砂捞砂工艺一定程度上满足了油井等井的除砂要求，但是在工人的劳动强度以及油气井等的连续性开采方面存在不足之处，下面将具体的叙述。

水力冲砂是利用高速流体将井下沉砂冲起，并利用液流循环上反的携带能力将砂子带出至地面的除砂技术。一般的，水力冲砂技术包括定向射流冲砂技术和旋转射流冲砂两种。定向射流冲砂设备是在井下工作时，工具不旋转，在管柱的拖动下移动，达到清洗井眼的目的；旋转射流式冲砂工具，利用旋转喷头产生多条旋转射流，工具旋转和喷嘴喷射同时进行，使射流清洗范围覆盖整个井筒。但是这种冲砂技术是利用高速流体冲起井底的砂子，这样会导致高速流体携带部分油气、砂子等进入岩层开裂处，破坏储层结构，不利于油井等的长期开采及其产量的提高。

机械捞砂是根据传统的修井作业清砂施工作业中存在的问题重点开发研究的一种油气井除砂工艺。一般的，将机械捞砂工艺分为钢丝绳输送式捞砂和油管输送式捞砂两种。油管输送式捞砂是利用油管将捞砂装置下入井内进行捞砂作业，不需要多功能作业机的配合，捞砂量大；钢丝绳输送式捞砂即利用多功能专用作业机，用钢丝绳将捞砂装置下入井内进进行捞砂作业，需要多功能作业机及捞砂泵的配合进行捞砂作业，极大减轻了工人的劳动强度。这两种捞砂作业都可以一定程度上将油气井内的砂子等捞出，捞砂效率高，但是在实际操作中，需要放空井口，将捞砂设备放入井口进行作业，不利于油井的连续性开采和油气田产量的提高。因此，本发明寻求设计提供一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，能够有效克服上述缺陷，并提高井下的除砂效率以及油井的产量。

发明内容：

本发明的的目的在于克服传统井下除砂捞砂工艺设备存在的技术问题，寻求设计提供一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，能够将现有的脉冲射流技术、三相旋流分离技术、传感器技术以及控制技术有机的结合在一起，实现整个除砂系统的智能控制，极大降低了工人的劳动强度，提高了井下的除砂效率以及油井的产量。

为实现上述目的，本发明涉及一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置通过如下技术方案实现，其主体结构包括有脉冲射流抽砂系统、地面缓冲系统、三相旋流脱气除砂系统、连接管路、控制系统和动力系统，脉冲射流抽砂系统作为本发明唯一需要深入井下工作的设备，其主体结构包括有空气压缩机、第一压力表、第一流量计、第一开关阀、射流泵，其中空气压缩机、第一压力表、第一流量计、第一开关阀、射流泵通过管路依次连接，其中第一压力表用以检测该段管路上压缩空气的压力；其中空气压缩机、第一压力表、第一流量计、第一开关阀紧凑设置并置于地面上，第一开关阀和射流泵之间设置有满足深井长度的管路，便于射流泵能够延伸至深井内进行清理，空气压缩机用以进行压缩空气，压缩过的空气为高压高速空气，能够作为射流泵的工作液，与传统的液体作为射流泵的工作液相比，在油井除砂的情况下，气体更不容易与井底的石油相混合，举升至地面后气液固的混合流体与液液固混合的流体更加容易分离和去除砂子，释放气体得到所需要的石油在内的资源；且气体与液体相比，气体不易被井下石油等污染，压缩气体一次使用完成后，可直接释放至大气，对环境没有污染；并且气体作为射流泵的工作液时，气体更加容易获得，成本低；射流泵的主体包括工作液入口管、吸入管、混合流体出口、扩散管、喉管，第一开关阀与工作液入口管管连接，脉冲射流抽砂系统使用时，第一开关阀打开，空气压缩机工作，提供射流泵所需的工作液，工作液经工作液入口管高速进入喉管，在喉管内部形成一个低于外部压力的低压区，射流泵外的混合流体则经吸入管进入射流泵喉管内部，与工作液一起经扩散管、混合流体出口管排至地面，混合流体出口管的出口端接有连接管路，且在该管路上射流流速检测装置，该管路在末端设有三通，一段连接第一动力泵，一端连接第二开关阀；

本发明涉及的地面缓冲系统用以临时储存由脉冲射流抽砂系统从井底抽取上来的夹杂大量砂子的气液固三相混合流体，同时能够起到缓冲气液固三相混合流体的作用，其主体结构包括第一单向阀、第一液位传感器、安全塞、缓冲储存罐、第二单向阀、光电传感器，在用连接管路进行连接时，第一单向阀和第二单向阀分别置于缓冲储存罐的左右两侧，并确保管路中的流体只能按照第一单向阀、缓冲储存罐、第二单向阀的顺序进行流动；其中第二单向阀依次与第三开关阀、第二动力泵管路连接，第一单向阀、第二单向阀用以避免与地面缓冲系统相连的两系统的压力不同导致混合流体倒流；缓冲储存罐为胶囊型罐体结构，缓冲储存罐的上部为上圆弧段，中部为柱段一，底部为下圆弧段，胶囊型的结构与其他结构的罐体相比，受载应力分布均匀，承载能力较高，储存量较大且加工制造成本低；缓冲储存罐的柱段的下部设置有用于检测缓冲储存罐底部滞留砂子高度的光电传感器，缓冲储存罐的上部设置有用于检测罐内液位的高度的第一液位传感器；

进一步地，上圆弧段顶部开有通口，下圆弧段底部装有第四开关阀，顶部的通口加装有安全塞，当缓冲储存罐内压力过大时，安全塞释放，释放罐内压力，缓冲储存罐的底部设有开关阀门，用去清除罐内滞留的砂子。

本发明涉及的三相旋流脱气除砂系统用以将脉冲射流抽砂系统从井下抽取的气液固三相混合流体进行分离，其主体结构包括：第五开关阀、第三流量计、第一压力传感器、第二压力表、第二第三压力表、第四流量计、第二压力传感器、三相旋流分离器、测高传感器、集砂器、第三单向阀、第三第四单向阀、第三压力传感器、第四压力表、第五流量计、储油罐1316、第二液位传感器；第五开关阀、第三流量计和三相旋流分离器的进料口依次管路连接，第二动力泵的输出端与三相旋流脱气除砂系统中的第五开关阀的输入端管路连接，在第三流量计与三相旋流分离器入口处间的连接管路上设置有第一压力传感器、第二压力表；三相旋流分离器的主体结构包括进料口、溢流口、外底流口、内底流口、柱段二、锥段，在三相旋流分离器的底流口处分两路连接，一路按照外底流口、第三单向阀、集砂器的顺序依次管路连接，第三单向阀用以使砂子只能按照三相旋流分离器的外底流口至集砂器的方向移动，测高传感器置于集砂器的顶部；另一路按照内底流口、第四单向阀、第五流量计、储油罐的顺序依次管路连接，第四单向阀用以使经三相旋流分离器分离后的液体只能经三相旋流分离器流入储油罐；第四单向阀用以使液体按照三相旋流分离器至储油罐的方向流动，在第四单向阀和第五流量计之间的管路上设置有第四压力表和第三压力传感器，

进一步地，本发明中集砂器的底部设有卸料阀门，储油罐的内壁安装的第二液位传感器用于检测罐内液体的高度，当到液位到达一定高度后，第二液位传感器发出信号至地面控制台，地面控制台报警，提醒工人打开储油罐底部第六开关阀，排出罐内液体。

进一步地，储油罐的底部设有第六开关阀；溢流口与第四流量计依次管路连接，溢流口和第四流量计之间的管路上还设置有第三压力表和第二压力传感器。

本发明涉及的动力系统包括有第一动力泵和第二动力泵，第一动力泵置于流速检测装置与第二流量计之间的管路上且与第二开关阀并联，工作时，若流速检测装置检测到管路中流体的流速不足以举升至地面则将信号输送至地面控制台，由地面控制台发出信号，控制第一动力泵启动，第二开关阀闭合，流体流经第一动力泵后进入地面缓冲系统，反之流体第一动力泵停止工作，第二开关阀打开，流体经第二开关阀流入地面缓冲系统；第二动力泵置于第三开关阀与三相旋流脱气除砂系统之间的管路上，用于抽取缓冲储存罐中的流体并送入三相旋流脱气除砂系统中。

本发明涉及的地面控制系统包括有前述各传感器、流速检测装置、流量计、压力表、开关阀和地面控制台，根据本发明在井底除砂时的特殊性均采用无线传输，无线传输至地面控制台，地面控制台的主体结构包括控制按钮组、显示屏、急停按钮、箱体，控制按钮组包括有用于控制前述空气压缩机、第一开关阀、第一动力泵、第二开关阀、第二第三开关阀、第二动力泵的多组小按钮，急停按钮用于在紧急情况下切断电源，各小按钮具体控制哪一个原件，均由现场安装时确定；本发明中地面控制台包括有两种控制模式，即自动控制模式和手动控制模式，在自动控制模式下，地面控制台会接收前述各仪器仪表传输的无线信号值给出相应的指令，并无线传输至动力泵、开关阀等，控制各动力泵的启停及开关阀的开关；手动控制模式下，地面控制台设有多个按钮，可供手动控制各动力泵及开关阀。

本发明对基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置中各系统部件的连接方式做进一步地说明，根据前述将各系统连接完毕后，由连接管路按照脉冲射流抽砂系统的射流泵的混合流体出口、流速检测装置、第一动力泵(且与第二开关阀并联)、第二流量计、地面缓冲系统、第三开关阀、第二动力泵、三相旋流脱气除砂系统的顺序进行连接，地面控制台置于地面，用于控制各系统。

本发明在使用时，具体操作方式按照如下步骤进行：

S1、射流泵与流速检测装置同管路一起进入井下，待射流泵到达井底后，按动地面控制台的启动按钮，空气压缩机启动，第二开关阀和第三开关阀打开，经过压缩的空气作为工作液进入到射流泵内，射流泵开始工作，将井底的砂子、石油及空气等经吸入管共同吸入射流泵内并经流速检测装置、第二开关阀、第二流量计进入地面缓冲系统；一段时间后，地面控制台发送指令，第二动力泵开始工作，将地面缓冲系统内的混合流体泵入三相旋流脱气除砂系统进行分离，气体由三相旋流分离器的溢流口排出，液体由三相旋流分离器内的内底流口排至储油罐内暂时储存，砂子经外底流口排至集砂器；上述结构能够更有利于排出石油和砂子，便于砂子和石油分别进行存储；

S2、本发明井下清理深度范围为0到2000m，根据下井深度及时调整流速检测装置和地面缓冲系统之间的管路长度，在使用时，流速检测装置检测管路中的流体可以是举升至地面时，含砂的混合流体经流速检测装置、第二开关阀、第二流量计进入地面缓冲系统；管路中的流体不足以到达地面时，发送信号至地面控制台，地面控制台发送指令使得第一动力泵工作，第二开关阀闭合，将前述流体泵至地面，后面过程与步骤S1中所述相同；

S3、当地面缓冲系统的缓冲储存罐内使用一段时间后，缓冲储存罐内气体没有泵出，且压力达到安全塞的控制值时，安全塞从缓冲储存罐释放，降低缓冲储存罐内压力；若使用一段时间后，缓冲储存罐内存有一定量的液体和砂子没有及时的泵出，第一液位传感器负责检测缓冲储存罐内液面高度，光电传感器负责检测砂子的堆积高度，当达到一定高度时，放出信号至地面控制台，地面控制台发出报警信息来提醒工人打开缓冲储存罐的下圆弧段底部的第四开关阀，排出罐内液体和砂子；

S4、三相旋流脱气除砂系统的集砂器上安装的测高传感器用于检测集砂器内的砂子的堆积高度，当达到堆积至一定高度时，测高传感器发送信号至地面控制台，地面控制台发出报警信息，提醒工人打开集砂器卸料阀门，清理砂子；

S5、所述三相旋流脱气除砂系统的储油罐的内壁安装的第二液位传感器用于检测储油罐内液体的高度，当到液位到达一定高度后，第二液位传感器发出信号至地面控制台，地面控制台发出报警信息，提醒工人打开储油罐底部第六开关阀，排出储油罐内液体；

S6、前述可由地面控制台自动控制的各阀门、动力泵、空气压缩机均可由地面控制台的手动按钮控制；

S7、当出现紧急情况下，通过操作地面控制台急停按钮紧急断电。

本发明取得的有益效果如下：

1、本发明通过运用脉冲射流技术，具体为采用射流泵将传统的水力冲砂变为水力吸砂，在进行井底除砂作业时，工作液由工作液入口管高速进入射流泵，以高速通过射流泵的喉管，在喉管内部形成一个低于井内压力的低压区，则夹杂着大量砂子的混合流体吸入射流泵内，将冲砂变为吸砂，高速流体不会携带部分油气、砂子等冲入储油层，破坏地层结构，对石油等的开采造成影响；三相旋流分离器的作用是将射流泵泵至地面的混合流体进行分离作业，去除砂子，释放气体，回收石油等资源。这样在本发明将射流泵与三相旋流分离器串联，组合起来使用，充分发挥射流泵和旋流分离器的优点，在井底除砂的同时开采石油等资源，避免了在井底除砂作业时放空井口，中断开采，实现了井口的连续性开采，增大了石油等资源的产量，降低了石油等资源的开采成本；

2、采用高压高速的压缩空气作为射流泵的工作液，与传统的液体作为工作液相比，空气在井下工作时，不易被井下的石油等污染，且举升至地面后气液固的混合流体与液液固混合的流体更加容易分离，更加容易的去除砂子，释放气体得到我们所需要的石油等资源；且气体与液体相比，气体不容易被井下石油等污染，工作液(即压缩气体)一次使用完成后，可直接释放至大气，对环境没有污染；并且气体作为射流泵的工作液时，气体更加容易获得，成本低；

3、采用人工智能技术，在本发明的控制系统上及分布在本系统其他位置的传感器、压力表、检测装置等；通过流速检测装置负责检测与射流泵混合流体出口连接的管路内混合流体的流速，若该混合流体的流速足以到达地面，流速检测装置给地面控制台发送信号，地面控制台则控制第一动力泵关闭，第二开关阀打开，混合流体井第二开关阀进入地面缓冲系统；若流速不足以到达地面时，若流速检测装置检测到流速不足以达到地面时，速检测装置给地面控制台发送信号，地面控制台则控制第一动力泵打开，第二开关阀关闭，通过第一动力泵提供的动力帮助混合流体泵至地面，进入地面缓冲系统。另外，本发明在各起储存作用的罐体上及各重要装置的连接管路处均设有传感器等，能够实时检测本发明的运行状态，一旦某个位置出现异常，均可发送信号给地面控制台，地面控制台发送急停命令，设备则停止工作，并发出相应报警信息，指出哪一段出现问题，监控使用方便；

4、本发明拥有自动控制模式和手动控制模式两种，彼此互补，实时对本发明进行监控和控制，当一个控制模式出现问题时，另一个控制模式工作，极大提高了本发明的工作效率。另外，本发明在控制台设置了可以控制本发明个阀门、动力泵等按钮，工人只需做对本系统的清理工作，较其他除砂方式而言，能够使工人的劳动强度大大降低；

5、本发明中射流泵、普通动力泵采用串联结构，即通过射流泵、第一动力泵、第二开关阀的搭配使用，使得本发明可以清理0-2000m深度范围内甚至更深的井。使用时，射流泵的工作能力足以将井下的混合流体举升至地面时，射流泵单独工作，不足以将井下混合流体举升至地面时，则第一动力泵启动带动射流泵一起将混合流体举升至地面；

6、本发明在脉冲射流抽砂系统与三相旋流脱气除砂系统之间设有地面缓冲系统，其主要作用是缓冲泵至地面的混合流体并临时储存混合流体。三相旋流脱气除砂系统在进行分离作业时，对混合流体进入三相旋流分离器的流速范围有一定的要求，而脉冲射流抽砂系统抽至地面的夹杂大量砂子的混合流体的流速根据现场情况不同其流速不同，若直接将混合流体不经地面缓冲系统直接与三相旋流脱气除砂系统相连，混合流体流速过低，分离效率不理想，过高会对三相旋流分离器有磨损，降低三相旋流分离器的使用寿命；

7、本发明使用的三相旋流分离器为单体式结构，与传统的两个两相旋流分离器串联达到三相分离的目的的三相旋流分离器而言，占地面积更小能够便于制造和使用；在管路上使用了单向阀结构，用以在工作时避免由各系统因压力不均造成混合流体倒流，损害设备，降低本发明的工作效率。

附图说明

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的脉冲射流抽砂系统的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的地面缓冲系统的主体结构原理示意图。

图4为本发明涉及的三相旋流脱气除砂系统的主体结构原理示意图。

图5为本发明涉及的三相旋流分离器的主体结构原理示意图。

图6为本发明涉及的缓冲储存罐结构的主体结构原理示意图。

图7为本发明涉及的集砂器的主体结构原理示意图。

图8为本发明涉及的储水罐主的主体结构原理示意图。

图9为本发明涉及的地面控制台的主体结构原理示意图。

图10为本发明涉及的射流泵的主体结构原理示意图。

图中：1、空气压缩机，2、第一压力表，3、第一流量计，4、第一开关阀，5、射流泵，6、流速检测装置，7、第一动力泵，8、第二开关阀，9、第二流量计，10、地面缓冲系统，11、第三开关阀，12、第二动力泵，13、三相旋流脱气除砂系统，14、地面控制台；501、工作液入口管，502、吸入管，503、混合流体出口管，504、扩散管，505、喉管；1001、第一单向阀，1002、第一液位传感器，1003、安全塞，1004、缓冲储存罐，1005、第二单向阀，1006、光电传感器；100401、上圆弧段，100402、柱段一，100403、下圆弧段，100404、通口，100405、第四开关阀；1301、第五开关阀，1302、第三流量计，1303、第一压力传感器，1304、第二压力表，1305、第三压力表，1306、第四流量计，1307、第二压力传感器，1308、三相旋流分离器，1309、测高传感器，1310、集砂器，1311、第三单向阀，1312、第四单向阀，1313、第三压力传感器，1314、第四压力表，1315、第五流量计，1316、储油罐，1317、第二液位传感器；130801、进料口，130802、溢流口，130803、外底流口，130804、内底流口，130805、柱段二，130806、锥段；131001、卸料阀门；131601、第六开关阀；1401、控制按钮组，1402、显示屏，1403、急停按钮，1404、箱体。

具体实施方式：

实施例1

下面结合附图并对本发明做出进一步说明：

本实施例涉及一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其主体结构包括有脉冲射流抽砂系统、地面缓冲系统、三相旋流脱气除砂系统、连接管路、控制系统和动力系统，

结合图2和图10，对本实施例进行详细说明，脉冲射流抽砂系统作为本发明唯一需要深入井下工作的设备，其主体结构包括有空气压缩机1、第一压力表2、第一流量计3、第一开关阀4、射流泵5，其中空气压缩机1、第一压力表2、第一流量计3、第一开关阀4、射流泵5通过管路依次连接，其中第一压力表2用以检测该段管路上压缩空气的压力；其中空气压缩机1、第一压力表2、第一流量计3、第一开关阀4紧凑设置并置于地面上，第一开关阀4和射流泵5之间设置有满足深井长度的管路，便于射流泵5能够延伸至深井内进行清理，空气压缩机用以进行压缩空气，压缩过的空气为高压高速空气，能够作为射流泵的工作液，与传统的液体作为射流泵的工作液相比，在油井除砂的情况下，气体更不容易与井底的石油相混合，举升至地面后气液固的混合流体与液液固混合的流体更加容易分离和去除砂子，释放气体得到所需要的石油在内的资源；且气体与液体相比，气体不易被井下石油等污染，压缩气体一次使用完成后，可直接释放至大气，对环境没有污染；并且气体作为射流泵的工作液时，气体更加容易获得，成本低；射流泵5的主体包括工作液入口管501、吸入管502、混合流体出口管503、扩散管504、喉管505，第一开关阀4与工作液入口管501管连接，脉冲射流抽砂系统使用时，第一开关阀4打开，空气压缩机1工作，提供射流泵所需的工作液，工作液经工作液入口管501高速进入喉管505，在喉管505内部形成一个低于外部压力的低压区，射流泵外的混合流体则经吸入管502进入射流泵喉管505内部，与工作液一起经扩散管504、混合流体出口管503排至地面，混合流体出口管503的出口端接有连接管路，且在该管路上射流流速检测装置6，该管路在末端设有三通，一段连接第一动力泵7，一端连接第二开关阀8；

如图3所示，本实施例涉及的地面缓冲系统用以临时储存由脉冲射流抽砂系统从井底抽取上来的夹杂大量砂子的气液固三相混合流体，同时能够起到缓冲气液固三相混合流体的作用，其主体结构包括第一单向阀1001、第一液位传感器1002、安全塞1003、缓冲储存罐1004、第二单向阀1005、光电传感器1006，在用连接管路进行连接时，第一单向阀1001和第二单向阀1005分别置于缓冲储存罐1004的左右两侧，并确保管路中的流体只能按照第一单向阀1001、缓冲储存罐1004、第二单向阀1005的顺序进行流动；其中第二单向阀1005依次与第三开关阀11、第二动力泵12管路连接，第一单向阀1001、第二单向阀1002用以避免与地面缓冲系统相连的两系统的压力不同导致混合流体倒流；缓冲储存罐1004为胶囊型罐体结构，缓冲储存罐1004的上部为上圆弧段100401，中部为柱段一100402，底部为下圆弧段100403，胶囊型的结构与其他结构的罐体相比，受载应力分布均匀，承载能力较高，储存量较大且加工制造成本低；缓冲储存罐1004的柱段的下部设置有用于检测缓冲储存罐底部滞留砂子高度的光电传感器1006，缓冲储存罐1004的上部设置有用于检测罐内液位的高度的第一液位传感器1002；

进一步地，上圆弧段100401顶部开有通口100404，下圆弧段100403底部装有第四开关阀100405，顶部的通口100404加装有安全塞1003，当缓冲储存罐1004内压力过大时，安全塞1003释放，释放罐内压力，缓冲储存罐1004的底部设有开关阀门，用去清除罐内滞留的砂子。

如图4所示，本实施例涉及的三相旋流脱气除砂系统13用以将脉冲射流抽砂系统从井下抽取的气液固三相混合流体进行分离，其主体结构包括：第五开关阀1301、第三流量计1302、第一压力传感器1303、第二压力表1304、第二第三压力表1305、第四流量计1306、第二压力传感器1307、三相旋流分离器1308、测高传感器1309、集砂器1310、第三单向阀1311、第三第四单向阀1312、第三压力传感器1313、第四压力表1314、第五流量计1315、储油罐1316、第二液位传感器1317；第五开关阀1301、第三流量计1302和三相旋流分离器1308的进料口130801依次管路连接，第二动力泵12的输出端与三相旋流脱气除砂系统13中的第五开关阀1301的输入端管路连接，在第三流量计1302与三相旋流分离器1308入口处间的连接管路上设置有第一压力传感器1303、第二压力表1304；三相旋流分离器1308的主体结构包括进料口130801、溢流口130802、外底流口130803、内底流口130804、柱段二130805、锥段130806，在三相旋流分离器1308的底流口处分两路连接，一路按照外底流口130803、第三单向阀1311、集砂器1310的顺序依次管路连接，第三单向阀1311用以使砂子只能按照三相旋流分离器1308的外底流口130803至集砂器1310的方向移动，测高传感器1309置于集砂器1310的顶部；另一路按照内底流口130804、第四单向阀1312、第五流量计1315、储油罐1316的顺序依次管路连接，第四单向阀1312用以使经三相旋流分离器1308分离后的液体只能经三相旋流分离器1308流入储油罐1316；第四单向阀1312用以使液体按照三相旋流分离器1308至储油罐1316的方向流动，在第四单向阀1312和第五流量计1315之间的管路上设置有第四压力表1314和第三压力传感器1313，

进一步地，本实施例中集砂器1310的底部设有卸料阀门131001，储油罐1316的内壁安装的第二液位传感器1317用于检测罐内液体的高度，当到液位到达一定高度后，第二液位传感器1317发出信号至地面控制台，地面控制台报警，提醒工人打开储油罐底部第六开关阀131601，排出罐内液体。

进一步地，储油罐的底部设有第六开关阀；溢流口130802和第四流量计1306依次管路连接，溢流口130802和第四流量计1306之间的管路上还设置有第三压力表1305和第二压力传感器1307。

本实施例涉及的动力系统包括有第一动力泵7和第二动力泵12，第一动力泵7置于流速检测装置6与第二流量计9之间的管路上且与第二开关阀8并联，工作时，若流速检测装置6检测到管路中流体的流速不足以举升至地面则将信号输送至地面控制台14，由地面控制台14发出信号，控制第一动力泵7启动，第二开关阀8闭合，流体流经第一动力泵7后进入地面缓冲系统，反之流体第一动力泵7停止工作，第二开关阀8打开，流体经第二开关阀8流入地面缓冲系统；第二动力泵12置于第三开关阀11与三相旋流脱气除砂系统之间的管路上，用于抽取缓冲储存罐1004中的流体并送入三相旋流脱气除砂系统中。

本实施例涉及的地面控制系统包括有前述各传感器、流速检测装置、流量计、压力表、开关阀和地面控制台14，根据本实施例在井底除砂时的特殊性均采用无线传输，无线传输至地面控制台14，如图9所示，地面控制台14的主体结构包括控制按钮组1401、显示屏1402、急停按钮1403、箱体1404，控制按钮组1401包括有用于控制前述空气压缩机1、第一开关阀4、第一动力泵7、第二开关阀8、第二第三开关阀11、第二动力泵12的多组小按钮，急停按钮1403用于在紧急情况下切断电源，各小按钮具体控制哪一个原件，均由现场安装时确定；本实施例中地面控制台14包括有两种控制模式，即自动控制模式和手动控制模式，在自动控制模式下，地面控制台14会接收前述各仪器仪表传输的无线信号值给出相应的指令，并无线传输至动力泵、开关阀等，控制各动力泵的启停及开关阀的开关；手动控制模式下，地面控制台14设有多个按钮，可供手动控制各动力泵及开关阀。

本实施例对基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置中各系统部件的连接方式做进一步地说明，如图1所示，根据前述将各系统连接完毕后，由连接管路按照脉冲射流抽砂系统的射流泵5的混合流体出口管503、流速检测装置6、第一动力泵7(且与第二开关阀8并联)、第二流量计9、地面缓冲系统10、第三开关阀11、第二动力泵12、三相旋流脱气除砂系统13的顺序进行连接，地面控制台14置于地面，用于控制各系统。

本实施例在使用时，具体操作方式按照如下步骤进行：

S1、射流泵5与流速检测装置6同管路一起进入井下，待射流泵5到达井底后，按动地面控制台14的启动按钮，空气压缩机1启动，第二开关阀8和第三开关阀11打开，经过压缩的空气作为工作液进入到射流泵5内，射流泵5开始工作，将井底的砂子、石油及空气等经吸入管502共同吸入射流泵5内并经流速检测装置6、第二开关阀8、第二流量计9进入地面缓冲系统10；一段时间后，地面控制台14发送指令，第二动力泵12开始工作，将地面缓冲系统10内的混合流体泵入三相旋流脱气除砂系统13进行分离，气体由三相旋流分离器1308的溢流口130802排出，液体由三相旋流分离器1308内的内底流口130804排至储油罐1316内暂时储存，砂子经外底流口130803排至集砂器；上述结构能够更有利于排出石油和砂子，便于砂子和石油分别进行存储；

S2、本实施例井下清理深度范围为0到2000m，根据下井深度及时调整流速检测装置6和地面缓冲系统10之间的管路长度，在使用时，流速检测装置6检测管路中的流体可以是举升至地面时，含砂的混合流体经流速检测装置6、第二开关阀8、第二流量计9进入地面缓冲系统10；管路中的流体不足以到达地面时，发送信号至地面控制台14，地面控制台14发送指令使得第一动力泵7工作，第二开关阀8闭合，将前述流体泵至地面，后面过程与步骤S1中所述相同；

S3、当地面缓冲系统10的缓冲储存罐1004内使用一段时间后，缓冲储存罐1004内气体没有泵出，且压力达到安全塞1003的控制值时，安全塞1003从缓冲储存罐1004释放，降低缓冲储存罐1004内压力；若使用一段时间后，缓冲储存罐1004内存有一定量的液体和砂子没有及时的泵出，第一液位传感器1002负责检测缓冲储存罐1004内液面高度，光电传感器1006负责检测砂子的堆积高度，当达到一定高度时，放出信号至地面控制台14，地面控制台14发出报警信息来提醒工人打开缓冲储存罐1004的下圆弧段底部的第四开关阀100405，排出罐内液体和砂子；

S4、三相旋流脱气除砂系统13的集砂器1310上安装的测高传感器1309用于检测集砂器1310内的砂子的堆积高度，当达到堆积至一定高度时，测高传感器1309发送信号至地面控制台14，地面控制台14发出报警信息，提醒工人打开集砂器卸料阀门131001，清理砂子；

S5、所述三相旋流脱气除砂系统13的储油罐1316的内壁安装的第二液位传感器1317用于检测储油罐1316内液体的高度，当到液位到达一定高度后，第二液位传感器1317发出信号至地面控制台14，地面控制台14发出报警信息，提醒工人打开储油罐1316底部第六开关阀131601，排出储油罐1316内液体；

S6、前述可由地面控制台14自动控制的各阀门、动力泵、空气压缩机均可由地面控制台14的手动按钮控制；

S7、当出现紧急情况下，通过操作地面控制台14急停按钮紧急断电。

Claims (7)

1.一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其特征在于其主体结构包括有脉冲射流抽砂系统、地面缓冲系统、三相旋流脱气除砂系统、连接管路、控制系统和动力系统，脉冲射流抽砂系统作为唯一需要深入井下工作的设备，其主体结构包括有空气压缩机、第一压力表、第一流量计、第一开关阀、射流泵，其中空气压缩机、第一压力表、第一流量计、第一开关阀、射流泵通过管路依次连接，其中第一压力表用以检测该段管路上压缩空气的压力；其中空气压缩机、第一压力表、第一流量计、第一开关阀紧凑设置并置于地面上，第一开关阀和射流泵之间设置有满足深井长度的管路，便于射流泵能够延伸至深井内进行清理，空气压缩机用以进行压缩空气，压缩过的空气为高压高速空气，能够作为射流泵的工作液，射流泵的主体包括工作液入口管、吸入管、混合流体出口管、扩散管、喉管，第一开关阀与工作液入口管连接，脉冲射流抽砂系统使用时，第一开关阀打开，空气压缩机工作，提供射流泵所需的工作液，工作液经工作液入口管高速进入喉管，在喉管内部形成一个低于外部压力的低压区，射流泵外的混合流体则经吸入管进入射流泵喉管内部，与工作液一起经扩散管、混合流体出口管排至地面，混合流体出口管的出口端接有连接管路，且在该连接管路上设有射流流速检测装置，该连接管路在末端设有三通，一段连接第一动力泵，一端连接第二开关阀；所述的地面缓冲系统用以临时储存由脉冲射流抽砂系统从井底抽取上来的夹杂大量砂子的气液固三相混合流体，同时能够起到缓冲气液固三相混合流体的作用，其主体结构包括第一单向阀、第一液位传感器、安全塞、缓冲储存罐、第二单向阀、光电传感器，在用连接管路进行连接时，第一单向阀和第二单向阀分别置于缓冲储存罐的左右两侧，并确保管路中的流体只能按照第一单向阀、缓冲储存罐、第二单向阀的顺序进行流动；其中第二单向阀依次与第三开关阀、第二动力泵管路连接，第一单向阀、第二单向阀用以避免与地面缓冲系统相连的两系统的压力不同导致混合流体倒流；缓冲储存罐为胶囊型罐体结构，缓冲储存罐的上部为上圆弧段，中部为柱段一，底部为下圆弧段；缓冲储存罐的柱段的下部设置有用于检测缓冲储存罐底部滞留砂子高度的光电传感器，缓冲储存罐的上部设置有用于检测罐内液位的高度的第一液位传感器；

所述的三相旋流脱气除砂系统用以将脉冲射流抽砂系统从井下抽取的气液固三相混合流体进行分离，其主体结构包括：第五开关阀、第三流量计、第一压力传感器、第二压力表、第三压力表、第四流量计、第二压力传感器、三相旋流分离器、测高传感器、集砂器、第三单向阀、第四单向阀、第三压力传感器、第四压力表、第五流量计、储油罐、第二液位传感器；第五开关阀、第三流量计和三相旋流分离器的进料口依次管路连接，第二动力泵的输出端与三相旋流脱气除砂系统中的第五开关阀的输入端管路连接，在第三流量计与三相旋流分离器入口处间的连接管路上设置有第一压力传感器、第二压力表；三相旋流分离器的主体结构包括进料口、溢流口、外底流口、内底流口、柱段二、锥段，在三相旋流分离器的底流口处分两路连接，一路按照外底流口、第三单向阀、集砂器的顺序依次管路连接，第三单向阀用以使砂子只能按照三相旋流分离器的外底流口至集砂器的方向移动，测高传感器置于集砂器的顶部；另一路按照内底流口、第四单向阀、第五流量计、储油罐的顺序依次管路连接，第四单向阀用以使经三相旋流分离器分离后的液体只能经三相旋流分离器流入储油罐；第四单向阀用以使液体按照三相旋流分离器至储油罐的方向流动，在第四单向阀和第五流量计之间的管路上设置有第四压力表和第三压力传感器；

所述的动力系统包括有第一动力泵和第二动力泵，第一动力泵置于流速检测装置与第二流量计之间的管路上且与第二开关阀并联，工作时，若流速检测装置检测到管路中流体的流速不足以举升至地面则将信号输送至地面控制台，由地面控制台发出信号，控制第一动力泵启动，第二开关阀闭合，流体流经第一动力泵后进入地面缓冲系统，反之流体第一动力泵停止工作，第二开关阀打开，流体经第二开关阀流入地面缓冲系统；第二动力泵置于第三开关阀与三相旋流脱气除砂系统之间的管路上，用于抽取缓冲储存罐中的流体并送入三相旋流脱气除砂系统中。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其特征在于地面控制系统包括有前述各传感器、流速检测装置、流量计、压力表、开关阀和地面控制台，根据本装置在井底除砂时的特殊性均采用无线传输，无线传输至地面控制台，地面控制台的主体结构包括控制按钮组、显示屏、急停按钮、箱体，控制按钮组包括有用于控制前述空气压缩机、第一开关阀、第一动力泵、第二开关阀、第三开关阀、第二动力泵的多组小按钮，急停按钮用于在紧急情况下切断电源；各小按钮具体控制哪一个原件，均由现场安装时确定；所述的地面控制台包括有两种控制模式，即自动控制模式和手动控制模式，在自动控制模式下，地面控制台会接收前述各仪器仪表传输的无线信号值给出相应的指令，并无线传输至动力泵、开关阀，控制各动力泵的启停及开关阀的开关；手动控制模式下，地面控制台设有多个按钮，可供手动控制各动力泵及开关阀。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其特征在于将各系统连接完毕后，由连接管路按照脉冲射流抽砂系统的射流泵的混合流体出口、流速检测装置、第一动力泵、第二流量计、地面缓冲系统、第三开关阀、第二动力泵、三相旋流脱气除砂系统的顺序进行连接，地面控制台置于地面，用于控制各系统。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其特征在于上圆弧段顶部开有通口，下圆弧段底部装有第四开关阀，顶部的通口加装有安全塞，当缓冲储存罐内压力过大时，安全塞释放，释放罐内压力，缓冲储存罐的底部设有开关阀门，用去清除罐内滞留的砂子。

5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其特征在于集砂器的底部设有卸料阀门，储油罐的内壁安装的第二液位传感器用于检测罐内液体的高度，当到液位到达一定高度后，第二液位传感器发出信号至地面控制台，地面控制台报警，提醒工人打开储油罐底部第六开关阀，排出罐内液体。

6.根据权利要求4所述的一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其特征在于储油罐的底部设有第六开关阀；溢流口与第四流量计依次管路连接，溢流口和第四流量计之间的管路上还设置有第三压力表和第二压力传感器。

7.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种基于脉冲射流技术及旋流分离机理下的油井除砂装置，其特征在于本装置在使用时，具体操作方式按照如下步骤进行：

S1、射流泵与流速检测装置同管路一起进入井下，待射流泵到达井底后，按动地面控制台的启动按钮，空气压缩机启动，第二开关阀和第三开关阀打开，经过压缩的空气作为工作液进入到射流泵内，射流泵开始工作，将井底的砂子、石油及空气经吸入管共同吸入射流泵内并经流速检测装置、第二开关阀、第二流量计进入地面缓冲系统；一段时间后，地面控制台发送指令，第二动力泵开始工作，将地面缓冲系统内的混合流体泵入三相旋流脱气除砂系统进行分离，气体由三相旋流分离器的溢流口排出，液体由三相旋流分离器内的内底流口排至储油罐内暂时储存，砂子经外底流口排至集砂器；上述结构能够更有利于排出石油和砂子，便于砂子和石油分别进行存储；

S2、该装置的井下清理深度范围为0到2000m，根据下井深度及时调整流速检测装置和地面缓冲系统之间的管路长度，在使用时，流速检测装置检测管路中的流体升至地面时，含砂的混合流体经流速检测装置、第二开关阀、第二流量计进入地面缓冲系统；管路中的流体不足以到达地面时，发送信号至地面控制台，地面控制台发送指令使得第一动力泵工作，第二开关阀闭合，将前述流体泵至地面，后面过程与步骤S1中所述相同；

S3、当地面缓冲系统的缓冲储存罐内使用一段时间后，缓冲储存罐内气体没有泵出，且压力达到安全塞的控制值时，安全塞从缓冲储存罐释放，降低缓冲储存罐内压力；若使用一段时间后，缓冲储存罐内存有一定量的液体和砂子没有及时的泵出，第一液位传感器负责检测缓冲储存罐内液面高度，光电传感器负责检测砂子的堆积高度，当达到一定高度时，放出信号至地面控制台，地面控制台发出报警信息来提醒工人打开缓冲储存罐的下圆弧段底部的第四开关阀，排出罐内液体和砂子；

S4、三相旋流脱气除砂系统的集砂器上安装的测高传感器用于检测集砂器内的砂子的堆积高度，当达到堆积至一定高度时，测高传感器发送信号至地面控制台，地面控制台发出报警信息，提醒工人打开集砂器卸料阀门，清理砂子；

S5、所述三相旋流脱气除砂系统的储油罐的内壁安装的第二液位传感器用于检测储油罐内液体的高度，当到液位到达一定高度后，第二液位传感器发出信号至地面控制台，地面控制台发出报警信息，提醒工人打开储油罐底部第六开关阀，排出储油罐内液体；

S6、前述由地面控制台自动控制的各阀门、动力泵、空气压缩机均可由地面控制台的手动按钮控制；

S7、当出现紧急情况下，通过操作地面控制台急停按钮紧急断电。

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