CN110056320A - 空心球分离装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种空心球分离装置，包括：两端贯通的筒体；两端贯通的第一溢流管，其穿设于所述筒体内；所述第一溢流管的内径大于空心球的外径；两端贯通的第二溢流管，其穿设于所述筒体内，且所述第二溢流管与所述第一溢流管沿轴向相间隔；所述第二溢流管的内径大于空心球的外径；且所述第二溢流管的外径小于所述筒体的内径；第一导流叶，其设置于所述第一溢流管与所述筒体之间；所述第一导流叶用于使空心球和钻井液下行并发生旋流；第二导流叶，其设置于所述筒体内，且所述第二导流叶位于所述第一溢流管与所述第二溢流管之间，所述第二导流叶用于使所述空心球和钻井液下行并发生旋流。本申请实施方式提供了一种能提高分离效果的空心球分离装置。

Description

空心球分离装置

技术领域

本申请涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种空心球分离装置。

背景技术

空心球分离装置可以用于在双密度钻井系统内使空心球与钻井液相分离。为了解决深水钻井中窄密度窗口的问题，上世纪90年代出现了双梯度钻井技术。该双梯度钻井技术是通过在隔水管环空底部注入低密度轻质介质，降低隔水管环空钻井液密度，使之与海水密度相当，这样在井筒中形成两个液柱压力梯度，使海底以下钻井液的密度可调范围相对变宽。

双梯度钻井系统按照注入的低密度轻质介质的不同可以分为注空心球、注低密度流体以及注气体。相比于其他几种双梯度钻井系统，空心球钻井系统由于需要的辅助设备少且空心球可以回收在利用，在满足作业需求的情况下降低了成本。

现有的空心球分离装置包括单级的锥形内筒，在分离空心球与钻井液时，有时会因为轴向力不足而导致钻井液中残留的空心球较多，也即出现分离效果不理想的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施方式提供了一种能提高分离效果的空心球分离装置。

为实现上述目的，本申请提供了如下的技术方案：一种空心球分离装置，包括：两端贯通的筒体；两端贯通的第一溢流管，其穿设于所述筒体内；所述第一溢流管的内径大于空心球的外径；两端贯通的第二溢流管，其穿设于所述筒体内，且所述第二溢流管与所述第一溢流管沿轴向相间隔；所述第二溢流管的内径大于空心球的外径；且所述第二溢流管的外径小于所述筒体的内径；第一导流叶，其设置于所述第一溢流管与所述筒体之间；所述第一导流叶用于使空心球和钻井液下行并发生旋流；第二导流叶，其设置于所述筒体内，且所述第二导流叶位于所述第一溢流管与所述第二溢流管之间，所述第二导流叶用于使所述空心球和钻井液下行并发生旋流。

作为一种优选的实施方式，所述筒体的内壁上设置有沿周向向内凸出的曲面，所述曲面位于所述第一导流叶与所述第二导流叶之间。

作为一种优选的实施方式，所述曲面为双曲面。

作为一种优选的实施方式，所述筒体内设置有沿轴向内径相等的等径直孔，所述等径直孔位于所述第二导流叶与所述第二溢流管之间。

作为一种优选的实施方式，所述筒体内设置有中空的锥体，所述锥体位于所述第二导流叶与所述第二溢流管之间，所述锥体的外径在所述第二导流叶至所述第二溢流管的方向上逐渐变大。

作为一种优选的实施方式，所述锥体的外壁上设置有允许所述空心球进入的凹槽，所述凹槽与所述锥体的内部相连通，且所述锥体与所述第二溢流管相连通。

作为一种优选的实施方式，所述凹槽在所述锥体的外壁上沿轴向螺旋延伸。

作为一种优选的实施方式，所述锥体的内径在所述第二导流叶至所述第二溢流管的方向上逐渐变大。

作为一种优选的实施方式，所述筒体内穿设有实心柱体，所述第二导流叶设置于所述柱体与所述筒体之间。

作为一种优选的实施方式，所述第一导流叶包括多个沿轴向倾斜设置的第一叶片，多个所述第一叶片沿周向间隔设置，相邻所述第一叶片之间形成允许所述空心球和所述钻井液下行的第一轴向通道。

借由以上的技术方案，本申请实施方式所述的空心球分离装置通过设置筒体、第一溢流管、第二溢流管、第一导流叶以及第二导流叶使得能通过第一溢流管和第一导流叶实现钻井液与空心球的第一次分离。而未分离的空心球与钻井液能通过第二导流叶发生第二次分离，且经过第二次分离的空心球能通过第二溢流管流出，如此避免因为轴向力不足而导致钻井液中残留的空心球较多的情况，因此能提高分离效果。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：

图1为本申请实施方式的空心球分离装置的结构示意图；

图2为本申请实施方式中空心球与钻井液的混合流体的注入图；

图3为本申请实施方式中空心球与钻井液的混合流体进入第一导流叶的示意图；

图4为本申请实施方式中空心球与钻井液的混合流体进入第一筒体的示意图；

图5为本申请实施方式中第一次分离后空心球从第一溢流管流出的示意图；

图6为本申请实施方式中空心球与钻井液的混合流体进入第二导流叶的示意图；

图7为本申请实施方式中空心球与钻井液的混合流体进入第二筒体的示意图；

图8为本申请实施方式中空心球进入锥体的示意图；

图9为本申请实施方式中空心球从第二溢流管流出的示意图。

附图标记说明：

11、筒体；13、第一筒体；15、第二筒体；17、第一溢流管；19、第二溢流管；21、第一导流叶；23、第二导流叶；25、曲面；29、等径直孔；31、锥体；33、凹槽；35、实心柱体；37、第一叶片；39、第二叶片；41、第一轴向通道；43、第二轴向通道；45、第一贯通通道；47、第二贯通通道；49、第三贯通通道。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

请参阅图1至图9，本实施方式所提供的一种空心球分离装置，包括：两端贯通的筒体11；两端贯通的第一溢流管17，其穿设于所述筒体11内；所述第一溢流管17的内径大于空心球的外径；两端贯通的第二溢流管19，其穿设于所述筒体11内，且所述第二溢流管19与所述第一溢流管17沿轴向相间隔；所述第二溢流管19的内径大于空心球的外径；且所述第二溢流管19的外径小于所述筒体11的内径；第一导流叶21，其设置于所述第一溢流管17与所述筒体11之间；所述第一导流叶21用于使空心球和钻井液下行并发生旋流；第二导流叶23，其设置于所述筒体11内，且所述第二导流叶23位于所述第一溢流管17与所述第二溢流管19之间，所述第二导流叶23用于使所述空心球和钻井液下行并发生旋流。

钻井时，当钻遇窄密度窗口的地层时，将筒体11的两端分别与近泥线的钻杆相连。例如将筒体11靠近第一溢流管17的一端与上部的钻杆相连。将筒体11靠近第二溢流管19的一端与下部的钻杆相连。如图2、图3所示，当钻井液和空心球的混合流体进入筒体11的第一溢流管17与筒体11之间时，如图4所示，第一导流叶21使空心球和钻井液下行并发生旋流。由于空心球与钻井液之间存在密度差，所以在离心力的作用下，密度大的钻井液被甩向筒体11的内壁，并沿筒体11的内壁向下移动，而密度小的空心球则靠近筒体11的中心运动。此时实现了空心球与钻井液的第一次分离。且如图5所示，经过第一次分离的空心球能从第一溢流管17流出。而未分离的空心球混合在钻井液中沿筒体11的内壁向下流动，也即朝向第二溢流管19流动。如图6所示，当未分离的空心球和钻井液进入第二导流叶23片与筒体11之间时，第二导流叶23使未分离的空心球和钻井液下行并发生旋流。再一次地由于空心球与钻井液之间存在密度差，所以在离心力的作用下，密度大的钻井液被甩向筒体11的内壁，如图7所示，并沿筒体11的内壁向下移动，而密度小的空心球则靠近筒体11的中心运动。此时实现了空心球与钻井液的第二次分离，且如图9所示，经过第二次分离的空心球能从第二溢流管19流出。而钻井液中沿筒体11的内壁向下流动并从第二溢流管19与筒体11之间流出。

由以上方案可以看出，本申请实施方式所述的空心球分离装置通过设置筒体11、第一溢流管17、第二溢流管19、第一导流叶21以及第二导流叶23使得能通过第一溢流管17和第一导流叶21实现钻井液与空心球的第一次分离。而未分离的空心球与钻井液能通过第二导流叶23发生第二次分离，且经过第二次分离的空心球能通过第二溢流管19流出，如此避免因为轴向力不足而导致钻井液中残留的空心球较多的情况，因此能提高分离效果。

如图1所示，在本实施方式中，筒体11整体上呈圆柱状。当然该筒体11不限于为圆柱状，还可以是其他的形状，例如长方体状。筒体11两端贯通。具体地，筒体11具有相背对的第一端和第二端。例如如图1所示，筒体11的第一端为左端。筒体11的第二端为右端。该筒体11内设置有在第一端至第二端的方向上将筒体11贯穿的第一贯通通道45。也即筒体11为中空结构。该中空部分形成两端敞开的第一贯通通道45。从而通过该第一贯通通道45能为空心球和钻井液的第一次分离和第二次分离提供分离空间。

在一个实施方式中，筒体11包括相连接的第一筒体13和第二筒体15。例如如图1所示，第一筒体13位于第二筒体15的左侧。该连接方式可以是螺钉连接、螺栓连接、焊接、一体成型等。进一步地，该第二筒体15与第一筒体13的延伸方向相一致。例如如图1所示，第一筒体13沿左右方向延伸。第二筒体15沿左右方向延伸。第一筒体13背对第二筒体15的一端为筒体11的第一端。第二筒体15背对第一筒体13的一端为筒体11的右端。

在本实施方式中，第一溢流管17两端贯通。具体地，第一溢流管17具有相背对的第三端和第四端。例如如图1所示，第一溢流管17的第三端为左端。第一溢流管17的第四端为右端。该第一溢流管17内设置有在第三端至第四端的方向上将第一溢流管17贯穿的第二贯通通道47。也即第一溢流管17的内部形成两端敞开的第二贯通通道47。第一溢流管17穿设于筒体11内。也即筒体11套设于第一溢流管17外。例如如图1所示，第一溢流管17位于第一筒体13背对第二筒体15的一端。也即第一溢流管17位于筒体11的第一端。第一溢流管17的内径大于空心球的外径。从而第一溢流管17能允许空心球通过。也即在第一筒体13内与钻井液相分离的空心球能通过第二溢流管19内的第二贯通通道47流出。

在本实施方式中，第二溢流管19两端贯通。具体地，第二溢流管19具有相背对的第五端和第六端。例如如图1所示，第二溢流管19的第五端为左端。第二溢流管19的第六端为右端。该第二溢流管19内设置有在第五端至第六端的方向上将第二溢流管19贯穿的第三贯通通道49。也即第二溢流管19的内部形成两端敞开的第三贯通通道49。第二溢流管19穿设于筒体11内。也即筒体11套设于第二溢流管19外。例如如图1所示，第二溢流管19位于第二筒体15背对第一筒体13的一端。也即第二溢流管19位于筒体11的第二端。且第二溢流管19与第一溢流管17沿轴向相间隔。也即第二溢流管19与第一溢流管17在轴向上相分离。具体地，第一溢流管17的长度小于第一筒体13的长度。第二溢流管19的长度小于第二筒体15的长度。进一步地，第二溢流管19的内径大于空心球的外径。从而第二溢流管19能允许空心球通过。也即在第二筒体15内与钻井液相分离的空心球能通过第二溢流管19内的第三贯通通道49流出。且第二溢流管19的外径小于筒体11的内径。从而第二溢流管19与筒体11之间形成第一环形空间。该第一环形空间能允许钻井液通过。也即在第二筒体15内发生分离后的钻井液能通过第一环形空间流出。

在本实施方式中，第一导流叶21设置于第一溢流管17与筒体11之间。具体地，第一溢流管17与筒体11之间形成有第二环形空间。该第二导流叶23设置于该第二环形空间内。第一导流叶21用于使空心球和钻井液下行并发生旋流。从而使得空心球和钻井液受到离心力的作用。又由于空心球与钻井液之间存在密度差，所以在离心力的作用下，密度大的钻井液被甩向第一筒体13的内壁，并沿第一筒体13的内壁向下移动，而密度小的空心球则靠近第一筒体13的中心运动。此时实现了空心球与钻井液的第一次分离。进而由于第一筒体13背对第二筒体15的一端设置有第一溢流管17，所以位于第一筒体13中心的空心球能通过第一溢流管17朝向第一筒体13的外部流动，进而彻底与钻井液相分离。

在一个实施方式中，第一导流叶21包括多个沿轴向倾斜设置的第一叶片37。多个第一叶片37沿周向间隔设置。相邻第一叶片37之间形成允许空心球和钻井液下行的第一轴向通道41。从而当空心球和钻井液沿第一轴向通道41移动时，在相邻的第一叶片37的作用力下，空心球和钻井液在下行的过程中沿第一溢流管17的外壁螺旋流动，进而发生旋流。

进一步地，筒体11的内壁上设置有沿周向向内凸出的曲面25，曲面25位于第一导流叶21与第二导流叶23之间。具体地，第一筒体13的内壁上设置有沿周向向内凸出的曲面25。优选地，该曲面25为双曲面。从而一方面该曲面25有利于增大第一筒体13内钻井液与空心球的分离效率；另一方面该曲面25使得第一筒体的内径在自第一导流叶至第二导流叶的方向上先逐渐变小再逐渐变大，如此使得有利于钻井液和未分离的空心球进入第二筒体与第二导流叶之间，以保证能对钻井液和未分离的空心球进行第二次分离。

在本实施方式中，第二导流叶23设置于筒体11内。第二导流叶23位于第一溢流管17与第二溢流管19之间。具体地，筒体11内穿设有实心柱体35。该实心柱体35位于第一溢流管17与第二溢流管19之间。第二导流叶23设置于实心柱体35与筒体11之间。具体地，该实心柱体35与筒体11之间形成第三环形空间。该第二导流叶23位于该第三环形空间内。由于实心柱体的阻挡，使得第一筒体13内未分离的空心球和钻井液下行时被限制从第三环形空间内流过。

在本实施方式中，第二导流叶23用于使空心球和钻井液下行并发生旋流。从而使得空心球和钻井液受到离心力的作用。又由于空心球与钻井液之间存在密度差，所以在离心力的作用下，密度大的钻井液被甩向第二筒体15的内壁，并沿第二筒体15的内壁向下移动，而密度小的空心球则靠近第二筒体15的中心运动。此时实现了空心球与钻井液的第二次分离。进而由于第二筒体15背对第一筒体13的一端设置有第二溢流管19，所以位于第二筒体15中心的空心球能通过第二溢流管19朝向第二筒体15的外部流动，进而彻底与钻井液相分离。

在一个实施方式中，第二导流叶23包括多个沿轴向倾斜设置的第二叶片39。多个第二叶片39沿周向间隔设置。相邻第二叶片39之间形成允许空心球和钻井液下行的第二轴向通道43。从而当空心球和钻井液沿第二轴向通道43移动时，在相邻的第二叶片39的作用力下，空心球和钻井液在下行的过程中沿实心柱体35的外壁螺旋流动，进而发生旋流。

在一个实施方式中，筒体11内设置有沿轴向内径相等的等径直孔29。等径直孔29位于第二导流叶23与第二溢流管19之间。具体地，等径直孔29设置于第二筒体15内。也即第二筒体15的内壁为光滑直壁。

进一步地，筒体11内设置有中空的锥体31。该锥体31例如可以是圆锥体31。当然锥体31不限于为圆锥体31，还可以是棱锥体31，对此本申请不作规定。该锥体31位于第二导流叶23与第二溢流管19之间。具体地，该锥体31位于第二筒体15内。锥体31的外径在第二导流叶23至第二溢流管19的方向上逐渐变大。例如如图1所示，锥体31的外径在从左至右的方向上逐渐变大。由于锥体31的外径在从左至右的方向上逐渐变大，所以在第二筒体15内做旋流的空心球与钻井液的混合液做经过的过流截面逐渐变小，因此混合液的旋流速度加快，进而使得空心球与钻井液的离心力逐渐变大，进而能促进空心球与钻井液的分离。由于空心球与钻井液之间存在密度差，所以钻井液会靠近第二筒体15的光滑直壁运动，而空心球会靠近锥体31的外壁运动。

进一步地，锥体31的外壁上设置有允许空心球进入的凹槽33。凹槽33与锥体31的内部相连通。且锥体31与第二溢流管19相连通。从而当空心球靠近锥体31的外壁运动时，能通过该凹槽33进入锥体31的内部，进而通过锥体31的内部进入第二溢流管19内，并处第二溢流管19内流出。具体地，该凹槽33的底部设置有开口，该开口与锥体31的内部相连通。

进一步地，凹槽33在锥体31的外壁上沿轴向螺旋延伸。如图8所示，从而使得当空心球靠近锥体31的外壁运动时，能进入凹槽33内，并沿凹槽33做螺旋运动，当运动至凹槽33底部的开口时，通过该开口进入锥体31的内部。进一步地，该开口位于凹槽33靠近第二溢流管19的一侧。

进一步地，锥体31的内径在第二导流叶23至第二溢流管19的方向上逐渐变大。例如如图1所示，锥体31的内径在从左至右的方向上逐渐变大。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

Claims (10)

1.一种空心球分离装置，其特征在于，包括：

两端贯通的筒体；

两端贯通的第一溢流管，其穿设于所述筒体内；所述第一溢流管的内径大于空心球的外径；

两端贯通的第二溢流管，其穿设于所述筒体内，且所述第二溢流管与所述第一溢流管沿轴向相间隔；所述第二溢流管的内径大于空心球的外径；且所述第二溢流管的外径小于所述筒体的内径；

第一导流叶，其设置于所述第一溢流管与所述筒体之间；所述第一导流叶用于使空心球和钻井液下行并发生旋流；

第二导流叶，其设置于所述筒体内，且所述第二导流叶位于所述第一溢流管与所述第二溢流管之间，所述第二导流叶用于使所述空心球和钻井液下行并发生旋流。

2.根据权利要求1所述的空心球分离装置，其特征在于：所述筒体的内壁上设置有沿周向向内凸出的曲面，所述曲面位于所述第一导流叶与所述第二导流叶之间。

3.根据权利要求2所述的空心球分离装置，其特征在于：所述曲面为双曲面。

4.根据权利要求1所述的空心球分离装置，其特征在于：所述筒体内设置有沿轴向内径相等的等径直孔，所述等径直孔位于所述第二导流叶与所述第二溢流管之间。

5.根据权利要求1所述的空心球分离装置，其特征在于：所述筒体内设置有中空的锥体，所述锥体位于所述第二导流叶与所述第二溢流管之间，所述锥体的外径在所述第二导流叶至所述第二溢流管的方向上逐渐变大。

6.根据权利要求5所述的空心球分离装置，其特征在于：所述锥体的外壁上设置有允许所述空心球进入的凹槽，所述凹槽与所述锥体的内部相连通，且所述锥体与所述第二溢流管相连通。

7.根据权利要求6所述的空心球分离装置，其特征在于：所述凹槽在所述锥体的外壁上沿轴向螺旋延伸。

8.根据权利要求6所述的空心球分离装置，其特征在于：所述锥体的内径在所述第二导流叶至所述第二溢流管的方向上逐渐变大。

9.根据权利要求1所述的空心球分离装置，其特征在于：所述筒体内穿设有实心柱体，所述第二导流叶设置于所述柱体与所述筒体之间。

10.根据权利要求1所述的空心球分离装置，其特征在于：所述第一导流叶包括多个沿轴向倾斜设置的第一叶片，多个所述第一叶片沿周向间隔设置，相邻所述第一叶片之间形成允许所述空心球和所述钻井液下行的第一轴向通道。