CN111279051A - 分离装置和分离装置的用途 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于从流体中移除固体颗粒的分离装置，并且涉及所述分离装置用于从流体中移除固体颗粒的用途，尤其是在石油和天然气提取井中。分离装置包括：具有上端和下端的管状过滤元件(3)、与过滤元件(3)同心并位于过滤元件内的穿孔管(1)、在过滤元件(3)的上端处的端盖(5，6)和在过滤元件(3)的下端处的端盖，端盖与穿孔管(1)同心，其中在所述过滤元件(3)的上端处和/或下端处的端盖(5，6)以型面配合方式沿轴向固定在穿孔管(1)上。

Description

分离装置和分离装置的用途
技术领域
本公开涉及一种用于从流体中移除固体颗粒的分离装置。
背景技术
在许多石油和天然气开采井中需要此类分离装置。矿物油和天然气储存在天然存在的地下储层中，石油或天然气分布在或多或少多孔和可渗透的矿物层中。每个石油或天然气钻孔的目的是到达储层并以一定方式利用它，即尽可能地仅提取诸如石油和天然气的可销售产品，同时最小化甚至完全避免不期望的副产物。石油和天然气提取中不期望的副产物包括通过液体流或气体流从储层中夹带到井孔的固体颗粒，诸如砂子和其他矿物颗粒。
由于矿砂通常是磨蚀性的，因此这种固体流入生产管线和泵中会对井孔的所有技术内部结构造成相当大的不期望的磨蚀和腐蚀磨损。因此努力做的是，在不期望的砂子离开储层之后，也就是说当它仍然在井孔中时，通过过滤系统直接释放不期望的砂子的产生流。
从液体流和气体流中移除固体颗粒时的磨损和腐蚀的问题不仅限于石油和天然气工业，而是也可能在水的提取中发生。为了获得饮用水或者为了获得地热能，可以提取水。多孔的，通常松散分层的水储层具有将大量磨料颗粒引入到被提取的材料中的趋势。在这些应用中，也需要耐磨损和腐蚀的过滤器。同样在矿石和许多其他矿物的提取中，在从液体流和气体流中移除固体颗粒时存在磨损和腐蚀的问题。
在石油和天然气开采中，当前通常通过使用过滤器来实现不期望的颗粒的分离，过滤器通过将钢成形金属丝螺旋缠绕并焊接到穿孔基管上来产生。此类过滤器被称为“绕线过滤器”。用于石油和天然气开采中的过滤器的另一种常用类型的结构是用金属筛网包裹穿孔基管。这些过滤器被称为“金属网筛”。两种方法都提供了有效筛网孔径为75μm至350μm的过滤器。取决于结构类型和这两种过滤器的计划预期用途，附加地在运输以及将过滤元件引入井孔期间，通过外部安装的粗网笼保护过滤元件免受机械损坏。这些类型的过滤器的缺点是，在磨料颗粒高速流动的作用下，金属结构承受快速磨损，这很快导致对金银丝筛网结构的破坏。此类高速磨料流经常在石油和/或天然气提取井中发生，这导致更换过滤器所涉及的大量技术和财务维护费用。甚至有提取井，由于这些流动的原因，其不能通过常规过滤技术来控制，并因此不能进行商业开发。常规的金属过滤器容易磨损和腐蚀，因为钢即使经过硬化处理也比提取井中的颗粒更软，该颗粒有时包含石英。
为了使用耐磨筛网结构使砂磨料流反向，US 2011/0220347 A1、US 8,833,447B2、US 8,662,167 B2和WO 2016/018821 A1提出了过滤结构，其中过滤间隙(即过滤器的功能开口)通过堆叠脆性硬材料(优选地陶瓷材料)特别形成的致密烧结环形盘来制成。在这种情况下，至少三个间隔件布置在环形盘的上侧，均匀地分布在盘的圆周上。
在WO 2016/018821 A1中，在环形盘的叠堆的上端和下端处设置端盖。端盖牢固地连接到位于环形叠堆内的穿孔管，该穿孔管也称为“基管”。端盖通过焊接紧固到基管上。端盖用于将环形盘固定在基管上。要求端盖不能在基管上沿轴向位移。由于焊接对制成基管和端盖的金属和合金的腐蚀行为有害，因此在对腐蚀问题有严苛要求的应用中，焊接是不可接受的。
因此，仍然需要提供一种用于从流体，特别是从石油、天然气和水中移除固体颗粒的改进的分离装置。具体地讲，需要提供一种具有端盖的分离装置，该端盖无需焊接即可固定在基管上。
如本文所用，“一个”、“一种”、“该/所述”、“至少一个(种)”和“一个(种)或多个(种)”可互换使用。术语“包括”还应包括术语“实质上由......组成”和“由......组成”。
发明内容
在第一方面中，本公开涉及一种用于从流体中移除固体颗粒的分离装置，包括
具有上端和下端的管状过滤元件，
与过滤元件同心并位于过滤元件内的穿孔管，
在过滤元件的上端处的端盖和在过滤元件的下端处的端盖，该端盖与穿孔管同心，
其中在过滤元件的上端处和/或下端处的端盖以型面配合方式沿轴向固定。
在另一方面中，本公开涉及一种用于组装本文所公开的分离装置的零件套件，其中该零件套件包括管状过滤元件、穿孔管、端盖和紧固元件，并且其中穿孔管具有在穿孔管的上端的外周处的凹口和/或在穿孔管的下端的外周处的凹口。
在又一方面中，本公开还涉及如本文所公开的紧固元件的用于将端盖以型面配合方式沿轴向固定在穿孔管上的用途。
在又一方面中，本公开还涉及本文所公开的分离装置的用于在以下方面从流体中移除固体颗粒的用途：
在从提取井中提取流体的过程中，或者
在水中或在流体的储存设施中，或者
在提取矿石和矿物的过程中。
本公开的分离装置具有端盖，该端盖无需焊接即可固定在穿孔管上。端盖以型面配合方式固定在穿孔管上。端盖不需要通过力锁连接诸如夹持或通过物质与物质的粘结诸如焊接来固定。
本公开的分离装置可用于对腐蚀问题有严苛要求的应用中，因为不需要焊接工艺来组装分离装置。
端盖相对于确切位置牢靠且耐用地固定在穿孔管上。端盖不能在穿孔管上沿轴向位移。端盖可以在两个轴向上承受若干公吨的推出力，具体取决于穿孔管和过滤元件的直径。例如，对于外径为5英寸的穿孔管，本公开的分离装置的端盖可承载至少60公吨的轴向载荷，而不会发生塑性变形或轴向位移。
附图说明
在附图的基础上更详细地解释本公开，在附图中：
图1示意性地示出了如本文所公开的分离装置的整体视图；
图2示出了如本文所公开的分离装置的剖视图；
图3示出了图2的剖视图的细节；
图4至图7分别示出了如本文所公开的分离装置的剖视图的细节；
图8示意性地示出了如本文所公开的分离装置的整体视图；
图9示出了如本文所公开的分离装置的剖视图；
图10示出了图9的剖视图的细节；
图11A至图11C示出了如本文所公开的紧固元件的第一实施方案的各种视图；
图12A至图12C示出了如本文所公开的紧固元件的第二实施方案的各种视图；
图13A至图13C示出了如本文所公开的紧固元件的第三实施方案的各种视图；并且
图14A至图14B示出了如本文所公开的紧固元件的第四实施方案的各种视图。
具体实施方式
下面参考附图更详细地解释本公开的分离装置的优选实施方案和细节。
下面描述根据本公开的分离装置的各种实施方案。
分离装置可以包括所描述的基本元件，其被设计成适合于材料并且彼此匹配。
分离装置可包含具有上端和下端的管状过滤元件3(参见图1和图8)。管状过滤元件可以是常规的过滤元件，例如绕线过滤器或金属网筛或任何其他合适类型的过滤器。过滤元件还可包括至少三个环形盘的同心叠堆，该环形盘在其上侧或下侧具有在两个单独的环形盘之间限定分隔间隙的间隔件。
分离装置可包括位于过滤元件3、36内的穿孔管1(参见图1、图2、图8和图9)。穿孔管1与过滤元件3、36同心。位于过滤元件3、36内的穿孔管1在下文中也称为基管。
在过滤元件的区域中，基管是穿孔的，即设置有孔；它未在过滤元件的区域外穿孔。穿孔4用于将已过滤流体(即没有固体颗粒的流体流，例如天然气、油或其混合物)引导到基管内部中，从该基管内部可以将该已过滤流体运输或抽走。
诸如在石油和天然气工业中用于金属过滤器(绕线过滤器、金属网筛)的那些管可以用作基管。根据工业中常用的图案提供穿孔，例如可以在0.3048m(对应于1英尺)的基管长度上引入30个直径为9.52mm的孔。
螺纹2通常在基管1的两端处切割并且可用于将基管旋拧在一起以成为长条。
基管可以由金属材料构成，诸如钢(例如钢L80)。钢L80是指屈服强度为80000psi(对应于于约550MPa)的钢。作为钢L80的替代形式，也可以使用在石油和天然气工业中被称为J55、N80、C90、T95、P110和L80Cr13的钢(参见钻井数据手册(Drilling Data Handbook)，第8版，IFP Publications，Editions Technip，法国巴黎)。其他钢，特别是耐腐蚀合金和高合金钢也可用作基管的材料。对于腐蚀状况下的特殊应用，也可以使用镍基合金的基管。为了减轻重量，也可以使用铝材料作为基管的材料。此外，也可以使用钛或钛合金的基管。
基管的外径通常为1英寸至10英寸。
分离装置可包括在过滤元件的上端处的端盖5和在过滤元件的下端处的端盖6(参见图1和图8)。端盖与基管同心，端盖将过滤元件固定在基管上。
为了更好地理解，并且由于通常将根据本公开的分离装置以垂直对齐的方式引入到提取井孔中，因此在此使用术语“上部”和“下部”，但是分离装置也可以水平取向定位在提取井孔中(在这种情况下，在使用时，上部通常是指分离装置的最上游部分，下部是指分离装置的最下游部分)。
端盖由金属制成，并且通常由钢制成。端盖可以由与基管相同的材料制成。
在组装期间，端盖在过滤元件之后被推到基管上并且随后紧固在基管上。端盖以型面配合方式沿轴向固定在基管上。
在本文所公开的分离装置的一些实施方案中，分离装置还包括与穿孔管1同心的紧固元件14、23、28、32(参见图3、图4、图5、图6和图7)。紧固元件用于将过滤元件的上端处和/或下端处的端盖5、6以型面配合方式沿轴向固定在基管上。紧固元件的外径大于基管的外径。在基管的外周处，在基管的上端处或基管的下端处或基管的上端和下端处可存在凹口15、29、31(参见图3、图4、图5、图6和图7)。紧固元件14、23、28、32可在基管的上端处或基管的下端处或基管的上端和下端处插入到凹口中。在基管的上端处或下端处或上端和下端处，端盖5、6通过紧固元件沿轴向固定在基管1上。在基管的上端处或下端处或上端和下端处，端盖5、6通过紧固元件以型面配合方式沿轴向固定在基管1上。
凹口15、29的底面可以是平坦的，即平整的或异形的。如果凹口的底面是异形的，则紧固元件的内周对应地是异形的。
端盖可以由单个部件制成，诸如例如通过紧固元件23固定的图5中的端盖5，但是端盖也可以由多于一个部件构成。端盖可包括第一部件8和第二部件10，诸如例如图1、图3和图4所示。第一部件和第二部件均通过紧固元件14沿轴向固定在基管上。端盖以型面配合方式沿轴向固定在基管上。端盖通过紧固元件牢固且可靠地固定在基管上，端盖不能沿轴向移动或位移。
紧固元件可以由金属制成，并且通常由钢制成。紧固元件可以由具有高屈服强度的金属制成。
可以仅在基管的一端，即仅在上端或下端处设置凹口和插入到该凹口中的紧固元件。通过使用凹口和用于固定端盖的紧固元件，可以取下端盖，例如用于维修或更换过滤元件。在基管的另一端，端盖可以例如通过焊接牢固地固定，或者端盖也可以通过凹口和紧固元件固定。
还可以在基管的中部区域中的中间部分34设置凹口43和插入到该凹口中的紧固元件42(参见图8至图10)。此类中间部分用于在一根基管上具有两个或更多个过滤模块的分离装置，并且将在下面更详细地描述。
紧固元件可以是分段环。例如，紧固元件可以是由两个、三个或四个或更多个段构成的环。
图11A至图11C示出了紧固元件14、28、42的第一实施方案，该紧固元件是由两个段构成的分段环。图11A示出了从顶部看的平面图，图11B示出了从侧面看的平面图，并且图11C示出了3D视图。图12A至图12C示出了紧固元件14、28、42的第二实施方案，该紧固元件是由四个段构成的分段环。图12A示出了从顶部看的平面图，图12B示出了从侧面看的平面图，并且图12C示出了3D视图。分段环的外径在中心区域44中可以比在端部45处的区域中更小。在将分段环插入凹口15、29中之后，可以在中心区域44周围放置柔性带，以在将端盖组装到基管上并推到紧固元件上方之前将分段环临时固定在基管上。
紧固元件也可以是开槽环。图13A至图13C示出了紧固元件14、28、42的第三实施方案，该紧固元件是开槽环。图13A示出了从顶部看的平面图，图13B示出了从侧面看的平面图，并且图13C示出了3D视图。在环的圆周的一个位置处，环具有狭槽46。在环的圆周的与狭槽相背的另一位置处，存在沟槽或开口47，该沟槽或开口允许环弹性地弯曲分开，使得可以将其放置在基管周围并插入到凹口15、29、43中。
紧固元件也可以是螺旋形元件。图14A至图14B示出了紧固元件的第四实施方案，该紧固元件是螺旋形元件32。图14A示出了剖视图，图14B示出了3D视图。在这种情况下，在基管的外周处的凹口也是螺旋形的。
下面参考附图更详细地解释本公开的分离装置的一些实施方案和更多细节。
图1至图3示出了根据第一实施方案的本公开的分离装置。图1示意性地示出了整体视图，并且图2示出了剖视图。图3示出了图2的剖视图的细节，表示分离装置的上端或下端。
分离装置包括管状过滤元件3(参见图2)。该实施方案的管状过滤元件是至少三个环形盘的同心叠堆。环形盘的叠堆可包括例如80个环形盘。环形盘在其上侧或下侧具有间隔件，该间隔件在两个单独的环形盘之间限定分离间隙。
分离装置包括位于过滤元件3内的基管1(参见图1和图2)。基管1与过滤元件3同心。基管是分离装置的机械支撑结构。
在过滤元件的区域中，基管是穿孔的，即设置有孔；它未在过滤元件的区域外穿孔。穿孔4用于将已过滤流体(即没有固体颗粒的流体流，例如天然气、油或其混合物)引导到基管内部中，从该基管内部可以将该已过滤流体运输或抽走。
在该实施方案中，端盖5、6由三个部件构成。端盖包括在内周处具有螺纹9的第一部件8(参见图1和图3)。端盖还包括在外周处具有螺纹11的第二部件10。端盖还包括在内周处具有螺纹13的第三部件12。紧固元件14被插入到凹口15中，该凹口设置在基管1的上端和/或下端的外周处。凹口可通过车削、铣削或磨削加工而成。紧固元件14可以是例如图11A至图11C或图12A至图12C所示的分段环，或者例如图13A至图13C所示的开槽环。在组装期间，端盖的第二部件10旋拧到端盖的第一部件8的螺纹9中。第一部件和第二部件抵靠紧固元件14所提供的止挡件拧紧。通过端盖的第一部件和第二部件抵靠紧固元件所提供的止挡件拧紧，端盖通过紧固元件沿轴向固定，即端盖不能沿轴向位移。
端盖的第三部件12旋拧到第二部件10的螺纹11上。第三部件12不必旋拧到直到止挡件为止，并且能够通过第三部件12旋拧到第二部件10的螺纹11上而沿轴向调节。第三部件12可用于将端盖与分离装置的其他部件诸如过滤元件3连接。第三部件12可用于将预载荷施加到过滤元件上。通过第三部件旋拧到第二部件的螺纹上，可沿轴向调节第三部件。
可将用于防止扭转的装置用于端盖的第二部件10，例如滑键16。滑键被插入到设置在基管的外周的一个位置处的键槽中。为了组装端盖的第一部件8和第三部件12，可以使用安装带17、18，例如PTFE带。可在第一部件8和第二部件12的外周的一些位置处设置孔19、20，以将端盖的第一部件8和第二部件12组装在基管上。孔19、20可用于诸如钩形扳手的紧固工具。
图4至图7示出了根据其他实施方案的本公开的分离装置的剖视图的细节，表示分离装置的上端或下端。
图4示出了根据第二实施方案的本公开的分离装置的剖视图的细节，表示分离装置的上端或下端。在该实施方案中，端盖5由两个部件构成。端盖包括在内周处具有螺纹9的第一部件8。端盖还包括在外周处具有螺纹11的第二部件10。紧固元件14被插入到凹口15中，该凹口设置在基管1的上端和/或下端的外周处。紧固元件14可以是例如图11A至图11C或图12A至图12C所示的分段环，或者例如图13A至图13C所示的开槽环。在组装期间，端盖的第二部件10旋拧到端盖的第一部件8的螺纹9中。第一部件和第二部件抵靠紧固元件14所提供的止挡件拧紧。通过端盖的第一部件和第二部件抵靠紧固元件所提供的止挡件拧紧，端盖通过紧固元件沿轴向固定，即端盖不能沿轴向位移。
端盖的第二部件10将端盖与分离装置的其他部件诸如过滤元件3连接。
可将用于防止扭转的装置用于端盖的第二部件10，例如滑键16。滑键被插入到设置在基管的外周的一个位置处的键槽中。为了组装端盖的第一部件8，可以使用安装带17，例如PTFE带。可在第一部件8的外周的一些位置处设置孔19，以将端盖的第一部件8组装在基管上。孔19可用于诸如钩形扳手的紧固工具。
图5示出了根据第三实施方案的本公开的分离装置的剖视图的细节，表示分离装置的上端或下端。在该实施方案中，端盖5由单一部件构成。端盖5在内周处设置有螺纹9。紧固元件23可以是分段环，具体地讲是由两个段构成的环，该紧固元件在外周处设置有螺纹24。紧固元件23被插入到凹口15中，该凹口设置在基管1的上端和/或下端的外周处。在组装期间，端盖5旋拧到紧固元件23上，直到紧固元件23所提供的止挡件为止。通过端盖5旋拧到紧固元件23直到所提供的止挡件为止，端盖5通过紧固元件23沿轴向固定，即端盖5不能沿轴向位移。
图5的分离装置还可包括元件联接件21，该元件联接件用于将端盖5与分离装置的其他部件诸如过滤元件3连接。
可将用于防止扭转的装置用于端盖5和紧固元件23，例如抗扭销25、26、27。抗扭销被插入到设置在基管的外周的一个位置处的孔中。为了组装端盖5，以及组装元件联接件21，可以使用安装带17、22，诸如PTFE带。可在端盖5的外周的一些位置处设置孔19，以将端盖5组装在基管上。孔19可用于诸如钩形扳手的紧固工具。
图6示出了根据第四实施方案的本公开的分离装置的剖视图的细节，表示分离装置的上端或下端。在该实施方案中，设置有两个用于固定端盖的紧固元件14、28。端盖5由三个部件构成。端盖5包括在内周处具有螺纹9的第一部件8。端盖还包括在外周处具有螺纹11的第二部件10。端盖还包括在内周处具有螺纹13的第三部件12。两个紧固元件14、28被插入到凹口15、29中，该凹口设置在基管1的上端和/或下端的外周处。紧固元件14、28可以是例如图11A至图11C或图12A至图12C所示的分段环，或者例如图13A至图13C所示的开槽环。间隔环30放置在两个紧固元件之间。间隔环可以是金属环，例如由钢制成。在组装期间，端盖的第二部件10旋拧到端盖的第一部件8的螺纹9中。第一部件8抵靠紧固元件14所提供的止挡件拧紧，第二部件10抵靠紧固元件28所提供的止挡件拧紧。通过端盖的第一部件和第二部件抵靠紧固元件14和28所提供的止挡件拧紧，端盖通过紧固元件沿轴向固定，即端盖不能沿轴向位移。通过在该实施方案中使用两个紧固元件14、28，可以实现用于端盖的较高推出力。
端盖的第三部件12旋拧到第二部件10的螺纹11上。第三部件12不必旋拧到直到止挡件为止，并且能够通过第三部件12旋拧到第二部件10的螺纹11上而沿轴向调节或移动。第三部件12可用于将端盖与分离装置的其他部件诸如过滤元件3连接。第三部件12可用于将预载荷施加到过滤元件上。通过第三部件旋拧到第二部件的螺纹上，可沿轴向调节第三部件。
可将用于防止扭转的装置用于端盖的第二部件10，例如滑键16。滑键被插入到设置在基管1的外周的一个位置处的键槽中。为了组装端盖的第三部件12，可以使用安装带18，诸如PTFE带。可在第一部件8和第二部件12的外周上的一些位置处设置孔19、20，以将端盖的第一部件8和第二部件12组装在基管上。孔19、20可用于诸如钩形扳手的紧固工具。
图7示出了根据第五实施方案的本公开的分离装置的剖视图的细节，表示分离装置的上端或下端。在该实施方案中，紧固元件是例如图14A至图14B所示的螺旋形元件。设置在基管1的上端和/或下端的外周处的凹口31是螺旋形的，对应于紧固元件32。在图7中以黑色示出的螺旋形紧固元件32被插入到螺旋形凹口31中。端盖5设置有对应于螺旋形紧固元件32的螺纹33。在组装期间，端盖5旋拧到紧固元件32上的期望位置。通过端盖5旋拧到紧固元件32上，端盖5通过紧固元件32沿轴向固定，即端盖5不能沿轴向位移。
可将用于防止扭转的装置用于端盖5，例如抗扭销25。抗扭销被插入到设置在基管的外周的一个位置处的沟槽中。可在端盖5的外周的一些位置处设置孔19，以将端盖5组装在基管1上。孔19可用于诸如钩形扳手的紧固工具。
可将过滤元件3推到靠近端盖5的基管1上。
图8至图10示出了根据第六实施方案的本公开的分离装置。图8示意性地示出了整体视图，并且图9示出了剖视图。图10示出了图9的剖视图的细节，表示分离装置的中部段。
该实施方案的分离装置包括两个管状过滤元件，即第一过滤元件3和第二过滤元件35(参见图9)。该实施方案的管状过滤元件各自是至少三个环形盘的同心叠堆。环形盘的叠堆可包括例如80个环形盘。环形盘在其上侧或下侧具有间隔件，该间隔件在两个单独的环形盘之间限定分离间隙。
分离装置包括位于过滤元件3、35内的基管1(参见图8和图9)。基管1与过滤元件3、35同心。
螺纹2通常在基管1的两端处切割(参见图8和图9)并且可用于将基管旋拧在一起以成为长条。
在过滤元件3、35的区域中，基管1是穿孔的，即设置有孔；它未在过滤元件的区域外穿孔。穿孔4用于将已过滤流体(即没有固体颗粒的流体流，诸如例如天然气、油或其混合物)引导到基管内部中，从该基管内部可以将该已过滤流体运输或抽走。
分离装置包括在分离装置的上端处的端盖5和在分离装置的下端处的端盖6(参见图8)。端盖与基管1同心。分离装置的上端和下端处的端盖5、6可根据上述实施方案中的任一个来设计，如图3至图7所示。
在两个过滤元件3、35之间，即在两个环形盘叠堆之间，存在将两个过滤元件都固定在基管上的端盖34。两个过滤元件3、35之间的端盖34也可以称为中间部分。中间部分34是用于两个过滤元件3、35的双侧作用固定元件。中间部分34具有与端盖5、6基本上相同的功能，即，将过滤元件固定在基管上。中间部分具有第一过滤元件的一端例如下端的端盖的功能，并且中间部分还具有第二过滤元件的一端例如上端的端盖的功能。如果分离装置包括多于一个过滤元件，则可以使用此类中间部分。也可以使用两个单独的端盖代替中间部分34，而通过使用中间部分，整体构造更短。
中间部分34由三个部件构成。中间部分包括(参见图10)在内周处具有螺纹37的第一部件36。中间部分还包括在外周处具有螺纹39的第二部件38。中间部分还包括在内周处具有螺纹41的第三部件40。紧固元件42被插入到设置在基管1的外周处的凹口43中。紧固元件42可以是例如图11A至图11C或图12A至图12C所示的分段环，或者例如图13A至图13C所示的开槽环。在组装期间，中间部分的第二部件38旋拧到中间部分的第一部件36的螺纹37中。第一部件和第二部件36、38抵靠紧固元件42所提供的止挡件拧紧。通过中间部分的第一部件和第二部件抵靠紧固元件所提供的止挡件拧紧，中间部分通过紧固元件沿轴向固定，即中间部分不能沿轴向位移。
中间部分34的第三部件40旋拧到第二部件38的螺纹39上。第三部件40不必旋拧到直到止挡件为止，并且能够通过第三部件40旋拧到第二部件38的螺纹39上而沿轴向调节。第三部件40可用于将预载荷施加到过滤元件3上。通过第三部件旋拧到第二部件的螺纹上，可沿轴向调节第三部件。
可将用于防止扭转的装置用于中间部分的第二部件38，例如滑键16。滑键被插入到设置在基管的外周的一个位置处的键槽中。为了组装中间部分的第一部件36和第三部件40，可以使用安装带17、18，例如PTFE带。可在第一部件36和第三部件40的外周上的一些位置处设置孔19、20，以将中间部分的第一部件36和第三部件40组装在基管上。孔19、20可用于诸如钩形扳手的紧固工具。
为了保护过滤元件、尤其是环形盘在搬运和部署到井孔中时免受机械损坏，过滤元件可以由管状护罩7(参见图1和图8)围绕，流可以自由地穿过该管状护罩。该护罩可以由管状冲孔板制成。护罩可以由金属材料制成，诸如由钢制成，特别是由耐腐蚀钢制成。护罩可以由与用于制造基管的材料相同的材料制成。
在分离装置的部署和维修过程中，端盖不必在基管上沿轴向位移。对于具有外径为5英寸的基管和根据图3的端盖的分离装置，利用端盖8的第一部件、端盖10的第二部件、紧固元件14和端盖12的第三部件，进行了推出测试以确定端盖可以承受的推出力。测试表明，端盖可承载高达约135公吨的轴向载荷，而在两个轴向上都没有塑性变形或轴向位移。用于特定分离装置的实际推出力当然取决于端盖和紧固元件的尺寸。尺寸取决于具体应用。
过滤元件3、35(参见图2至图7和图9至图10)可包括至少三个环形盘的同心叠堆，该同心叠堆沿中心轴线限定中心环形区域，每个环形盘具有相背的第一主表面和第二主表面，其中第一环形盘和第二环形盘的第一主表面各自具有至少两个间隔件，并且其中第一环形盘的第一主表面与第二环形盘的第二主表面接触，从而限定第一接触区域和分离间隙，并且第二环形盘的第一主表面与第三环形盘的第二主表面接触，从而限定第二接触区域和第二分离间隙。过滤元件还可包括一个或多个附加环形盘。每个附加环形盘具有相背的第一主表面和第二主表面，其中每个附加盘的第一主表面具有至少两个间隔件，并且其中每个附加环形盘的第一主表面与相邻环形盘的第二主表面接触，从而限定接触区域和分离间隙。
环形盘的同心叠堆可以并且通常确实包括多于3个环形盘。环形叠堆中的环形盘的数量可以是3至500，但更大数量的环形盘也是可能的。例如，环形叠堆可包括50、100、250或更多个环形盘。
环形盘的第一主表面可具有并且通常具有多于两个间隔件。环形盘的第一主表面可具有至少三个间隔件或至少五个间隔件。例如，环形盘可具有10、15、20或更多个间隔件。间隔件可以均匀地分布在各个环形盘的圆周上。
在一个实施方案中，环形盘的第一主表面的间隔件的接触区域是平面的，使得间隔件与相邻环形盘的第二主表面呈平面接触。环形盘以一定方式堆叠，使得在每种情况下，在各个盘之间存在用于移除固体颗粒的分离间隙。
固体颗粒的移除在分离间隙的入口开口处进行，该分离间隙在流动方向上可以是发散的，即开口，并且形成在彼此叠置的两个环形盘之间。
环形盘在其第一主表面上具有至少两个限定高度的间隔件，借助于该间隔件来设置分离间隙的高度(过滤器间隙的间隙宽度，过滤器宽度)。
中心环形区域的过滤器宽度可以设置为10μm和5000μm之间的值，优选地设置为20μm和1000μm之间的值，并且特别优选设置为50μm和500μm之间的值。
环形盘的外径可以是20-250mm，但大于250mm的外径也是可能的，如应用所要求的那样。
环形盘的径向环宽度可以在8mm-20mm的范围内。这些环宽适用于具有在23/8至51/2英寸范围内的基管直径的分离装置。
环形盘的轴向厚度可以是3mm-12mm，更具体地4mm-7mm。
环形盘的内径应大于基管的外径。出于与流动相关的技术原因，以及由于金属基管与制成环形盘的材料之间的热膨胀方面的差异，这是必需的。已经发现在这方面有利的是，环形盘的内径比基管的外径大至少0.5mm并至多10mm。在特定实施方案中，环形盘的内径比基管的外径大至少1.5mm并至多5mm。在基管与环形盘叠堆之间的间隙中，可以放置可沿径向弹性变形的带，这允许环形盘在基管上居中。
单个环形盘和环形盘叠堆的其他实施方案在US 2011/0220347 A1、US 8,833,447B2、US 8,662,167 B2和WO 2016/018821 A1中有所公开。
每个环形盘可包括独立地选自由以下组成的组的材料或者可由所述材料制成：(i)陶瓷材料；(ii)具有陶瓷或金属硬质材料部分和金属结合相的混合材料；以及(iii)原位形成的具有硬质材料相的粉末冶金材料。
这些材料通常基于其对固体颗粒(诸如砂和其他矿物颗粒)的相对耐磨性和抗腐蚀性以及对提取介质和用于维护的介质(诸如例如酸)的耐腐蚀性来进行选择。
环形盘所包括的材料可以独立地选自这组材料，这意味着每个环形盘可以由不同的材料制成。但为了简化设计和制造，分离装置的所有环形盘当然可以由相同的材料制成。
环形盘可以包括的或由其制成环形盘的陶瓷材料可以选自由以下组成的组：(i)氧化陶瓷材料；(ii)非氧化陶瓷材料；(iii)氧化和非氧化陶瓷材料的混合陶瓷；(iv)具有第二相的陶瓷材料；以及(v)长纤维和/或短纤维增强的陶瓷材料。
氧化陶瓷材料的示例是选自氧化铝、氧化锆、莫来石、尖晶石和混合氧化物的材料。非氧化陶瓷材料的示例是碳化硅、碳化硼、二硼化钛和氮化硅。陶瓷硬质材料例如是碳化物和硼化物。具有金属粘结相的混合材料的示例是WC-Co、TiC-Fe和TiB2-FeNiCr。原位形成的硬质材料相的示例是碳化铬。纤维增强陶瓷材料的一个示例是C/SiC。纤维增强陶瓷材料的材料组具有的优点是：由于其与单片陶瓷相比具有更高的强度，因此它导致分离装置的更大的内部和外部耐压性。
上述材料的特征在于比通常出现的硬颗粒(诸如例如砂和岩石颗粒)更硬，也就是说，这些材料的维氏硬度(HV)或洛氏硬度(HRC)值高于周围岩石的对应值。适用于根据本公开的分离装置的环形盘的材料具有大于12GPa或甚至大于20GPa的HV硬度值。
所有这些材料的特征在于同时具有比典型的未硬化钢合金更大的脆性。在这个意义上，这些材料在本文中称为“脆性硬”。
适用于根据本公开的分离装置的环形盘的材料具有大于200GPa或甚至大于350GPa的弹性模量。
可以使用密度为理论密度的至少90％，更具体地至少95％的材料，以便实现最高可能的硬度值以及高耐磨性和耐腐蚀性。烧结碳化硅(SSiC)或碳化硼可以用作环形盘的材料。这些材料不仅耐磨，而且对通常用于冲洗分离装置和刺激井孔的处理液具有耐腐蚀性，该处理液诸如为酸(例如HCl)、碱(例如NaOH)或蒸汽。
特别合适的是，例如，具有细晶粒微观结构的SSiC材料(平均晶粒尺寸≤5μm)，诸如以名称3MTM碳化硅类型F和3MTM碳化硅类型F+由德国肯普滕市的3M技术陶瓷公司(3MTechnical Ceramics,Kempten,Germany)出售的那些。然而，也可以使用粗粒SSiC材料，例如具有双峰微结构。在一个实施方案中，晶粒尺寸分布的50-90体积％由长度为100μm至1500μm的棱柱形薄片状SiC微晶组成，并且10-50体积％由长度为5μm至小于100μm的棱柱形薄片状SiC微晶组成(得自德国肯普滕市的3M技术陶瓷公司(3M Technical Ceramics,Kempten,Germany)的3MTM碳化硅类型C)。
除了这些单相烧结的SSiC材料之外，液相烧结的碳化硅(LPS-SiC)也可以用作环形盘的材料。此类材料的示例是得自德国肯普滕市的3M技术陶瓷公司(3M TechnicalCeramics,Kempten,Germany)的3MTM碳化硅类型T。就LPS-SiC而言，使用碳化硅和稀土金属氧化物的混合物作为起始材料。与单相烧结碳化硅(SSiC)相比，LPS-SiC具有更高的抗弯性和更高的韧性(被测量为KIc值)。
本公开还涉及一种用于组装如本文所公开的分离装置的零件套件，其中该零件套件包括管状过滤元件、穿孔管、端盖和紧固元件，并且其中穿孔管具有在穿孔管的上端的外周处的凹口和/或在穿孔管的下端的外周处的凹口。
根据本公开的分离装置可以用于从流体中移除固体颗粒。本文使用的流体是指液体或气体或液体和气体的组合。
根据本公开的分离装置可用于从提取井提取流体的过程中，特别是在石油和/或天然气储层中的提取井中用于从矿物油和/或天然气的体积流中分离固体颗粒。分离装置还可以用于从提取井外的流体中移除固体颗粒的其他分离过程，需要分离装置的高耐磨性和长寿命的过程，诸如例如用于流体的移动和固定存储设施中的过滤过程，或者用于在天然存在的水体中的过滤过程(诸如例如在过滤海水中)。本文公开的分离装置也可用于提取矿石和矿物的过程。在矿石和许多其他矿物的提取中，在从流体流中移除固体颗粒时存在磨损和腐蚀的问题。根据本公开的分离装置特别适用于在其中具有高且极高的流速的提取井中，从流体中分离固体颗粒，特别是从矿物油、天然气和水中分离固体颗粒。

Claims (14)

1.一种用于从流体移除固体颗粒的分离装置，包括：
具有上端和下端的管状过滤元件(3)，
与所述过滤元件(3)同心并位于所述过滤元件内的穿孔管(1)，
在所述过滤元件(3)的所述上端处的端盖(5，6)和在所述过滤元件(3)的所述下端处的端盖，所述端盖与所述穿孔管(1)同心，
其中在所述过滤元件(3)的所述上端处和/或所述下端处的所述端盖(5，6)以型面配合方式沿轴向固定在所述穿孔管(1)上。
2.根据权利要求1所述的分离装置，还包括：
与所述穿孔管(1)同心的紧固元件(14，23，28，32)，
其中所述紧固元件(14，23，28，32)的外径大于所述穿孔管(1)的外径，
并且其中在所述过滤元件(3)的所述上端处和/或所述下端处的所述端盖(5，6)通过所述紧固元件(14，23，28，32)以型面配合方式沿轴向固定在所述穿孔管(1)上。
3.根据权利要求2所述的分离装置，
其中所述穿孔管(1)具有在所述穿孔管的所述上端的外周处的凹口(15，29，31)和/或在所述穿孔管的所述下端的外周处的凹口，
并且其中所述紧固元件(14，23，28，32)在所述穿孔管(1)的所述上端和/或所述下端处插入到所述凹口(15，29，31)中。
4.根据权利要求2或3所述的分离装置，其中所述紧固元件是分段环或开槽环。
5.根据权利要求3所述的分离装置，其中所述紧固元件是螺旋形元件，并且其中在所述穿孔管的外周处的所述凹口是螺旋形的。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的分离装置，其中所述端盖(5)在内周处具有螺纹(9)，并且其中所述紧固元件(23)在外周处具有螺纹(24)，并且其中所述端盖(5)旋拧到所述紧固元件(23)上，直到所述紧固元件(23)所提供的止挡件为止。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的分离装置，
其中所述端盖(5，6)包括在内周处具有螺纹(9)的第一部件(8)，
并且其中所述端盖还包括在外周处具有螺纹(11)的第二部件(10)，
并且其中所述第二部件(10)旋拧到所述第一部件的螺纹(9)中，
并且其中所述第一部件和所述第二部件(8，10)抵靠所述紧固元件(14)所提供的止挡件拧紧。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的分离装置，其中所述过滤元件(3)包括至少三个环形盘的同心叠堆，所述同心叠堆沿中心轴线限定中心环形区域，每个环形盘具有相背的第一主表面和第二主表面，其中所述第一环形盘和所述第二环形盘的第一主表面各自具有至少两个间隔件，并且其中所述第一环形盘的第一主表面与所述第二环形盘的第二主表面接触，从而限定第一接触区域和分离间隙，并且所述第二环形盘的第一主表面与所述第三环形盘的第二主表面接触，从而限定第二接触区域和第二分离间隙。
9.根据权利要求8所述的分离装置，其中所述过滤元件(3)还包括一个或多个附加环形盘，并且其中每个附加环形盘具有相背的第一主表面和第二主表面，并且其中每个附加盘的第一主表面具有至少两个间隔件，并且其中每个附加环形盘的第一主表面与相邻环形盘的第二主表面接触，从而限定接触区域和分离间隙。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的分离装置，其中所述端盖(5，6)还包括在内周处具有螺纹(13)的第三部件(12)，并且其中所述第三部件(12)旋拧到所述第二部件(10)的螺纹(13)上。
11.根据权利要求10所述的分离装置，其中所述第三部件(12)能够沿轴向调节。
12.一种用于组装根据权利要求2至11中任一项所述的分离装置的零件套件，其中所述零件套件包括管状过滤元件、穿孔管、端盖和紧固元件，并且其中所述穿孔管具有在所述穿孔管的上端的外周处的凹口和/或在所述穿孔管的下端的外周处的凹口。
13.根据权利要求2至11中任一项所述的紧固元件的用途，用于将端盖以型面配合方式沿轴向固定在穿孔管上。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的分离装置的用途，用于在以下方面从流体中移除固体颗粒：
在从提取井中提取流体的过程中，或者
在水中或在流体的储存设施中，或者
在提取矿石和矿物的过程中。
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