CN114293935B - 一种三相分离保压装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相分离保压装置，包括固相沉降分离系统、保压控制系统以液相回收系统；固相沉降分离系统包括密封储集罐、进液管、固相清理口、排水阀和滤网Ⅰ；密封储集罐的顶部焊接有圆柱管，滤网Ⅰ套设在圆柱管的下部，进液管设在密封储集罐的中上部，固相清理口和排水阀设在密封储集罐的下部；保压控制系统包括调压阀、安全阀、压力传感器、调压管路、安全管路和固定法兰；调压管路和安全管路的进口端设在固定法兰的预留孔上，调压阀设在调压管路上，安全管路的出口端与调压管路的出口端相连接。本发明还公开了一种三相分离保压装置的使用方法。该装置集成压力控制系统，接入实验管路后能实现有效的固相过滤沉降以及调节钻孔内压力的目的。
Description
技术领域
本发明属于钻孔岩屑运移模拟研究领域中的气固液分离技术，具体涉及一种三相分离保压装置及其使用方法。
背景技术
在煤矿开采过程中，瓦斯长期威胁着井下的安全生产，但另一方面，瓦斯也是一种高效的清洁能源。目前井下多以钻孔抽排的方式治理瓦斯，但是由于煤层裂隙发育、强度低的特点，长距离煤层钻孔施工常常面临卡钻，塌孔甚至喷孔等问题。基于此提出了保压钻进工艺，通过密封孔口调节钻孔介质(钻井液)的压力，以达到平衡地应力和瓦斯压力防止塌孔的目的。其中，在井下煤层钻孔施工中，钻井液在钻孔内的携岩能力以及高压状态下气固液三相流的流动特征需要仍待揭示。基于此，在实验室内搭建了钻孔保压钻进模拟实验平台，为实现钻井液中气固液有效的分离，同时达到控制管路内流体的压力的目的，研发了该三相分离保压装置。
目前，主要的固液分离装置包括离心机、抽滤式固液分离装置或带式分离设备，这些设备不仅造价高，且只能作为固液混合物的后处理设备，不具备在循环内维持高压的条件下实现固液分离的能力。若在固液分离设备前端载加设压力控制系统，再将混合液体排入固液分离机进行分离，不仅增加了实验设备的成本，且由于实验所采用的固相颗粒较大，容易造成压力控制装置堵塞，造成管道内压力异常增加，难以实验稳定的压力控制。所以，在钻孔保压钻进模拟实验系统内，目前的两相分离设备难以满足实验要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种适用于高压状态下的三相分离保压装置及其使用方法。该装置集成压力控制系统，接入实验管路后能实现有效的固相过滤沉降以及调节钻孔内压力的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种三相分离保压装置，包括固相沉降分离系统、保压控制系统以及液相回收系统；
所述固相沉降分离系统包括密封储集罐、进液管、固相清理口、排水阀和滤网Ⅰ；所述密封储集罐整体为圆柱形瓶状罐体，罐体底部为储集固相的半椭圆形球状，所述密封储集罐的顶部焊接有圆柱管，圆柱管的一半位于密封储集罐的内部，所述滤网Ⅰ固定套设在圆柱管的下部并位于密封储集罐内，所述圆柱管的顶端连接法兰盘；所述进液管设置在密封储集罐的中上部，所述固相清理口设置在密封储集罐的下部，所述排水阀设置在密封储集罐的下部并位于固相清理口的一侧；
所述保压控制系统包括调压阀、安全阀、压力传感器、调压管路、安全管路和固定法兰；所述固定法兰安装在法兰盘上，所述调压管路和安全管路的进口端分别固定安装在固定法兰的预留孔上，所述调压管路作为循环流动的主要出口，所述调压管路的出口端可接入不同的液体处理装置；所述调压阀设置在调压管路上，所述安全管路的出口端与调压阀后部的调压管路的出口端相连接，所述安全管路上集成一组安全阀和压力传感器；
所述液相回收系统包括液相储集池，所述调压管路的出口端通过软管与液相储集池内相连。
作为本发明的一种优选方案，所述固相清理口由密封储集罐下部延伸出的圆管和密封法兰共同组成。
作为本发明的一种优选方案，所述调压管路和安全管路的进口端分别焊接于固定法兰的中部的预留孔上。
作为本发明的一种优选方案，所述安全阀为电磁阀，且与电磁继电器相连作为被控制系统，电磁继电器控制系统为压力传感器。
作为本发明的一种优选方案，所述密封储集罐内的横截面上设置滤网Ⅱ和滤网Ⅲ，所述滤网Ⅱ位于滤网Ⅲ的上方，所述滤网Ⅰ位于滤网Ⅱ的上方，所述滤网Ⅲ的目数小于滤网Ⅱ的目数，所述滤网Ⅱ的目数小于滤网Ⅰ的目数。
一种三相分离保压装置的使用方法，该方法采用了上述的一种三相分离保压装置；该方法包括如下步骤：
1)该三相分离保压装置与钻孔模拟系统搭配使用，将进液管与钻孔模拟系统的钻孔出口连接，调压管路的出口通过回流管路与液体处理装置相连，拧紧固相清理口上的密封法兰，关闭排水阀，打开调压阀，接通控制电路准备完成；
2)工作时，钻孔内的气液固混合物经过进液管流入密封储集罐内，经过滤网Ⅲ、滤网Ⅱ以及滤网Ⅰ三级过滤后，由于重力作用固相颗粒自由沉降最终在密封储集罐的底部沉积，混合流体从调压管路的出口流出经软管最终进入液相储集池，在液相储集池内，静置的混合流体中未过滤的固相在重力作用下再次沉积分离，气相由于密度较低，将会从混合物中分离出并自由排放入大气内；实验中，调节调压阀可以改变管路内的压力至不同设定值，模拟研究不同压力条件下三相流的流动；
3)实验完毕后，关停管路内的流体，打开调压阀降低密封储集罐内的压力，打开排水阀排出密封储集罐内残余流体，流体排出后卸下固相清理口上的密封法兰，清理密封储集罐内的固相。
作为本发明的一种优选方案，在步骤2)中，压力传感器用于查看密封储集罐内的压力，当密封储集罐内的压力超过设定的极限压力大小时，电磁继电器工作电路闭合，安全阀打开释放密封储集罐内的流体，降低密封储集罐内的流体压力；同时，调节调压阀增大调压管路开度，当压力降低至设定最小压力时，电磁继电器工作电路断开，安全阀关闭，再次调节调压阀使密封储集罐内的压力达到设定值。
与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：
1、本发明主要应用于钻孔多相流实验研究中，用于调节实验管路内的压力，以模拟井下保压钻孔中不同压力条件下的多相流流动过程。同时在高压状态下可实现分离钻井液和岩屑，达到清理钻井液中的无用固相，实现浆液循环利用的目的。
2、该装置与钻孔模拟系统相配合，可较好的模拟不同压力条件下钻孔内的多相流流动状态，同时，经过固液分离后，流体进入循环系统再次利用，减少了资源浪费和环境污染。罐体内沉积的固相经晾晒筛分也可再次利用，减少了重复制样次数，增加实验效率。该装置也可用于其他领域作为固液分离处理系统，通过改变筛网目数，可实现不同粒径筛分效果。
附图说明
图1为一种三相分离保压装置的结构示意图；
图2为一种三相分离保压装置的纵向剖面结构示意图；
图3为一种三相分离保压装置的横向剖面结构示意图。
图中，1—调压阀；2—安全阀；3—压力传感器；4—调压管路；5—安全管路；6—固定法兰；7—密封储集罐；8—进液管；9—固相清理口；10—排水阀；11—软管；12—液相储集池；13—滤网Ⅰ；14—滤网Ⅱ；15—滤网Ⅲ；16—安装平台；17—抱箍；18—垫片；19—螺丝。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细地描述。
如图1、2所示，一种三相分离保压装置，包括固相沉降分离系统、保压控制系统以及液相回收系统。
其中，固相沉降分离系统包括密封储集罐7、进液管8、固相清理口9、排水阀10和滤网Ⅰ13。密封储集罐7整体为圆柱形瓶状罐体，直径最大600mm，高约1200mm，最大可承受压力5MPa，罐体底部为储集固相的半椭圆形球状。密封储集罐7的顶部焊接有直径约300mm的圆柱管，圆柱管的一半位于密封储集罐7的内部，滤网Ⅰ13固定套设在圆柱管的下部并位于密封储集罐7内，滤网Ⅰ13采用抱箍17安装于密封储集罐7内部的圆柱管上。密封储集罐7的内壁上固定设置有两个安装平台16，如图3所示，密封储集罐7内的横截面上设置滤网Ⅱ14和滤网Ⅲ15，滤网Ⅱ14位于滤网Ⅲ15的上方，滤网Ⅰ13位于滤网Ⅱ14的上方，滤网Ⅱ14的圆周边采用螺丝19和垫片18固定在上面一个安装平台16上，滤网Ⅲ15的圆周边采用螺丝19和垫片18固定在下面一个安装平台16上，滤网Ⅲ15的目数小于滤网Ⅱ14的目数，滤网Ⅱ14的目数小于滤网Ⅰ13的目数，通过改变滤网目数，经过多级过滤可控制流出罐体的固相颗粒大小，同时可防止高目数滤网受大直径固相堵塞损坏。圆柱管的顶端连接直径400mm的法兰盘，法兰盘上预留十二个螺栓孔用于连接保压控制系统。进液管8设置在密封储集罐7的中上部，进液管8通过法兰盘可转接不同的管路，法兰盘之间通过密封圈密封防止漏液。固相清理口9设置在密封储集罐7的下部，在本实施例中，固相清理口9由密封储集罐7下部延伸出的直径300mm的圆管和密封法兰共同组成，其主要作用为清理密封储集罐7底部沉积得到煤岩屑，法兰盘上预留十二个螺栓孔，在法兰盘间放置密封圈后采用螺栓安装密封法兰盘，以防在实验时漏液。排水阀10设置在密封储集罐7的下部并位于固相清理口9的左侧，主要用于实验结束后排出密封储集罐7内残留的液体。
保压控制系统包括调压阀1、安全阀2、压力传感器3、调压管路4、安全管路5和固定法兰6。固定法兰6主要用于安装压力控制管路和连接固相沉降分离系统，固定法兰6与密封储集罐7顶部的法兰相对应，固定法兰6上留设十二个螺栓孔，固定法兰6安装在法兰盘上，在固定法兰6与法兰盘间放置密封圈后使用螺栓将其固定在密封储集罐7的顶部。调压管路4和安全管路5的进口端分别固定安装在固定法兰6的预留孔上，在本实施例中，调压管路4和安全管路5的进口端分别焊接于固定法兰6的中部的预留孔上。调压管路4作为循环流动的主要出口，调压管路4的出口端可接入不同的液体处理装置。调压阀1采用闸阀，调压阀1通过法兰连接固定在调压管路4上，阀门初始保持全开状态，实验中通过调节阀1的阀门改变出口通道开度达到控制密封储集罐7内液体压力的目的。安全管路5的出口端与调压阀1后部的调压管路4的出口端相连接，安全管路5上集成一组安全阀2和压力传感器3。安全阀2为电磁阀，且与电磁继电器相连作为被控制系统(输出回路)，电磁继电器控制系统(输入回路)为压力传感器3，压力传感器3不仅用于查看密封储集罐7内的压力，同时可设置密封储集罐7内压力最大最小值，当密封储集罐7内的压力超过设定的极限压力大小时，电磁继电器工作电路闭合，安全阀2打开释放密封储集罐7内的流体，降低密封储集罐7内的流体压力。同时，调节调压阀1增大调压管路开度，当压力降低至设定最小压力时，电磁继电器工作电路断开，安全阀2关闭，再次调节调压阀1使密封储集罐7内的压力达到设定值。
液相回收系统包括液相储集池12，保压控制系统中的调压管路4的出口端通过软管11与液相储集池12内相连，主要用于沉积残余固相，排放混合流体中的气相并回收液相再次利用。
一种三相分离保压装置的使用方法，该方法采用了上述的一种三相分离保压装置；该方法包括如下步骤：
1)该三相分离保压装置与钻孔模拟系统搭配使用，将进液管8与钻孔模拟系统的钻孔出口连接，调压管路4的出口通过回流管路与液体处理装置相连，拧紧固相清理口9上的密封法兰，关闭排水阀10，打开调压阀1，接通控制电路准备完成。
2)工作时，钻孔内的液固混合物经过进液管8流入密封储集罐7内，经过滤网Ⅲ15(滤网Ⅲ15为粗滤网)、滤网Ⅱ14(滤网Ⅱ14为中滤网)以及滤网Ⅰ13(滤网Ⅰ13为细滤网)三级过滤后，由于重力作用固相颗粒自由沉降最终在密封储集罐7的底部沉积，混合流体从调压管路4的出口流出经软管11最终进入液相储集池12，在液相储集池12内，静置的混合流体中未过滤的固相在重力作用下再次沉积分离，气相由于密度较低，将会从混合物中分离出并自由排放入大气内；实验中，调节调压阀1可以改变管路内的压力至不同设定值，模拟研究不同压力条件下三相流的流动。
3)实验完毕后，关停管路内的流体，打开调压阀1降低密封储集罐7内的压力，打开排水阀10排出密封储集罐7内残余流体，流体排出后卸下固相清理口9上的密封法兰，清理密封储集罐7内的固相。
该装置与钻孔模拟系统相配合，可较好的模拟不同压力条件下钻孔内的多相流流动状态，同时，经过固液分离后，流体进入循环系统再次利用，减少了资源浪费和环境污染。密封储集罐7内沉积的固相经晾晒筛分也可再次利用，减少了重复制样次数，增加实验效率。该装置也可用于其他领域作为固液分离处理系统，通过改变筛网目数，可实现不同粒径筛分效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种三相分离保压装置的使用方法，其特征在于，该方法采用了一种三相分离保压装置；
该三相分离保压装置，包括固相沉降分离系统、保压控制系统以及液相回收系统；
所述固相沉降分离系统包括密封储集罐(7)、进液管(8)、固相清理口(9)、排水阀(10)和滤网Ⅰ(13)；所述密封储集罐(7)整体为圆柱形瓶状罐体，罐体底部为储集固相的半椭圆形球状，所述密封储集罐(7)的顶部焊接有圆柱管，圆柱管的一半位于密封储集罐(7)的内部，所述滤网Ⅰ(13)固定套设在圆柱管的下部并位于密封储集罐(7)内，所述圆柱管的顶端连接法兰盘；所述进液管(8)设置在密封储集罐(7)的中上部，所述固相清理口(9)设置在密封储集罐(7)的下部，所述排水阀(10)设置在密封储集罐(7)的下部并位于固相清理口(9)的一侧；
所述保压控制系统包括调压阀(1)、安全阀(2)、压力传感器(3)、调压管路(4)、安全管路(5)和固定法兰(6)；所述固定法兰(6)安装在法兰盘上，所述调压管路(4)和安全管路(5)的进口端分别固定安装在固定法兰(6)的预留孔上，所述调压管路(4)作为循环流动的主要出口，所述调压管路(4)的出口端可接入不同的液体处理装置；所述调压阀(1)设置在调压管路(4)上，所述安全管路(5)的出口端与调压阀(1)后部的调压管路(4)的出口端相连接，所述安全管路(5)上集成一组安全阀(2)和压力传感器(3)；
所述液相回收系统包括液相储集池(12)，所述调压管路(4)的出口端通过软管(11)与液相储集池(12)内相连；
所述固相清理口(9)由密封储集罐(7)下部延伸出的圆管和密封法兰共同组成；
所述调压管路(4)和安全管路(5)的进口端分别焊接于固定法兰(6)的中部的预留孔上；
所述安全阀(2)为电磁阀，且与电磁继电器相连作为被控制系统，电磁继电器控制系统为压力传感器(3)；
所述密封储集罐(7)内的横截面上设置滤网Ⅱ(14)和滤网Ⅲ(15)，所述滤网Ⅱ(14)位于滤网Ⅲ(15)的上方，所述滤网Ⅰ(13)位于滤网Ⅱ(14)的上方，所述滤网Ⅲ(15)的目数小于滤网Ⅱ(14)的目数，所述滤网Ⅱ(14)的目数小于滤网Ⅰ(13)的目数；
该方法包括如下步骤：
1)该三相分离保压装置与钻孔模拟系统搭配使用，将进液管(8)与钻孔模拟系统的钻孔出口连接，调压管路(4)的出口通过回流管路与液体处理装置相连，拧紧固相清理口(9)上的密封法兰，关闭排水阀(10)，打开调压阀(1)，接通控制电路准备完成；
2)工作时，钻孔内的气液固混合物经过进液管(8)流入密封储集罐(7)内，经过滤网Ⅲ(15)、滤网Ⅱ(14)以及滤网Ⅰ(13)三级过滤后，由于重力作用固相颗粒自由沉降最终在密封储集罐(7)的底部沉积，混合流体从调压管路(4)的出口流出经软管(11)最终进入液相储集池(12)，在液相储集池(12)内，静置的混合流体中未过滤的固相在重力作用下再次沉积分离，气相由于密度较低，将会从混合物中分离出并自由排放入大气内；实验中，调节调压阀(1)可以改变管路内的压力至不同设定值，模拟研究不同压力条件下三相流的流动；
3)实验完毕后，关停管路内的流体，打开调压阀(1)降低密封储集罐(7)内的压力，打开排水阀(10)排出密封储集罐(7)内残余流体，流体排出后卸下固相清理口(9)上的密封法兰，清理密封储集罐(7)内的固相。
2.根据权利要求1所述的一种三相分离保压装置的使用方法，其特征在于，在步骤2)中，压力传感器(3)用于查看密封储集罐(7)内的压力，当密封储集罐(7)内的压力超过设定的极限压力大小时，电磁继电器工作电路闭合，安全阀(2)打开释放密封储集罐(7)内的流体，降低密封储集罐(7)内的流体压力；同时，调节调压阀(1)增大调压管路开度，当压力降低至设定最小压力时，电磁继电器工作电路断开，安全阀(2)关闭，再次调节调压阀(1)使密封储集罐(7)内的压力达到设定值。
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