专利名称：用于除去沙粒和石头颗粒的分离装置的制作方法
技术领域：
本发明设计新型分离装置，借助于该装置沙粒和石头颗粒可在从岩石中的钻井中提取液体或气体的过程中被除去，因此，液体或气体可被有效提取。
背景技术：
在从岩石中的钻井中提取液体和气体时，主要的问题在于涌出细的沙粒和石头颗粒，而这些颗粒必须在井中已经与要被提取的介质分离。这个问题特别是出现在矿物油和天然气的提取中，但也存在于饮用水的提取以及地热的开采中。
现有技术这种去除传统上是通过例如金属长方孔筛来实现，这种筛子具有多种构造，它们采用长方孔金属片、线编网筛或线缠绕的形式。利用线编网筛的方案在US 5，6M，560中有描述。这些筛子也由金属支承结构来搭载，以保持机械稳定性。这种类型的构造的主要缺点在于其低耐磨性。摩擦性的石头颗粒导致产生很大的磨损。在US 2004/005 0217 Al和WO 2008/080402 Al中描述了使用多孔可渗透材料的分离装置来代替金属长方孔筛的方案。US 2004/005 0217 Al的多孔过滤材料可为金属性的、陶瓷的或有机材料的；在WO 2008/080402 Al中，使用了多孔陶瓷材料。这两个文献中描述的方案的一个问题在于，由于它们的低断裂韧性，多孔陶瓷材料的过滤器由于挠曲负荷(flexural loading)而趋向于断裂。最终的弯曲强度通常远低于相应实心材料的弯曲强度的30%，因此不足以适用于岩石中钻井的操作条件下的机械负载。另一个问题是多孔陶瓷材料的耐摩擦性比实心陶瓷材料的耐摩擦性低得多。此外，在US 2004/005 0217 Al和WO 2008/080402 Al中描述的方案的缺点还在于出现未被占用筛子区域的非常快速的阻塞。由于使用多孔陶瓷材料用于过滤器应用时的这个问题，在固定的应用中，过滤膜通常与循环的清洁(通过在反压力下冲洗)一起操作。因为与循环的反压力一起操作会产量有负面影响，冲洗间隔应被安排得在时间上尽可能的长。发明目的虽然本发明克服了现有技术的缺点，但本发明是基于提供分离装置的目的而作出的，所述分离装置用于在从岩石中的钻井中提取液体或气体中除去沙粒和石头颗粒，该装置与现有技术中已知的分离装置相比具有更好的耐磨性和更低的破裂趋向性，并且本发明的装置对于酸和碱具有耐腐蚀性，并且不会出现未被占用过滤区域的快速阻塞。
发明内容
上述目的是通过权利要求1和12的分离装置以及权利要求23的应用来实现的。 本申请的主题的优点和特别优选的改进在从属权利要求中阐释。根据第一个实施方式，本发明的主题是用于在从岩石中的钻井中提取液体或气体时除去沙粒和石头颗粒的分离装置，包括多个脆硬材料(brittle-hard material)的环形盘，所述环形盘一个叠加在另一个的顶部并且被支承结构轴向包围，所述环形盘在它们的上侧具有至少三个间隔体，所述间隔体均勻地分布在所述环形盘的圆周上，所述环形盘的叠加方式使得所述间隔体分别一个位于另一个之上，并且在单个环形盘之间总是存在高度为 0. 05-lmm，优选 0. 2-0. 5mm 的间隙。根据第二个实施方式，本发明的主题是用于在从岩石中的钻井中提取液体或气体时除去沙粒和石头颗粒的分离装置，包括多个脆硬材料的套管状(bush-shaped)元件，所述套管状元件一个叠加在另一个的顶部并且被支承结构轴向包围，所述环形盘在它们的上侧具有至少三个间隔体，在所述套管状元件中形成有切口(slit)宽度为0.05-lmm，优选为 0. 2-0. 5mm 的切口。相似地，本发明的主题为本发明的用于在从岩石中的钻井中提取液体或气体的过程中去除沙粒和石头颗粒的分离装置的用途。本发明的分离装置比在US 2004/005 0217 Al和WO 2008/080402 Al中描述的系
统在挠曲负荷下显示出更低的破裂趋向性。本发明的分离装置的另一优点是实心的脆硬材料(特别是陶瓷材料)的使用带来了耐磨性和耐腐蚀性。术语“实心”是指与现有技术的方案相反本发明的材料不是多孔的， 因而本发明所使用的材料本身不表现出任何过滤效果。因此，本发明的分离装置的耐磨性和耐腐蚀性比现有技术中所描述的装置好很多。本发明的分离装置的耐腐蚀性(特别是对酸的耐腐蚀性)是重要的，因为可能需要用酸来将它们冲洗干净。本发明的分离装置的另一优点在于不会出现未被使用的筛子区域的快速阻塞。因此，不需要如前述现有技术中已知的方案的情况一样以频繁的时间间隔来将本发明的分离装置冲洗干净。因此，如果需要，足以可以更长的时间间隔来将本发明的分离装置冲洗干净。此外，本发明的分离装置的未被占用过滤面积比线缠绕形式的常规过滤方案(例如WO 2008/080402 Al，通常低于10% )更大。而且，本发明的分离装置可被引入到弯曲的井中，这是与在US 2004/0050217 Al 和TO 2008/080402 Al中描述的系统相比的另一个优势。附图
简述本发明基于附图来解释，其中图Ia-Ig显示了本发明的第一个实施方式的环形盘的各种视图；图2a_2d示意性地显示了本发明的第一个实施方式的一个叠加在另一个之上的环形盘的各种视图；图3a_3c显示了本发明的第一个实施方式的一个叠加在另一个之上且被支承结构轴向包围的环形盘的各种视图；图如-c显示了本发明的第二个实施方式的套筒状径向开口元件的各种视图；并且图5a_5c显示了本发明的第二个实施方式的套筒状轴向开口元件的各种视图。发明详述
在第一个实施方式中，本发明的分离装置包括环形盘，所述环形盘可被轻易生产且具有成本效益。这些环形盘的生产可能通过粉末冶金或陶瓷工艺以自动量产方式进行。 所述环形盘可通过被称作网形工艺(net-shape process)的技术来生产，在该工艺中，环形盘被从粉末压制成几近网形。该技术不需要环形盘的复杂加工。在烧结工艺中某种程度上不可避免的单个环形盘的形状与尺寸的偏差，利用本发明的分离装置的构造是可容忍的。图Ia显示了本发明的环形盘1的基本形式，环形盘1在其上侧2具有均勻分布在盘的圆周上的至少三个间隔体3。图Ib显示沿图Ia的B-B线的截面图。图Ic显示环形盘的侧视图，间隔体被设置在Y区域。如图If中的Y区域的放大视图所示，间隔体3的优选形式为球形部分。图Id显示沿图Ia中A-A线的截面图。区域X至间隔体3的放大视图如图Ie所示。环形盘1的上侧2可被构造成相对于盘轴呈直角或以平面或曲面向下向内倾斜。 向下且向内倾斜的构造在分离装置减少的阻塞趋向性方面是有利的。环形盘的底部4(圆形基部)优选向下向内倾斜，优选如图Ie所示内凹地向下向内倾斜。此处，圆形基部的半径为R，而内凹成形应当被理解为应用之整个圆形基部。根据已知的球形轴承本身的设计原理，内凹成形使得单个环形盘容易地避免结构性负荷。形状和尺寸的可能偏差可通过圆形基部的内凹成形结合三点接触而容易弥补。在优选的实施方式中，如图Ie所示，环形盘的外轮廓6被构造成具有斜边。根据另一个优选的实施方式，边缘也可以是圆形的。这提供更好的边缘保护，使边缘免受对于脆硬材料来说至关重要的边缘负载。本发明的环形盘的立体图如图Ig所示。环形盘的内侧直径优选小于环形盘的外侧直径的90%，更优选小于85%，并且环形盘的径向壁厚优选为至少2. 5mm。环形盘的厚度优选为2至20mm，更优选为2至10mm。根据优选的实施方式，如例如图Ia和图Ig的凹槽11所示，环形盘可具有用于防止扭曲的装置。这保证了在轴向负荷的情况下，在环形盘上不出现挠曲力矩，并且轴向负载总是经由接触点起作用。因此，环形盘仅处于适合于材料的压缩负荷下。为形成本发明的分离装置，如图2a_2d和3a_3c所示，环形盘被轴向地一个叠加在另一个之上，并且通过支承结构被轴向包围。图加显示了本发明的环形盘叠层的正视图。图2b显示沿图加WA-A线的截面图。当环形盘被叠加得一个在另一个之上时，间隔体3(相对彼此以120°排布)分别一个位于另一个之上，因而轴向负载引入发生在三个间隔体的轴上。这避免了对于脆硬材料至关重要的边缘负载，并且即使是在形状有偏差的环形盘情况下也实现了在期望接触点的三点接触。在单个盘1之间总是形成高为0. 05-lmm，优选为0. 2-0. 5mm的间隙。图2c示意性地显示了环形盘1的叠层的侧视图以及隔隙5的形成。图2d是开口圆形叠层的立体图。本发明的分离装置被图示在图3a_3c中，其包含堆叠的环形盘，所述环形盘被支承结构轴向包围。此处，支承结构的形式为穿孔支承管7。环形盘叠层可被做成任何期望的高度并且仅受支承结构(例如穿孔支承管7)的可能的高度限制。任何期望的数量的这些分离装置可被彼此相连并被通过常规的螺纹连接由凸缘系统13、14以及其间的弹性弹簧15所包围。图3a显示本发明的分离装置的正视图。图北显示沿图3a的A-A线的截面图，图3c是图3a和北的开口分离装置的立体图。在图3a_3c中，支撑管7被提供在外侧，但它们可被设置在内侧。支撑管必须具有任何期望形状的通道16，用于被提取的介质通过。通道16的尺寸必须大于过滤缺口，从而本身不用作过滤器。环形盘叠层的轴向对齐和轴向包围可通过支撑管得到保证。两个或更多个叠层组件的组合可通过设置在支承管7上的凸缘14来实现。而且，当分离装置被引入到井中时以及当它被从井中移出时产生的力经由支承管7被转移。当支承管位于外侧时，分离装置可保护不受由井中石头产生的冲击负载的影响。位于外侧的支承管暴露于来自周围硬质石头颗粒的增加的磨损。但是，这相对分离装置本身被磨损来说问题要小得多，因为支承管不具有窄的间隙。而且，如果需要，支承管可保护不受常规使用的磨损保护层的磨损。此外，支承管可被构造得相对于环形盘叠层来说具有或不具有间隙。具有间隙的构造使得更好地利用过滤区域以及更好地围绕环形盘叠层流动。支承管7通过弹簧元件15包围环形盘，因此避免了即使在引入到弯曲钻井过程中也避免了过滤间隙5的变宽。弹簧元件例如可被形成为钢弹簧或弹性体弹簧。由图3a_3c的实施例所代表的本发明的分离装置的基本功能在于，将从外侧流进它的具有沙粒或石头颗粒的液体或气体的混合物与在内侧的提取的液体或气体流分离。大于两个相邻盘1之间的分离间隙5的所有颗粒被有效地与所提取的流体分离。根据环形盘1的底部4的半径R的尺寸(见图Ie)，前述具有球形轴承的设计原理使得分离装置被引入到弯曲钻井中。上述敢于单个环形盘的尺寸使得在使用期间具有高机械负载承载能力以及在生产过程中的良好的工艺可靠性。环形盘的宽度对于分离功能没有决定性的影响。因此，不同尺寸都是可能的。另一方面，环形盘的高度对于未被占用过滤区域的比例是决定性的。因此，环形盘的高度是对机械负载承载能力与最大产量的折中。环形盘的高度应当适应材料以及负载的强度性质。球形轴承的半径优选为环形盘的外侧直径的5至50倍，更优选为10 至40倍。球形部分行使的间隔体的半径取决于期望的分离间隙以及环形盘的宽度，而为了结构设计的目的，该半径根据分离间隙和宽度这两个值来获得。通常的分离间隙的高度为 0. 2至0. 5mm并且基于要被去除的石头沙粒的颗粒尺寸以及产物流体中允许的最大颗粒尺寸。分离间隙的尺寸确定对应于被提取的流体中的允许的最大颗粒尺寸。在实际的设计实施例中，在环形盘高度总共为3mm、间隙高度为0. 4mm的情况下， 未被占用的过滤面积为13%。当环形盘高度相应更低时，未被占用面积的比例可增加得更多。未被占用面积的最大比例仅受环形盘的机械负载承载能力限制。而机械负载承载能力又取决于支承结构和材料的强度。根据第二个实施方式，本发明的分离装置包括多个套管状元件，所述套管状元件一个堆叠在另一个的顶部并且被支承结构轴向包围，在套管状元件中，通过加工提供了切口。此处，切口可相对于套管轴被径向和/或轴向排布。图显示了切口 9被相对套管轴径向设置的实施方式。图如显示套管状元件8的正视图。图4b显示套管状元件8的沿图^WA-A线的截面图。图如显示套管状元件8的立体图。如可从这些附图中看出的，在该实施方式中，各排切口 9被相对彼此偏移设置图fe至5c显示套管状元件8的不同实施方式，其中切口 10被相对套管轴轴向设置。图如显示这种套管状元件8的正视图。图恥显示套管状元件8的沿图fe WA-A线的截面图，而图5c显示套管状元件8的倾斜视图。可看出，在本实施方式的情况下，三排轴向切口 10(彼此隔开)被设置在套管的周围。用于引入切口的合适加工方法例如是多线切割或晶圆切割。与本发明的第一个实施方式中的分离间隙的高度类似，轴向和/或径向切口的宽度为0. 05-lmm，优选为 0. 2-0. 5mm，小于0. 4mm的切口宽度对于保持住背部沙子(backsand)是进一步优选的。对应于本发明的分离装置的第一个实施方式的构造，套管状元件通过位于内测或外侧的支承管被轴向引导和包围。因此，它们可以完全相同的方式被设置以得出具有任何期望高度的叠层。为了引入到弯曲钻井中，优选一个套管端面被内凹成形，另一个端面外凸成形，从而使得套管状元件能够基于球形轴承的原理以有角方式移动。如图4b和图恥所示，半径 R优选为套管状元件8的外侧直径的5至50倍，更优选为10至40倍。套管的高度基于可在成形工艺中以成本有效的方式产生的高度。在实际的示例性实施方式中，高度例如是80mm。这样的高度可在可靠的工艺中利用常规的压缩粉末和轴向压制而压制得到。在套管状元件的情况下，不需要间隔体，因为已经引入的切口提供了筛选作用。但是，在间隔体和用于防止扭曲的装置方面，设计可与第一种实施方式中的情况相同。具有套管状元件的构造与具有环形盘的构造相比具有的优点是，需要较小数量的部件来提供本发明的分离装置。但是，主要是与环形盘相比，套管的较大强度某种程度上由于切口而减少，而切口是大的未被占用过滤面积所需要的。类似于环形盘的情况，在套管状元件的情况下，未被占用过滤面积是在套管的机械负载承载能力和最大未被占用过滤面积之间的折中。在相同的机械负载承载能力下，具有环形盘的第一种实施方式中最大未被占用过滤面积大于具有套管状元件的第二种实施方式。套管状元件的内侧直径优选小于套管状元件的外侧直径的90%，更优选为小于 85%，并且套管状元件的径向壁厚优选为至少2. 5mm。第一种实施方式中的环形盘的外侧直径和第二种实施方式中的套管状元件的外侧直径都优选为50-200mm。如果在环形盘或套管状元件之间设置作为中间环的塑料膜，和/或环形盘或套管状元件的底部被涂布塑料层，那么脆硬环形盘的机械负载和套管状元件的机械负载可被进一步减少。特别地，这具有减少在脆硬环形盘上的高负载的作用。因此，环形盘的高度可被减少，或者在具有相同高度的情况下，机械负载承载能力可被增加。可根据温度和提取介质而选择合适的塑料。例如对于低于约100°C的温度和提取水的情况，可使用简单的标准塑料，例如聚丙烯和聚乙烯。在温度高达约140°C时，就需要所谓的工程塑料，例如聚酰胺或聚氧乙烯(POM)。在温度高达约200°C且提取油或气时，可使用所谓的高温塑料。例如聚醚醚酮(PEEK)或聚四氟乙烯(PTFE)的材料在这些条件下仍具有良好的耐磨性。膜或涂层对磨损的耐性仍可通过利用陶瓷填料增强而显著增加。环形盘或套管状元件的脆硬材料优选选自氧化的和非氧化的陶瓷材料、这些材料的混合陶瓷材料、添加了二次相的陶瓷材料、具有陶瓷硬质材料部分且具有金属结合相的混合材料、沉淀硬化的流延材料、具有原位形成的硬质材料相的粉末冶金材料以及长纤维和/或短纤维增强的陶瓷材料。氧化陶瓷材料的例子为Al2O3 JrO2、多铝红柱石、尖晶石和混合的氧化物。非氧化陶瓷材料的例子为SiC』4C、Ti&* Si3N4。陶瓷硬质材料例如为碳化物和硼化物(boride)。 具有金属结合相的混合材料的例子是WC-Co、TiC-Fe和Ti&-FeNiCr。原位形成的硬质材料相的例子是碳化铬。纤维增强的陶瓷材料的例子是C-SiC。前述材料因比通常出现的石头颗粒更硬而区别开来，也就是说这些材料的HV或 HRC硬度值高于周围石头的相应值。同时，所有这些材料因具有比通常的未硬化的钢合金更大的脆度而被区别开来。在这个意义上，这些材料在此文中被称为“脆硬”。密度达到理论密度的至少90%，更优选至少95%的材料优选被使用，从而达到可能的最高硬度值和高耐磨性和耐腐蚀性。烧结碳化硅(SSiC)或碳化硼优选被用作脆硬材料。这些材料不仅是耐磨的而且对通常用来冲洗分离装置的酸(例如HCl)耐腐蚀。特别合适的是，例如，具有细晶粒微结构(平均晶粒尺寸<5μπι)的SSiC材料，例如E9( Ceramics GmbH & Co. KG出售的EKasie F。但是，粗晶粒的SSiC材料也可被使用，例如具有双峰微结构的材料，优选50至90%体积的晶粒尺寸分布构成长度为100至1500 μ m 的棱镜式(prismatic)片状SiC晶体，而10至50%体积构成长度为5至100 μ m的棱镜形片状 SiC 晶体(来自 ESK Ceramics GmbH & Co. KG 的EKasic C)。以下实施例用来进一步解释本发明。实施例1陶瓷分离装置在一个设计的实施例中，环形过滤盘的外侧直径为100mm，内侧直径为80mm。环形盘的高度为3mm。球形轴承的半径R(见图le)为2000mm。两个相邻环形盘之间的环形间隙总是0.4mm。在环形盘上的三个间隔体(球形部分形式)的半径为25mm。金属支承笼的壁厚为3mm(见图北和3c)。未被占用过滤面积为13%。在该实施例中，分离装置的总长度为IOOOmm ；这对应于盘叠层中294个具有前述尺寸的盘。在该示例性的实施方式中，使用了材料SSiC(EKasic F)。
权利要求
1.用于在从岩石中的钻井中提取液体或气体时去除沙粒和石头颗粒的分离装置，所述分离装置包括多个脆硬材料的环形盘(1)，所述环形盘(1) 一个叠加在另一个的顶部并且被支承结构(7)包围，盘(1)在它们的上侧(2)具有均勻分布在盘(1)的圆周上的至少三个间隔体(3)，所述盘(1) 一个叠加在另一个顶部的叠加方式使得间隔体C3)分别一个位于另一个之上，并且在单个盘(1)之间总是存在高度为0. 05-lmm，优选为0. 2-0. 5mm的分离间隙⑶。
2.根据权利要求1所述的分离装置，所述间隔体(3)的形式为球形部分。
3.根据权利要求1和/或权利要求2所述的分离装置，所述环形盘⑴的上侧⑵被形成为与盘轴呈直角。
4.根据权利要求1和/或权利要求2所述的分离装置，所述环形盘⑴的上侧⑵被形成为以平面或曲面形式向下向内倾斜。
5.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，所述环形盘(1)的底部(4)被向下向内成形，优选根据球形轴承的设计原理向下内凹成形。
6.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，所述环形盘(1)的外边缘(6)是倾斜的或圆形的。
7.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，所述环形盘(1)的内侧直径小于所述环形盘(1)的外侧直径的90%。
8.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，所述环形盘(1)的径向壁厚为至少 2. 5mmο
9.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，所述环形盘(1)的厚度为2至 20mmo
10.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，所述环形盘(1)具有用于防止扭曲的装置(11)。
11.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，所述支承结构(7)包括设置在内侧和/或外侧的支承管。
12.用于在从岩石中的钻井中提取液体或气体时去除沙粒和石头颗粒的分离装置，所述分离装置包括多个脆硬材料的套筒状元件(8)，所述套筒状元件(8) —个叠加在另一个的顶部并被支承结构(7)轴向包围，在套筒状元件(8)中形成有切口宽度为0. 05-lmm,优选为 0. 2-0. 5mm 的切口(9、10)。
13.根据权利要求12所述的分离装置，所述切口相对于套筒轴径向(9)和/或轴向 (10)排布。
14.根据权利要求12和/或13的分离装置，套筒状元件(8)的一个端面被内凹成形， 而另一端面外凸成形，从而使得套筒状元件(8)的叠层能够基于球形轴承的原理而以有角度的方式移动。
15.根据权利要求5或14所述的分离装置，球形轴承的半径是环形盘(1)或套筒状元件⑶的外侧直径的5至50倍。
16.根据权利要求12-15的至少一项所述的分离装置，套筒状元件(8)的内侧直径小于套筒状元件(8)的外侧直径的90%。
17.根据权利要求12-16的至少一项所述的分离装置，套筒状元件(8)的径向壁厚为至少 2. 5mm。
18.根据权利要求12-17的至少一项所述的分离装置，支承结构(7)包括设置在内侧和 /或外侧的支承管。
19.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，环形盘(1)或套筒状元件(8)的脆硬材料选自氧化的和非氧化的陶瓷材料、这些材料的混合陶瓷材料、添加了次级相的陶瓷材料、具有陶瓷硬质材料部分且具有金属结合相的混合材料、沉淀硬化的流延材料、具有原位形成的硬质材料相的粉末冶金材料以及长纤维和/或短纤维增强的陶瓷材料。
20.根据权利要求19所述的分离装置，所述脆硬材料的密度为理论密度的至少90%。
21.根据权利要求19和/或20所述的分离装置，所述脆硬材料为烧结碳化硅(SSiC) 或碳化硼。
22.根据前述权利要求的至少一项所述的分离装置，塑料膜被设置在环形盘(1)或套筒状元件(8)之间作为中间环和/或环形盘或套筒状元件的底部被涂布塑料层。
23.前述权利要求的至少一项所述的分离装置用于在从岩石中的钻井中提取液体或气体的过程中去除沙粒和石头颗粒的用途。
全文摘要
根据第一个实施方式，本发明涉及一种在从岩石中的钻井中提取液体或气体时取出沙粒和石头颗粒的分离装置，该装置包括多个脆硬材料的环形盘，该环形盘一个叠加在另一个的顶部并被支承结构轴向包围。盘在它们的上侧具有均匀分布在盘的圆周上的至少三个间隔体，所述盘一个叠加在另一个顶部的叠加方式使得间隔体分别一个位于另一个之上，并且在单个盘之间总是存在高度为0.05-1mm，优选为0.2-0.5mm的分离间隙。根据第二个实施方式，本发明涉及在从岩石中的钻井中提取液体或气体时去除沙粒和石头颗粒的分离装置，所述分离装置包括多个脆硬材料的套筒状元件，所述套筒状元件一个叠加在另一个的顶部并被支承结构轴向包围，在套筒状元件中形成有切口宽度为0.05-1mm，优选为0.2-0.5mm的切口。
文档编号E21B43/08GK102216558SQ200980146002
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月10日 优先权日2008年11月18日
发明者阿明·凯瑟 申请人:Esk陶瓷有限两合公司