一种适应变工况的高效除砂分离计量一体化橇的制作方法

1.本发明涉及天然气除砂技术领域，具体涉及一种适应变工况的高效除砂分离计量一体化橇。


背景技术：

2.致密气藏(页岩气)通常采用大型加砂压裂后投产，因压裂返排不彻底和快速投产，导致排采期及正常生产过程中压裂砂排出，严重影响气井的正常生产、气井产量和地面设备与管线的安全。
3.现有技术中，除砂器和分离计量装置通常分开设置，且除砂器和分离计量装置适应工况范围狭窄，无法满足气井工况变化时的高效相分离和准确计量，从而影响气井的生产安全、动态分析的准确性及产能。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种适应工况范围大的适应变工况的高效除砂分离计量一体化橇。
5.为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
6.提供一种适应变工况的高效除砂分离计量一体化橇，包括气液分离器、若干旋流除砂器、下筒体和用于输入固液气三相混合物的输入管；
7.旋流除砂器上设置有用于连通输入管的第一进水口、用于连通气液分离器的溢流口和用于连通下筒体一端的排砂口，排砂口上设置有清理装置；
8.气液分离器上设置有第一输气口、用于连通输入管和溢流口的第二进水口、用于连通下筒体另一端的排液口，第一输气口分别连通有第一流量变送器和第二流量变送器，第一流量变送器和第二流量变送器均连通输出管，第一流量变送器和第二流量变送器的测量范围不同；
9.输入管与第一进水口之间、输入管与第二进水口之间、溢流口与第二进水口之间、排砂口与下筒体之间分别设置有第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；
10.气液分离器和下筒体内分别设置有第一反冲洗水管和第二反冲洗水管。
11.采用上述技术方案的有益效果为：旋流除砂器用于将砂从固液气三相混合物中分离出来，其中，固液气三相混合物从第一进水口进入旋流除砂器并将砂从中分离出来，分离出来的砂从排砂口排出，而剩余的液气两相混合物则从溢流口排出；气液分离器用于将液气两相混合物分离为液相和气相，其中，液气两相混合物从第二进水口进入气液分离器并将气相从液气两相混合物中分离出来，分离出来的液相从排液口排出，而气相则从第一输气口排出；下筒体用于收集排砂口排出的砂和排液口排出的液相；
12.旋流除砂器设置有多个，能在不同气井工况下高效除砂；当气井产出较少时，可打开少量的旋流除砂器；当气井产出较多时，可打开更多的旋流除砂器；
13.另外，旋流除砂器设置有多个，能够保证持续地除砂，且不影响气井产能；当工作
中的旋流除砂器的排砂口堆积较多砂时，可关闭该旋流除砂器同时打开另一旋流除砂器进行除砂；
14.输入管连通第二进水口，当气井不出砂时，液气两相混合物可直接由输入管输入气液分离器进行气液分离，减少处理工序，提高产能及生产效率；
15.第一流量变送器和第二流量变送器的测量范围不同，分别对不同流量大小的气体进行测量；当气体流量较大时，使用较大测量范围的流量变送器进行测量；当气体流量较小时，使用较小测量范围的流量变送器进行测量；从而在保证测量的基础上，提高了计量的精度。
16.排砂口上设置清理装置，用于清理排砂口，防止砂堵塞排砂口；第一反冲洗水管和第二反冲洗水管分别对气液分离器和下筒体进行冲洗，有利于气液分离器和下筒体的清理。
17.进一步地，旋流除砂器的内壁上均匀设置有若干凸起的半球体，溢流口的下端滑动设置有滤网，且滤网上设置有浮子。
18.采用上述技术方案的有益效果为：旋流除砂器的内壁上设置凸起的半球体，增大内壁与固液气三相混合物的接触面积，使固液气三相混合物沿内壁旋转运动时，一部分砂能够附着到凸起的半球体上，提高砂的分离效率；
19.滤网用于过滤细砂，避免细砂进入溢流口；但由于存在细砂堵住滤网的可能，因此将滤网滑动设置在溢流口上，且在滤网上设置浮子；当滤网上未附着砂时，滤网受浮子影响向上略微浮起，而当滤网上附着有砂时，滤网受重力影响会向下沉，使得滤网上的砂部分脱落，导致滤网又开始上浮；滤网的上下往复运动形成振动，使得滤网上附着的砂脱落，避免了细砂堵住滤网，保证旋流除砂器的正常运行。
20.进一步地，清理装置包括沿排砂口圆周方向均匀设置的若干直线驱动机构，直线驱动机构的输出端固定连接有滑块，滑块的运动方向与排砂口的高度方向相同，滑块沿运动方向均匀设置有若干组推拉组件；
21.每组推拉组件包括铰接在滑块上的两组滚轮，两组滚轮之间设置有刮杆，刮杆的中部铰接在排砂口上，且刮杆远离滚轮的一端延伸至排砂口内。
22.采用上述技术方案的有益效果为：直线驱动机构驱动滑块运动，使滑块上的滚轮推动或拉动刮杆绕排砂口上的铰接点转动；旋流除砂器使砂分离后，堆积在排砂口处的砂很容易因板结导致排砂口堵塞，而若干直线驱动机构同时驱动，使得多个刮杆同时刮动靠近排砂口侧壁处的砂，从而打破砂的板结状态，使得砂受重力影响自然下落；另外，滑块上沿运动方向上均匀设置若干组推拉组件，从而使不同高度的刮杆刮动不同高度的砂，确保防堵效果。
23.进一步地，刮杆的中部为圆形块，排砂口上设置有与圆形块相匹配的第一转动槽，第一转动槽的两端均设置有用于提供转动空间的第二转动槽，第二转动槽的两侧壁上均设置有行程开关，行程开关和直线驱动机构均电连接第一控制器。
24.采用上述技术方案的有益效果为：刮杆的中部为圆形块，排砂口上设置有与圆形块相匹配的第一转动槽，第一转动槽的两端均设置有用于提供转动空间的第二转动槽，使得刮杆能够顺利转动，且保证转动时刮杆的中部不会与排砂口之间产生间隙，从而避免旋流除砂器中的液体从此处流出；
25.而第二转动槽的两侧壁上均设置有行程开关，则有利于提高自动化程度，减少人为控制；当刮杆接触行程开关时，直线驱动机构反向运行，从而使得直线驱动机构的输出端上下往复运动，使得刮杆上下往复刮动。
26.进一步地，旋流除砂器的切线方向上设置有第三进水口，第三进水口设置在第一进水口的上方。
27.采用上述技术方案的有益效果为：旋流除砂器的切线方向上设置第三进水口，用于清洗旋流除砂器；当旋流除砂器需要清洗时，从第三进水口注入带有压力的水，使得水流沿旋流除砂器内壁旋转运动，进而冲洗掉附着在旋流除砂器内壁上的砂；而第三进水口设置在第一进水口的上方，避免第三进水口对进入固液气三相混合物的旋流运动产生影响。
28.进一步地，气液分离器的内腔中部竖向设置有若干填料板，第二进水口的一端设置有若干朝向填料板的通孔；第一输气口上设置有捕雾器。
29.采用上述技术方案的有益效果为：气液分离器的内腔中部竖向设置若干填料板，第一输气口上设置有捕雾器，有利于提高气液分离效率；第二进水口的一端设置有若干朝向填料板的通孔，使第二进水口中出来的液气两相混合物朝向填料板运动或流动，从而使液气两相混合物尽快进行填充分离，提高气液分离效率。
30.进一步地，若干通孔的倾斜角度从下到上依次增大。
31.采用上述技术方案的有益效果为：若干通孔的倾斜角度从下到上依次增大，使第二进水口出来的液气两相混合物朝向填料板的不同部位运动，使填料板的不同部位同时工作，提高气液分离效率。
32.进一步地，气液分离器的一端设置有液位变送器，气液分离器上远离第二进水口的一端设置有第二输气口，第二输气口通过第一电磁阀连通有第三流量变送器，第三流量变送器连通输出管，第一电磁阀和液位变送器均电连接第二控制器；第三流量变送器与输出管之间设置有第二电磁阀，第三流量变送器与第二输气口之间设置有第五阀门；第一反冲洗水管的出口分别设置在气液分离器的两端，气液分离器靠近第二输气口的一端设置有堰板。
33.采用上述技术方案的有益效果为：液位变送器感应气液分离器的液位，当液位低于堰板时，控制器打开第一电磁阀，从第二输气口输出分离出的气并通过第三流量变送器计量；当液位高于堰板时，则立即关闭第一电磁阀；第一反冲洗水管的出口分别设置在气液分离器的两端，使反冲洗水流向气液分离器的两端，反冲洗水带动分离出的液相流向排液口，从而对气液分离器进行清洗，而堰板则避免液相或反冲洗水进入第二输气口。
34.进一步地，下筒体设置有用于连通排砂口的第一内腔和用于连通排液口的第二内腔，第一内腔和第二内腔之间设置有分隔阀；第一内腔远离分隔阀的一端设置有清理口，第二反冲洗水管的出口设置在第二内腔远离分隔阀的一端。
35.采用上述技术方案的有益效果为：第一内腔中收集排砂口落下的砂，而第二内腔则收集分离后的液相；气液分离器进行气液分离时，分隔阀关闭，避免砂从第二内腔进入气液分离器；当且仅当清理时，打开分隔阀，并通过第二反冲洗水管放出反冲洗水，反冲洗水带动第二内腔中的液体和第一内腔中的砂，并从清理口处排出。
36.进一步地，第一流量变送器与输出管之间、第二流量变送器与输出管之间分别设置有第三电磁阀和第四电磁阀；第一流量变送器与第一输气口之间、第二流量变送器与第
一输气口之间分别设置有第六阀门和第七阀门。
37.采用上述技术方案的有益效果为：第一流量变送器与输出管之间、第二流量变送器与输出管之间分别设置有第三电磁阀和第四电磁阀；第一流量变送器与第一输气口之间、第二流量变送器与第一输气口之间分别设置有第六阀门和第七阀门，有利于切换气体输出管道和流量变送器。
38.本发明的有益效果为：
39.1.集高效旋流除砂、气液分离计量、排砂和反冲洗等多功能于一体；
40.2.旋流除砂器设置有多个，能在不同气井工况下高效除砂，能够保证持续地除砂，且不影响气井产能；
41.3.第一流量变送器和第二流量变送器的测量范围不同，分别对不同流量大小的气体进行测量，在保证测量的基础上，提高了计量的精度；
42.4.气井不出砂时，液气两相混合物可直接由输入管输入气液分离器进行气液分离，减少处理工序，提高产能及生产效率。
附图说明
43.图1为本发明实施例的结构示意图；
44.图2为本发明实施例中旋流除砂器的结构示意图；
45.图3为图2中a处的局部放大图；
46.图4为图2中b处的局部放大图；
47.图5为本发明实施例中气液分离器的结构示意图；
48.图6为图5中c处的局部放大图；
49.图7为本发明另一实施例中旋流除砂器的结构示意图；
50.图8为本发明另一实施例中旋流除砂器的安装示意图；
51.其中，1、输入管，2、第一阀门，3、第三阀门，4、旋流除砂器，401、第一进水口，402、半球体，403、溢流口，404、第三进水口，405、滤网，406、直线驱动机构，407、排砂口，408、浮子，409、滚轮，410、滑块，411、刮杆，412、第二转动槽，413、圆形块，414、行程开关，415、圆钢销，416、压紧件，417、外壳体，5、第二阀门，6、气液分离器，601、第二进水口，602、填料板，603、第一输气口，604、第二输气口，605、堰板，606、排液口，607、通孔，7、捕雾器，8、第六阀门，9、第二流量变送器，10、第一流量变送器，11、第三电磁阀，12、第四电磁阀，13、输出管，14、第二电磁阀，15、第三流量变送器，16、第一电磁阀，17、液位变送器，18、第七阀门，19、下筒体，20、第一反冲洗水管，21、第二反冲洗水管，22、第二内腔，23、分隔阀，24、第四阀门，25、第一内腔，26、清理口。
具体实施方式
52.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
53.如图1所示，一种适应变工况的高效除砂分离计量一体化橇，包括气液分离器6、若
干旋流除砂器4、下筒体19和用于输入固液气三相混合物的输入管1；
54.旋流除砂器4上设置有用于连通输入管1的第一进水口401、用于连通气液分离器6的溢流口403和用于连通下筒体19一端的排砂口407，排砂口407上设置有清理装置；
55.气液分离器6上设置有第一输气口603、用于连通输入管1和溢流口403的第二进水口601、用于连通下筒体19另一端的排液口606，第一输气口603分别连通有第一流量变送器10和第二流量变送器9，第一流量变送器10和第二流量变送器9均连通输出管13，第一流量变送器10和第二流量变送器9的测量范围不同，第一流量变送器10和第二流量变送器9的测量范围一大一小；
56.输入管1与第一进水口401之间、输入管1与第二进水口601之间、溢流口403与第二进水口601之间、排砂口407与下筒体19之间分别设置有第一阀门2、第二阀门5、第三阀门3和第四阀门24；
57.气液分离器6和下筒体19内分别设置有第一反冲洗水管20和第二反冲洗水管21。
58.旋流除砂器4用于将砂从固液气三相混合物中分离出来，其中，固液气三相混合物从第一进水口401进入旋流除砂器4并将砂从中分离出来，分离出来的砂从排砂口407排出，而剩余的液气两相混合物则从溢流口403排出；气液分离器6用于将液气两相混合物分离为液相和气相，其中，液气两相混合物从第二进水口601进入气液分离器6并将气相从液气两相混合物中分离出来，分离出来的液相从排液口606排出，而气相则从第一输气口603排出；下筒体19用于收集排砂口407排出的砂和排液口606排出的液相；
59.旋流除砂器4设置有多个，能在不同气井工况下高效除砂；当气井产出较少时，可打开少量的旋流除砂器4；当气井产出较多时，可打开更多的旋流除砂器4；
60.另外，旋流除砂器4设置有多个，能够保证持续地除砂，且不影响气井产能；当工作中的旋流除砂器4的排砂口407堆积较多砂时，可关闭该旋流除砂器4同时打开另一旋流除砂器4进行除砂；
61.输入管1连通第二进水口601，当气井不出砂时，液气两相混合物可直接由输入管1输入气液分离器6进行气液分离，减少处理工序，提高产能及生产效率；此时，第一阀门2和第三阀门3关闭，而第二阀门5和第四阀门24开启；而当旋流除砂器4工作时，第一阀门2和第三阀门3打开，而第二阀门5和第四阀门24关闭；
62.第一流量变送器10和第二流量变送器9的测量范围不同，分别对不同流量大小的气体进行测量；当气体流量较大时，使用较大测量范围的流量变送器进行测量；当气体流量较小时，使用较小测量范围的流量变送器进行测量；从而在保证测量的基础上，提高了计量的精度。
63.排砂口407上设置清理装置，用于清理排砂口407，防止砂堵塞排砂口407；第一反冲洗水管20和第二反冲洗水管21分别对气液分离器6和下筒体19进行冲洗，有利于气液分离器6和下筒体19的清理；
64.另外，第一输气口603与输出管13之间、第二输气口604与输出管13之间还可以设置阀门。
65.作为可选的实施方式，如图2所示，旋流除砂器4的内壁上均匀设置有若干凸起的半球体402，增大内壁与固液气三相混合物的接触面积，使固液气三相混合物沿内壁旋转运动时，一部分砂能够附着到凸起的半球体402上，提高砂的分离效率；
66.如图3所示，溢流口403的下端滑动设置有滤网405，且滤网405上设置有浮子408；滤网405用于过滤细砂，避免细砂进入溢流口403；但由于存在细砂堵住滤网405的可能，因此将滤网405滑动设置在溢流口403上，且在滤网405上设置浮子408；当滤网405上未附着砂时，滤网405受浮子408影响向上略微浮起，而当滤网405上附着有砂时，滤网405受重力影响会向下沉，使得滤网405上的砂部分脱落，导致滤网405又开始上浮；滤网405的上下往复运动形成振动，使得滤网405上附着的砂脱落，避免了细砂堵住滤网405，保证旋流除砂器4的正常运行。
67.作为可选的实施方式，如图4所示，清理装置包括沿排砂口407圆周方向均匀设置的若干直线驱动机构406，直线驱动机构406可选用液压缸，直线驱动机构406的输出端固定连接有滑块410，滑块410的运动方向与排砂口407的高度方向相同，滑块410沿运动方向均匀设置有若干组推拉组件；
68.每组推拉组件包括铰接在滑块410上的两组滚轮409，两组滚轮409之间设置有刮杆411，刮杆411的中部铰接在排砂口407上，且刮杆411远离滚轮409的一端延伸至排砂口407内。
69.直线驱动机构406驱动滑块410运动，使滑块410上的滚轮409推动或拉动刮杆411绕排砂口407上的铰接点转动；旋流除砂器4使砂分离后，堆积在排砂口407处的砂很容易因板结导致排砂口407堵塞，而若干直线驱动机构406同时驱动，使得多个刮杆411同时刮动靠近排砂口407侧壁处的砂，从而打破砂的板结状态，使得砂受重力影响自然下落；另外，滑块410上沿运动方向上均匀设置若干组推拉组件，从而使不同高度的刮杆411刮动不同高度的砂，确保防堵效果。
70.作为可选的实施方式，刮杆411的中部为圆形块413，排砂口407上设置有与圆形块413相匹配的第一转动槽，第一转动槽的两端均设置有用于提供转动空间的第二转动槽412，使得刮杆411能够顺利转动，且保证转动时刮杆411的中部不会与排砂口407之间产生间隙，从而避免旋流除砂器4中的液体从此处流出；为保证刮杆411中部与排砂口407的密封性，可在圆形块413与第一转动槽之间设置密封圈。
71.第二转动槽412的两侧壁上均设置有行程开关414，行程开关414和直线驱动机构406均电连接第一控制器，有利于提高自动化程度，减少人为控制；其中，第一控制器可选用搭载有c51单片机的pcb板；当刮杆411接触行程开关414时，直线驱动机构406反向运行，从而使得直线驱动机构406的输出端上下往复运动，使得刮杆411上下往复刮动。
72.作为可选的实施方式，旋流除砂器4的切线方向上设置有第三进水口404，用于清洗旋流除砂器4；当旋流除砂器4需要清洗时，从第三进水口404注入带有压力的水，使得水流沿旋流除砂器4内壁旋转运动，进而冲洗掉附着在旋流除砂器4内壁上的砂；第三进水口404设置在第一进水口401的上方，避免第三进水口404对进入固液气三相混合物的旋流运动产生影响。
73.作为可选的实施方式，如图5和图6所示，气液分离器6的内腔中部竖向设置有若干填料板602，第一输气口603上设置有捕雾器7，有利于提高气液分离效率；第二进水口601的一端设置有若干朝向填料板602的通孔607，使第二进水口601中出来的液气两相混合物朝向填料板602运动或流动，从而使液气两相混合物尽快进行填充分离，提高气液分离效率。
74.作为可选的实施方式，若干通孔607的倾斜角度从下到上依次增大，使第二进水口
601出来的液气两相混合物朝向填料板602的不同部位运动，使填料板602的不同部位同时工作，提高气液分离效率。
75.作为可选的实施方式，气液分离器6的一端设置有液位变送器17，气液分离器6上远离第二进水口601的一端设置有第二输气口604，第二输气口604通过第一电磁阀16连通有第三流量变送器15，第三流量变送器15连通输出管13，第一电磁阀16和液位变送器17均电连接第二控制器，第二控制器可选用搭载有c51单片机的pcb板；第三流量变送器15与输出管13之间设置有第二电磁阀14，第三流量变送器15与第二输气口604之间设置有第五阀门；第一反冲洗水管20的出口分别设置在气液分离器6的两端，气液分离器6靠近第二输气口604的一端设置有堰板605。
76.液位变送器17感应气液分离器6的液位，当液位低于堰板605时，控制器打开第一电磁阀16，从第二输气口604输出分离出的气并通过第三流量变送器15计量；当液位高于堰板605时，则立即关闭第一电磁阀16；第一反冲洗水管20的出口分别设置在气液分离器6的两端，使反冲洗水流向气液分离器6的两端，反冲洗水带动分离出的液相流向排液口606，从而对气液分离器6进行清洗，而堰板605则避免液相或反冲洗水进入第二输气口604。
77.作为可选的实施方式，下筒体19设置有用于连通排砂口407的第一内腔25和用于连通排液口606的第二内腔22，第一内腔25和第二内腔22之间设置有分隔阀23；第一内腔25远离分隔阀23的一端设置有清理口26，第二反冲洗水管21的出口设置在第二内腔22远离分隔阀23的一端。
78.第一内腔25中收集排砂口407落下的砂，而第二内腔22则收集分离后的液相；气液分离器6进行气液分离时，分隔阀23关闭，避免砂从第二内腔22进入气液分离器6；当且仅当清理时，打开分隔阀23，并通过第二反冲洗水管21放出反冲洗水，反冲洗水带动第二内腔22中的液体和第一内腔25中的砂，并从清理口26处排出。
79.作为可选的实施方式，第一流量变送器10与输出管13之间、第二流量变送器9与输出管13之间分别设置有第三电磁阀11和第四电磁阀12；第一流量变送器10与第一输气口603之间、第二流量变送器9与第一输气口603之间分别设置有第六阀门8和第七阀门18，有利于切换气体输出管道和流量变送器。
80.如图7和图8所示，本发明中旋流除砂器4还存在另一种实施例，旋流除砂器4的上端通过圆钢销415固定有溢流口403，旋流除砂器4的下端设置有排砂口407，旋流除砂器4的切线方向设置有第一进水口401；旋流除砂器4设置在外壳体417内，并通过压紧件416将旋流除砂器4固定在外壳体417内；另外，外壳体417和压紧件416内分别设置有与第一进水口401和溢流口403相通的通道，这两个通道以及排砂口407均通过非标法兰与外部管道连通。