一种螺旋式三相介质分离器。主要目的在于为油田生产提供一种可以同步对采出液进行脱气除砂处理的设备，减轻分离设备重量，提高油田开采的经济效益。其特征在于：在第一直管段内固定有第一螺旋流道，贯穿溢流管，溢流管的下1/3处有若干第一微孔；在第一直管段内有导流体，导流体的喇叭口倒扣固定在第一螺旋流道的中央，出气管与溢流管具有相同的中心轴线；在第二直管段内有第二螺旋流道和排液管；在排液管的中段有若干贯穿管体的第二微孔；在外锥段内有过滤锥，在过滤锥内置有第三螺旋流道，在过滤锥的下1/3处有若干第三微孔，第三微孔与所述过滤锥的壁面垂直；过滤锥的底端与排液管的首端相连接。
1.一种螺旋式三相介质分离器，包括依次连接的第一直管段（2）、外锥段（6）和第二直管段（12），第一直管段（2）的直径大于第二直管段（12）的直径，第二直管段（12）的底部封闭，在第二直管段（12）的外圆周上切向接入一根排砂管（14），其特征在于：在第一直管段（2）内的中部固定有第一螺旋流道（3），在第一螺旋流道（3）的中央固定连接有一根沿轴线方向贯穿所述第一螺旋流道（3）的溢流管（4），溢流管（4）的首、尾两端均探出所述第一螺旋流道（3）外；在溢流管（4）的下1/3管段处有若干贯穿管体的第一微孔（15），所述第一微孔（15）的孔径范围在5微米～10微米之间；
在第一直管段（2）内的上部，有一个呈喇叭状的导流体，所述导流体由喇叭口和出气管（1）连接后组成，所述导流体的喇叭口倒扣固定在第一螺旋流道（3）的中央，出气管（1）与溢流管（4）具有相同的中心轴线；
第一直管段（2）内的下部为旋流腔（5），溢流管（4）的尾端位于旋流腔（5）内；
在第二直管段（12）内部固定有第二螺旋流道（11），在第二螺旋流道（11）的中央固定连接有一根沿轴线方向贯穿所述第二螺旋流道（11）的排液管（10），排液管（10）的尾端开口探出第二直管段（12）的底部封闭端；在排液管（10）的中段有若干贯穿管体的第二微孔（13），所述第二微孔（13）的孔径范围在10微米～15微米之间；
在外锥段（6）内有一个与其锥形相配合的过滤锥（7），在过滤锥（7）内置有第三螺旋流道（8），在过滤锥（7）的下1/3处有若干第三微孔（9），第三微孔（9）与所述过滤锥的锥壁面垂直；所述第三微孔（9）的孔径范围在30微米～50微米之间；外锥段（6）的底端与排液管（10）的首端相连接；
如果设定第一直管段（2）的直径为D、溢流管（4）的直径为D1、排液管（10）的直径为D2、旋流腔（5）的高度为H、第一螺旋流道（3）的高度为H1、溢流管（4）伸入所述旋流腔（5）的长度为L、第二直管段（12）的高度为H2、外锥段（6）的锥角为α、外锥段（6）与排液管（10）连接后位于所述分离器内的部分的高度为H3、第二直管段（12）的直径为D3，则按照如下式（1）～式（9）之限定范围构造所述分离器：
螺旋式三相介质分离器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种应用于石油、化工、海洋工程、水处理以及环保等领域中的多相介质分离处理装置。
背景技术
[0002] 随着我国众多油田开发的不断深入，采出液含砂量、伴生气量逐年增加。采出液的大量含砂、含气会对地面集输设备造成极大的损害，除气、除砂不可缺少。目前油田上应用的除砂设备主要有重力沉降、过滤除砂、离心除砂以及旋流器除砂等几种。其中，重力沉降（罐）属于重力分离方法，是利用密度差进行分离。缺点是占地面积大，适宜于陆上环境，空间足够大的场合；过滤（筛网）除砂具有高效的特点，但需要反冲洗，设备占地面积大，适宜于砂含量较少，砂粒粒径小等场合；离心分离是借助于离心力，使比重不同的物质进行分离的方法。由于离心机等设备可产生相当高的角速度，使离心力远大于重力，于是溶液中的悬浮物便易于沉淀析出:又由于比重不同的物质所受到的离心力不同，从而沉降速度不同，能使比重不同的物质达到分离；旋流分离是根据离心沉降和密度差分原理设计而成，使其内产生离心力场，根据物体间的密度差及离心力的作用，从而达到分离的效果，旋流分离具有设备体积小等优点，但目前的现有旋流分离设备对于细小油滴和颗粒的去除能力有限，也不适应于对含有大量的伴生气、泥砂等杂质的采出液进行分离。
[0003] 伴生气的分离则主要有吸收法、活性炭吸附法、膜分离法等几种方法。吸收作用常用于气体污染物的处理与回收；活性炭吸附取决于其溶解度、表面自由能、极性、吸附质分子的大小和不饱和度、附质的浓度等；膜分离是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解-扩散上的差异，即渗透速率差来进行分离的，设备成本较高，对介质条件要求又较为严格。目前我国大多数油田的采出液中都含有大量的伴生气、泥砂等杂质，这些杂质不但会造成压力不稳，增加输送难度，还会造成设备的腐蚀、堵塞等，存在诸多安全隐患，对油田生产造成很大危害。因此，采出液的脱气除砂处理也成为油田生产中的一个重要问题。因此急需结构设计合理、体积小、功能多、人力需求少、易操作等诸多优良特性的能够实现三相介质的高效分离设备，以降低系统能耗，有效解决采出液含砂含气对集输系统的影响。
发明内容
[0004] 为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种螺旋式三相介质分离器，该种分离器结构简单，可以同步进行对采出液的高效脱气除砂，减轻分离设备重量，提高油田开采的经济效益。
[0005] 本发明的技术方案是：该种螺旋式三相介质分离器，包括依次连接的第一直管段、外锥段和第二直管段，第一直管段的直径大于第二直管段的直径，第二直管段的底部封闭，在第二直管段的外圆周上切向接入一根排砂管，在第一直管段内的中部固定有第一螺旋流道，在第一螺旋流道的中央固定连接有一根沿轴线方向贯穿所述第一螺旋流道的溢流管，溢流管的首、尾两端均探出所述第一螺旋流道外；在溢流管的下1/3管段处有若干贯穿管体的第一微孔，所述第一微孔的孔径范围在5微米～10微米之间。
[0006] 在第一直管段内的上部，有一个呈喇叭状的导流体，所述导流体由喇叭口和出气管连接后组成，所述导流体的喇叭口倒扣固定在第一螺旋流道的中央，出气管与溢流管具有相同的中心轴线。
[0007] 第一直管段内的下部为旋流腔，溢流管的尾端位于旋流腔内；在第二直管段内的中部固定有第二螺旋流道，在第二螺旋流道的中央固定连接有一根沿轴线方向贯穿所述第二螺旋流道的排液管，排液管的尾端开口探出第二直管段的底部封闭端；在排液管的中段有若干贯穿管体的第二微孔，所述第二微孔的孔径范围在10微米～15微米之间。
[0008] 在外锥段内有一个与其锥形相配合的过滤锥，在过滤锥内置有第三螺旋流道，在过滤锥的下1/3处有若干第三微孔，第三微孔与所述过滤锥的锥壁面垂直；所述第三微孔的孔径范围在30微米～50微米之间；外锥段的底端与排液管的首端相连接。
[0009] 本发明具有如下有益效果：首先，本种螺旋式三相介质分离器采用螺旋流道入口结构，使设备径向尺寸进一步减小，占地面积小；其次，可用于密度不同的三相不互溶介质的一体化分离，既可应用于油田生产，又可应用于市政环保等其它领域；再次，这种分离器采取多螺旋流道结构，可以使分离器内多次发生离心分离，更进一步提高了分离效率。另外，该种分离器也可应用于油田井下管柱中，可实现气-液-液和液-液-固等三相介质分离。概括地说，本种分离器是由国家863计划课题（2012AA061303）、中国博士后科学基金特别资助项目（2014T70191）以及提高油气采收率教育部重点实验室开放课题资助而完成的最新科研成果，能为油田生产提供一种同步进行采出液脱气除砂处理的设备，减轻分离设备重量，提高油田开采的经济效益，在简化油田采出液处理工艺方面具有深远的意义，有广阔的工程应用前景。
[0010] 附图说明：
[0011] 图1是本发明的外观结构示意图。
[0012] 图2是本发明的剖视结构示意图。
[0013] 图3是本发明所述第一螺旋流道与溢流管连接后的结构示意图。
[0014] 图4是本发明标示完各个设定参数的剖视结构示意图。
[0015] 图中1-出气管，2-第一直管段，3-第一螺旋流道，4-溢流管，5-旋流腔，6-外锥段，7-过滤锥，8-第三螺旋流道，9-第三微孔，10-排液管，11-第二螺旋流道，12-第二直管段，13-第二微孔，14-排砂管，15-第一微孔。
[0016] 具体实施方式：
[0017] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0018] 由图1结合图2所示，该种螺旋式三相介质分离器，包括依次连接的第一直管段2、外锥段6和第二直管段12，第一直管段2的直径大于第二直管段12的直径，第二直管段12的底部封闭，在第二直管段12的外圆周上切向接入一根排砂管14，此外：
[0019] 如图3所示，在第一直管段2内的中部固定有第一螺旋流道3，在第一螺旋流道3的中央固定连接有一根沿轴线方向贯穿所述第一螺旋流道的溢流管4，溢流管4的首、尾两端均探出所述第一螺旋流道外；在溢流管4的下1/3管段处有若干贯穿管体的第一微孔15，所述第一微孔的孔径范围在5微米～10微米之间。
[0020] 在第一直管段2内的上部，有一个呈喇叭状的导流体，所述导流体由喇叭口和出气管1连接后组成，所述导流体的喇叭口倒扣固定在第一螺旋流道3的中央，出气管1与溢流管4具有相同的中心轴线。
[0021] 第一直管段2内的下部为旋流腔5，溢流管4的尾端位于旋流腔5内；
[0022] 在第二直管段12内部固定有第二螺旋流道11，在第二螺旋流道11的中央固定连接有一根沿轴线方向贯穿所述第二螺旋流道的排液管10，排液管10的尾端开口探出第二直管段12的底部封闭端；在排液管10的中段有若干贯穿管体的第二微孔13，所述第二微孔的孔径范围在10微米～15微米之间。第二螺旋流道的结构与第一螺旋流道的结构相同，只是尺寸变小。
[0023] 在外锥段6内有一个与其锥形相配合的过滤锥7，在过滤锥7内置有第三螺旋流道8，所述第三螺旋流道与第一螺旋流道在结构上略有变化，为一个实心结构，而流道外缘的螺旋线则无变化。在过滤锥7的下1/3处有若干第三微孔9，第三微孔9与所述过滤锥7的锥壁面垂直；所述第三微孔的孔径范围在30微米～50微米之间。外锥段6的底端与排液管10的首端相连接成为一个贯穿的整体。
[0024] 上述涉及微孔的部分由于孔径非常小，钻孔可能性不大，可直接选用微孔材料经加工而成，所以相应部分为自带微孔。
[0025] 本种螺旋式三相介质分离器的主要功效为离心分离，其分离原理以气液固三相分离为例进行说明，是利用三种不互溶液体介质的密度差而进行离心分离的。气液固混合液由第一直管段上的开口进入分离器内部，经过第一螺旋流道将混合介质的直线运动变成圆周运动，在旋流腔及外锥段内形成高速旋转的涡流，采用外锥的形式对旋流器内的流体具有一定的能量补偿作用，进而补偿分离过程中的速度损失，有利于三相的分离。
[0026] 分离器工作时，混合物料通过第一直管段上的开口进入分离器中，经过第一螺旋流道将混合介质的直线运动变成圆周运动，在密度差的作用下，依靠离心力完成分离过程。三相介质在分离器发生旋转分离，首先三相介质在第一螺旋流道内发生旋转，其内的溢流管4壁面有微孔，由于气相密度最轻，可以通过微孔进入溢流管4，首先由溢流管4排出一小部分，利于在分离器内部的后续分离；微孔设计还可以防止固体颗粒进入溢流管4内，影响分离效果。其次三相介质在分离器内发生旋转分离，气、液、固三相中最轻的气相被最先分离出来，并由顶部溢流管4排出；混合介质在下行的过程中，继续进行旋转分离，在离心力的作用下，固相（含部分液相）逐渐移向边壁处，进入第二直管段12内，第二螺旋流道11可以再一次使其内部混合介质（主要是液、固）发生旋转分离，较轻的部分液相可以通过第二微孔13进入排液管10，而固相及少部分液相介质在后续介质的推动下，最终由侧向排砂管
14排出分离器；液体则经过过滤锥7然后进入排液管10中，过滤锥7内的第三螺旋流道8可以使其内部的混合介质再次发生旋转分离，部分较重的固相可以通过过滤锥7壁面的第三微孔9的孔道进入底流管12内，进一步提高固相分离效率，而且过滤锥7对气体还可以产生一定的举升作用，利于溢流气体的排出，再次提高气相分离精度。经多次提纯后的液体介质从排液管10底部出口排出，气体从顶部排气管排出，固相从排砂管14排出，从而完成三相的最终分离。
[0027] 下面给出本发明专利申请的一个优选实施方案：
[0028] 如果设定第一直管段2的直径为D、溢流管4的直径为D1、排液管10的直径为D2、旋流腔5的高度为H、第一螺旋流道的高度为H1、溢流管4伸入所述旋流腔的长度为L、第二直管段12的高度为H2、外锥段6的锥角为α、外锥段6与排液管10连接后位于所述分离器内的部分的高度为H3、第二直管段12的直径为D3，则按照如下式（1）～式（9）之限定范围构造所述分离器会取得最优效果。
[0029] 0.1D< D1 <0.5D ……式（1）；
[0030] 0.2D< D2 <0.7D ……式（2）；
[0031] 2D< H <5D ……式（3）；
[0032] 2D< H1 <4D ……式（4）；
[0033] 0.05H< L<0.5H ……式（5）；
[0034] 0.5H< H2<1.2H ……式（6）；
[0035] 0.5°<α<60° ……式（7）；
[0036] 0.5H< H3<5H ……式（8）；
[0037] 0.2D< D3<0.9D ……式（9）。
