专利名称：用于筛分和流体分离的设备及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种用于筛分和流体分离的设备。更特别地讲， 涉及一种设备和方法，用于筛分材料，例如，但不局限于，含有 钻探泥浆和钻销颗粒或切屑的钻探流体，并且分离从材料脱出的 液体和气体。
背景技术：
通过使流体流经具有穿孔的过滤器或筛分装置而从流体流分 离固体颗粒是一项众所周知的技术，穿孔的尺寸使得固体颗粒被 保留在筛表面而非从其穿过。 一些流体流包含其它物质，其使得 固体颗粒聚结或附着在一起，或是附着在筛表面，这会导致形成 跨越筛孔的跨接体，并且筛被堵塞。这些问题经常出现于钻井过 程中，其中钻探流体或"泥"向下循环到井中。
在钻井作业中，钻探流体连续地循环于钻孔和地面之间，以 从钻头去除钻销颗粒，也被称作切屑。切屑通过钻探泥浆携带到 地面，在此切屑与钻探泥浆分离。钻探泥浆然后再循环到井中， 以便钻井作业。由于钻探泥浆是高成本的，以及其它因素，因此 希望尽可能地减少钻探泥浆。钻探泥浆被保持清洁并且不含有切 屑和异物。钻探泥浆典型地借助于在加工链中设置的若干类型的 分离设施分离，其中包括振动筛分装置，通常称作"页岩振动器" 或"振动器"，以及脱气单元或所谓的"脱气器"。
当钻探通过各段砂岩层时，所使用的钻探流体具有的粘度是
如此之高，以至于传统的筛分设备不能提供足够的重力以使钻探 泥浆从固体颗粒分离。其原因在于，在筛分设备中，钻探泥浆和 固体颗粒之间的结合以及钻探泥浆和筛分装置例如筛布之间的结 合太强，以及其它因素。
上述现有技术存在若干缺点。
在传统页岩振动器中，其中将被筛分的材料贯穿的筛布固定 夹持于承受振动运动(例如借助于偏心配重块)的框架中，因此 噪音会非常高，此外，会传递相当大的振动到装置的基座。由于 筛分作用是通过筛布相对于待筛分材料在水平平面和竖直平面二 者上移动而实现的，因此筛布承受相当大的磨损，并且因此而需 要频繁更换。这种更换筛布是相对耗时的工作。如果没有任何替 代筛分装置可用，则在更换筛布时，待筛分材料必须被临时储存。
当从油井筛分钻探流体时，会蒸发不利于健康和环境的物质。 当页岩振动器被使用时，这种蒸发会发生在筛分设备的直接相邻 环境中，因为在实际中封罩筛分装置是不可行的。在筛分装置处 停留的人员因此会暴露于对健康有害的蒸发物中。
发明内容
本发明的目的是克服或者至少减轻现有技术中的一或多个缺点。
这个目的可以通过下面的描述以及权利要求书中限定的特征 而实现。
在本申请关于位置的规定，例如"上"和"下"，"底部"和"顶部"， 或"水平"和"竖直"，指的是设备在图中所示的位置，这也是其自然、 必要或实际功能位置。
令人惊讶地发现，如果流体流经过钻销材料并且进一步经过 筛分装置，则可在钻探泥浆和钻销颗粒之间以及钻探泥浆和筛分 装置或筛布之间实现非常高效的分离。此外，已经发现，有利的 是，这种流体流借助于抽吸装置产生，抽吸装置布置在承载着钻 销材料的筛布的底侧。尽管也可以通过喷嘴以压縮空气的形式从 钻销材料上方施加空气流，并朝向其吹送，但这种方案并非最佳， 因为在这种情况下，筛分装置上的钻销材料不得不分布成厚度均 匀的一层，这不得不调整喷嘴相对于筛分装置的位置。这可能导 致装置复杂化，从维护的角度以及其它因素，很不希望这样。
在一个方面，本发明包括用于对材料进行筛分和流体分离的 设备，所述材料含有固体和流体部分，所述材料被放置在筛分元 件上侧，设备设有至少一个流体流产生装置，用于产生通过一部 分流体承载筛分元件的流体流。
在优选实施方式中，流体流的移动方向为从筛分元件上侧通 过筛分元件的所述部分。在这一点上，上侧指的是筛分元件的承 载着将被筛分的材料的 一 侧。
在优选实施方式中，至少一个流体流产生装置包括吸嘴，其 通过管装置与至少一个真空产生装置流体连通，吸嘴的一部分朝 向筛分元件的底侧向上移动。在一个实施例中，真空产生装置被 构成为容器，其与至少一个自身公知的真空泵流体连通。除了相 关的管系统以外，容器优选被流体密封，并且因此而在下面的描 述中被称作流体密封容器。流体密封容器优选与吸嘴流体连通。 因此，借助于所述至少一个真空泵在所述流体密封容器中产生的 负压引起流体流进入吸嘴。由存在于筛分元件上的颗粒材料抽取 的流体主要由液体和气体组成。这些液体和气体被混合例如空气， 空气被供应至设备的速度基本上对应于真空泵从设备排出空气的
速度，并且可在设备中实现预期的负压。在一个实施例中，设备 至少通过钻销材料供给部分而被供应空气。为了促进流体中的气 体和液体的分离，在优选实施方式中，流体密封容器设有至少一 个自身公知的分离装置，例如，但不局限于，分离板，其作用是 减小流体在所述流体密封容器中的速度等等。由于气体和液体的 比重不同，因此气体可被从容器上部带出容器以便进一步处理， 而液体可以被从容器下部泵出容器以便进一步处理。因此，由存 在于筛分元件上的颗粒材料抽取的流体能够以完全受控的方式以 气体/蒸气和液体的形式输送，以便回收或受控处理。这消除了人 员暴露于从钻销材料蒸发的不利于健康的物质的问题等等。
在一个实施例中，筛分元件由至少一个环式带或筛布构成， 其以自身公知的方式被设置成围绕彼此大致平行且相隔地布置的 至少两个滚子或滚筒运动。在它们的端部，滚子优选连接至自身 公知的筛张紧装置，筛张紧装置被设置成调节滚子的间距，从而 提供选择性地调节筛分元件的张紧程度。在优选实施方式中，筛 分设备还设有静止筛分元件，其被设置成接收待筛分材料。当材 料放置在所述静止筛分元件上时， 一些材料在被传送到所述环式 筛分元件以便进行附加筛分之前被筛分。
自身公知的驱动装置连接着至少一个滚子，以便旋转滚子并 因此而旋转筛分元件。
在优选实施方式中，两个或更多筛分设备被布置成在竖直平 面内至少局部叠加。在这种实施例中，每个设备可以有益地设有 筛孔度不同的筛分元件；以自身公知的方式，下部筛分设备的筛 分元件的筛孔度小于上部筛分设备的筛分元件的筛孔度。
在一个实施例中，设备还设有至少一个自身公知的振荡器， 其优选布置成与筛分元件的一部分接触。振荡器被设置成朝向筛
分元件底侧的一部分传递震荡。在一个实施例中，振荡器布置在 吸嘴的一部分处。实验显示，至少一个振荡器可以有效地促进还 没有借助于流体流从筛分元件释放并且仍位于筛分元件上的液体 的释放。
在一个实施例中，筛分元件的至少一部分额外受到高频震荡 的作用。在优选实施方式中，高频震荡由声波源产生。声波源优 选由超声波源构成，所述超声波源设置成，例如，但不局限于，
属于本申请人的挪威专利申请No. 20051433中所描述的那样，该
申请整体结合在本申请中。
在优选实施方式中，筛分设备设有清洁装置，其被设置成释 放没有仅在重力作用下从筛分元件落下的颗粒。在一个实施例中， 清洁装置包括喷嘴，从喷嘴释放流体流，流体流经过筛分元件， 优选在靠近所述滚子时。用于这种清洁过程的流体优选被，但不 是必须，从筛分装置的内部回收。在本发明其它方面，提供了一 种材料筛分和脱气方法，材料被放置在筛分元件上侧。含有固体 和流体部分并且布置在筛分元件的一部分上的材料受到流体流产 生装置产生的流体流的作用。
下面将描述附图中所示的优选实施方式的非限定性代表性实 施例，在图中相同或相应的部件基本上以相同的附图标记表示，
其中
图1示出了根据本发明的筛分和流体分离设备从上方的角度 所做的局部剖切透视图2示出了设备的侧视图； 图3示出了图1中的设备从上方所做的局部剖切视图； 图4示出了沿着图2中的线A-A所做的放大图；以及 图5示出了图1中的筛分设备的一部分的放大透视图。
具体实施例方式
如前所述，在后面的描述中相同的部件被赋予相同的附图标 记。为了清楚，在一些图中，多个相同的装置仅由附图标记标出
一个所述装置。
在图中，附图标记1表示筛分和流体分离设备，其被设置成， 例如，但不局限于，从钻探泥浆分离钻销颗粒。在下面的描述中， 筛分和流体分离设备1也被简称作设备1。
设备1包括筛分单元3和与其连接的流体分离单元5。
在图1中，筛分单元3和流体分离单元5分别被显示为将其 一个侧壁去除。这只是出于解释的原因，本领域技术人员从下面 的描述可以理解，各个侧壁必须布置在相应的单元3、 5中，设备 1才能正常发挥作用。
筛分单元3包括供应部分7，其设有第一静止筛分装置9。供 应部分7由框架装置11限定。待处理材料被供应至供应部分7并 且由筛分装置9携带到筛分元件13。筛分元件13由环式(endless) 筛布构成，其被设置成围绕一对上转动滚子15和一对下转动滚子 15'转动。转动滚子15、 15'被布置成彼此平行且相隔。
至少一个转动滚子15、 15'具有与其连接的自身公知的驱动装 置，例如，但不局限于电动机16，以旋转至少一个转动滚子15、 15'，从而移动筛分元件13。本领域技术人员可以认识到，所述电 动机可被更换为气动或液压马达。筛分装置3还设有张紧装置17，
用于调节筛分元件13在转动滚子15、 15'之间的张紧程度。
两个吸嘴20安置在筛分元件13的一部分下面，并且限定在 所述一对上转动滚子15之间。在代表性实施例中，吸嘴20是相 同的，其中只有一个以附图标记标出。
本领域技术人员可以理解，代表性实施例的设备1只借助于 原理图示出，而现场使用的设备还需要连接至自身公知的控制系 统和电源。尽管设备1仅被示出了一个筛分元件13，但可以理解， 设备也可以被构造成具有两个或更多筛分装置，它们可以被布置 成在竖直方向上完全或局部叠加。类似地，可以理解， 一或多个 环式筛分元件13可被更换为固定筛分元件，待筛分材料借助于机 械装置(未示出)或借助于重力、可能借助于振动装置和/或声波 源(未示出)移动穿过固定筛分元件。
在图2和3分别示出了设备1的侧视图和俯视图，该设备具 有这样的配置，即静止筛分装置9被设置成接收含有钻探泥浆和 钻销颗粒的材料，并且从钻销颗粒分离至少一些钻探泥浆。从筛 分装置9上的材料脱离出来并且流经筛分装置的钻探泥浆被接收 于筛分单元3的下部。钻销材料从筛分装置9上移动到环式筛分 元件13。
每个吸嘴20由槽状元件22 (见图5)构成，该槽状元件在其 一个端部连接着管装置24。在图3中，吸嘴20被显示为延伸穿过 筛分元件13的整个宽度。
管装置24可以在筛分单元3和流体分离单元5之间建立流体 连通。
流体分离单元5设有两个泵送装置，它们被布置成从流体分 离单元5的顶部抽吸流体。在下面的描述中，所述泵送装置被称
为抽吸泵26。
除了供应部分7、用于使切屑由筛分元件13落下的出口部分 以及相连的管装置24、 28以外，筛分单元3形成流体密封容器。 为了清楚，只有一部分的上部密封板30被显示为布置在筛分单元 3的顶部。然而，可以理解，密封板30覆盖除了供应部分7以外 筛分元件13整个顶部。
以与筛分单元3相同的方式，流体分离单元5由连接着管装 置24、 28的流体密封容器以及将在下面的描述中详细解释的附加 排放管装置构成。
在启动抽吸泵26后，基本上处于气态的流体将通过抽吸泵26 而被排放进入通气系统32，并且进一步以自身公知的方式被处理， 或被废弃。从流体分离单元5排放的流体基本上被通过吸嘴20和 管装置24抽取的流体替代。
在显示于图4的实施例中，吸嘴20的上端部被安置在抵靠筛 分元件13的底侧。在替代性实施例(未示出)中，吸嘴20在其 上端部设有滚子装置，其优选支靠在筛分元件13底侧，并且在相 当大的程度上减小筛分元件13与吸嘴20上端部之间的摩擦并因 此而减小磨损。在另一替代性实施例(未示出)中，吸嘴20与筛 分元件13的底侧相隔。
由于流体通过吸嘴20排出，因此流体流由供应部分7等处产 生，经过呈现在筛分元件13的位于吸嘴20上方的部分中的钻销 材料(未示出)并且经过筛分元件13的所述部分。在所做实验中， 流体流以大约12 mV分钟通过通气系统32，相当大量的流体由携 带穿过筛分元件13的钻销材料抽取或吸取。由钻探流体、来自它 的气体以及空气等形成的所述流体被携带进入流体分离单元5。在
图2中示出了原理上自身公知的分离板34，其将促进分离流体中 液体从流体中的气体分离。分离的液体将被收集在流体分离单元5 的底部，而气态或蒸气态的流体将通过抽吸泵26被吸出流体容器 5而到达通气系统32。
借助于例如未示出的泵，收集在筛分单元3底部的液体将被 传送通过管装置28而进入流体分离单元5的底部。借助于泵41， 液体从流体分离单元5被泵送到排放管装置36中，并且被例如进 一步处理和再使用。这种泵出优选借助于自身公知的控制装置和 阀装置被控制。在图l-3中， 一个控制阀38被显示为布置在管装 置28中，并且一个单向阀40被显示为布置在排放管装置36中。
在吸嘴20和流体分离单元5之间提供流体连通的管装置24 被显示为分别设有截止阀42。截止阀42的目的之一是在下述情况 下切断筛分单元3的吸嘴20和流体分离单元5之间的连通在筛 分元件13出现破裂或出于其它原因，导致流体流中携带颗粒材料， 例如，但不局限于，切屑。传感装置，例如，但不局限于，流量 传感器44，和颗粒过滤器46被布置在每个管装置24。如果颗粒 过滤器46被至少局部阻塞，则流量传感器44能以自身公知的方 式向致动机构(未示出)输出信号，以致动截止阀42。类似地， 管装置28的控制阀38可被控制。
本领域技术人员可以认识到，自身公知的附加或替代阀或泵 装置可以被组合于管装置24、 28、 36中。此外，可以理解，排放 管装置36和阀系统32优选连接至附加设备(未示出)。
在上转动滚子15之间从供应部分传送穿过筛分单元13的钻 销材料会掉落，并且以自身公知的方式通过排放托盘48由筛分单 元3排出，并且例如被收集，以便被输送出来进行陆上处理。为了能够在流体分离单元5中控制并维持恒定的负压，流体
分离单元5设有自身公知类型的负压阀52。
尽管在图中只有两个吸嘴20被显示为用于筛分单元3，但可 以理解，与所示吸嘴20数量不同的数量也被本发明覆盖。
在图4中，从原理上示出了清洁装置，其形式为朝向环式筛 分元件13各部分安置的清洁喷嘴50。清洁喷嘴50的作用是引导 流体流，优选为从筛分装置3的内部回收的空气/气体14，通过筛 分元件13的一部分以释放粘附在筛分元件13上的颗粒材料。流 体流被朝向筛分元件13引导，优选在筛分元件13的使用位置从 底侧引导，并且优选在筛分元件13围绕各转动滚子15、 15，运动 的上游。通过使用这种清洁喷嘴50，筛分元件13可以将其筛分能 力维持在最大可能程度。提供这种清洁喷嘴50所需的必需设备对 于本领域技术人员是公知的，这里不再详细描述。
因钻探油井而产生的钻销材料可能包含不利于健康的物质。 一些这样的物质在清洁过程中从钻销材料脱出。根据本发明的筛 分和流体分离设备1的实质性优点是，设备被封罩，并且在清洁 过程中脱出的任何不良气体和蒸气被以受控方式从筛分和流体分 离设备1收集和带走，并且可能被进一步处理和/或在远离人员的 位置释放到大气中。本发明的另一实质性优点是，设备可以提供 以一个单元的形式操纵的两个设备，其同现有技术设备相比，在 非常有限的面积中占据很小的面积，例如，在海上设备中。
本发明的附加优点包括筛分设备1的能力，即从固体分离出 流体以及将流体分离为气态和液态的能力，以及关于振动和噪音 的环境方面的能力。实验显示，根据本发明的筛分和流体分离设 备1能够令人满意地每分钟清理2000-3000升钻探流体。
权利要求
1、一种用于对材料进行筛分和流体分离的设备(1)，所述材料含有固体和流体部分，所述材料被放置在至少一个筛分元件(9，13)的上侧，所述筛分元件包括环式筛布(13)，所述筛布被设置成绕至少两个相隔的转动滚子(15，15’)运动，其特征在于，所述设备(1)包括至少一个吸嘴(20)，其布置成靠近环式筛布(13)的底侧，用于产生经过存在于环式筛布(13)上的材料的至少一部分的流体流，吸嘴(20)连接着流体密封容器(5’)，所述容器通过使用至少一个真空泵(26)而被排空，气态流体被设置成从容器(5’)中的液态流体分离，并且气态流体和液态流体被彼此分开地从所述容器(5’)排出。
2、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，容器(5')设有至少一个分离装置(34)，其被布置成降低从吸嘴(20)通过管 装置(24)进入容器(5，)的流体的速度，以促进从液态流体分离气态体。
3、 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，至少一个真空泵(26)被布置成将气态流体从容器(5，)带入通气管系统(32)中。
4、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，设备(1)还设有管装置(28)，其被设置成将液体从筛分单元(3)的底部携 带到容器(5')中。
5、 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，容器(5')与用于将液态流体带出容器(5，)的泵送装置(41)流体连通。
6、 根据权利要求2至5中任-一所述的设备，其特征在于，在 吸嘴(20)和容器(5，)之间，在管装置(24)的一部分中设有截 止阀(42)，其被致动机构致动，所述致动机构通过流量传感器(44)而被控制。
7、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，筛分元件(9， 13)的至少一部分还受到高频震荡的作用。
8、 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，高频震荡由声 波源产生。
9、 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，声波源由超声 波源构成。
10、 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，高频震荡由 至少一个振荡器产生。
11、 根据权利要求IO所述的设备，其特征在于，至少一个振 荡器被设置成向筛分元件(9， 13)的底侧传递震荡。
12、 根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，至少 一个振荡器被布置在至少一个吸嘴(20)的一部分处。
13、 根据前述权利要求中任一所述的设备，其特征在于，筛 分元件(9， 13)还包括至少一个静止筛布(9)。
14、根据前述权利要求中任一所述的设备，其特征在于，两个或更多筛分单元(3)被布置成在竖直平面中至少局部地叠加。
15、 根据前述权利要求中任一所述的设备，其特征在于，设 备(1)还设有清洁装置(50)，其被设置成清理存在于筛分元件(9， 13)上的颗粒材料。
16、 根据权利要求15所述的设备，其特征在于，清洁装置包 括至少一个喷嘴(50)，其指向筛布(13)的一部分，流体流从所 述至少一个喷嘴(50)释放并且经过筛布(13)的至少一部分。
17、 一种用于对材料进行筛分和流体分离的方法，所述材料 含有固体和流体部分，所述材料被放置在环式筛布(13)的上侧， 所述筛布被设置成绕至少两个相隔的转动滚子(15， 15')运动， 其特征在于，所述方法包括下述步骤朝向环式筛布(13)的底侧向上移动至少一个吸嘴(20)，以 产生经过存在于环式筛布(13)上的材料的至少一部分的流体流， 吸嘴(20)与流体密封容器(5')流体连通，所述容器借助于至少 一个真空泵(26)被排空；将流体分离成液态和气态；以及借助于至少一个泵送装置(26， 41)将所述液态和所述气态 彼此分开地排出容器(5')。
18、 根据权利要求1所述的设备所产生的流体流在将流体从 固体部分分离中的用途。
全文摘要
本发明描述了一种用于对材料进行筛分和流体分离的设备(1)，所述材料含有固体和流体部分，所述材料被放置在至少一个筛分元件(13)的上侧，所述设备(1)设有至少一个流体流产生装置(5)，用于产生通过材料承载筛分元件(13)一部分的流体流。本发明还描述了使用所述设备(1)的方法。
文档编号E21BGK101208157SQ200680023218
公开日2008年6月25日 申请日期2006年6月26日 优先权日2005年6月30日
发明者J·K·瓦西胡斯, T·梅尔哈斯 申请人:维尔德里尔股份公司