气液分离装置的制作方法

本实用新型涉及石油天然气开采领域，特别涉及一种气液分离装置。

背景技术：

随着勘探开发的不断深入，钻井的工程地质条件越来越复杂，逐步迈向高温高压的地质环境，因此面临的技术挑战日益增多，钻井事故越来越频繁发生。在诸多事故中，气侵是最常见的事故类型之一，气侵发生是指在钻入地层时，地层中的气体侵入钻井液的现象。如果不及时对气侵后的钻井液进行除气处理，那么在多次循环后，就会引起钻井液密度变小，进而导致整个井筒内的静液柱压力下降，在高温高压地层中，容易引起井喷事故。另外，如果对钻井液除气处理不够及时、彻底，那么会使得钻井液的粘度和切力增高，原有的性能遭到破坏，使得泥浆泵效率下降等问题。

技术实现要素：

目前，对钻井液除气的装置一般主要有四种，分别为：分流型罐式真空除气器、旋涡泵真空喷射型除气器、大气除气器、离心真空除气器。

分流型罐式真空处理器的原理主要依靠钻井液大面积的被展薄,并在翻滚前进时,大量的气泡有机会暴露到表面而破裂，进而达到对钻井液中气泡进行消除的目的，但是这种除气器要求有足够大的斜板面积，因此这种分流型罐式真空处理器的体积十分庞大、所占空间大，难以适应在高温高压环境下较为集中的作业空间。

旋涡泵真空喷射型除气器的原理是使用转速较高的旋涡泵产生一定的真空，再通过泥浆罐中的吸入管抽吸钻井液，钻井液到达吸入管顶部时，因挡板阻挡,被迫折射到喷洒罐四周,液流高速撞击罐壁时,气泡被迫挤压致表面破碎,同时在喷射过程中和顺罐壁流下时,钻井液内部的气泡不断被暴露到液体表面而破裂。但是这种旋涡泵真空喷射型除气器本身的效率低，因此单位排量所需的功率较大，因此不适合用来处理在高温高压作业时经常用到的高粘度钻井液。

大气喷射器主要依靠喷射来撞击与挤压气泡,使气泡被挤至钻井液表面而破碎。因此,喷射速度的大小直接影响除气效率。喷射速度主要受除气器沉没深度影响:沉没越深,喷射速度越大。但是，大气喷射器操作的便捷程度不够，而且叶轮容易磨损，不适宜应用于高温高压的高强度作业环境。

离心真空除气器的原理是除气器整体浸没在泥浆罐内，通过减速箱里的空心轴旋转使得底部泥浆顺着壳体的周壁泵入到壳体内上部，最终使得钻井液作圆周运动，从而形成一个离心力场，在离心力作用下气泡迅速向轴中心方向运动,到达旋转着的钻井液柱内壁时破裂，从而达到除去钻井液中气体的目的。但是这种除气器即使在停用时，筒体的一半也浸泡在钻井液内，容易引起沉砂腐蚀，增加钻井作业的非生产时间。

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例所要解决的技术问题是提供了一种气液分离装置，其能够将高温高压下的钻井液中的气体进行分离，从而降低井喷等钻井事故发生的频率。

本实用新型实施例的具体技术方案是：

一种气液分离装置，所述气液分离装置包括：

罐体，所述罐体的下端设置有排液端口，所述罐体的上端设置有出气端口；

伸入至罐体中的进液管；

设置在所述进液管上的红外线发射器，所述红外线发射器用于对流经所述进液管中的气液混合液中的气体进行加热；

离心机构，其包括：驱动轴，连接在所述驱动轴上的离心叶轮，所述离心叶轮设置在所述进液管的出口处；

等离子发生器，其安装在所述驱动轴上；

安装在所述罐体内的导液板，所述导液板由所述进液管的侧壁延伸至所述罐体的内侧壁处，所述导液板用于承接自所述离心叶轮喷射出的气液混合液；

设置在所述导液板上的脉冲振动器。

优选地，所述进液管的出口大体朝向上方。

优选地，所述脉冲振动器通过控制自身的电磁闸开关对所述排液端口施加压力脉冲，压力脉冲通过充气和放气来实现，充气和放气的时间间隔控制在0.1秒至5.0秒之间。

优选地，所述脉冲振动器中充气和放气为一个时间间隔周期，其脉冲振动频率范围为0.1hz至5.0hz之间。

优选地，所述红外线发射器发射非普朗克分布的峰值波长的高强度红外线对气液混合液中的气体进行加热，以使气液混合液中的气泡充分汽化。

优选地，所述导液板包括靠近进液管的所述水平部分与靠近所述罐体内侧壁的倾斜部分，所述倾斜部分由所述进液管向所述罐体内侧壁方向呈向上延伸，所述脉冲振动器安装在所述导液板的倾斜部分。

优选地，所述进液管的出口处具有沿进液管的径向延伸的外缘；所述离心叶轮的轴线与所述进液管的出口处的轴线相平行或位于同一直线上。

优选地，所述离心机构用于将自所述进液管的出口排出的气液混合液喷射至撞击所述罐体的内侧壁。

优选地，当所述气液分离装置进行气液分离时，所述罐体的内部为真空状态，所述罐体的底部存在有气液混合液分离出的液体形成的液封。

本实用新型的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请中的气液分离装置特别针对钻井液可以进行有效的气液分离，能够全面有效地应对高温高压地区地层孔隙压力较低，作业密度窗口窄等问题引起的气侵问题，帮助钻井工程师及时有效地对钻井液中侵入气体进行处理，及时调整钻井施工措施，防止在高温高压的环境下出现复杂事故。

参照后文的说明和附图，详细公开了本实用新型的特定实施方式，指明了本实用新型的原理可以被采用的方式。应该理解，本实用新型的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本实用新型的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1为本实用新型实施例中气液分离装置的结构示意图。

以上附图的附图标记：

1、进液管；11、外缘；12、出口；2、离心叶轮；3、等离子发生器；4、驱动轴；5、导液板；51、水平部分；52、倾斜部分；6、出气端口；7、罐体；8、排液端口；9、红外线发射器；10、脉冲振动器。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够将高温高压下的钻井液中的气体进行分离，从而降低井喷等钻井事故发生的频率，在本申请中提出了一种气液分离装置，图1为本实用新型实施例中气液分离装置的结构示意图，如图1所示，气液分离装置可以包括：罐体7，罐体7的下端设置有排液端口8，罐体7的上端设置有出气端口6；伸入至罐体7中的进液管1；设置在进液管1上的红外线发射器9，红外线发射器9用于对流经进液管1中的气液混合液中的气体进行加热；离心机构，其包括：驱动轴4，连接在驱动轴4上的离心叶轮2，离心叶轮2设置在进液管1的出口12处；等离子发生器3，其安装在驱动轴4上；安装在罐体7内的导液板5，导液板5由进液管1的侧壁延伸至罐体7的内侧壁处，导液板5用于承接自离心叶轮2喷射出的气液混合液；设置在导液板5上的脉冲振动器10。

本申请中的气液分离装置特别针对钻井液可以进行有效的气液分离，能够全面有效地应对高温高压地区地层孔隙压力较低，作业密度窗口窄等问题引起的气侵问题，帮助钻井工程师及时有效地对钻井液中侵入气体进行处理，及时调整钻井施工措施，防止在高温高压的环境下出现复杂事故。

为了能够更好的了解本申请中的气液分离装置，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，罐体7可以承受高温和高压，因此，其可以采用高强度的金属材料制成。为了使得离心机构喷射出的气液混合器能够均匀的撞击在罐体7的内侧壁上从而下流，在罐体7主体部分可以沿竖直方向延伸，其主体部分的横截面呈圆形。罐体7的下端开设有有排液端口8，排液端口8用于排出气液分离后形成的液体。罐体7的上端开设有出气端口6，出气端口6用于排出气液分离后形成的气体。出气端口6可以位于罐体7的上端的罐体7顶部，也可以位于上端的罐体7侧壁处，一般而言只要满足出气端口6高于离心机构中离心叶轮2一定距离即可。

如图1所示，进液管1伸入至罐体7中，进液管1用于向罐体7内部输送气液混合液。气液混合液可以是石油天然气开采领域中使用的高温高压井钻井液。为了使得离心机构能够将进液管1的出口12流出的气液混合液均匀的射向罐体7四周，进液管1的出口12大体朝向上方。进液管1可以沿竖直方向延伸，由罐体7的底部伸入至罐体7中，如此可以避免进液管1延伸时影响到导液板5的设置和安装。进液管1可以位于罐体7的中心，这样出口12到罐体7内侧壁的距离都能够相等，从而使得离心机构能够将进液管1的出口12流出的气液混合液均匀的射向罐体7四周。

如图1所示，红外线发射器9安装在进液管1的侧壁上，红外线发射器9用于对流经进液管1中的气液混合液中的气体进行加热。若气液混合液中含有气泡，红外线发射器发射非普朗克分布的峰值波长的高强度红外线对气液混合液中的气体进行加热，以使气液混合液中的气泡被高强度红外线高温充分汽化。红外线发射器9可以为多个，其沿进液管1的延伸方向排列，从而使得红外线发射器9可以依次对流经进液管1中的气液混合液进行逐步加热，进而有效提高气液混合液中的气泡被汽化的百分率。

如图1所示，离心机构用于将自进液管1的出口12排出的气液混合液喷射至撞击罐体7的内侧壁。离心机构可以包括：驱动轴4，连接在驱动轴4上的离心叶轮2。驱动轴4用于传输扭矩，其从罐体7外部伸入至罐体7内部，进而带动离心叶轮2转动。用于带动驱动轴4转动的电机、变速箱等装置可以安装在罐体7的外部，从而避免影响罐体7中气液的分离。离心叶轮2可以设置在进液管1的出口12处，以将从进液管1的出口12刚冒出的经过红外线发射器9处理过后的气液混合液进行处理，将气液混合液在离心叶轮2转动离心力作用下喷射至撞击罐体7的内侧壁。气液混合液在离心叶轮2转动离心力作用下向四周进行喷射时，气液混合液中的气泡会在一定程度上被分离出来，从而减小了气液混合液中气泡的含量。

在一种可行的实施方式中，驱动轴4由罐体7的顶部从中间沿竖直方向插入至罐体7内部。另外，离心叶轮2的轴线可以与进液管1的出口12处的轴线相平行或位于同一直线上。通过上述结构，可以有效避免驱动轴4对离心叶轮2喷射出来的气液混合液造成阻挡。为了使得自进液管1的出口12排出的气液混合液可能多的被离心叶轮2旋转到，而非直接通过进液管1的出口12的侧壁后向下掉落而无法被离心叶轮2旋转到，进液管1的出口12处具有沿进液管1的径向延伸的外缘11，外缘11与离心叶轮2基本相平行，其外边延与离心叶轮2的外边延基本相等，这样又不会造成外缘11对离心叶轮2喷射出来的气液混合液造成下方的阻挡。

如图1所示，等离子发生器3安装在驱动轴4上。由于等离子发生器内含有使气体发生旋转的风环，因此安装在驱动轴上时要保证在其周围有足够的空间供其旋转。等离子发生器3发射的等离子流用于将未离心的混合液中的气泡进行破裂，同时可以将离心机构分离出来的气泡进行破碎，从而形成气体排出。等离子发生器3与离心机构之间的相互配合，可以有效提高整体上气液混合液中气体被分离出来的量，从而进一步降低气液混合液中气体的含量。

如图1所示，导液板5可以用焊接的方式安装在罐体7内部。导液板5上开设有定向导液孔，确保精准承接来自离心叶轮2的气液混合液并将气液混合液输至导液板5的下方。导液板5由进液管1的侧壁延伸至罐体7的内侧壁处，导液板5用于承接自离心叶轮2喷射出的气液混合液。导液板5大体上的高度低于进液管1的出口12。导液板5上具有开口，该开口供进液管1穿过，导液板5与进液管1的外壁处可以相连接，导液板5靠近罐体7内侧壁的周向一侧与罐体7内侧壁相紧密连接或紧贴，如此撞击在罐体7的内侧壁上的气液混合液能够流至导液板5上。为了使得气液混合液流至导液板5后呈向下流动，导液板5可以包括靠近进液管1的水平部分51与靠近罐体7内侧壁的倾斜部分52，倾斜部分52由进液管1向罐体7内侧壁方向呈向上延伸。定向导液孔可以位于水平部分51上。自离心叶轮2喷射出的气液混合液经过离心叶轮2旋转喷射出去以及等离子发生器3发出的等离子流后，其中的气泡又大部分被破裂，气体含量更低的气液混合液沿着罐体7流动，并流向导液板5，在此过程中，气液混合液会形成薄层湍流流动，并且期间保持一定的周向速度形成螺旋旋转，最终落入罐体7底部。气液混合液在薄层湍流流动的过程中，其中的少量气泡会也自行破碎冒出，如此又进一步降低了气液混合液中气体的含量。

如图1所示，罐体7的底部存在有气液混合液分离出的液体形成的液封。由于落入罐体7底部的液体具有一定的周向速度，因此，形成液封的液体也具有一定的周向流动。另外，由于罐体7的底部具有排液端口8，流体通过排液端口8向下流动排出，在此过程中形成螺旋漩涡状的重力沉降，流体在重力沉降的流动过程中有助于液体内部含有的气体运动至气液交界面溢出。而上述所有过程中从液体中分离出的气体则从罐体7顶部的出气端口6排出，排出方式可以选择抽汲的方式。

如图1所示，脉冲振动器10安装设置在导液板5上，这样可以有效节省整个装置的罐体所占空间，并且可以提高气液混合液接收分离振动的时效性。例如，脉冲振动器10可以安装在导液板5的倾斜部分52。脉冲振动器10对气液混合液施加压力脉冲，尤其是其中的气泡，使得未被红外线发射器9、离心机构、等离子发生器3处理去除的气泡进行脉冲振动处理，进而让气液混合液中的依然混有的微量气泡上升冒出。同时，脉冲振动器10施加的脉冲振动还可以增加气液混合液在导液板5上的流动速率。脉冲振动器10通过控制自身的电磁闸开关对排液端口8施加压力脉冲，压力脉冲通过充气和放气来实现，充气和放气的时间间隔控制在0.1秒至5.0秒之间。脉冲振动器10中充气和放气为一个时间间隔周期，其脉冲振动频率范围为0.1hz至5.0hz之间。

在上述所有过程中，当气液分离装置进行气液分离时，罐体7的内部优选为真空状态，这样以后，可以气液混合液中的气泡在罐体7内呈真空负压的作用下，更容易受到自身压力影响而从液体内部冒出至液体外部，这样大大提高了气泡从液体中被分离出去的容易程度。

本申请中的气液分离装置的气液分离方法可以包括以下步骤：

将气液混合液自进液管1向罐体7中输入。

通过红外线发射器9将流经进液管1中的气液混合液中的气体进行加热，以使气液混合液中的气泡充分汽化。若气液混合液中含有气泡，红外线发射器发射非普朗克分布的峰值波长的高强度红外线对气液混合液中的气体进行加热，以使气液混合液中的气泡被高强度红外线高温充分汽化。

通过离心机构将自进液管1的出口12排出的气液混合液喷射至撞击罐体7的内侧壁。气液混合液在离心叶轮2转动离心力作用下向四周进行喷射时，气液混合液中的气泡会在一定程度上被分离出来，从而减小了气液混合液中气泡的含量。

在气液混合液被离心机构喷射至撞击罐体7的内侧壁的过程中，等离子发生器3在离心叶轮2的离心作用之后发射等离子流，等离子流通过破裂分离出来的气泡以使气泡形成气体排出，等离子流也将未离心的气液混合液中的气泡进行破裂。通过等离子发生器3与离心机构之间的相互配合可以有效提高整体上气液混合液中气体被分离出来的量，从而进一步降低气液混合液中气体的含量。

撞击在罐体7的内侧壁的的气液混合液沿着罐体7的内侧壁及导液板5形成薄层湍流流动并落入罐体7的底部以形成液封。在此过程中，气液混合液会形成薄层湍流流动，并且期间保持一定的周向速度形成螺旋旋转，最终落入罐体7底部。气液混合液在薄层湍流流动的过程中，其中的少量气泡会也自行破碎冒出，如此又进一步降低了气液混合液中气体的含量。

通过脉冲振动器10对罐体7内的气液混合液施加压力脉冲，使得未被离心机构、等离子发生器3、红外线发射器9破裂的气泡进行脉冲振动处理，以使气液混合液中的气泡冒出破裂，并增加气液混合液的流动速率。脉冲振动器10通过控制自身的电磁闸开关对排液端口8施加压力脉冲，压力脉冲通过充气和放气来实现，充气和放气的时间间隔控制在0.1秒至5.0秒之间。脉冲振动器10中充气和放气为一个时间间隔周期，其脉冲振动频率范围为0.1hz至5.0hz之间。

形成液封的液体在重力沉降过程中进一步分离出液体中的气体。由于罐体7的底部具有排液端口8，落入罐体7底部的液体具有一定的周向速度，流体通过排液端口8向下流动排出，在此过程中形成螺旋漩涡状的重力沉降，流体在重力沉降的流动过程中有助于液体内部含有的气体运动至气液交界面溢出。

本申请采用的气液分离的具体工艺步骤为：红外线加热汽化、离心叶轮的离心作用、等离子流破裂、脉冲振动搅拌来实现对钻井液中的分离。红外线加热汽化过程中可以不需要传播介质，因此可以利用电磁波辐射进行初步的高效除气，离心叶轮的离心作用、等离子流破裂均为物理细化作用进行除气工作，离心机的离心叶轮利用液体和气体在受到离心作用后，由于组分不同而被进一步分离，等离子流破裂是利用等离子发射器发射出的等离子流对气液混合流做进一步的破裂，最后的脉冲振动搅拌可以在不破坏钻井液物理化学性质的前提下，将钻井液中的气体和液体分离，同时还可以加快钻井液的流动效率。

本申请采上以上的技术方案可以具有以下几方面的优点：1、本申请利用红外线发射器9通过红外线加热技术对含有气体的气液混合液进行加热处理，使得气液混合液内所含有的气体充分汽化。而且红外线具有安全稳定的特点，不会改变气液混合液例如钻井液的化学性质。2、本申请依靠离心机构和等离子发生器3相结合的方式除气，使得气液混合液中的气泡能够最大程度被破裂。3、本申请中的脉冲振动器10有效提高了气液混合液中气体排出和气液混合液流动的效率，符合安全高效钻井的要求。4、整个气液分离装置结构简单，易于安装和更换，具有可复制、可推广的效应。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。