一種正處于專利申請(qǐng)階段的三速螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器適用于多相旋流除砂工藝，詳細(xì)闡述了其設(shè)計(jì)原理、工作機(jī)制，以及在全球重要的油氣產(chǎn)區(qū)威利斯頓盆地和二疊紀(jì)盆地開(kāi)展的早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。
長(zhǎng)期以來(lái)，除砂設(shè)備一直應(yīng)用于上游作業(yè)中，以應(yīng)對(duì)多相開(kāi)采過(guò)程中的相關(guān)難題，尤其在開(kāi)采初期及返排階段。然而，傳統(tǒng)分離器設(shè)計(jì)在流速狀態(tài)快速變化、氣-液-固三相組分波動(dòng)的情況下，往往難以維持較高的分離效率。
本文介紹了一種正處于專利申請(qǐng)階段、具備內(nèi)部流態(tài)調(diào)節(jié)功能的三速多相旋流器設(shè)計(jì)及其初步現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果。該旋流器采用雙入口螺旋導(dǎo)流插件，旨在提升分離效率并降低壓降。研究工作基于物理觀測(cè)、工程分析，以及2025年初在威利斯頓盆地與二疊紀(jì)盆地開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)部署所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖1 Trilogy LLC Sand Titan雙螺旋入口高效除砂器（入口A與入口B通過(guò)顏色區(qū)分：紅色為入口A，藍(lán)色為入口B）。
在非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)中，油井投產(chǎn)初期的90天通常是產(chǎn)量最高的階段，此階段產(chǎn)出流體中油、水、氣及固相物質(zhì)的比例也存在極大波動(dòng)。該時(shí)期的流體特性呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特征：產(chǎn)量變化迅猛、節(jié)流閥調(diào)節(jié)頻繁，且常出現(xiàn)含砂段塞流等相態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這些工況對(duì)地面分離設(shè)備的適應(yīng)性提出了極高要求。
近年來(lái)推出的“高效”旋流分離器雖能通過(guò)離心作用實(shí)現(xiàn)固相脫除，但這類設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)通常較為簡(jiǎn)化，僅在狹窄的操作條件范圍內(nèi)具備峰值分離效率。當(dāng)面臨油井工況快速變化時(shí)，此類系統(tǒng)易出現(xiàn)相分層效果差、固相二次夾帶及分離效率低下等問(wèn)題。
圖2Trilogy LLC Sand Titan雙螺旋入口除砂器，已在巴肯頁(yè)巖區(qū)某作業(yè)者的油井上完成安裝。左側(cè)為“A入口”，右側(cè)為“B 入口”，頂部為凈化流體出口。
為解決上述局限性，Trilogy LLC啟動(dòng)了新一代除砂器的研發(fā)工作，該除砂器采用自適應(yīng)三速設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1、圖2）。該系統(tǒng)的核心部件是一臺(tái)雙螺旋入口流態(tài)調(diào)節(jié)器，直接安裝在分離腔上方。該裝置將傳統(tǒng)旋流器“簡(jiǎn)單切向圓形入口”的流體進(jìn)入結(jié)構(gòu)，改造為更為復(fù)雜的“雙螺旋入口“結(jié)構(gòu)，且具備三種獨(dú)立的入口配置模式。本文將闡述該螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)原理，以及其首次現(xiàn)場(chǎng)部署所獲取的試驗(yàn)結(jié)果。
行業(yè)向水平井非常規(guī)開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)型
水平井水力壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用，徹底改變了地面產(chǎn)出流體的特性。具體而言，在巴肯、二疊紀(jì)及伊格福特等致密頁(yè)巖儲(chǔ)層中，油井完井后的最初幾天至幾周內(nèi)，通常會(huì)產(chǎn)出大量壓裂砂與地層固相物質(zhì)。
在常規(guī)油井中，固相產(chǎn)出往往被視為一種失效工況；而在非常規(guī)開(kāi)發(fā)中，早期生產(chǎn)階段的攜砂現(xiàn)象已成為可預(yù)測(cè)、且符合預(yù)期的特征。由于節(jié)流閥調(diào)節(jié)或氣液比變化，流體可能在多種流態(tài)間快速轉(zhuǎn)換，作業(yè)者必須應(yīng)對(duì)不同流態(tài)下大量夾帶砂粒的情況。這些動(dòng)態(tài)變化的工況，對(duì)地面分離設(shè)備的效率與穩(wěn)定性均提出了更高要求。因此，在早期生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除砂工藝已從以往的輔助性考量，轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵脑O(shè)計(jì)指標(biāo)之一。
除砂設(shè)備設(shè)計(jì)的演變與局限性
在油氣上游作業(yè)中，從產(chǎn)出流體中分離砂粒與固相物質(zhì)一直是一項(xiàng)基礎(chǔ)性需求。長(zhǎng)期以來(lái)，行業(yè)已研發(fā)出多種類型的除砂設(shè)備以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，各類設(shè)備均有其特定的性能范圍與局限性。了解這些設(shè)備設(shè)計(jì)的演變歷程，可為流態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的創(chuàng)新依據(jù)提供重要背景支撐。
傳統(tǒng)常規(guī)的三相臥式分離罐，原本能夠處理直井產(chǎn)出流體中少量的固相物質(zhì)。然而，隨著壓裂技術(shù)的加速應(yīng)用，這類分離罐已無(wú)法應(yīng)對(duì)新型油井（非常規(guī)水平井）所產(chǎn)出的大量固相物質(zhì)。
砂罐及其他非旋流式設(shè)備
早期的除砂系統(tǒng)被稱為“砂罐”，其工作依賴兩大原理：通過(guò)擴(kuò)大過(guò)流面積降低流體流速，以及利用重力使固相物質(zhì)沉降。砂罐的設(shè)計(jì)形式不盡相同，但均借助容器容積和滯留時(shí)間，使懸浮狀態(tài)的固相顆粒（砂）從流體中分離并沉積。如今，砂罐仍在部分場(chǎng)景中使用。
砂罐的常見(jiàn)類型包括寬段式捕集器或臥式捕集器，這類設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉；此外還有帶折流板的立式容器，但其分離效果參差不齊。無(wú)論采用何種結(jié)構(gòu)，這類非旋流式設(shè)備的有效運(yùn)行均依賴低流速、高含氣率及穩(wěn)定的流動(dòng)工況——而這些工況在現(xiàn)代油氣井返排階段已極為罕見(jiàn)。
在高產(chǎn)量、高含砂量的工況下，砂罐頻繁出現(xiàn)固相二次夾帶與流體短路現(xiàn)象，不僅導(dǎo)致分離效率下降，還增加了下游設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。其分離性能波動(dòng)極大：在高含氣井中，分離效率最高可達(dá)80%；但在其他多數(shù)工況下，分離效果均不理想。
球形分離器
球形分離器作為一種更具經(jīng)濟(jì)性的除砂方案被推出。這類分離器通常采用偏心切向入口設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，進(jìn)而形成離心力（實(shí)現(xiàn)除砂）。此外，多數(shù)球形分離器還配備了各類折流板與擴(kuò)散板，這些部件的設(shè)計(jì)目標(biāo)均為提升分離效率。
從制造成本來(lái)看，球形分離器相對(duì)低廉：只需將傳統(tǒng)壓力容器的兩個(gè)端蓋焊接在一起，即可制成球形分離器的主體結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)之所以得以應(yīng)用，核心原因在于球形結(jié)構(gòu)本身較易適配旋流設(shè)計(jì)；然而，其分離性能始終欠佳——分離后的砂粒會(huì)滯留于球形腔體內(nèi)，極易被流體再次夾帶。這一問(wèn)題與其他非旋流式設(shè)備的共性缺陷一致。
旋流式分離器
在全球多數(shù)行業(yè)及應(yīng)用場(chǎng)景中，水力旋流器與旋流器一直是分離技術(shù)領(lǐng)域的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，其應(yīng)用歷史已逾百年。盡管數(shù)十年來(lái)，設(shè)計(jì)成熟的旋流器已在油田諸多場(chǎng)景中投入使用，但直到近年，除砂行業(yè)才開(kāi)始廣泛采用這類設(shè)備。此前行業(yè)內(nèi)曾一度試圖 “另起爐灶、重新研發(fā)”，最終卻發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)旋流器仍是該領(lǐng)域的最優(yōu)選擇。
切向入口型旋流器的工作原理如下：流體從圓柱形罐體頂部附近的入口進(jìn)入，借助入口流體自身的動(dòng)量，在罐腔內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（高角速度）。旋轉(zhuǎn)的流體會(huì)產(chǎn)生離心力，將固相砂粒推向罐壁；隨著流體沿罐體螺旋向下流動(dòng)，砂粒撞擊罐壁后，會(huì)繼續(xù)沿下方的錐形結(jié)構(gòu)滑落，最終通過(guò)底部管道（底流口）進(jìn)入下方的收集容器。砂粒一旦進(jìn)入收集腔，便不會(huì)再被流體二次夾帶。而去除砂粒的凈化流體，則通過(guò)罐體頂部的管道（溢流口）排出旋流器。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)是目前已知的最高效除砂結(jié)構(gòu)，已有大量教科書(shū)與技術(shù)文獻(xiàn)可為不同應(yīng)用場(chǎng)景下的旋流器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
然而，并非所有旋流器的性能都完全相同，其設(shè)計(jì)必須適配具體的應(yīng)用場(chǎng)景。旋流器本質(zhì)上是一種由流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)，而非由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的類型。由于流體在旋流器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)完全由流體自身的流動(dòng)所引發(fā)，因此所有部件的尺寸都必須根據(jù)特定場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)備的總長(zhǎng)、直徑、錐角及其他尺寸均至關(guān)重要；同時(shí)，流體在設(shè)備內(nèi)的滯留時(shí)間、黏度以及固相顆粒的粒徑等變量，也都需要在合理設(shè)計(jì)中加以充分考慮。
入口區(qū)域或許是旋流器設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分，因?yàn)樗粌H決定了流體進(jìn)入旋流器時(shí)的流速，還會(huì)影響流體的流動(dòng)形態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌跡。目前，油田中使用的大多數(shù)基礎(chǔ)款旋流器都采用單一的入口尺寸設(shè)計(jì)；部分設(shè)備雖能在安裝前調(diào)整入口尺寸，但在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)改變。
由于油田用旋流器同時(shí)屬于壓力容器，其設(shè)計(jì)存在一定限制，且必須遵循不同的工程規(guī)范，例如美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)6A和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。這些規(guī)范對(duì)旋流器的壁厚、接管（管口）的布置與形狀，以及諸多材料要求和尺寸限制均作出了規(guī)定。因此，大多數(shù)油田用旋流器采用切向圓形入口——這是規(guī)范所允許的設(shè)計(jì)形式。但受各類工程規(guī)范的限制，入口往往無(wú)法與旋流器內(nèi)部的切線方向精準(zhǔn)對(duì)齊。對(duì)旋流器而言，非切向入口是最差的設(shè)計(jì)選擇；即便采用完全切向的入口，也并非理想方案——因?yàn)楫?dāng)流體沿旋流器內(nèi)壁流動(dòng)時(shí)，入口流體會(huì)與自身流動(dòng)軌跡產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致旋流器頂部區(qū)域出現(xiàn)顯著的湍流。
在其他多數(shù)行業(yè)中，當(dāng)設(shè)備在較低壓力下運(yùn)行時(shí)（此時(shí)更易制造復(fù)雜形狀的部件），通常會(huì)采用螺旋入口設(shè)計(jì)。從流體力學(xué)角度來(lái)看，螺旋入口是最優(yōu)設(shè)計(jì)：它能引導(dǎo)流體以產(chǎn)生最小湍流的方式進(jìn)入旋流器，且流體從入口處開(kāi)始便沿向下的螺旋軌跡流動(dòng)。最后需要說(shuō)明的是，受壓力容器規(guī)范限制，大多數(shù)油田用旋流器采用圓形入口，而流體進(jìn)入后必須立即改變流動(dòng)路徑形態(tài)，這就會(huì)引發(fā)流動(dòng)擾動(dòng)?；诖耍髌鞯睦硐肴肟谛螤顬榫匦危ㄒ?jiàn)圖3）。
圖3 旋流器入口類型示意圖。
在含砂量高的返排環(huán)境中，旋流器逐漸成為備受青睞的優(yōu)選方案。然而，油氣行業(yè)早期使用的旋流系統(tǒng)，缺乏實(shí)現(xiàn)高效分離所需的幾何結(jié)構(gòu)特征與流態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。盡管這類系統(tǒng)有時(shí)能產(chǎn)生足夠的流速以實(shí)現(xiàn)較好的分離效果，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化導(dǎo)致其實(shí)際分離性能往往不盡如人意。即便在最優(yōu)工況下，其分離效率也常局限在80%左右。此外，旋流器的性能還高度依賴于精確控制的入口流速與壓力。由于自身幾何結(jié)構(gòu)固定，面對(duì)油井投產(chǎn)初期（尤其是流態(tài)轉(zhuǎn)換階段）固有的復(fù)雜多變工況，這類旋流器的適應(yīng)性較差。
高效旋流器
現(xiàn)代高效旋流器采用經(jīng)優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生更高的流體流速。但流速提升的同時(shí)，也不可避免地帶來(lái)了背壓的意外升高。此類設(shè)備同樣不具備動(dòng)態(tài)適應(yīng)流量、氣液比或固相含量波動(dòng)的能力：若缺乏流態(tài)調(diào)節(jié)與速度控制功能，在工況過(guò)渡階段，設(shè)備性能會(huì)迅速下降；且關(guān)鍵部位（尤其是旋流器入口與罐體）的沖蝕問(wèn)題始終不容忽視。
由于這類系統(tǒng)依賴固定的入口幾何結(jié)構(gòu)來(lái)控制流速，作業(yè)人員無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整流體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，這往往導(dǎo)致入口流速過(guò)低或過(guò)高。當(dāng)流速超過(guò)最優(yōu)閾值時(shí)，沖蝕速度會(huì)顯著加快，尤其是在旋流器罐體內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致材料快速損耗，在某些情況下甚至?xí)斐蓛?nèi)部部件的突發(fā)性損壞。
設(shè)計(jì)目標(biāo)
最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)基于實(shí)際應(yīng)用需求，注重實(shí)用性，該系統(tǒng)需滿足以下要求：在大范圍流量工況下維持適宜的流速，以提升分離效率；減少固相顆粒的二次夾帶，尤其在段塞流或節(jié)流閥波動(dòng)工況下；緩解含砂高速流對(duì)設(shè)備內(nèi)部造成的沖蝕損傷；維持或降低系統(tǒng)整體壓降。
經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)迭代，雙入口螺旋插件得以研發(fā)。這款正處于專利申請(qǐng)階段的插件，通過(guò)將壓力容器的切向圓形入口轉(zhuǎn)化為旋流器內(nèi)部的螺旋矩形入口，解決了切向入口固有的問(wèn)題。流體進(jìn)入插件后，會(huì)以流體力學(xué)可控的螺旋方式重新導(dǎo)入旋流腔，且分離過(guò)程在插件內(nèi)部即已啟動(dòng)。與切向或徑向入口相比，螺旋結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的流態(tài)過(guò)渡，并消除初始湍流。
這一設(shè)計(jì)對(duì)分離效率的提升意義重大：層流狀態(tài)不僅能讓固相顆粒更快分離，還能延長(zhǎng)分離時(shí)間，這意味著越來(lái)越細(xì)小的顆粒也能被推向罐壁（實(shí)現(xiàn)分離）。但真正的技術(shù)突破在于新增了第二個(gè)螺旋入口。在眾多工業(yè)旋流器中，多入口設(shè)計(jì)其實(shí)并不少見(jiàn)——通過(guò)減小單個(gè)入口尺寸并使其更貼近旋流器罐壁，可在特定入口總面積下縮短顆粒的分離距離。不過(guò)，常規(guī)多入口設(shè)計(jì)通常是將所有入口同時(shí)啟用，本質(zhì)上只是通過(guò)多個(gè)小入口實(shí)現(xiàn)流量分配。
圖4動(dòng)畫(huà)展示油井產(chǎn)出流體同時(shí)流經(jīng)A、B兩個(gè)入口的過(guò)程。
在Trilogy的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)入口可單獨(dú)運(yùn)行，也可同時(shí)運(yùn)行——這一功能僅能通過(guò)螺旋頂置入口實(shí)現(xiàn)。若采用切向入口并嘗試以這種方式（單獨(dú)同時(shí)運(yùn)行）操作，關(guān)閉的入口處會(huì)形成一個(gè)較大開(kāi)口，開(kāi)啟入口的流體需橫穿該開(kāi)口流動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)劇烈湍流。由于流體在離心力作用下會(huì)被推向罐壁，而開(kāi)口恰好位于罐壁附近，這無(wú)疑是最不利的開(kāi)口位置。通過(guò)插件將入口重新布置在旋流器頂部（罐頂區(qū)域）后，流體流經(jīng)未啟用入口時(shí)幾乎不會(huì)受到影響：未啟用的入口側(cè)會(huì)迅速充滿氣體，形成一道氣體屏障，流體則從該屏障下方順暢流過(guò)。
這款雙螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器支持兩個(gè)入口單獨(dú)運(yùn)行或同時(shí)運(yùn)行（見(jiàn)圖4）。由于螺旋通道的幾何尺寸可定制，旋流器由此獲得三種獨(dú)特的過(guò)流面積，對(duì)應(yīng)三種不同的流速，使設(shè)備能實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。這一設(shè)計(jì)讓除砂器在無(wú)需移動(dòng)部件的情況下，擁有了更為寬泛的操作范圍。此外，三速設(shè)計(jì)還具備一項(xiàng)額外優(yōu)勢(shì)：當(dāng)控制背壓成為首要需求時(shí)，可通過(guò)調(diào)整流速實(shí)現(xiàn)對(duì)背壓的控制。
流態(tài)特征與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果
雙螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在流體經(jīng)入口進(jìn)入后、到達(dá)主分離腔之前，形成平穩(wěn)且穩(wěn)定的旋流。將流速控制部件從入口處移除并在設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)流速調(diào)節(jié)，這一設(shè)計(jì)對(duì)減少設(shè)備長(zhǎng)期磨損產(chǎn)生了顯著改善。在早期現(xiàn)場(chǎng)部署中，一個(gè)明顯的現(xiàn)象是：大部分分離過(guò)程似乎在螺旋區(qū)域內(nèi)部就已完成。這不僅有助于提前啟動(dòng)相分離（油、氣、液、固的初步分離），還能更充分地利用旋流器罐體的可用容積——通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部表面積利用率與流道穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升了分離效率。
壓降與沖蝕考量因素
現(xiàn)場(chǎng)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在節(jié)流閥調(diào)節(jié)階段及高含砂工況下，螺旋入口流道有效降低了壓力波動(dòng)。作業(yè)人員反饋，管路壓力曲線更為平穩(wěn)，下游壓力控制設(shè)備所承受的負(fù)荷也顯著減小。
此外，設(shè)備部署后的磨損檢測(cè)結(jié)果表明，入口附近及分離器底部的沖蝕程度極低。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，渦流不穩(wěn)定或射流效應(yīng)常導(dǎo)致局部“熱點(diǎn)磨損”（沖蝕集中區(qū)域）；與之相比，采用流態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其內(nèi)部流速控制效果顯著提升，沖蝕現(xiàn)象得到有效緩解。
現(xiàn)場(chǎng)部署與早期試驗(yàn)結(jié)果（2025 年）
圖5動(dòng)畫(huà)展示油井產(chǎn)出流體以較低流速流入A入口的過(guò)程。
配備內(nèi)置螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器的除砂器首次現(xiàn)場(chǎng)部署于2025年初在威利斯頓盆地開(kāi)展，隨后在二疊紀(jì)盆地進(jìn)行了后續(xù)部署。數(shù)據(jù)收集工作聚焦于固相回收率、壓差值、維護(hù)周期及流態(tài)特征四大核心指標(biāo)。
在不同應(yīng)用場(chǎng)景中，該設(shè)備的砂粒捕集效果始終保持穩(wěn)定，作業(yè)人員反饋下游流體的砂粒夾帶量顯著減少。長(zhǎng)期使用后，設(shè)備內(nèi)部檢測(cè)顯示，已知易磨損部位的沖蝕程度極低，這一結(jié)果印證了“降低維護(hù)需求”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器最具說(shuō)服力的驗(yàn)證案例之一，來(lái)自威利斯頓盆地一場(chǎng)持續(xù)48小時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)部署試驗(yàn)。某面臨嚴(yán)峻砂粒管理挑戰(zhàn)的大型作業(yè)公司與Trilogy LLC合作，在實(shí)際生產(chǎn)工況下對(duì)Sand Titan除砂器進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)期間，該設(shè)備共捕集29,447磅（約13.36噸）砂粒，砂粒平均粒徑為140微米，整體分離效率達(dá)99.3%；且試驗(yàn)全程無(wú)停機(jī)時(shí)間，下游節(jié)流閥閥座與閥桿未檢測(cè)出任何磨損痕跡。
圖6 動(dòng)畫(huà)展示油井產(chǎn)出流體以中等流速流入B入口的過(guò)程。
不同入口配置下的性能參數(shù)如下：
A入口（運(yùn)行20小時(shí)）：捕集砂粒7,408磅（約3.36噸），流速37.2英尺秒，產(chǎn)液量197桶小時(shí)，產(chǎn)氣量150萬(wàn)立方英尺天，壓力2,300磅平方英寸（見(jiàn)圖5）。
B入口（運(yùn)行4小時(shí)）：捕集砂粒3,356磅（約1.52噸），流速55英尺秒，產(chǎn)液量308桶小時(shí)，產(chǎn)氣量440萬(wàn)立方英尺天，壓力2,150磅平方英寸（見(jiàn)圖6）。
A+B入口聯(lián)合運(yùn)行（運(yùn)行24小時(shí)）：捕集砂粒18,683磅（約8.47噸），流速38.3英尺秒，產(chǎn)液量343桶小時(shí)，產(chǎn)氣量610萬(wàn)立方英尺天，壓力1,950磅平方英寸（見(jiàn)圖7）。
試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)與測(cè)試處理設(shè)備相連的排污罐進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)殘留砂粒量極少——僅200磅，而設(shè)備總捕砂量達(dá)29,447磅，這一數(shù)據(jù)充分證明了設(shè)備的卓越分離效果。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員反饋，雙入口配置使設(shè)備能夠靈活應(yīng)對(duì)工況波動(dòng)，同時(shí)保持操作簡(jiǎn)便性。此次早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成功，凸顯Sand Titan除砂器在動(dòng)態(tài)頁(yè)巖開(kāi)發(fā)環(huán)境中具備的三大核心能力：消除停機(jī)時(shí)間、保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備、重新定義分離器性能標(biāo)準(zhǔn)。
與前代設(shè)計(jì)的性能對(duì)比
在早期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間（見(jiàn)圖8），這款具備流態(tài)調(diào)節(jié)功能的分離器，部署于此前同類作業(yè)中曾使用傳統(tǒng)旋流式分離器及球形分離器的場(chǎng)地。盡管試驗(yàn)條件并非嚴(yán)格控制下的并列對(duì)比研究，但通過(guò)定性觀測(cè)與運(yùn)行參數(shù)所獲取的信息，仍為性能對(duì)比提供了有效依據(jù)。值得注意的是，在所有試驗(yàn)階段，該分離器始終將分離效率穩(wěn)定維持在99%以上，即便在流量波動(dòng)的工況下亦是如此。這一性能水平相較于前代分離器有顯著提升，尤其在高含砂量工況或節(jié)流閥動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)階段，優(yōu)勢(shì)更為突出。
砂粒滯留與夾帶情況
與前代切向入口旋流器相比，這款內(nèi)置流態(tài)調(diào)節(jié)裝置的除砂器，其下游容器中出現(xiàn)砂粒夾帶的情況顯著減少。這一優(yōu)勢(shì)在返排初期尤為明顯——該階段壓力波動(dòng)頻繁（升高與降低交替出現(xiàn)），且節(jié)流閥需頻繁調(diào)節(jié)，往往導(dǎo)致流體出現(xiàn)暫時(shí)性沖擊。在以往使用固定入口旋流器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，這類流體沖擊常會(huì)造成砂粒未被分離而直接進(jìn)入下游（即“砂粒旁通”）。而通過(guò)螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的更穩(wěn)定流態(tài)，因幾乎消除了入口處的初始湍流，此類砂粒旁通現(xiàn)象的發(fā)生頻率大幅降低。
壓力特性
傳統(tǒng)高效旋流器雖能在油井最優(yōu)工況下實(shí)現(xiàn)較好的分離性能，但往往存在壓降偏高的問(wèn)題——在高流量工況下該問(wèn)題尤為突出。與之形成對(duì)比的是，作業(yè)人員反饋，這款螺旋入口除砂器在各類氣液負(fù)荷工況下，既能維持高效分離，又能穩(wěn)定管路壓力。這種更平穩(wěn)的壓力特性在油井從產(chǎn)水主導(dǎo)轉(zhuǎn)為產(chǎn)氣主導(dǎo)的過(guò)渡階段，發(fā)揮了尤為重要的作用。
操作簡(jiǎn)便性
內(nèi)置流態(tài)調(diào)節(jié)器的被動(dòng)式設(shè)計(jì)，與以往的操作模式形成鮮明對(duì)比：前代設(shè)備需依賴作業(yè)人員對(duì)生產(chǎn)工況（預(yù)計(jì)流量、氣液比、含砂量）的估算來(lái)選擇固定入口噴嘴配置，而這一過(guò)程存在一定的猜測(cè)性——一旦實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工況與預(yù)估情況出現(xiàn)偏差，入口尺寸選擇往往非最優(yōu)。相反，內(nèi)置雙螺旋流態(tài)調(diào)節(jié)器通過(guò)在設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)中直接集成自適應(yīng)流量控制功能，省去了上述估算與選擇的麻煩；且被動(dòng)式設(shè)計(jì)無(wú)需作業(yè)人員過(guò)多干預(yù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)寬范圍工況的適應(yīng)能力。這不僅簡(jiǎn)化了設(shè)備部署流程，還減少了系統(tǒng)中的潛在故障點(diǎn)。
圖9 2025年6月初，Trilogy LLC的Sand Titan除砂器完成安裝，進(jìn)入試驗(yàn)階段。
內(nèi)置雙螺旋三速流態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)為旋流分離領(lǐng)域提供了一條極具前景的設(shè)計(jì)方向。文中所述的這款正處于專利申請(qǐng)階段的雙螺旋插件，為多相流應(yīng)用場(chǎng)景提供了一種被動(dòng)式解決方案，能夠提升分離效率、減少?zèng)_蝕并穩(wěn)定流態(tài)。2025年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可帶來(lái)切實(shí)的運(yùn)營(yíng)效益；未來(lái)，通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化與自動(dòng)化控制集成，設(shè)備性能或?qū)⒌玫竭M(jìn)一步提升（見(jiàn)圖9）。
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