一种正处于专利申请阶段的三速螺旋流态调节器适用于多相旋流除砂工艺，详细阐述了其设计原理、工作机制，以及在全球重要的油气产区威利斯顿盆地和二叠纪盆地开展的早期现场试验结果。
 
长期以来，除砂设备一直应用于上游作业中，以应对多相开采过程中的相关难题，尤其在开采初期及返排阶段。然而，传统分离器设计在流速状态快速变化、气-液-固三相组分波动的情况下，往往难以维持较高的分离效率。
 
本文介绍了一种正处于专利申请阶段、具备内部流态调节功能的三速多相旋流器设计及其初步现场验证结果。该旋流器采用双入口螺旋导流插件，旨在提升分离效率并降低压降。研究工作基于物理观测、工程分析，以及2025年初在威利斯顿盆地与二叠纪盆地开展的现场部署所获取的试验数据。
 
图1 Trilogy LLC Sand Titan双螺旋入口高效除砂器（入口A与入口B通过颜色区分：红色为入口A，蓝色为入口B）。
 
在非常规油气藏开发中，油井投产初期的90天通常是产量最高的阶段，此阶段产出流体中油、水、气及固相物质的比例也存在极大波动。该时期的流体特性呈现动态变化特征：产量变化迅猛、节流阀调节频繁，且常出现含砂段塞流等相态不稳定现象。这些工况对地面分离设备的适应性提出了极高要求。
 
近年来推出的“高效”旋流分离器虽能通过离心作用实现固相脱除，但这类设备的几何结构通常较为简化，仅在狭窄的操作条件范围内具备峰值分离效率。当面临油井工况快速变化时，此类系统易出现相分层效果差、固相二次夹带及分离效率低下等问题。
 
 
图2Trilogy LLC Sand Titan双螺旋入口除砂器，已在巴肯页岩区某作业者的油井上完成安装。左侧为“A入口”，右侧为“B 入口”，顶部为净化流体出口。
 
为解决上述局限性，Trilogy LLC启动了新一代除砂器的研发工作，该除砂器采用自适应三速设计（见图1、图2）。该系统的核心部件是一台双螺旋入口流态调节器，直接安装在分离腔上方。该装置将传统旋流器“简单切向圆形入口”的流体进入结构，改造为更为复杂的“双螺旋入口“结构，且具备三种独立的入口配置模式。本文将阐述该螺旋流态调节器的工程设计原理，以及其首次现场部署所获取的试验结果。
 
行业向水平井非常规开发转型
 
水平井水力压裂技术的广泛应用，彻底改变了地面产出流体的特性。具体而言，在巴肯、二叠纪及伊格福特等致密页岩储层中，油井完井后的最初几天至几周内，通常会产出大量压裂砂与地层固相物质。
 
在常规油井中，固相产出往往被视为一种失效工况；而在非常规开发中，早期生产阶段的携砂现象已成为可预测、且符合预期的特征。由于节流阀调节或气液比变化，流体可能在多种流态间快速转换，作业者必须应对不同流态下大量夹带砂粒的情况。这些动态变化的工况，对地面分离设备的效率与稳定性均提出了更高要求。因此，在早期生产系统设计中，除砂工艺已从以往的辅助性考量，转变为核心设计指标之一。
 
除砂设备设计的演变与局限性
 
在油气上游作业中，从产出流体中分离砂粒与固相物质一直是一项基础性需求。长期以来，行业已研发出多种类型的除砂设备以实现这一目标，各类设备均有其特定的性能范围与局限性。了解这些设备设计的演变历程，可为流态调节技术的创新依据提供重要背景支撑。
 
传统常规的三相卧式分离罐，原本能够处理直井产出流体中少量的固相物质。然而，随着压裂技术的加速应用，这类分离罐已无法应对新型油井（非常规水平井）所产出的大量固相物质。
 
砂罐及其他非旋流式设备
 
早期的除砂系统被称为“砂罐”，其工作依赖两大原理：通过扩大过流面积降低流体流速，以及利用重力使固相物质沉降。砂罐的设计形式不尽相同，但均借助容器容积和滞留时间，使悬浮状态的固相颗粒（砂）从流体中分离并沉积。如今，砂罐仍在部分场景中使用。
 
砂罐的常见类型包括宽段式捕集器或卧式捕集器，这类设备结构简单、成本低廉；此外还有带折流板的立式容器，但其分离效果参差不齐。无论采用何种结构，这类非旋流式设备的有效运行均依赖低流速、高含气率及稳定的流动工况——而这些工况在现代油气井返排阶段已极为罕见。
 
在高产量、高含砂量的工况下，砂罐频繁出现固相二次夹带与流体短路现象，不仅导致分离效率下降，还增加了下游设备的运行风险。其分离性能波动极大：在高含气井中，分离效率最高可达80%；但在其他多数工况下，分离效果均不理想。
 
球形分离器
 
球形分离器作为一种更具经济性的除砂方案被推出。这类分离器通常采用偏心切向入口设计，以产生一定的旋转动量，进而形成离心力（实现除砂）。此外，多数球形分离器还配备了各类折流板与扩散板，这些部件的设计目标均为提升分离效率。
 
从制造成本来看，球形分离器相对低廉：只需将传统压力容器的两个端盖焊接在一起，即可制成球形分离器的主体结构。该设计之所以得以应用，核心原因在于球形结构本身较易适配旋流设计；然而，其分离性能始终欠佳——分离后的砂粒会滞留于球形腔体内，极易被流体再次夹带。这一问题与其他非旋流式设备的共性缺陷一致。
 
旋流式分离器
 
在全球多数行业及应用场景中，水力旋流器与旋流器一直是分离技术领域的“黄金标准”，其应用历史已逾百年。尽管数十年来，设计成熟的旋流器已在油田诸多场景中投入使用，但直到近年，除砂行业才开始广泛采用这类设备。此前行业内曾一度试图 “另起炉灶、重新研发”，最终却发现传统旋流器仍是该领域的最优选择。
 
切向入口型旋流器的工作原理如下：流体从圆柱形罐体顶部附近的入口进入，借助入口流体自身的动量，在罐腔内形成高速旋转运动（高角速度）。旋转的流体会产生离心力，将固相砂粒推向罐壁；随着流体沿罐体螺旋向下流动，砂粒撞击罐壁后，会继续沿下方的锥形结构滑落，最终通过底部管道（底流口）进入下方的收集容器。砂粒一旦进入收集腔，便不会再被流体二次夹带。而去除砂粒的净化流体，则通过罐体顶部的管道（溢流口）排出旋流器。实践证明，该设计是目前已知的最高效除砂结构，已有大量教科书与技术文献可为不同应用场景下的旋流器设计提供参考依据。
 
然而，并非所有旋流器的性能都完全相同，其设计必须适配具体的应用场景。旋流器本质上是一种由流体流动驱动的离心机，而非由电机驱动的类型。由于流体在旋流器内的旋转完全由流体自身的流动所引发，因此所有部件的尺寸都必须根据特定场景进行设计。设备的总长、直径、锥角及其他尺寸均至关重要；同时，流体在设备内的滞留时间、黏度以及固相颗粒的粒径等变量，也都需要在合理设计中加以充分考虑。
 
入口区域或许是旋流器设计中最为关键的部分，因为它不仅决定了流体进入旋流器时的流速，还会影响流体的流动形态与运动轨迹。目前，油田中使用的大多数基础款旋流器都采用单一的入口尺寸设计；部分设备虽能在安装前调整入口尺寸，但在运行过程中无法实现动态改变。
 
由于油田用旋流器同时属于压力容器，其设计存在一定限制，且必须遵循不同的工程规范，例如美国石油学会标准6A和美国国家标准协会标准。这些规范对旋流器的壁厚、接管（管口）的布置与形状，以及诸多材料要求和尺寸限制均作出了规定。因此，大多数油田用旋流器采用切向圆形入口——这是规范所允许的设计形式。但受各类工程规范的限制，入口往往无法与旋流器内部的切线方向精准对齐。对旋流器而言，非切向入口是最差的设计选择；即便采用完全切向的入口，也并非理想方案——因为当流体沿旋流器内壁流动时，入口流体会与自身流动轨迹产生冲击，导致旋流器顶部区域出现显著的湍流。
 
在其他多数行业中，当设备在较低压力下运行时（此时更易制造复杂形状的部件），通常会采用螺旋入口设计。从流体力学角度来看，螺旋入口是最优设计：它能引导流体以产生最小湍流的方式进入旋流器，且流体从入口处开始便沿向下的螺旋轨迹流动。最后需要说明的是，受压力容器规范限制，大多数油田用旋流器采用圆形入口，而流体进入后必须立即改变流动路径形态，这就会引发流动扰动。基于此，旋流器的理想入口形状为矩形（见图3）。
 
图3  旋流器入口类型示意图。
 
在含砂量高的返排环境中，旋流器逐渐成为备受青睐的优选方案。然而，油气行业早期使用的旋流系统，缺乏实现高效分离所需的几何结构特征与流态优化设计。尽管这类系统有时能产生足够的流速以实现较好的分离效果，但结构设计的简化导致其实际分离性能往往不尽如人意。即便在最优工况下，其分离效率也常局限在80%左右。此外，旋流器的性能还高度依赖于精确控制的入口流速与压力。由于自身几何结构固定，面对油井投产初期（尤其是流态转换阶段）固有的复杂多变工况，这类旋流器的适应性较差。
 
 
高效旋流器
 
现代高效旋流器采用经优化的几何结构，能产生更高的流体流速。但流速提升的同时，也不可避免地带来了背压的意外升高。此类设备同样不具备动态适应流量、气液比或固相含量波动的能力：若缺乏流态调节与速度控制功能，在工况过渡阶段，设备性能会迅速下降；且关键部位（尤其是旋流器入口与罐体）的冲蚀问题始终不容忽视。
 
由于这类系统依赖固定的入口几何结构来控制流速，作业人员无法实时调整流体动力学状态，这往往导致入口流速过低或过高。当流速超过最优阈值时，冲蚀速度会显著加快，尤其是在旋流器罐体内，会导致材料快速损耗，在某些情况下甚至会造成内部部件的突发性损坏。
 
设计目标
 
最初的设计目标基于实际应用需求，注重实用性，该系统需满足以下要求：在大范围流量工况下维持适宜的流速，以提升分离效率；减少固相颗粒的二次夹带，尤其在段塞流或节流阀波动工况下；缓解含砂高速流对设备内部造成的冲蚀损伤；维持或降低系统整体压降。
 
经过多轮设计迭代，双入口螺旋插件得以研发。这款正处于专利申请阶段的插件，通过将压力容器的切向圆形入口转化为旋流器内部的螺旋矩形入口，解决了切向入口固有的问题。流体进入插件后，会以流体力学可控的螺旋方式重新导入旋流腔，且分离过程在插件内部即已启动。与切向或径向入口相比，螺旋结构能实现更平稳的流态过渡，并消除初始湍流。
 
这一设计对分离效率的提升意义重大：层流状态不仅能让固相颗粒更快分离，还能延长分离时间，这意味着越来越细小的颗粒也能被推向罐壁（实现分离）。但真正的技术突破在于新增了第二个螺旋入口。在众多工业旋流器中，多入口设计其实并不少见——通过减小单个入口尺寸并使其更贴近旋流器罐壁，可在特定入口总面积下缩短颗粒的分离距离。不过，常规多入口设计通常是将所有入口同时启用，本质上只是通过多个小入口实现流量分配。
 
 
图4动画展示油井产出流体同时流经A、B两个入口的过程。
 
在Trilogy的设计中，两个入口可单独运行，也可同时运行——这一功能仅能通过螺旋顶置入口实现。若采用切向入口并尝试以这种方式（单独同时运行）操作，关闭的入口处会形成一个较大开口，开启入口的流体需横穿该开口流动，进而引发剧烈湍流。由于流体在离心力作用下会被推向罐壁，而开口恰好位于罐壁附近，这无疑是最不利的开口位置。通过插件将入口重新布置在旋流器顶部（罐顶区域）后，流体流经未启用入口时几乎不会受到影响：未启用的入口侧会迅速充满气体，形成一道气体屏障，流体则从该屏障下方顺畅流过。
 
这款双螺旋流态调节器支持两个入口单独运行或同时运行（见图4）。由于螺旋通道的几何尺寸可定制，旋流器由此获得三种独特的过流面积，对应三种不同的流速，使设备能实时调整运行参数。这一设计让除砂器在无需移动部件的情况下，拥有了更为宽泛的操作范围。此外，三速设计还具备一项额外优势：当控制背压成为首要需求时，可通过调整流速实现对背压的控制。
 
流态特征与实际观测结果
 
双螺旋流态调节器的设计目标是：在流体经入口进入后、到达主分离腔之前，形成平稳且稳定的旋流。将流速控制部件从入口处移除并在设备内部实现流速调节，这一设计对减少设备长期磨损产生了显著改善。在早期现场部署中，一个明显的现象是：大部分分离过程似乎在螺旋区域内部就已完成。这不仅有助于提前启动相分离（油、气、液、固的初步分离），还能更充分地利用旋流器罐体的可用容积——通过优化内部表面积利用率与流道稳定性，进一步提升了分离效率。
 
压降与冲蚀考量因素
 
现场压力监测数据显示，在节流阀调节阶段及高含砂工况下，螺旋入口流道有效降低了压力波动。作业人员反馈，管路压力曲线更为平稳，下游压力控制设备所承受的负荷也显著减小。
 
此外，设备部署后的磨损检测结果表明，入口附近及分离器底部的冲蚀程度极低。在传统设计中，涡流不稳定或射流效应常导致局部“热点磨损”（冲蚀集中区域）；与之相比，采用流态调节设计的系统，其内部流速控制效果显著提升，冲蚀现象得到有效缓解。
 
现场部署与早期试验结果（2025 年）
  
图5动画展示油井产出流体以较低流速流入A入口的过程。
 
配备内置螺旋流态调节器的除砂器首次现场部署于2025年初在威利斯顿盆地开展，随后在二叠纪盆地进行了后续部署。数据收集工作聚焦于固相回收率、压差值、维护周期及流态特征四大核心指标。
 
在不同应用场景中，该设备的砂粒捕集效果始终保持稳定，作业人员反馈下游流体的砂粒夹带量显著减少。长期使用后，设备内部检测显示，已知易磨损部位的冲蚀程度极低，这一结果印证了“降低维护需求”的设计目标。
 
螺旋流态调节器最具说服力的验证案例之一，来自威利斯顿盆地一场持续48小时的现场部署试验。某面临严峻砂粒管理挑战的大型作业公司与Trilogy LLC合作，在实际生产工况下对Sand Titan除砂器进行测试。试验期间，该设备共捕集29,447磅（约13.36吨）砂粒，砂粒平均粒径为140微米，整体分离效率达99.3%；且试验全程无停机时间，下游节流阀阀座与阀杆未检测出任何磨损痕迹。
  
图6 动画展示油井产出流体以中等流速流入B入口的过程。
 
不同入口配置下的性能参数如下：
 
A入口（运行20小时）：捕集砂粒7,408磅（约3.36吨），流速37.2英尺秒，产液量197桶小时，产气量150万立方英尺天，压力2,300磅平方英寸（见图5）。
 
B入口（运行4小时）：捕集砂粒3,356磅（约1.52吨），流速55英尺秒，产液量308桶小时，产气量440万立方英尺天，压力2,150磅平方英寸（见图6）。
 
A+B入口联合运行（运行24小时）：捕集砂粒18,683磅（约8.47吨），流速38.3英尺秒，产液量343桶小时，产气量610万立方英尺天，压力1,950磅平方英寸（见图7）。
 
试验结束后，对与测试处理设备相连的排污罐进行检查，发现残留砂粒量极少——仅200磅，而设备总捕砂量达29,447磅，这一数据充分证明了设备的卓越分离效果。现场作业人员反馈，双入口配置使设备能够灵活应对工况波动，同时保持操作简便性。此次早期现场试验的成功，凸显Sand Titan除砂器在动态页岩开发环境中具备的三大核心能力：消除停机时间、保护生产设备、重新定义分离器性能标准。
 
 
与前代设计的性能对比
 
在早期现场试验期间（见图8），这款具备流态调节功能的分离器，部署于此前同类作业中曾使用传统旋流式分离器及球形分离器的场地。尽管试验条件并非严格控制下的并列对比研究，但通过定性观测与运行参数所获取的信息，仍为性能对比提供了有效依据。值得注意的是，在所有试验阶段，该分离器始终将分离效率稳定维持在99%以上，即便在流量波动的工况下亦是如此。这一性能水平相较于前代分离器有显著提升，尤其在高含砂量工况或节流阀动态调节阶段，优势更为突出。
 
砂粒滞留与夹带情况
 
 
与前代切向入口旋流器相比，这款内置流态调节装置的除砂器，其下游容器中出现砂粒夹带的情况显著减少。这一优势在返排初期尤为明显——该阶段压力波动频繁（升高与降低交替出现），且节流阀需频繁调节，往往导致流体出现暂时性冲击。在以往使用固定入口旋流器的现场应用中，这类流体冲击常会造成砂粒未被分离而直接进入下游（即“砂粒旁通”）。而通过螺旋流态调节器实现的更稳定流态，因几乎消除了入口处的初始湍流，此类砂粒旁通现象的发生频率大幅降低。
 
压力特性
 
传统高效旋流器虽能在油井最优工况下实现较好的分离性能，但往往存在压降偏高的问题——在高流量工况下该问题尤为突出。与之形成对比的是，作业人员反馈，这款螺旋入口除砂器在各类气液负荷工况下，既能维持高效分离，又能稳定管路压力。这种更平稳的压力特性在油井从产水主导转为产气主导的过渡阶段，发挥了尤为重要的作用。
 
操作简便性
 
内置流态调节器的被动式设计，与以往的操作模式形成鲜明对比：前代设备需依赖作业人员对生产工况（预计流量、气液比、含砂量）的估算来选择固定入口喷嘴配置，而这一过程存在一定的猜测性——一旦实际现场工况与预估情况出现偏差，入口尺寸选择往往非最优。相反，内置双螺旋流态调节器通过在设备几何结构中直接集成自适应流量控制功能，省去了上述估算与选择的麻烦；且被动式设计无需作业人员过多干预，即可实现对宽范围工况的适应能力。这不仅简化了设备部署流程，还减少了系统中的潜在故障点。
 
 
图9 2025年6月初，Trilogy LLC的Sand Titan除砂器完成安装，进入试验阶段。
 
内置双螺旋三速流态调节技术为旋流分离领域提供了一条极具前景的设计方向。文中所述的这款正处于专利申请阶段的双螺旋插件，为多相流应用场景提供了一种被动式解决方案，能够提升分离效率、减少冲蚀并稳定流态。2025年的现场试验结果表明，该技术可带来切实的运营效益；未来，通过几何结构优化与自动化控制集成，设备性能或将得到进一步提升（见图9）。