一種正處于專利申請階段的三速螺旋流態調節器適用于多相旋流除砂工藝，詳細闡述了其設計原理、工作機制，以及在全球重要的油氣產區威利斯頓盆地和二疊紀盆地開展的早期現場試驗結果。
長期以來，除砂設備一直應用于上游作業中，以應對多相開采過程中的相關難題，尤其在開采初期及返排階段。然而，傳統分離器設計在流速狀態快速變化、氣-液-固三相組分波動的情況下，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階段、具備內部流態調節功能的三速多相旋流器設計及其初步現場驗證結果。該旋流器采用雙入口螺旋導流插件，旨在提升分離效率并降低壓降。研究工作基于物理觀測、工程分析，以及2025年初在威利斯頓盆地與二疊紀盆地開展的現場部署所獲取的試驗數據。
圖1 Trilogy LLC Sand Titan雙螺旋入口高效除砂器（入口A與入口B通過顏色區分：紅色為入口A，藍色為入口B）。
在非常規油氣藏開發中，油井投產初期的90天通常是產量最高的階段，此階段產出流體中油、水、氣及固相物質的比例也存在極大波動。該時期的流體特性呈現動態變化特征：產量變化迅猛、節流閥調節頻繁，且常出現含砂段塞流等相態不穩定現象。這些工況對地面分離設備的適應性提出了極高要求。
近年來推出的“高效”旋流分離器雖能通過離心作用實現固相脫除，但這類設備的幾何結構通常較為簡化，僅在狹窄的操作條件范圍內具備峰值分離效率。當面臨油井工況快速變化時，此類系統易出現相分層效果差、固相二次夾帶及分離效率低下等問題。
圖2Trilogy LLC Sand Titan雙螺旋入口除砂器，已在巴肯頁巖區某作業者的油井上完成安裝。左側為“A入口”，右側為“B 入口”，頂部為凈化流體出口。
為解決上述局限性，Trilogy LLC啟動了新一代除砂器的研發工作，該除砂器采用自適應三速設計（見圖1、圖2）。該系統的核心部件是一臺雙螺旋入口流態調節器，直接安裝在分離腔上方。該裝置將傳統旋流器“簡單切向圓形入口”的流體進入結構，改造為更為復雜的“雙螺旋入口“結構，且具備三種獨立的入口配置模式。本文將闡述該螺旋流態調節器的工程設計原理，以及其首次現場部署所獲取的試驗結果。
行業向水平井非常規開發轉型
水平井水力壓裂技術的廣泛應用，徹底改變了地面產出流體的特性。具體而言，在巴肯、二疊紀及伊格福特等致密頁巖儲層中，油井完井后的最初幾天至幾周內，通常會產出大量壓裂砂與地層固相物質。
在常規油井中，固相產出往往被視為一種失效工況；而在非常規開發中，早期生產階段的攜砂現象已成為可預測、且符合預期的特征。由于節流閥調節或氣液比變化，流體可能在多種流態間快速轉換，作業者必須應對不同流態下大量夾帶砂粒的情況。這些動態變化的工況，對地面分離設備的效率與穩定性均提出了更高要求。因此，在早期生產系統設計中，除砂工藝已從以往的輔助性考量，轉變為核心設計指標之一。
除砂設備設計的演變與局限性
在油氣上游作業中，從產出流體中分離砂粒與固相物質一直是一項基礎性需求。長期以來，行業已研發出多種類型的除砂設備以實現這一目標，各類設備均有其特定的性能范圍與局限性。了解這些設備設計的演變歷程，可為流態調節技術的創新依據提供重要背景支撐。
傳統常規的三相臥式分離罐，原本能夠處理直井產出流體中少量的固相物質。然而，隨著壓裂技術的加速應用，這類分離罐已無法應對新型油井（非常規水平井）所產出的大量固相物質。
砂罐及其他非旋流式設備
早期的除砂系統被稱為“砂罐”，其工作依賴兩大原理：通過擴大過流面積降低流體流速，以及利用重力使固相物質沉降。砂罐的設計形式不盡相同，但均借助容器容積和滯留時間，使懸浮狀態的固相顆粒（砂）從流體中分離并沉積。如今，砂罐仍在部分場景中使用。
砂罐的常見類型包括寬段式捕集器或臥式捕集器，這類設備結構簡單、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。無論采用何種結構，這類非旋流式設備的有效運行均依賴低流速、高含氣率及穩定的流動工況——而這些工況在現代油氣井返排階段已極為罕見。
在高產量、高含砂量的工況下，砂罐頻繁出現固相二次夾帶與流體短路現象，不僅導致分離效率下降，還增加了下游設備的運行風險。其分離性能波動極大：在高含氣井中，分離效率最高可達80%；但在其他多數工況下，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濟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計，以產生一定的旋轉動量，進而形成離心力（實現除砂）。此外，多數球形分離器還配備了各類折流板與擴散板，這些部件的設計目標均為提升分離效率。
從制造成本來看，球形分離器相對低廉：只需將傳統壓力容器的兩個端蓋焊接在一起，即可制成球形分離器的主體結構。該設計之所以得以應用，核心原因在于球形結構本身較易適配旋流設計；然而，其分離性能始終欠佳——分離后的砂粒會滯留于球形腔體內，極易被流體再次夾帶。這一問題與其他非旋流式設備的共性缺陷一致。
旋流式分離器
在全球多數行業及應用場景中，水力旋流器與旋流器一直是分離技術領域的“黃金標準”，其應用歷史已逾百年。盡管數十年來，設計成熟的旋流器已在油田諸多場景中投入使用，但直到近年，除砂行業才開始廣泛采用這類設備。此前行業內曾一度試圖 “另起爐灶、重新研發”，最終卻發現傳統旋流器仍是該領域的最優選擇。
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入，借助入口流體自身的動量，在罐腔內形成高速旋轉運動（高角速度）。旋轉的流體會產生離心力，將固相砂粒推向罐壁；隨著流體沿罐體螺旋向下流動，砂粒撞擊罐壁后，會繼續沿下方的錐形結構滑落，最終通過底部管道（底流口）進入下方的收集容器。砂粒一旦進入收集腔，便不會再被流體二次夾帶。而去除砂粒的凈化流體，則通過罐體頂部的管道（溢流口）排出旋流器。實踐證明，該設計是目前已知的最高效除砂結構，已有大量教科書與技術文獻可為不同應用場景下的旋流器設計提供參考依據。
然而，并非所有旋流器的性能都完全相同，其設計必須適配具體的應用場景。旋流器本質上是一種由流體流動驅動的離心機，而非由電機驅動的類型。由于流體在旋流器內的旋轉完全由流體自身的流動所引發，因此所有部件的尺寸都必須根據特定場景進行設計。設備的總長、直徑、錐角及其他尺寸均至關重要；同時，流體在設備內的滯留時間、黏度以及固相顆粒的粒徑等變量，也都需要在合理設計中加以充分考慮。
入口區域或許是旋流器設計中最為關鍵的部分，因為它不僅決定了流體進入旋流器時的流速，還會影響流體的流動形態與運動軌跡。目前，油田中使用的大多數基礎款旋流器都采用單一的入口尺寸設計；部分設備雖能在安裝前調整入口尺寸，但在運行過程中無法實現動態改變。
由于油田用旋流器同時屬于壓力容器，其設計存在一定限制，且必須遵循不同的工程規范，例如美國石油學會標準6A和美國國家標準協會標準。這些規范對旋流器的壁厚、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定。因此，大多數油田用旋流器采用切向圓形入口——這是規范所允許的設計形式。但受各類工程規范的限制，入口往往無法與旋流器內部的切線方向精準對齊。對旋流器而言，非切向入口是最差的設計選擇；即便采用完全切向的入口，也并非理想方案——因為當流體沿旋流器內壁流動時，入口流體會與自身流動軌跡產生沖擊，導致旋流器頂部區域出現顯著的湍流。
在其他多數行業中，當設備在較低壓力下運行時（此時更易制造復雜形狀的部件），通常會采用螺旋入口設計。從流體力學角度來看，螺旋入口是最優設計：它能引導流體以產生最小湍流的方式進入旋流器，且流體從入口處開始便沿向下的螺旋軌跡流動。最后需要說明的是，受壓力容器規范限制，大多數油田用旋流器采用圓形入口，而流體進入后必須立即改變流動路徑形態，這就會引發流動擾動。基于此，旋流器的理想入口形狀為矩形（見圖3）。
圖3 旋流器入口類型示意圖。
在含砂量高的返排環境中，旋流器逐漸成為備受青睞的優選方案。然而，油氣行業早期使用的旋流系統，缺乏實現高效分離所需的幾何結構特征與流態優化設計。盡管這類系統有時能產生足夠的流速以實現較好的分離效果，但結構設計的簡化導致其實際分離性能往往不盡如人意。即便在最優工況下，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。由于自身幾何結構固定，面對油井投產初期（尤其是流態轉換階段）固有的復雜多變工況，這類旋流器的適應性較差。
高效旋流器
現代高效旋流器采用經優化的幾何結構，能產生更高的流體流速。但流速提升的同時，也不可避免地帶來了背壓的意外升高。此類設備同樣不具備動態適應流量、氣液比或固相含量波動的能力：若缺乏流態調節與速度控制功能，在工況過渡階段，設備性能會迅速下降；且關鍵部位（尤其是旋流器入口與罐體）的沖蝕問題始終不容忽視。
由于這類系統依賴固定的入口幾何結構來控制流速，作業人員無法實時調整流體動力學狀態，這往往導致入口流速過低或過高。當流速超過最優閾值時，沖蝕速度會顯著加快，尤其是在旋流器罐體內，會導致材料快速損耗，在某些情況下甚至會造成內部部件的突發性損壞。
設計目標
最初的設計目標基于實際應用需求，注重實用性，該系統需滿足以下要求：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，尤其在段塞流或節流閥波動工況下；緩解含砂高速流對設備內部造成的沖蝕損傷；維持或降低系統整體壓降。
經過多輪設計迭代，雙入口螺旋插件得以研發。這款正處于專利申請階段的插件，通過將壓力容器的切向圓形入口轉化為旋流器內部的螺旋矩形入口，解決了切向入口固有的問題。流體進入插件后，會以流體力學可控的螺旋方式重新導入旋流腔，且分離過程在插件內部即已啟動。與切向或徑向入口相比，螺旋結構能實現更平穩的流態過渡，并消除初始湍流。
這一設計對分離效率的提升意義重大：層流狀態不僅能讓固相顆粒更快分離，還能延長分離時間，這意味著越來越細小的顆粒也能被推向罐壁（實現分離）。但真正的技術突破在于新增了第二個螺旋入口。在眾多工業旋流器中，多入口設計其實并不少見——通過減小單個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，常規多入口設計通常是將所有入口同時啟用，本質上只是通過多個小入口實現流量分配。
圖4動畫展示油井產出流體同時流經A、B兩個入口的過程。
在Trilogy的設計中，兩個入口可單獨運行，也可同時運行——這一功能僅能通過螺旋頂置入口實現。若采用切向入口并嘗試以這種方式（單獨同時運行）操作，關閉的入口處會形成一個較大開口，開啟入口的流體需橫穿該開口流動，進而引發劇烈湍流。由于流體在離心力作用下會被推向罐壁，而開口恰好位于罐壁附近，這無疑是最不利的開口位置。通過插件將入口重新布置在旋流器頂部（罐頂區域）后，流體流經未啟用入口時幾乎不會受到影響：未啟用的入口側會迅速充滿氣體，形成一道氣體屏障，流體則從該屏障下方順暢流過。
這款雙螺旋流態調節器支持兩個入口單獨運行或同時運行（見圖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特的過流面積，對應三種不同的流速，使設備能實時調整運行參數。這一設計讓除砂器在無需移動部件的情況下，擁有了更為寬泛的操作范圍。此外，三速設計還具備一項額外優勢：當控制背壓成為首要需求時，可通過調整流速實現對背壓的控制。
流態特征與實際觀測結果
雙螺旋流態調節器的設計目標是：在流體經入口進入后、到達主分離腔之前，形成平穩且穩定的旋流。將流速控制部件從入口處移除并在設備內部實現流速調節，這一設計對減少設備長期磨損產生了顯著改善。在早期現場部署中，一個明顯的現象是：大部分分離過程似乎在螺旋區域內部就已完成。這不僅有助于提前啟動相分離（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——通過優化內部表面積利用率與流道穩定性，進一步提升了分離效率。
壓降與沖蝕考量因素
現場壓力監測數據顯示，在節流閥調節階段及高含砂工況下，螺旋入口流道有效降低了壓力波動。作業人員反饋，管路壓力曲線更為平穩，下游壓力控制設備所承受的負荷也顯著減小。
此外，設備部署后的磨損檢測結果表明，入口附近及分離器底部的沖蝕程度極低。在傳統設計中，渦流不穩定或射流效應常導致局部“熱點磨損”（沖蝕集中區域）；與之相比，采用流態調節設計的系統，其內部流速控制效果顯著提升，沖蝕現象得到有效緩解。
現場部署與早期試驗結果（2025 年）
圖5動畫展示油井產出流體以較低流速流入A入口的過程。
配備內置螺旋流態調節器的除砂器首次現場部署于2025年初在威利斯頓盆地開展，隨后在二疊紀盆地進行了后續部署。數據收集工作聚焦于固相回收率、壓差值、維護周期及流態特征四大核心指標。
在不同應用場景中，該設備的砂粒捕集效果始終保持穩定，作業人員反饋下游流體的砂粒夾帶量顯著減少。長期使用后，設備內部檢測顯示，已知易磨損部位的沖蝕程度極低，這一結果印證了“降低維護需求”的設計目標。
螺旋流態調節器最具說服力的驗證案例之一，來自威利斯頓盆地一場持續48小時的現場部署試驗。某面臨嚴峻砂粒管理挑戰的大型作業公司與Trilogy LLC合作，在實際生產工況下對Sand Titan除砂器進行測試。試驗期間，該設備共捕集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99.3%；且試驗全程無停機時間，下游節流閥閥座與閥桿未檢測出任何磨損痕跡。
圖6 動畫展示油井產出流體以中等流速流入B入口的過程。
不同入口配置下的性能參數如下：
A入口（運行20小時）：捕集砂粒7,408磅（約3.36噸），流速37.2英尺秒，產液量197桶小時，產氣量150萬立方英尺天，壓力2,300磅平方英寸（見圖5）。
B入口（運行4小時）：捕集砂粒3,356磅（約1.52噸），流速55英尺秒，產液量308桶小時，產氣量440萬立方英尺天，壓力2,150磅平方英寸（見圖6）。
A+B入口聯合運行（運行24小時）：捕集砂粒18,683磅（約8.47噸），流速38.3英尺秒，產液量343桶小時，產氣量610萬立方英尺天，壓力1,950磅平方英寸（見圖7）。
試驗結束后，對與測試處理設備相連的排污罐進行檢查，發現殘留砂粒量極少——僅200磅，而設備總捕砂量達29,447磅，這一數據充分證明了設備的卓越分離效果。現場作業人員反饋，雙入口配置使設備能夠靈活應對工況波動，同時保持操作簡便性。此次早期現場試驗的成功，凸顯Sand Titan除砂器在動態頁巖開發環境中具備的三大核心能力：消除停機時間、保護生產設備、重新定義分離器性能標準。
與前代設計的性能對比
在早期現場試驗期間（見圖8），這款具備流態調節功能的分離器，部署于此前同類作業中曾使用傳統旋流式分離器及球形分離器的場地。盡管試驗條件并非嚴格控制下的并列對比研究，但通過定性觀測與運行參數所獲取的信息，仍為性能對比提供了有效依據。值得注意的是，在所有試驗階段，該分離器始終將分離效率穩定維持在99%以上，即便在流量波動的工況下亦是如此。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流閥動態調節階段，優勢更為突出。
砂粒滯留與夾帶情況
與前代切向入口旋流器相比，這款內置流態調節裝置的除砂器，其下游容器中出現砂粒夾帶的情況顯著減少。這一優勢在返排初期尤為明顯——該階段壓力波動頻繁（升高與降低交替出現），且節流閥需頻繁調節，往往導致流體出現暫時性沖擊。在以往使用固定入口旋流器的現場應用中，這類流體沖擊常會造成砂粒未被分離而直接進入下游（即“砂粒旁通”）。而通過螺旋流態調節器實現的更穩定流態，因幾乎消除了入口處的初始湍流，此類砂粒旁通現象的發生頻率大幅降低。
壓力特性
傳統高效旋流器雖能在油井最優工況下實現較好的分離性能，但往往存在壓降偏高的問題——在高流量工況下該問題尤為突出。與之形成對比的是，作業人員反饋，這款螺旋入口除砂器在各類氣液負荷工況下，既能維持高效分離，又能穩定管路壓力。這種更平穩的壓力特性在油井從產水主導轉為產氣主導的過渡階段，發揮了尤為重要的作用。
操作簡便性
內置流態調節器的被動式設計，與以往的操作模式形成鮮明對比：前代設備需依賴作業人員對生產工況（預計流量、氣液比、含砂量）的估算來選擇固定入口噴嘴配置，而這一過程存在一定的猜測性——一旦實際現場工況與預估情況出現偏差，入口尺寸選擇往往非最優。相反，內置雙螺旋流態調節器通過在設備幾何結構中直接集成自適應流量控制功能，省去了上述估算與選擇的麻煩；且被動式設計無需作業人員過多干預，即可實現對寬范圍工況的適應能力。這不僅簡化了設備部署流程，還減少了系統中的潛在故障點。
圖9 2025年6月初，Trilogy LLC的Sand Titan除砂器完成安裝，進入試驗階段。
內置雙螺旋三速流態調節技術為旋流分離領域提供了一條極具前景的設計方向。文中所述的這款正處于專利申請階段的雙螺旋插件，為多相流應用場景提供了一種被動式解決方案，能夠提升分離效率、減少沖蝕并穩定流態。2025年的現場試驗結果表明，該技術可帶來切實的運營效益；未來，通過幾何結構優化與自動化控制集成，設備性能或將得到進一步提升（見圖9）。
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