CN101105123A - 竖式油水气多相流分离整流装置及其测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种竖式油水气多相流分离整流装置，包括外壳、流体导出管、流体导入管、排泄导管，外壳内为竖向密闭分离腔，密闭分离腔内设有加旋导流分离装置，加旋导流分离装置与密闭分离腔之间设有流体溢流孔；流体导出管内设有静止均质混合器；加旋导流分离装置的加旋器的入口连接流体导入管，导流分离器安装在加旋器的上方，导流分离器的出口连接流体导出管；分离腔底部连通液体收集测量导管，液体收集测量导管包括液体导出管和液体回流管；流体导入管包括与流体入口连通的内侧层、与回流管连通的外侧层，内侧层、外侧层的出口与加旋器连通。以及利用分离整流装置的竖式油水气多相流测量装置。本发明结构简单、成本低，维修方便、校正简单、测量精度高。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种竖式油水气多相流分离整流装置以及用于测量油水气多相流体的检测装置。
(二)背景技术
伴随世界经济的快速发展，世界能源问题被作为了重要的国家战略内容。特别是在世界石油储量有限的情况下，如何有效开采、监测油气田的采掘，如何实时监控油气的生产已经成为石油界的共识。用结构简单，相对廉价的在线测量的高科技手段取代现有的高成本低精度的分离罐式测量的生产模式是最近石油产业界的一个共识。
现在油田一般是利用分离罐将多相流进行气体和液体分离，然后对单相流体进行测量，油水分率则是采用采样后在实验室利用化学分离的方法测量得以实现多相流测量的。此测量系统的缺点有：分离结构复杂，体积庞大，造价高，维修难，不能实现实时在线测量，不适合海底测量。
目前世界上利用放射性物质对油水分率进行测量的研究开发取得了一定的成果。但是由于对放射性物质的限制，对操作者人身安全的考量等原因，这种方法很难在业界得以推广实用。
(三)发明内容
为了克服已有的分离整流装置结构复杂、成本高、维修难、校正成本高、测量精度低的不足，本发明提供一种结构简单、成本低，维修方便、校正简单、测量精度高的竖式油水气三相流分离混合整流装置及其测量装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种竖式油水气多相流分离整流装置，所述的分离整流装置包括外壳、流体导出管、流体导入管，所述的外壳的上端设有流体导出管，所述的外壳的下端设有流体导入管，所述的外壳的底部设有排泄导管，所述的外壳内为竖向密闭分离腔，所述的密闭分离腔内设有加旋导流分离装置，所述的加旋导流分离装置与密闭分离腔之间设有流体溢流孔；所述的加旋导流分离装置包括加旋器、导流分离器，所述的加旋器的入口连接流体导入管，所述的导流分离器安装在加旋器的上方，所述的导流分离器的出口连接流体导出管；所述密闭分离腔底部连通液体收集测量导管，所述液体收集测量导管包括液体导出管和液体回流导管；所述的流体导出管内设有静止均质整流混合器；所述的流体导入管包括与流体入口连通的内侧层、与回流管连通的外侧层，所述的内侧层、外侧层的出口与加旋器的入口连通。
进一步，所述的加旋器为双常螺旋型加旋器，所述双常螺旋型加旋器包括配置管、两个相同的常螺旋单体，所述两个常螺旋单体的旋转方向相同且对称分布，所述螺旋单体位于所述配置管内。
再进一步，所述的导流分离器为不少于两个，上下相邻的导流分离器之间相互串联而成。
更进一步，所述的导流分离器包括上导流分离器、下导流分离器，所述的上导流分离器伸入到流体导出管的下部、并留有一定的间隙；上导流分离器与下导流分离器之间、下导流分离器和加旋器之间均设有流体溢流孔。
所述下导流分离器和加旋器的上端部均为女儿墙结构，下导流器和上导流器的下部为与女儿墙部分的管部配合的双层结构，所述的加旋器的上端部伸入到下导流分离器的双层结构的中间，下导流分离器的上端部伸入到上导流分离器的双层结构的中间。
所述流体导出管的内部设有均质混合器。
所述的液体收集测量导管还包括阀门、液体安定调节装置，阀门安装在液体导出管上，所述的液体安定调节装置的入口连接液体导出管，所述的液体安定调节装置的出口连接液体回流管。
所述的液体安定调节装置的上端设有连通管，所述连通管与竖向密闭分离腔的上方连通，所述的连通管上设有气阀门，所述的液体安定调节装置的底部设有排泄阀门。
所述的液体回流管内安装液体均质混合器。
一种用所述的竖式油水气多相流分离整流装置实现的测量装置，包括竖式油水气多相流分离整流装置、测量流体导出管内的静止均质混合器的压力差的压力差传感器、测量管线压力的压力传感器、速度传感器以及测量液体密度的传感器、测量管线温度的温度计和用于根据各个信号计算各相的流量、油水分率的信号处理器，所述的竖式油水气多相流分离整流装置的流体导入管、流体导出管安装在垂直待检测的管路上，所述的压力差传感器的两个测量管与安装在流体导出管内设置的静止均质混合器的上流、下流相连通，所述的压力传感器设置与所述管内的静止均质混合器的下流相联通；所述的速度传感器安装在所述流体导出管内的静止均质混合器的下流，所述的密度传感器安装在液体回流管的静止混合器的下流，所述的温度计安装在液体回流管上，所述的压力差传感器、压力传感器、速度传感器、密度传感器、温度计的输出连接信号处理器。
本发明的工作原理是：利用流体导入管将多相流体引入双螺旋型加旋器的加旋腔内并形成旋转流体；由于向心力的作用，密度较大的流体会沿径向向外移动、密度小的流体受向心力的作用较小便会留在轴心附近。气液混相流通过加旋器时便会在管断面形成从圆心沿径向向外密度逐渐增大的分布；当上述多相流沿加旋器轴向流动时，一部分密度较大的流体便会通过加旋器外端的溢流孔流入密闭分离腔内。由于混相流各相的密度不同，在密闭分离腔的底部便会聚集分离的液体。当打开液体导出管上的阀门时，由于重力的作用液体便会从液体导出管流进液体安定调节装置，所述液体安定调节装置的下部设置液体回流管；而液体回流管是和流体导入管的外层相通的。
当混相流体流经流体导入管的内层时，由于其速度较大，便会形成内层压力大，外层压力小的压力差，所以充满液体回流管的液体会被吸入到流体导入管内，从而回流到加旋器的加旋腔内。回流到加旋腔内的一部分液体通过加旋腔流出本体，一部分液体则被重新加旋·分离进入本体密闭分离腔内。
这种混合分离方式的特点是即使在高气体容积比时也可以充分保证液体充满液体收集管道，为了进一步保持多相液体的均质性，在液体回流管内还设置了特制的静止混合器，从而给其下方安装的油水分传感器提供均质而且安定的液体流动形态，从而提高了油水分率的测量精度，保证实现对液体油水分率或密度的高精度实时测量。
当上述分离腔的液体积聚过多时，不能及时通过液体导管回流的多余的液体便会由于加旋导流器的虹吸作用被吸入加旋导流管流出本体。
通过加旋器和分离腔的自动调节，即可以实现对气液混相流的分离和整流，又可以实现对混相流形态的局部改变，从而实现了对混相流的混和·整流·均质处理。当这些流体通过流体导出管内的一个特制的静止均质整流混合器后，将进行再次的混合均质处理，从而对其下方安装的速度传感器提供均质而且安定的多相流动形态，可以大幅度提高气液两相流体的测量精度。
所述的液体收集测量导管由液体导出管、流量调节阀门和液体回流管、水分计/密度计以及上流管内所设置的均质混合器所组成。液体导出管上所设置的流量调节阀门用于调节分离装置在其流量规格范围内时分离腔内的液体可以尽量充满液体导管。液体安定调节装置上部设有气体导管和密闭分离腔连通、所述气体导管上设有阀门用于调节安定装置的安定性；当壳体内腔内收集的液体不能完全通过液体导管输送出时，多余的部分液体将通过加旋导流分离装置的溢流孔进入导流分离腔并通过流体导出管排出本装置。上述壳体内腔底部的部分液体通过液体收集测量导管进入流体导管内的加旋器被重新加旋，一部分如前所述重新进入壳体内腔，一部分则通过导流器排出本体。通过这种对混合流体的多次分离和混合实现对混合流体的多次循环、混合，即可以起到液体收集的实时性，又可以实现对液体的收集的目的，从而尽可能地提供实时的稳定的液体变化形态和混相流形态，提高油水分率的测量精度。
一种用所述的气液多相流分离整流装置实现的竖式油水气多相流测量装置，包括多相流分离整流装置、信号收集装置，信号收集装置包括测量所述流体的压力损失的差压计、测量管线压力的压力计，测量混相流体的平均速度的速度传感器、测量液体的油水分率或液体密度的传感器、测量管线温度的温度计以及信号处理器所组成。差压计用于测量设置于流体导出管内的静止混合器的压力损失，压力计用于测量流体导出部的压力，速度传感器设置于流体导出管端用于测量混合流体的平均速度，油水分率传感器设置于液体收集测量导管内，并且其上流设置了均质混合器，温度传感器设置于液体回流管上用于测量液体的温度。
首先在前述与本体密闭分离腔相连接的液体收集测量导管上安装可以测量液体的油水分率或密度的仪器或传感器，对液体实施油水分率或密度的实时测量并且取得相应的信号；利用设置于前述流体导出管内的静止均质混合器的末端的速度传感器测量多相流的平均流速的相应信号或平均体积流量的相应信号；采用压力差传感器和压力传感器测量前述静止混合器的压力损失以及压力的相应信号，通过一定的计算方法对前述各信号进行处理计算从而得到相应的多相流的油水分率/密度、气体容积比、气体，液体的流速或体积流量、混合流体的总体积流量和相应的各相的质量流量。
本发明的有益效果主要表现在：1、结构简单、成本低，维修方便、校正简单；2、可以直接测量垂直管道的混相流体，无需设置水平管道；3、可以提高多相流的各相流体的测量精度；4、对气体容积比高的混相流体具有明显的均质整流效果。
(四)附图说明
图1是竖式气液多相流分离整流装置断面图。
图2是竖式气液多相流分离整流装置正面外观图。
图3是竖式气液多相流分离整流装置压力测量剖面图。
图4是竖式气液多相流分离整流装置侧视外观图。
图5是流体导入管部结构图。
图6是流体导出管部结构图。
图7是螺旋导流器局部图。
图8是双螺旋线加旋器结构图。
图9是基于竖式气液多相流分离整流装置的流量计实例结构图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
参照图1-8，一种竖式油水气多相流分离整流装置，包括外壳2、流体导出管1、流体导入管8，所述的外壳2的上端设有流体导出管1，所述的外壳2的下端设有流体导入8管，所述的外壳1的底部设有排泄导管7，所述的外壳2内为竖向密闭分离腔，所述的密闭分离腔内设有加旋导流分离装置，所述的加旋导流分离装置与密闭分离腔之间设有流体溢流孔；
加旋导流分离装置包括加旋器6、导流分离器5，所述的加旋器6的入口连接流体导入管8，所述的导流分离器5安装在加旋器6的上方，所述的导流分离器6的出口连接流体导出管1；密闭分离腔底部连通液体收集测量导管，所述液体收集测量导管包括液体导出管14和液体回流管9；流体导出管1的内部设有静止均质整流混合器16；
流体导入管8包括与流体入口连通的内侧层27、与液体回流管9连通的外侧层26，所述的内侧层27、外侧层26的出口与加旋器6的入口连通。
所述液体收集测量导管还包括流量调节阀门15、液体安定调节装置12、所述液体安定调节装置12上部设有管道13a与密闭分离腔连通、液体均质混合器10，所述的液体均质混合器10安装在液体回流管9内；所述的加旋器为双螺旋线加旋器6，所述的加旋器包括两个相同的常螺旋单体29、30、两个常螺旋单体成对称布置；
所述的导流分离器包括上导流分离器23、下导流分离器24，所述的上导流分离器23伸入到流体导出管1的下部、并留有一定的间隙；上导流分离器23与下导流分离器24之间、下导流分离器24和加旋器的外管25之间均设有流体溢流孔。流体导出管1的内部设有静止均质整流混合器16、静止均质整流混合器16由固定螺栓22和密封圈21固定于流体导出管内。液体回流管9内设置了特制的液体均质混合器10。液体安定调节装置上安装有调节阀门13和排泄阀门11。
本实施例的工作过程是：将气液多相流从导入管8引入到加旋器6内进行加旋，得到径向旋转速度的混相流体在向心力的作用下产生密度差分布层，较重的流体通过加旋导流分离装置的溢流孔进入密闭分离腔。由于混相流各相的密度不同，在分离腔的底部便会聚集分离的液体。当打开液体导出管14上的调节阀门15时，由于重力的作用液体便会由液体导出管14流进液体安定调节装置12内、再由液体安定调节装置12的下部进入到液体回流管9；而液体回流管9是和流体导入管8的外层26相通的，当主管道的流体流经流体导入管的内层27时，由于其速度较大，便会形成内层压力大，外层压力小的压力差，所以充满液体回流管9的液体会被吸入到加旋器6内。流入到加旋器6腔内的一部分液体通过加旋腔器和导流分离器5流出流体导出管1，一部分液体则会重新被加旋·分离进入本体分离腔。这种混合分离方式的特点是即使在高气体容积比的情况下也可以充分保证液体充满液体收集管道；为了进一步保持收集液体的安定性、本装置还设置了液体稳定安定调节装置12，由于混相流体的脉动特性和在液体安定调节装置12时由于压力降低的原因还会析出一部分气体，所述液体安定调节装置12上部设置的与本体内腔相连通的管道，所述连通管道上设置的调节阀门13可以及时地将析出的气体导出液体安定调节装置12、为进一步保持液体的安定性，在液体回流管9内还设置了特制静止均质混合器10，从而给其下方安装的油水分传感器提供均质而且安定的液体流动形态，从而提高了油水分率的测量精度，保证实现对液体油水分率或密度的高精度实时测量。
为了可以及时排放积聚于装置内的不纯物质或固体物质，本装置还设置了位于外壳2侧面的排泄管7和液体安定调节装置12下方的阀门。
实施例2
参照图1-8，本实施例的加旋器6为双螺旋加旋器，所述的双螺旋加速器由两个常螺旋单体29、30所组成，所述常螺旋单体的旋转角为180度的倍数；所述的两个螺旋单体为对称布置并与安置管的内壁密切配合或一体化。所述下导流分离器24和加旋器6的上端部均为女儿墙结构，下导流器24和上导流器23的下部为与女儿墙部分的管部配合的双层结构，所述的加旋器6的上端部伸入到下导流分离器24的双层结构的中间，下导流分离器24的上端部伸入到上导流分离器23的双层结构的中间。所述双层结构的中间插入下端螺旋器带有女儿墙部分的管部。所述双层结构的内层为一个具有一定圆锥度的内孔装置。
为了减小本分离混合装置的压力损失，在加旋器6中，所述外径ΦA的双螺旋加旋器的轴中心部设置了一定尺寸的内孔ΦB。
本实施例运用常螺旋型加旋器将气液混合流体进行加旋、利用向心力对混相流进行分离，然后再利用混合流体的密度不同进行自然分离，然后通过特殊的液体收集装置，以及分离液体回流循环混合结构，再使用特制的静止混合器对混合流体进行混合、细化、均质、整流，从而为竖式安装管线提供安定均质的多相流动形态的混相流测量装置。并且因为本装置设有安定性良好的液体收集装置，在此安装油水分率测量装置，可以大幅度提高油水分率的测量精度。并且因具有结构紧凑，各传感器适应密封、耐压、防爆等设计，可以适合于海上，海底的在线测量。
实施例3
参照图1-图9，一种竖式油水气多相流测量装置，包括竖式油水气多相流分离整流装置A、压力差传感器B、测量管线压力的压力传感器C、速度传感器F以及测量液体密度的传感器D、测量管线温度的温度计E和用于根据各个信号计算各相的流量、油水分率的信号处理器G，所述的竖式油水气多相流分离整流装置的流体导入管8、流体导出管1安装在待检测的管路上，所述的压力差传感器A安装在流体导出管1内设置的静止均质混合器16内，所述的压力测量管线4设置在流体导出管内的静止均质混合器16的上下两端，所述的压力传感器C设置在压力测量管线4上；所述的速度传感器F安装在所述流体导出管内的静止均质混合器16的下流，所述的密度传感器D安装在回流管的静止混合器10的下流，所述的温度计E安装在回流管9上，所述的压力差传感器B、压力传感器C、速度传感器F、密度传感器D、温度计E的输出连接信号处理器G。
本实施例的一个典型应用实例是利用密度传感器D进行测量液体中的密度或油水分率，利用速度传感器F进行测量混合流体的体积流量和利用文丘里原理进行液体和气体的分量测量，从而实现对多相流体测量的一种新型流体测量仪器。本实施例具有结构简单紧凑，体积小，造价低廉，防爆安全简单等优点。
本实施例由两部分组成，即信号收集系统和信号处理系统。信号收集系统由设置于前述流体导出管内部的特制的静止均质整流混合器16，测量管线4以及相关接头(4-1)、(4-2)、(4-3)、(4-4)所构成。测量本静止混合器的压力差传感器B，测量管线压力的压力传感器C，速度传感器(F)以及测量液体密度的传感器D，信号处理器G，测量管线温度的温度计E所组成。信号处理部分由一台特制的具有信号转换和演算功能的流程控制计算机模块所组成。它可以进行各种信号转换(A/D)，演算各相的流量，油水分率和信号传输、储存等功能。
本实施例主要运用于无人油井计量/测试、油藏动态监测和生产实时监控，取代常规的分离罐式测量技术、并提供实时在线多相流量测量、对油井进行测试和监视。特别是对于条件恶劣的海上或沙漠油田的动态监测，可以为油田的作业者提供实时连续的数据、使得对油藏动态监测成为可能并且可以提供多相流气相、液相流量和水分率的实时变化信息、为生产优化提供重要数据。
Claims (9)
1.一种竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述的分离整流装置包括外壳、流体导出管、流体导入管，所述的外壳的上端设有流体导出管，所述的外壳的下端设有流体导入管，所述的外壳的底部设有排泄导管，所述的外壳内为竖向密闭分离腔，所述的密闭分离腔内设有加旋导流分离装置，所述的加旋导流分离装置与密闭分离腔之间设有流体溢流孔；
所述的加旋导流分离装置包括加旋器、导流分离器，所述的加旋器的入口连接流体导入管，所述的导流分离器安装在加旋器的上方，所述的导流分离器的出口连接流体导出管；
所述密闭分离腔底部连通液体收集测量导管，所述液体收集测量导管包括液体导出管和液体回流管；
所述的流体导出管内设有静止均质整流混合器；
所述的流体导入管包括与流体入口连通的内侧层、与回流管连通的外侧层，所述的内侧层、外侧层的出口与加旋器的入口连通。
2.如权利要求1所述的竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述的加旋器为双常螺旋型加旋器，所述双常螺旋型加旋器包括配置管、两个相同的常螺旋单体，所述两个常螺旋单体的旋转方向相同且对称分布，所述螺旋单体位于所述配置管内。
3.如权利要求1或2所述的竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述的导流分离器为不少于两个，上下相邻的导流分离器之间相互串联而成。
4.如权利要求3所述的竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述的导流分离器包括上导流分离器、下导流分离器，所述的上导流分离器伸入到流体导出管的下部、并留有一定的间隙；上导流分离器与下导流分离器之间、下导流分离器和加旋器之间均设有流体溢流孔。
5.如权利要求4所述的竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述下导流分离器和加旋器的上端部均为女儿墙结构，下导流器和上导流器的下部为与女儿墙部分的管部配合的双层结构，所述的加旋器的上端部伸入到下导流分离器的双层结构的中间，下导流分离器的上端部伸入到上导流分离器的双层结构的中间。
6.如权利要求1或2所述的竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述的液体收集测量导管还包括阀门、液体安定调节装置，阀门安装在液体导出管上，所述的液体安定调节装置的入口连接液体导出管，所述的液体安定调节装置的出口连接液体回流管。
7.如权利要求6所述的竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述的液体安定调节装置的上端设有连通管，所述连通管与竖向密闭分离腔的上方连通，所述的连通管上设有气阀门，所述的液体安定调节装置的底部设有排泄阀门。
8.如权利要求6所述的竖式油水气多相流分离整流装置，其特征在于：所述的液体回流管内安装液体均质混合器。
9.一种用如权利要求1所述的竖式油水气多相流分离整流装置实现的测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括竖式油水气多相流分离整流装置、压力差传感器、测量管线压力的压力传感器、速度传感器以及测量液体密度的传感器、测量管线温度的温度计和用于根据各个信号计算各相的流量、油水分率的信号处理器，所述的竖式油水气多相流分离整流装置的流体导入管、流体导出管与垂直管线连接，所述的压力差传感器的两个测量联通管分别与安装在流体导出管内设置的静止均质混合器的上流、下流相连通，所述的压力传感器的测量管与设置在上述静止均质混合器的低压端相通；所述的速度传感器安装在所述流体导出管内的静止均质混合器的下流，所述的密度传感器安装在液体回流管的静止混合器的下流，所述的温度计安装在液体回流管上，所述的压力差传感器、压力传感器、速度传感器、密度传感器、温度计的输出连接信号处理器。
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