CN102251765A - 一种轴向式入口油水旋流分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向式入口油水旋流分离器，包括：依次连接的进液管段、旋流生成管段和除水管段，所述旋流生成管段进一步包括：旋流管道和可固定倾斜安装在该旋流管道中的2片以上的导流片，所述导流片沿所述旋流管道的周向均布，并在所述旋流管道的轴向依次叠置；当油水混合的流液流经所述导流片时，形成中心对称的旋流场，从而实现油和水在旋流场中的离心分离。本发明是利用旋流原理的油水分离设备，进液管段与出水管段的内径相同，只需在需要处理的采液管线上截下一段安装此分离器，不改变管流方向，适应性好，与传统的重力沉降分离设备相比，处理效率明显得到提高，且其所占空间较小。

Description

一种轴向式入口油水旋流分离器

技术领域

本发明涉及一种将油水两相混合液进行分离的系统，特别是涉及一种应用于高含水油井和未来深水油田水下处理系统中的油水分离系统。

背景技术

随着油田的不断开发，我国大部分油田已进入中、高含水开发期，油井采出液中含水率普遍已达90％以上。由于含水量的不断增加，使得产出液举升费用增加，生产成本不断增加，当抽取混合液所消耗的费用高于分离出的石油所带来的收益时，油井将濒临经济开采极限而被迫停产。因此在油井中采用油水预分设备对提高油井采收率具有重要意义。

为满足我国石油的需求，国内石油的增长将主要依靠海洋石油的开发，不可避免地向深水、极深水延伸，而制约我国在深水区开采石油的主要技术瓶颈是深水环境下的高效油水分离技术。深水的高压环境使得体积庞大的罐式分离器无法使用，要求使用结构紧凑的管式分离器。

当前油水预分设备所采用的分离原理主要有重力和离心，例如专利公开号：CN1078291，一种井下油水分离采油装置，描述的是一个采用重力原理分离的油水分离装置，然而在现实生产中，往往需要对大量的油水混合液进行快速分离，重力原理是有效的分离技术手段，但这种技术的处理速度相对较慢。专利公开号：CN1078292，利用动态叶片起旋产生旋流场来加快油水的分离；专利公开号：CN2601121，由分离叶轮和工作筒共同旋转产生旋流使油水分离。这两种均基于离心原理进行油水分离，它们的共同点是都有运动部件，维护较麻烦。

发明内容

本发明的目的是针对以上油水分离装置在尺寸、分离速度和装置维护方面的不足及未来井下油水分离的需求，提供一种无运动部件、且结构紧凑、可提高分离效率的采用离心分离原理的轴向式入口油水旋流分离器。

本发明提供的一种轴向式入口油水旋流分离器包括：依次连接的进液管段、旋流生成管段和除水管段，所述旋流生成管段进一步包括：旋流管道和可固定倾斜安装在该旋流管道中的2片以上的导流片，所述导流片沿所述旋流管道的周向均布，并在所述旋流管道的轴向依次叠置；当油水混合的流液流经所述导流片时，形成中心对称的旋流场，从而将油和水离心分离。

优选地，所述导流片为半椭圆形，该导流片的长轴与所述旋流管道的横截面的夹角θ为：10°≤θ≤60°。

优选地，所述导流片的短轴与所述旋流管道的横截面的夹角α为：0°≤α≤45°。

优选地，所述导流片的短轴与所述旋流管道的横截面的夹角α为0°。

优选地，所述导流片的数量为2～6片。

优选地，所述导流片的厚度h为2mm～7mm。

优选地，所述旋流生成管段的旋流管道的内径大于所述进液管段的进液管的内径，在所述进液管段和旋流生成管段之间还设置有用于连接所述进液管段和旋流生成管段的渐扩管段。

优选地，所述旋流生成管段的旋流管道的内径为所述进液管段的管道的内径的1.2～1.5倍。

优选地，所述除水管段为渐收除水管段，该渐收除水管段包括沿油水流向直径逐渐变小的除水管道和在该除水管道上开设的沿油水流向间隔适当间距的1组以上除水孔，每组除水孔的数量与所述导流片的数量相同，且沿所述除水管道周向均匀分布。

优选地，在所述除水管道的外部还形成有一个腔室，该腔室包括用于容纳从所述除水孔排出的液体的圆筒及与圆筒相贯的出口管段。

本发明具有如下优点：

1、本发明是利用旋流原理的油水分离设备，进液管段与出水管段的内径相同，只需在需要处理的采液管线上截下一段安装此分离器，不改变管流方向，适应性好，与传统的重力沉降分离设备相比，处理效率明显得到提高，且其所占空间较小；

2、当油水以一定的比例进入旋流生成管段时，遇到导流片，由于导流片周向同向倾斜，沿环形方向每个导流片导流的那部分流体流动基本相同，因此能够达到一致的涡旋效果，这样就保证了经过导流片后，所形成的旋流场是中心对称的。而油水混合液经过导流片导流后在管道中向一个方向运动，在其向前运动过程中，所受的外来流场干扰少，因此，所形成的对称流场较稳定。油水在对称稳定的旋流场中，由于油相密度较小，所受到的向心浮力大于离心力，因此向管中心运动，水则向相反的方向运动，即分布在管壁附近；在对称稳定流场中，油核稳定的分布在圆形管道中心区域，不会发生大位移的摇晃；这样，就能够起到很好的油水分离效果；

3、本发明的静态导流片安装方法回避了利用动态导流片在井下高压环境下的密封问题，另外，本发明的起旋方式克服了采用切向式入口导流对已形成的旋流场的干扰，使旋流场更加对称稳定，且不存在切向式导流后的油水两相反向流动，能够避免因油水两相的反向运动所带来的油水重混现象，从而提高分离效率；

4、本发明旋流生成管段安装在管道中，不需要像切向式入口一样，需要另外加一根管子变成二维结构，节省空间，从而能够更有效的利用井下空间，提高了处理量，更适合应用在井下油水分离系统中；另一方面，在深水高压环境下，切向式入口使得相切处成为薄弱环节，需要额外加强该处的焊接强度，而轴向式安装在管道内壁的导流片则不存在这一问题，因此本发明具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的旋流生成管段结构示意图；

图3为图2的导流片的结构示意图；

图4为图1除水孔的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：依次连接设置的进液管段1、渐扩管段2、旋流生成管段3和渐收除水管段5，由于旋流生成管段3的旋流管道的内径大于进液管段1的管道的内径，因此在进液管段1和旋流生成管段3之间设置渐扩管段2，进液管段1的进液管上装有流量计14。

如图2～3所示，旋流生成管段3进一步包括可固定倾斜安装在旋流管道35中的4片导流片31、32、33、34，导流片31、32、33、34沿旋流管道35的周向均布，并在旋流管道35的轴向依次叠置。当油水混合的流体沿流向A的方向流经导流片31、32、33、34时，就会形成中心对称的旋流场，在旋流场中油水因密度不同所受到离心力不同而被分离。

如图3所示，导流片31、32、33、34采用半椭圆形的不锈钢或者其它耐磨材料制成，导流片31、32、33、34的长轴与旋流管道35的横截面的夹角θ为45°，短轴与旋流管道35的横截面相平行，即短轴与旋流管道35的横截面的夹角α为0°。

传统的切向式入口起旋方式形成旋流场，在旋流场中油相向中心区域运动形成油核，并利用油核与水在不同区域的反向流动实现油水分离，当旋流场不稳定时，油核中的部分油有被反向流动的水带走的可能，从而增加了油水分离的难度。而本发明的起旋方式即利用轴向安装的静态导流片31、32、33、34导流后形成旋流场，在旋流场中油相所形成的油核与在管壁附近分布的水相向相同的方向运动，则减小了上述风险。

当油水以一定的比例进入到本发明时，遇到导流片31、32、33、34，由于导流片31、32、33、34同向倾斜，沿环形方向每个导流片导流的那部分流体流动基本相同，因此能够达到一致的涡旋效果，这样就保证了经过导流片后，所形成的旋流场是中心对称的。又油水混合液经过导流片31、32、33、34导流后在旋流管道35中向一个方向运动，在其向前运动过程中，所受的外来流场干扰少，因此，所形成的对称流场较稳定，油水在对称稳定的旋流场中，由于油相密度较小，所受到的向心浮力大于离心力，因此向管中心运动，水则向相反的方向运动，即分布在管壁附近；在对称稳定的旋流场中，油核稳定的分布在圆形旋流管道35中心区域，不会发生大位移的摇晃；这样，就能够起到很好的油水分离效果。

油水在对称稳定的旋流场中，由于油相密度较小，所受到的向心浮力大于离心力，因此向管中心运动，水则向相反的方向运动，即分布在管壁附近。在对称稳定流场中，油核稳定的分布在圆形管道中心区域，不会发生大位移的摇晃，同时，轴向安装的导流片使油滴的径向运动距离减小，能促使油滴更快的运动到轴心。

在本发明实施例中，导流片31、32、33、34以长轴与旋流管道35的横截面的夹角θ为45°的角度同向安装在旋流管道35中，当然，也可以是10°≤θ≤60°。短轴与旋流管道35的横截面相平行，即短轴与旋流管道35的横截面的夹角α为0°，当然，也可以是0°≤α≤45°。在导流片31、32、33、34的厚度h通常可以设置在2mm～7mm，以保证足够的强度，旋流管道35的管径d为75mm，导流片的厚度为2mm。

在本发明实施例中，导流片的安装数目也可以设置在2～6片，也可以起到相同或是类似的油水分离效果。各导流片在圆形旋流管道35中心区域依次重叠，保持中心重叠点紧靠在一起，从而保证油水混合液经过导流片导流。

如图1所示，渐收除水管段5包括沿油水流向主流方向直径逐渐变小的除水管道51和在该除水管道51上开设的沿油水流向主流方向间隔适当间距的1组以上除水孔52，每组除水孔52的数量与导流片31、32、33、34的数量相同，且沿除水管道51周向均匀分布。除水孔52中心线与通过除水孔52中心的半径成一角度，如图4所示，这样可以减小压降损失。在除水管道51的外部还设置有与除水管段5形成一个腔室，该腔室包括用于容纳从除水孔52排出的液体的圆筒4和与该圆筒4通过相贯的形式连通起来的出水管段6，水通过出水管段6排出，出水管段6上装有一个球阀7和流量计9，通过调节球阀7来控制从出口8分流掉的流量占进液管段1流量的百分比。其余的来液通过主流下游的出口10排出，不改变主流的流动方向，出口10即为安装在出水管道51的输出端的管道11的出口，出口10为富油出口。

在上述技术方案中，渐扩管段2的内径由进液管与旋流生成管段3的旋流管道35内径决定，旋流管道35的内径为进液管内径的1.2-1.5倍的关系，其目的是未来为后来的渐收除水管段5有较大的空间除水。将出水管段6与圆筒12垂直连接，两管中心线正交。出水管段6上装上流量计9和球阀7，形成出水口8。

下面举例具体应用的实例。

含油浓度在5％-20％之间的油井采出液，以15m³/h的流量，从进液管段1沿流体流向A经流量计14进入，入口的流量计14记录入口流量；

经过渐扩管段2的导流，油水两相混合液顺利过渡到旋流生成管段3，流经导流片31、32、33、34形成高速旋转的流体，油水两相在离心力作用下，快速分离，密度较大的水相富集在管内壁，而密度较小的油相则富集在管中心；

分离好的油水两相在惯性作用进入渐收除水管段5，在渐收除水管段5中，离心效应得到增强，油相富集在管中心，分布在除水管道51内壁附近的水则由管壁上的孔流出从而实现油水分离，通过调节出水管段6上的球阀7，监测流量计9和14的视数，使流量计9的视数在流量计14的50％左右，分离掉50％左右的水；

通过渐收除水管段5的作用，剩下50％的油水混合物输送到平台或者井口进行精细分离。

经过本设备处理后的回注水含油率小于1000ppm，达到国家井下或者海底水下处理系统处理标准。

Claims (10)

1.一种轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，包括：依次连接的进液管段、旋流生成管段和除水管段，所述旋流生成管段进一步包括：旋流管道和可固定倾斜安装在该旋流管道中的2片以上的导流片，所述导流片沿所述旋流管道的周向均布，并在所述旋流管道的轴向依次叠置；当油水混合的流液流经所述导流片时，形成中心对称的旋流场，从而实现油和水在旋流场中的离心分离。

2.如权利要求1所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述导流片为半椭圆形，该导流片的长轴与所述旋流管道的横截面的夹角θ为：10°≤θ≤60°。

3.如权利要求2所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述导流片的短轴与所述旋流管道的横截面的夹角α为：0°≤α≤45°。

4.如权利要求3所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述导流片的短轴与所述旋流管道的横截面的夹角α为0°。

5.如权利要求1所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述导流片的数量为2～6片。

6.如权利要求1所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述导流片的厚度h为2mm～7mm。

7.如权利要求1至6任一所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述旋流生成管段的旋流管道的内径大于所述进液管段的进液管的内径，在所述进液管段和旋流生成管段之间还设置有用于连接所述进液管段和旋流生成管段的渐扩管段。

8.如权利要求7所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述旋流生成管段的旋流管道的内径为所述进液管段的管道的内径的1.2～1.5倍。

9.如权利要求8所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，所述除水管段包括渐收除水管段，该渐收除水管段包括沿油水流向主流方向直径逐渐变小的除水管道和在该除水管道上开设的沿油水流向主流方向间隔适当间距的1组以上的除水孔，每组除水孔的数量与所述导流片的数量相同，且沿所述除水管道周向均匀分布。

10.如权利要求9所述的轴向式入口油水旋流分离器，其特征在于，在所述除水管道的外部还形成一个腔室，该腔室包括用于容纳从所述除水孔排出的液体的圆筒及与圆筒相贯的出口管段。

Images