CN103233708A - 一种旋转式稳流器 - Google Patents

Abstract

一种旋转式稳流器。主要为了解决现有技术中缺乏一种可以安装于油田井筒内部实现稳流作用的相关装置的问题。其特征在于：中心管的上、下两端为锥形母体的油管上、下联结头；旋转式稳流器还包括一个圆盘支架以及螺旋叶片，圆盘支架的前、后支架单体上分别开有导流孔，所述中心杆穿过前支架单体上的中心通孔，限位固定于后支架单体上的中心处；在所述中心杆外套有扭簧，所述扭簧的上端与螺旋叶片相连接，作为可随螺旋叶片发生转动的自由端，扭簧的下端与圆盘支架相连接，作为固定端。本种稳流器适用于井下工况条件，能够减缓或避免液流参数波动对旋流分离器分离效果的影响，确保其稳定高效运行。

Description

一种旋转式稳流器

技术领域

 本发明涉及一种应用在石油开采领域中在油田井筒内部使用的稳流与流量控制装置。

背景技术

目前油田机械采油过程中在井筒内实现采出液预分离的方法主要是采用井下分离及同井回注系统。该系统采用井下泵送方式结合分离技术，在井筒内部将采出液初分，然后将富油相和富水相分别泵送到地面或合适地层。旋流分离器因其小型高效等特点成为最常用的井下分离器。旋流分离主要依靠旋转流动形成的离心力实现分离，因此受来液液流稳定性影响很大。特别是在来液量激增的情况下，会造成过大的离心力，从而将液滴剪切破损，加大分离难度。随着油田逐步进入高含水后期，井下油水分离技术的应用也越来越广泛，为此，井下稳流也成为井下分离器长期稳定运行的保证。然而截至目前，适用于油田机械采油过程中井筒内采出液稳流作用的设备未见报道。在其它非油田机械类的稳流应用方面，目前存在的对非稳定流动起控制作用的稳流装置仅限于低压应用。例如：农田灌溉领域用到的水压出流装置，气压暖瓶的提水管附件，直流式热水器的流量恒定自控装置，绿化微灌使用的迷宫式稳流装置等。这类低压稳流装置可以在较小的流量范围下实现来液的压力或流量控制，缺点是这类装置主要依靠巧妙的结构设计实现稳流，可调范围有限，流道容易堵塞，使用寿命短，最重要的是若在高压、大流量下使用可靠性无法得到保证。其次，在具有稳流作用的工艺方面，地面流体系统出现了一些起到稳流作用的装置或设备。例如：工业污水处理系统工艺中使用一种水箱式稳流器，通过箱体隔断过渡，解决了进入沉淀池和生化系统的液流稳定性问题；炼油厂催化裂化装置则采用一种独特设计的烟道起到稳流作用。这类地面流体系统稳流装置往往依靠空间缓冲流体的流动状态，体积庞大。综上所述，现有技术中尚无一种可以直接应用于油田井筒内部实现稳流作用从而保证分离器稳定工作的相关装置。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的现有技术问题，本发明提供一种旋转式稳流器，该种旋转式稳流器可适用于井下工况条件，能够减缓或避免液流参数波动对旋流分离器分离效果的影响，确保其稳定高效运行。

本发明的技术方案是：该种旋转式稳流器，包括一个中心管，其独特之处在于：所述中心管的上、下两端是采用锥形母体的油管上联结头和油管下联结头，所述油管上联结头和油管下联结头上均开有用于连接的外螺纹；所述旋转式稳流器还包括一个由前、后两个支架单体组成的圆盘支架以及一个固定在中心杆上的螺旋叶片，其中，所述圆盘支架的前、后支架单体上分别开有导流孔，所述中心杆穿过前支架单体上的中心通孔，限位固定于后支架单体上的中心处；在所述中心杆外套有扭簧，所述扭簧的上端与螺旋叶片相连接，作为可随螺旋叶片发生转动的自由端，扭簧的下端与圆盘支架相连接，作为固定端。

具体实现时，当选择导流孔的水平截面形状为扇形、螺旋叶片上叶片的数量范围在3～4片之间，圆盘支架上导流孔的数量与螺旋叶片上叶片的数量相一致时，稳流效果较好。

另外，应对所述螺旋叶片上倾角的角度范围进行限定，经过下井试验和样品参数调整后试验多次得出结论，当螺旋叶片上倾角的角度范围在30度～45度之间时，稳流效果较好。

本发明具有如下有益效果：本发明所提供的稳流器由螺旋叶片和圆盘支架组成，在来液非稳定流动状态下通过改变螺旋叶片和圆盘支架之间的过流面积实现稳流。稳流器进出口采用锥螺纹连接，在可实现密封功能的前提下减少了密封件的使用。其中的螺旋叶片倾角在30^o至45^o之间，并与开有扇形导流口的圆盘支架配合，由扭簧提供螺旋叶片的平衡扭矩。本种稳流器虽然结构简单，但是不需要额外进行井下或井上调节，工作可靠性高，对流量或流速均具有调节作用。经过试验和理论证明，该装置可在非稳定液流输入的情况下，自适应调整稳流器的流道大小，从而控制流量，本稳流器可适用于井下的恶劣工况条件，能够减缓或避免因液流参数波动对旋流分离器分离效果及举升和回注工艺效果的影响，确保其能够稳定高效的运行，能够用于油田机械采油过程中达到井下稳流的技术要求。

附图说明：

图1是本发明所述旋转式稳流器与油管连接后的结构示意图。

图2是本发明所述螺旋叶片采用3片叶片时的俯视图。

图3是本发明所述螺旋叶片的立体结构示意图。

图4是本发明所述圆盘支架具有3个导流孔时的俯视图。

图5是本发明所述螺旋叶片采用4片叶片时的俯视图。

图6是本发明所述圆盘支架具有4个导流孔时的俯视图。

图7是展示螺旋叶片的倾角和受力参数计算原理图一。

图8是展示螺旋叶片的倾角和受力参数计算原理图二。

图9是展示螺旋叶片的倾角和受力参数计算原理图三。

图10是展示螺旋叶片的倾角和受力参数计算原理图四。

图中1-油管上联结头，2-螺旋叶片，3-圆盘支架，4-扭簧，5-中心管，6-螺旋叶片，7-油管下联结头。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先阐述本发明的设计目的：本发明是为了实现对油田机械采油过程中采出液液流的稳流功能而设计。其目的主要为：首先，本类旋流式稳流器能够为非稳定的采出液液流实现稳流作用；其次，本类旋流式稳流器能够为井下油水分离系统提供稳定的工作环境，保证井下分离器的工作效率；最后，本类旋流式稳流器能够依靠旋转式结构实现稳流作用，具有自恢复功能和快速接口，可方便地适用于井下管柱的不同管段。

下面详细阐述本发明所述方案的具体构成：

由图1所示，该种旋转式稳流器，包括一个中心管5，其独特之处在于：所述中心管5的上、下两端是采用锥形母体的油管上联结头1和油管下联结头7，所述油管上联结头1和油管下联结头7上均开有用于连接的外螺纹。这种在稳流器进出口采用锥螺纹连接的结构，在可实现密封功能的前提下减少了密封件的使用。

此外，所述旋转式稳流器还包括一个由前、后两个支架单体组成的圆盘支架3以及一个固定在中心杆上的螺旋叶片2。其中，所述圆盘支架的前、后支架单体上分别开有导流孔6，所述中心杆穿过前支架单体上的中心通孔，限位固定于后支架单体上的中心处；在所述中心杆外套有扭簧4，所述扭簧4的上端与螺旋叶片2相连接，作为可随螺旋叶片发生转动的自由端，扭簧4的下端与圆盘支架3相连接，作为固定端。应用时，扭簧提够平衡扭矩，螺旋叶片在来液冲击作用下具有一定扭矩，扭簧扭矩随着螺旋叶片转动角度的增大而增大，直到与来液冲击力平衡，通过螺旋叶片与圆形支架之间的转动实现变过流面积，从而实现稳流。

在以上方案基础上得到的优化方案为：所述导流孔6的水平截面形状为扇形。

此外，经过试验证明，当所述螺旋叶片2上叶片的数量范围在3～4片之间以及圆盘支架3上导流孔的数量与螺旋叶片2上叶片的数量相一致时，所取得的稳流效果较好。

另外，如图7所示，所述螺旋叶片2上倾角I的角度范围在30度～45度之间时所取得的稳流效果较好。

下面对本方案能够取得较好的稳流效果给予理论证明：

图1所示，以处理井下采出液为例。采出液通过入口进入稳流器，液流对旋转式稳流器的螺旋叶片造成冲击，从而使得螺旋叶片在扭簧带动下旋转一定角度，在支架盘的导流孔之间形成稳定的间隙，从而达到入口和出口间的稳定流动。当采出液的压力增大时，采出液在螺旋叶片上产生的压力相应增加，从而对扭簧产生变型力，使螺旋叶片与支架盘上的导流孔产生相对位移，最终在新的位置达到平衡，形成新的稳流状态。

旋转式稳流器通过上述的运动，从而达到控流的作用。其流量、压力与扭簧扭转力之间的关系可以通过下述方法计算：

叶片受力如图7至图10所示，即满足：

                                       （1）

                                         （2）

其中，

为来液相对于叶片流动的速度；

为轴向来液速度；

I为和叶素旋转平面的夹角，称为倾角；其中叶素为叶片的微段；

i为迎角。      

叶素受到相对液流速度

的作用，将产生一个液流动力dR，可以分解为一个垂直于

的升力及平行于

的阻力

，

随迎角i变化Ct和Cd的值对应于叶素翼型的迎角。

                                  （3）

                                （4）

（3）（4）式中：dF是dR在叶片轮轴向上的分力dF；dM为dR在旋转平面上的分力对叶片轮轴的力矩；dR为叶素受到相对液流速度

的作用，所产生的液流动力。式中的主要参数满足以下关系式：

升力方程：

                              （5）

阻力方程：

                            （6）

液流速度方程：

                   （7） 

切向速度方程：

                             （8）

扭矩方程：

         （9）

当叶片轮轴受液体冲击获得的动力扭矩与扭簧扭矩平衡时得出平衡方程:

                                           （10）

其中，k为圆柱螺旋扭转弹簧的刚度，

为圆柱螺旋扭转弹簧的扭转角度。

由伯努利定理，流动速度增加，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和，称为总压始终保持不变。根据这一原理，我们列出稳流器内流体域的伯努利方程：

                      （11）

由动量定理并考虑流体与结构的耦合作用，液体作用在浮子上，通过耦合面来传递液体的压力，浮子的位移反馈给流体域，连接在浮子上的弹簧提供浮子一个平衡力，使其保持在某一平衡位置。根据它们之间的关系，列出动量守恒方程：

                        （12）

其中，P₁为入口端压力， A₁为稳流器入口端过流面积，

为入口端液流速度，A₂为叶片转动后与圆形支架盘所行成的过流面积，为此过流面处液流速度，P₂为此过流面处压力。

                                            （13）

                                          （14）  

其中，D为圆柱型腔的直径，A为圆形支架盘的过流面积，

为圆形支架盘单孔扇形面的圆心角。

由于Δh较其他变量小很多，可以忽略，由（11）式可导出：

 

                                 （15） 

由（12）式可导出：

                                  （16） 

其中，为质量流，假设

为常数C,将（15）式代入（16）式得出：

                      （17）   

当稳流器入口液流速度V和稳流器结构参数满足如下公式：

     （18）

其中，A₁、A₂分别对应为（13）式和（14）式。

最终推导出的稳流状态方程式（18）表明：稳流器结构参数D、d、θ以及入口速度v₁满足本公式时，稳流器能够实现稳流作用，在这一状态下，设备处于稳流状态。而在液流冲击作用下，能够依靠叶片、扭簧及过流面积的重新匹配，再次达到稳流状态。这样就可以避免井下分离及同井回注系统的参数波动对旋流器分离效果的影响，确保其稳定高效运行。

Claims (4)

1.一种旋转式稳流器，包括一个中心管（5），其特征在于：所述中心管（5）的上、下两端是采用锥形母体的油管上联结头（1）和油管下联结头（7），所述油管上联结头（1）和油管下联结头（7）上均开有用于连接的外螺纹；所述旋转式稳流器还包括一个由前、后两个支架单体组成的圆盘支架（3）以及一个固定在中心杆上的螺旋叶片（2），其中，所述圆盘支架的前、后支架单体上分别开有导流孔（6），所述中心杆穿过前支架单体上的中心通孔，限位固定于后支架单体上的中心处；在所述中心杆外套有扭簧（4），所述扭簧（4）的上端与螺旋叶片（2）相连接，作为可随螺旋叶片发生转动的自由端，扭簧（4）的下端与圆盘支架（3）相连接，作为固定端。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式稳流器，其特征在于：所述导流孔（6）的水平截面形状为扇形。

3.根据权利要求2所述的一种旋转式稳流器，其特征在于：所述螺旋叶片（2）上叶片的数量范围在3～4片之间，所述圆盘支架（3）上导流孔的数量与螺旋叶片（2）上叶片的数量相一致。

4.根据权利要求3所述的一种旋转式稳流器，其特征在于：所述螺旋叶片（2）上倾角（I）的角度范围在30度～45度之间。

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