CN104785384A - 一种油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，包括圆柱形外筒体、封头式排油腔和排水腔，圆柱形外筒体内轴向设有一个或多个单体旋流管；圆柱形外筒体设有进液口、排砂口，筒体内设有底流挡板；圆柱形外筒体两端分别与排油腔、排水腔通过法兰连接，筒体与排油腔之间设有顶流挡板，排油腔和排水腔末端分别设有出油口和出水口，单体旋流管包括芯部的起旋元件和外周的柱锥状外管，起旋元件包括柱锥状叶片基体、导流叶片，叶片基体的芯部轴向设有排油孔，柱锥状外管包括依次光滑连接的圆柱段、大锥段、小锥段和直尾管段。适用于高含水油井采出液的预脱水处理，具有结构紧凑、单体处理量大、进出口压降小、油水分离效率高等优点，尤其适合海上油井采出液在平台上进行预脱水处理或基于水下生产系统进行预脱水处理。

Description

一种油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器

技术领域

本发明涉及一种油井采出液的预脱水处理装置，尤其涉及一种油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器。

背景技术

油井采出液是由原油、伴生气、地层水、砂子和机械杂质等组成的混合物，其中地层水在采出液中占据着较大的比例。油井采出液经井口节流阀、井口除砂器后相继进入一级或两级三相分离器、电脱水(盐)器，进行脱气、脱水(盐)等处理，待原油含水率达标(＜0.5％)后外输。为确保电脱水(盐)器处理后的原油含水率低于0.5％，一般要求进入电脱水(盐)器的原油含水率不高于15％，这就相应需要在一级或两级三相分离器中除去采出液中大部分的水。然而，随着国内外大部分油田逐渐进入开采的中后期，油井采出液中的含水率逐渐升高，部分油田往往超过90％(少部分油井甚至高达到95％以上)，因此为了保证原油产量甚至增产上量而不得不举升出相应足够量的采出液。这就致使在开发初期建设的三相分离器等设施往往不足以处理如此大量的高含水采出液，导致进入电脱水(盐)器的原油含水率大幅增加(可达30％左右)，不仅增加了电脱水(盐)器的工作负荷，有时甚至使得电脱水(盐)器无法正常工作，从而难以保证外输原油的品质；与此同时，三相分离器排出污水的含油量升高，增加了后续采油污水的处理难度。

为了应对上述油井采出液含水率升高带来的一系列问题，生产单位采取过改进三相分离器的结构、扩大三相分离器容积和增加重力沉降罐等一系列措施，并取得了一些效果，但是同时也增加了生产成本，影响了总体开发经济效益的进一步提高。对于甲板空间和承载能力有限的已有海上固定导管架式采油平台或浮动式生产系统(FPS或FPSO)而言，依靠单元处理设备简单扩容的措施往往难以有效实施；而对于深水油田开发用张力腿平台(TLP)和单柱式平台(Spar)等而言，要求上部油气集输工艺流程必须选用紧凑高效型多相分离设备来减轻上部荷重，而主要基于重力分离的常规油气集输流程因水力停留时间长、分离效率低恰恰在这方面难以满足要求。因此，研制开发紧凑高效型油井采出液预脱水设备势在必行。

在业已得到应用的诸多油井采出液分离技术中，基于静态液-液水力旋流器的旋流分离技术具有结构简单、占地少、分离效率高等优点，自20世纪80年代问世以来得到了国内外石油公司的高度青睐并逐渐在石油开采行业迅速推广。但客观而言，传统静态液-液水力旋流器采用的切向入口结构导致其存在要求入口压力较高、最小分割粒径较大、单体处理能力较低、流量波动适应能力较差等不足，限制了该类设备的进一步推广使用。为克服传统切入式水力旋流器的不足，人们对其进行了大量改进研究，所采用的技术路线不外乎分为如下几类：一是改进旋流管的外形结构，例如袁惠新在专利CN1318425A中介绍了一种旋流加速腔母线采用对称曲线的水力旋流器，虽然有助于减小湍流程度、提高分离效率，但存在曲线方程不具有普遍适用性、需要根据不同的旋流管直径或底流口直径设计不同的曲线方程、压降损失较高(0.5MPa左右)等不足。二是改进溢流管的结构，采用不同形状的溢流管或在溢流管外面添加导流结构以减轻或消除短路流的问题，例如王振波等在专利CN2438508Y中介绍的一种带螺旋曲面溢流管的水力旋流器，所用溢流管上部为螺旋结构、底部外壁为双曲面结构，虽然有助于减轻溢流跑粗现象、强化二次分离，但存在溢流管结构过于复杂、螺旋结构和双曲面结构微小的变化就会对流场产生较大扰动等不足；周先桃等在专利CN2522174Y中介绍的水力旋流器在溢流管外壁加装导流螺旋，虽然可使短路流得到大幅的减弱，但存在引入复杂结构、在水力旋流器内部流场产生新问题等不足；三是采用多场协同分离机理，如美国犹他大学的Jan D.Miller教授在专利US4279743中介绍的将旋流离心分离和气浮选分离相结合的充气式水力旋流器(Air-Sparged Hydrocyclone，ASH)，虽然分离效率有一定程度提高，但存在微细气泡粒径过大、注气不均匀、气泡与油滴粘附不充分、气柱阻碍油相排出等不足。

鉴于常规切向入口静态水力旋流器结构上的固有缺陷，国内外研究人员尝试从设计理念上进行突破。1996年，荷兰CDS Engineering公司和荷兰Delft理工大学合作，率先设计出轴向入口静态水力旋流器，通过周向对称布置的导流叶片产生旋流流场，消除了切向入口不对称产生的非轴对称流动，降低了入口的湍流脉动强度，在提高分离效率的同时降低了压力损失；更重要的是，轴向入口静态水力旋流器将切向入口的二维布局变为一维布局，降低了旋流器所占的空间。荷兰CDS Engineering公司被美国FMCTechnologies公司收购后，在“内联化(inline)、紧凑化(compact)”理念的引领下，对轴向入口静态水力旋流器的结构进一步进行改进，推出了内联脱水器(inline DeWater)和内联水力旋流器(inline Hydrocyclone)两种工业化产品；受此启发，一些涉足油气开采多相分离的公司纷纷推出了轴向入口静态水力旋流器产品，如法国Veolia Water Solutions&Technologies(VWS)Westgarth公司的Streamliner^TM、美国Energy SpecialtiesInternational(ESI)公司的LQ-R、荷兰ASCOM公司的混流式水力旋流器(Mixed-FlowHydrocyclone)等。在上述轴向入口水力旋流器中，美国FMC Technologies公司和荷兰ASCOM公司均进行过大处理量(30m³/h)单体轴向静态水力旋流器的室内试验研究和海上试验研究，分离效果较好，但未见有相关内部结构设计类知识产权方面的公开报道。

国内关于轴向入口静态水力旋流器的研究起步较晚，东北石油大学蒋明虎等在专利CN102728487B中介绍了一种变截面多叶片导流式内锥型轴向水力旋流器，但所设计的轴流式水力静态旋流器存在着切向出水口；中国石油大学(华东)王振波等在专利CN2882798中介绍了一种轴流式高效水力旋流器，但所设计的轴流式水力旋流器依然采用切向进液口；中科院力学研究所吴应湘等在专利CN102626561A中介绍了一种管道式导流片型油水分离器，但所设计的轴向水力旋流器排水管与分离管垂直。因此从某种程度上来说，上述几种结构设计均削弱了轴向入口静态水力旋流器结构紧凑的优势。更为重要的是，国内相关单位关于轴向入口静态水力旋流器的研究全部以常规切向入口静态水力旋流器为蓝本来开展，在单体处理量上未能突破常规切向入口静态水力旋流器的能力范围(6m³/h左右)。

不仅目前尚处于单体旋流管的室内研发测试阶段，离工程化应用还有较长的路要走，而且即使研发测试成功后推向工业化应用，也未能解决大处理量下需要将数十甚至上百根单体旋流管并联组合运行的弊端。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、单体处理量大、进出口压降小、油水分离效率高的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，包括圆柱状容器，所述圆柱状容器包括圆柱形外筒体、封头式排油腔和排水腔，所述圆柱形外筒体内轴向设有一个或多个单体旋流管；

所述圆柱形外筒体的中部上壁和下壁分别设有进液口和排砂口，所述圆柱形外筒体的左端和右端分别与排油腔和排水腔连接，所述排油腔和排水腔末端分别设有出油口和出水口，所述圆柱形外筒体内在左部设有底流挡板，筒体右部设置有顶流挡板，所述顶流挡板与底流挡板之间的空腔为进液腔，所述顶流挡板左侧的空腔为排油腔，所述底流挡板右侧的空腔为排水腔；

所述单体旋流管包括芯部的起旋元件和外周的柱锥状外管，所述起旋元件包括由柱状段和尾锥段组成的叶片基体，所述柱状段的外周设有导流叶片，所述叶片基体的芯部轴向设有排油孔，所述柱锥状外管包括依次连接的圆柱段、大锥段、小锥段和直尾管段，各段之间光滑过渡，所述叶片基体和导流叶片伸入到所述圆柱段和大锥段中。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，由于包括圆柱状容器，圆柱状容器内轴向设有一个或多个单体旋流管，适用于高含水油井采出液的预脱水处理，具有结构紧凑、单体处理量大、进出口压降小、油水分离效率高等优点，尤其适合海上油井采出液在平台上进行预脱水处理或基于水下生产系统进行预脱水处理。

附图说明

图1为本发明实施例提供的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器的剖视结构示意图。

图2a、图2b分别为本发明实施例中叶片及叶片基体圆柱段的侧面和端面结构示意图。

图3为本发明实施例中叶片的二维曲线图。

图4为本发明实施例中容器组合式轴向水力旋流器的结构示意图。

图1中各标记如下：1-进液口；2-圆柱形外筒体；3-进液腔；4-排水腔；5-排油腔；6-底流挡板；7-单体旋流管；8-圆柱段；9-大锥段；10-小锥段；11-直尾管段；12-起旋元件；13-叶片；14-叶片基体；15-排油孔；16-顶流挡板；17-出油口；18-出水口；19-排砂口。

图2a、图2b、图3中各标记如下：31-引流段；32-圆弧段；33-直线段。

图3中，取沿着叶片高度向外(背离轴心方向)为Z轴正向，沿着旋流器内部流体流动方向为Y轴正向，图中所取截面为任一确定高度Z所对应的XOY截面。

图4中各标记如下：41-进液口；42-进液腔；43-排油腔；44-排水腔；45-排油口；46-顶流挡板；47-底流挡板；48-排水口；49-排砂口。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，其较佳的具体实施方式是：

包括圆柱状容器，所述圆柱状容器包括圆柱形外筒体、封头式排油腔和排水腔，所述圆柱形外筒体内轴向设有一个或多个单体旋流管；

所述圆柱形外筒体的中部上壁和下壁分别设有进液口和排砂口，所述圆柱形外筒体的左端和右端分别与排油腔和排水腔连接，所述排油腔和排水腔末端分别设有出油口和出水口，所述圆柱形外筒体内在左部设有底流挡板，筒体右部设置有顶流挡板，所述顶流挡板与底流挡板之间的空腔为进液腔，所述顶流挡板左侧的空腔为排油腔，所述底流挡板右侧的空腔为排水腔；

所述单体旋流管包括芯部的起旋元件和外周的柱锥状外管，所述起旋元件包括由柱状段和尾锥段组成的叶片基体，所述柱状段的外周设有导流叶片，所述叶片基体的芯部轴向设有排油孔，所述柱锥状外管包括依次连接的圆柱段、大锥段、小锥段和直尾管段，各段之间光滑过渡，所述叶片基体和导流叶片伸入到所述圆柱段和大锥段中。

所述叶片基体和直尾管段分别固定在所述顶流挡板和底流挡板上，并在其接触部位有效密封，所述排油孔穿过所述顶流挡板后伸入到所述排油腔，所述直尾管段穿过所述底流挡板后伸入到排水腔。

所述导流叶片包括引流段、圆弧段和直线段组成，所述圆弧段按照圆弧曲线或者幂函数曲线设计，所述直线段与圆弧段相切共同构成螺旋升角。

所述导流叶片在高度方向上的外圆柱面与所述柱锥状外管的内壁之间为过盈配合。

所述导流叶片的轴向长度与所述柱锥状外管的圆柱段的轴向长度相等，所述叶片基体的尾锥段的长度小于或等于所述柱锥状外管的大锥段的长度。

本发明的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，结构紧凑、分离效率高、单体处理量大，能够满足高含水油井采出液预脱水处理的需要，尤其是更好地应对海上油田油井采出液含水率不断上升以及深水油田开发所带来的现实技术挑战。这种可用于高含水油井采出液预脱水处理的紧凑高效型、单体处理量大的轴向入口静态水力旋流器在国内尚未见有报道。

本发明的原理是：

待处理液自进液口进入并充满进液腔后，从单体旋流管的轴向入口进入旋流管内部，由于导流叶片高度方向上的外圆柱面与柱锥状外管的内壁之间为过盈配合，因此待处理液在导流叶片的作用下产生高速旋转的涡流。由于离心力的差异而使待处理液分为内外两层，外层的重质水相被甩至管壁并向底流口处流动，在排水腔内收集并从排水口排出；内层的轻质油相则沿轴心线反向运移并经叶片基体中心的排油孔进入排油腔，最后从排油口排出。

如果希望进一步增大处理能力，可以将若干个单体旋流管组合安装放置在一个圆柱状容器内，相应的容器组合式轴向入口静态水力旋流器设备同样由进液腔、排油腔和排水腔三大部分组成。当然，也可以进一步将一个或多个容器组合式轴向入口静态水力旋流器串联运行，以满足不同脱水率的要求。

本发明具有如下优点和效果：

1、本发明能够实现高含水油井采出液的高效预脱水，根据计算流体动力学(CFD)数值模拟实验的结果，单体旋流管处理量可达30m³/h，脱水率可达85％以上，排油孔(溢流口)的压降低于0.2MPa、底流口的压降低于0.25MPa；整个轴向入口静态水力旋流器设备结构紧凑、性能高效，尤其适合海上油田高含水油井采出液的预脱水处理。

2、本发明降低了对静态水力旋流器入口压力的要求，减少了油气集输处理流程的一次性建设投资和运行成本，具有更广泛的适用性；而且由于设备内部无运动部件，使得安装维护简便易行。此外，本发明采用橇装结构，既可以竖直立式安装放置也可以水平卧式安装放置，对分离性能影响不大。

3、本发明采取将单体旋流管放置在套筒内的结构设计模式，最大限度地降低了操作条件波动对处理效果的影响，使得该设备具有较高的操作弹性，可以在工况不太稳定的条件下连续稳定运行。

4、本发明提供的容器组合式轴向入口静态水力旋流器，可以根据处理要求(脱水率)和处理量的不同合理布置旋流管的数目，具有较好地可操作性。在相同的处理要求(脱水率)和处理量下，设备结构尺寸小于常规切向入口静态水力旋流器。

具体实施例：

如图1所示，油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器包括进液腔(3)、排水腔(4)和排油腔(5)三大部分，其中进液腔(3)与排水腔(4)通过底流挡板(6)隔开，进液腔(3)与排油腔(5)通过顶流挡板(16)隔开。进液腔(3)由带有进液口(1)、排砂口(19)的圆柱形外筒体(2)、底流挡板(6)、顶流挡板(16)和单体旋流管(7)组成；底流挡板(6)和顶流挡板(16)除起隔开不同腔室的作用之外，还起到支撑固定单体旋流管(7)的作用。排油腔(5)通过排油孔(15)与单体旋流管(7)相连，腔室内的油相借助压力或重力作用从排油口(17)排出。排水腔(4)通过直尾管段(11)与单体旋流管(7)相连，腔室内的水相借助压力或重力作用从排水口(18)排出。

单体旋流管(7)是实现原油预脱水的主要部件，由起旋元件(12)和柱锥状外管组成，起旋元件(12)由图2a、图2b所示的导流叶片(13)、叶片基体(14)和排油孔(15)组成。如图2a、图2b、图3所示，导流叶片(13)由引流段(31)、圆弧段(32)和直线段(33)组成；圆弧段(32)按照圆弧曲线或幂函数曲线设计，叶片螺旋升角β1为15°～30°，叶片数为3～10。导流叶片可以在叶片基体上一体化加工成型，叶片高度方向上的外圆柱面与柱锥状外管的内壁之间为过盈配合。柱锥状外管由圆柱段(8)、大锥段(9)、小锥段(10)和直尾管段(11)组成，各段之间光滑过渡，圆柱段(8)与叶片基体(14)圆柱段的下端基本平齐；大锥段(9)的角度为10°～40°，最好为30°；小锥段(10)的角度为1°～10°，最好为6°；直尾管段(11)的长度为旋流管直径的20～40倍，最好为30倍。叶片基体(14)尾锥段的长度不大于大锥段(9)的长度。单体旋流管(7)外壁与圆柱形外筒(2)内壁之间的环形径向间隙取为单体旋流管公称半径(或名义半径)的1/3，单体旋流管(7)入口与顶流挡板(16)之间的轴向间隙取为单体旋流管公称半径(或名义半径)的4/5。

使用上述油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器时，高含水率(＞50％)的油井采出液从进液口(1)进入进液腔(3)并充满整个腔室，腔室内的待处理液体在压力作用下，从单体旋流管(7)与圆柱形外筒(2)之间的环形径向间隙经单体旋流管的轴向入口流入单体旋流管(7)内部，由于导流叶片(13)高度方向上的外圆柱面与柱锥状外管的内壁之间为过盈配合，因此待处理液在导流叶片(13)的作用下形成旋流。旋流由大锥段(9)加强后进入小锥段(10)，在强旋流产生的强离心力作用下，旋流在小锥段(10)内会形成外旋流区和内旋流区，外旋流区主要为重质水相类，内旋流区主要为轻质油相类，外旋流区的水相以旋进的方式运移至直尾管段(11)并排入到排水腔(4)，内旋流区的油相以旋进油核的形式反向运移，经排油孔(15)进入排油腔(5)。为便于油相的排出以及加工安装，排油孔(15)可以在叶片基体(14)轴向大端面上固定外伸出油芯管的形式直接延伸到出油口(18)附件位置。最终排油腔(5)内的轻质油相类物质借助压力或重力作用从出油口(17)排出，排水腔(4)内的重质水相类物质借助压力或重力作用从出水口(18)排出。

图4为容器组合式轴向水力旋流器的结构示意图，所述装置主要由进液腔(42)、排油腔(43)和排水腔(44)三部分组成，进液腔(42)与排油腔(43)之间通过顶流挡板(46)隔开，进液腔(42)与排水腔(44)之间通过底流挡板(47)隔开。进液腔(42)是由进液口(41)、顶流挡板(46)、底流挡板(47)和若干个的实施例1中的单体旋流管(7)构成的封闭空间，单体旋流管(7)穿过顶流挡板(46)和底流挡板(47)并分别与排油腔(43)、排水腔(44)相连，单体旋流管(7)和顶流挡板(46)、底流挡板(47)固定联接并在接触面之间实现良好密封；排油腔(43)和排水腔(44)均为封头式结构，借助压力或重力作用排液。实际工作时，待处理液进入压力容器式进液腔(42)，待充满整个腔室后分别进入各并联布置的单体旋流管(7)，在单体旋流管(7)内实现油水分离后，分离出来的轻质油相汇集在上端的排油腔(43)内并从从排油口(45)排出，重质水相汇集到下方的排水腔(42)后从排水口(48)排出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，其特征在于，包括圆柱状容器，所述圆柱状容器包括圆柱形外筒体、封头式排油腔和排水腔，所述圆柱形外筒体内轴向设有一个或多个单体旋流管；

所述圆柱形外筒体的中部上壁和下壁分别设有进液口和排砂口，所述圆柱形外筒体的左端和右端分别与排油腔和排水腔连接，排油腔和排水腔末端分别设有出油口和出水口，所述圆柱形外筒体内在左部设有底流挡板，右部与排油腔相连处设有顶流挡板，所述顶流挡板与底流挡板之间的空腔为进液腔，所述顶流挡板左侧的空腔为排油腔，所述底流挡板右侧的空腔为排水腔；

所述单体旋流管包括芯部的起旋元件和外周的柱锥状外管，所述起旋元件包括由柱状段和尾锥段组成的叶片基体，所述柱状段的外周设有导流叶片，所述叶片基体的芯部轴向设有排油孔，所述柱锥状外管包括依次连接的圆柱段、大锥段、小锥段和直尾管段，各段之间光滑过渡，所述叶片基体和导流叶片伸入到所述圆柱段和大锥段中。

2.根据权利要求1所述的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，其特征在于，所述叶片基体和直尾管段分别固定在所述顶流挡板和底流挡板上，并在其接触部位有效密封，所述排油孔穿过所述顶流挡板后伸入到所述排油腔，所述直尾管段穿过所述底流挡板后伸入到排水腔。

3.根据权利要求2所述的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，其特征在于，所述导流叶片包括引流段、圆弧段和直线段组成，所述圆弧段按照圆弧曲线或者幂函数曲线设计，所述直线段与圆弧段相切共同构成螺旋升角。

4.根据权利要求3所述的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，其特征在于，所述导流叶片在高度方向上的外圆柱面与所述柱锥状外管的内壁之间为过盈配合。

5.根据权利要求4所述的油井采出液预脱水用轴向入口静态水力旋流器，其特征在于，所述导流叶片的轴向长度与所述柱锥状外管的圆柱段的轴向长度相等，所述叶片基体的尾锥段的长度小于或等于所述柱锥状外管的大锥段的长度。