CN104801071A - 两级轴流式水下管道在线气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下管道在线气液分离装置，应用于水下生产系统井流的高效分气。该气液分离装置实现管道在线安装和运行，具备简化油气集输流程，降低集输耗能和结构紧凑的特点；气液均混器依据旋向相反分层螺旋叶片破碎大气泡来形成气液均混流，使得装置的气液比适应范围广；一级轴流器依据垂直单筒实施第一级垂向高速旋涡流气液分离脱除大部分液相，二级轴流器依据水平双筒实施第二级水平分层旋转流气液分离脱除剩余液流，实现两相井流高效分离；涤气平衡器依据垂直双筒实现气相井流的缓冲稳压和彻底分离，而清洗管自动实施清洗作业；气液分离控制系统实施远程自动控制，控制海底管道的井流量并实现涤气平衡器压力的动态平衡。

Description

两级轴流式水下管道在线气液分离装置

技术领域

本发明涉及一种水下生产系统气液两相井流用的分离装置，特别是涉及一种海底管道在线的两级轴流式高效分气装置及其工艺流程。

背景技术

海上油田开发，尤其是深水油气田所采用的浮式平台，受到油气水处理设备的尺寸、重量影响较大。但是目前海上平台油气集输流程较为复杂，集输流程中的油气水处理设备也主要依靠传统重力沉降，设备尺寸和操作重量都较大，处理效率较低，极大增加了海上油田，尤其是深水浮式平台的成本，直接影响了海上油气田的有效开发。

目前，国内外海上油气集输通常采用“油气田高压井流→立管→高压级三相分离器→低压级三相分离器→电脱水增压泵→电脱水器→外输泵→海底管道”的工艺流程，在高低压分离器中主要利用水颗粒的重力自然沉降实施气液分离，进入电脱水器中再利用高压电场对原油破乳，使油中水进一步分离沉降，整个处理流程体积庞大，且油水分离效率低；另外，高压井流经过垂向立管的输送和分离器的气液分离后，能量损失严重，流压降低幅度较大，需要增设电脱水增压泵和外输泵分别对井流增压后才能满足海底管道输送要求，使得整个集输流程运行耗能高，且工作不稳定。紧凑型油气水分离设备是在海上平台上采用水力旋流和单体旋流管并联技术，以缩小分离设备所占空间，同时减轻重量，如美国FMC Technologies公司研发的脱气器和脱水器，然而目前国内对紧凑高效油气水分离技术的研究尚处于试验阶段。另外，针对水下生产系统油气水分离设备的研究国内外还处于起步阶段。

综上所述，现有的海上油气集输技术在现场应用中存在诸多的问题，最新的紧凑型和水下气液分离研究也只是处于起步阶段，为此依托现有可行性技术的基础上，通过解决水下生产系统中的远程控制、水下密封、快速连接、自动清洗等问题，研制出新型海底管道在线气液分离装置。依托该水下装置可以将现有的海上油气集输流程简化为“油气田高压井流→管道在线气液分离器→海底气管道/液管道”，整个流程运行耗能显著下降；同时将油气分离设备由平台移至水下，有效解决常规技术设备占地面积和重量大等弊端；另一方面，两级轴流式的管道在线设计，实现水下水力停留时间短，分离效率高的高效分气处理，保障油田连续生产，同时提升海上油田尤其是深水油气田的经济效益。

发明内容

为了克服现有海上油气集输技术存在的缺陷和不足，并改善水下气液分离尚处于起步阶段的研究现状，本发明的目的是提供一种适合水下生产系统气液两相井流分气用的两级轴流式管道在线气液分离装置。该气液分离装置能够与海底管道有机结合，实现水下管道在线安装和运行，并依据U形的特殊结构和两级轴流的油气分离工艺，具备简化油气集输流程，降低集输流程耗能，结构紧凑，气液两相井流高效分气，气液比和井流量适应范围广，部件自清洗，远程自动控制，易于操作和维护等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种两级轴流式水下管道在线气液分离装置，主要由气液均混器、一级轴流器、二级轴流器、涤气平衡器和清洗管组成。高压气液两相井流由水下井口采油树管道进入气液均混器，依据旋向相反且分层的内外螺旋叶片破碎井流中的大气泡而形成气液均混流；气液均混流在均混筒下部设置的空间稳流后继续向下倾斜进入垂向一级轴流筒，经旋涡体形成倾角更小的旋涡流并绕一级轴流筒内壁旋转，旋涡场中依据离心加重力作用使气液初步分离，液相(油水)井流逐渐甩向筒壁并经筒壁锥面逐步增压后流入整流体，液相井流由旋涡流调整为流向与一级轴流筒轴线平行的均匀垂向流并经一级排液管流出，与此同时气相井流在一级轴流筒中央部位形成向下流动的气柱，经整流体中部的一级集气管进入二级轴流器，实现第一级垂向高速旋涡流气液分离，脱除大部分的液相(油水)井流。携带液流(油)的气相井流在二级轴流筒内缓冲和稳压后，经造旋管形成四股分层流型的气液混合旋转流并向左斜向切入水平轴流管，水平轴流管内旋转流分层高速旋转并水平向前推进，液相(油)井流逐渐甩向筒壁并经二级排液管流出，气相井流逐步运移至水平轴流管的中央部位并反向上升，经二级集气管进入涤气平衡器，实现第二级水平分层旋转流气液分离，脱除携带的剩余液相(油)井流。携带少量细颗粒油滴的气相井流在涤气平衡器内缓冲稳压和气液分离后，向上流动并经滤液体脱除剩余的细颗粒油滴，实现气液两相井流的彻底分离。

气液均混器的均混筒和均混进液管、一级轴流筒和一级排液管、二级轴流筒和二级排液管、涤气平衡器的涤气筒、排气管、压力安全阀接头和涤气排液管以及清洗管的材质均选用不锈钢316L，同时通体外覆玻璃钢，内衬金属陶瓷。一级轴流筒的下垂管段、二级轴流筒的左下部和右上部分别设置三通，依次与右衬套、下衬套和上衬套的外环面精密配合，右衬套、下衬套和上衬套的底端面采用圆柱面并分别与一级轴流筒和二级轴流筒的内表面处于同一柱面上，同时右衬套、下衬套和上衬套的顶部设置法兰盘通过双头螺柱依次实现一级轴流器与二级轴流器、二级轴流筒与二级排液管以及二级轴流器与涤气平衡器间的联接和密封。

气液均混器依据旋向相反的分层螺旋叶片破碎气液两相井流中的大气泡而形成气液均混流，防止段塞流和高气液比工况对气液分离效果的影响，并保证气液混合均匀后倾斜流出。气液均混器位于一级轴流器的顶部，它包括均混筒、外螺旋叶片、均混基体、内螺旋叶片和均混进液管。均混筒采用柱形筒体结构，通过其上端的法兰盘实现整个气液分离装置与水下井口采油树管道间的在线联接，下端的法兰盘实现气液均混器与一级轴流器间的联接，同时气液均混器与一级轴流器间通过金属垫片进行密封；均混筒腔体的中下部布置内外螺旋叶片，气液两相井流在腔体上部设置的空间稳流后进入螺旋叶片。均混基体的内表面和外环面分别布置内螺旋叶片和外螺旋叶片，外环面的上部采用圆锥面，保证井液顺利切入内外螺旋叶片上，避免产生局部涡流。均混进液管位于内外螺旋叶片的上部，通过法兰盘实现气液均混器与清洗管间的联接，在进行自动清洗作业时，化学药剂或者清洗液通过均混进液管进入气液均混器和一级轴流器，对其内的部件进行清洗。

内外螺旋叶片材料均选用超级双向不锈钢，垂向分层布置，共三层，层间螺旋叶片无缝连接且旋向相反，而同层内外螺旋叶片的旋向相同，由此高压气液两相井流受旋向相反分层螺旋叶片的剪切作用，逐步破碎井流中的大气泡，不断调整流动状态，保证气液混合均匀，最终形成气液均混流。而且，内外螺旋叶片的总高度相等且均等于均混基体外环面的高度，同时内外螺旋叶片同层的高度也相等且层间的轴向间距由上而下依次减小。此外，内外螺旋叶片沿圆周方向均匀排列而使得其整体呈现鼠笼式环状筒体，外螺旋叶片包含24～32个叶片而内螺旋叶片包含16～24个叶片，外螺旋叶片通过焊接而固定于均混筒和均混基体之间的环形空间，而内螺旋叶片通过焊接而固定于均混基体的内表面。内外螺旋叶片的轮廓线为沿均混基体的内表面和外环面展开的类螺旋线，轮廓线与水平面间的夹角由上而下依次减小，层间螺旋叶片的轮廓线首尾相连，由此井液可以在螺旋叶片中高速旋转获得更高的动能；内外螺旋叶片垂直于轮廓线的法面端面均设计为矩形，同时层间螺旋叶片法面端面的高度相等而各层螺旋叶片法面端面的宽度由上而下从零开始先逐渐增大而后不断减小，并在最底端再次收缩为一条直线，由此井流可以顺利切入各螺旋叶片上并在叶片上保持平稳。内外螺旋叶片上曲面的剖面线呈上凹下凸，且最底端的切线方向与水平面之间相垂直，同时下曲面的剖面线呈上凸下凹，且最顶端的切线方向与水平面之间相垂直而最底端的切线方向与水平面之间保持倾斜，保证井流经气液均混器整合后倾斜流出。

一级轴流器采用垂直单筒构造，依据旋涡场中的离心加重力作用实现第一级垂向高速旋涡流气液分离，脱除气液两相井流中大部分的液相(油水)，它包括旋涡体、一级轴流筒、整流体、一级集气管、右衬套和一级排液管，旋涡体和整流体的材质均选用超级双向不锈钢。旋涡体用来产生小倾角的垂向高速旋涡流，它由旋涡基体和旋涡齿组成，旋涡基体采用圆锥体和圆柱体相结合的结构，上锥体的锥度大于下锥体，而上锥体的高度小于下锥体，同时上锥体的锥顶与一级轴流筒的顶端面相平齐，上锥体用来保证气液均混流在内外螺旋叶片下部设置的空间稳流后继续向下倾斜引入旋涡齿上，而下锥体用来避免旋涡流经旋涡齿流出后在中央部位形成涡流以及气液分离后的气柱反向上升。旋涡齿沿旋涡基体的圆柱面垂向均匀排列，个数为8～12个，且旋涡齿的垂向长度等于旋涡基体圆柱体的高度。每个旋涡齿采用组曲齿体，旋涡齿线为沿旋涡基体圆柱面展开的螺旋线，旋向与内外螺旋叶片最底层轮廓线的旋向相同。而且，旋涡齿线起始点的切线与内外螺旋叶片最底层剖面线的最底端切线相平行，保证向下倾斜流动的气液均混流可以顺利切入旋涡齿间；旋涡齿线终点的切线与水平面间的夹角小于20°，保证气液均混流经旋涡体后形成倾角更小的旋涡流。旋涡齿的齿宽与齿间距相等，保证旋涡齿的刚度和强度，同时气液均混流经旋涡体时流道截面减小而形成高速旋涡流。此外，垂直于旋涡齿线的法面端面设计为拱形，拱形的高度先是逐渐增大而后保持不变，旋涡齿线顶端的拱形收缩为一条圆弧，拱形的两侧边加工成下凹的圆弧，该圆弧与旋涡基体圆柱面的结合处均保持相切，以保证旋涡基体圆柱面与旋涡齿面上形成连续而平稳的旋涡流。

一级轴流筒内旋涡流绕其内壁垂向旋转产生旋涡场实施气液初步分离。一级轴流筒采用柱形筒体结构，由上而下依次分为上垂管段、涡锥段和下垂管段，各管段的轴向间距依次增大；其中上垂管段内放置旋涡体，且二者的高度相等；涡锥段的内表面采用倒圆锥形，锥面大端直径等于上垂管段内表面的直径而锥面小端直径等于下垂管段内表面的直径；下垂管段通过圆周焊的方式实现一级轴流筒和一级排液管间的连接，下垂管段中上部放置整流体。旋涡流经旋涡体流出后绕上垂管段和涡锥段的内壁垂向高速旋转，液相(油水)井流逐渐甩向筒壁并经涡锥段锥面逐步增压后流入整流体，与此同时气相井流在一级轴流筒中央部位形成向下流动的气柱。

整流体用来将液相井流由旋涡流调整为流向与一级轴流筒轴线平行的均匀垂向流，它由四片整流叶片组成，整流叶片内侧沿一级集气管的外环面均匀排列，而其外侧通过过盈配合接于一级轴流筒下垂管段的内壁。每片整流叶片的齿线为沿一级集气管外环面展开的螺旋线，其螺距为旋涡齿旋涡齿线螺距的2～3倍，且旋向与旋涡齿旋涡齿线的旋向相同，整流叶片齿线底端四分之一螺距内各点的切线与一级轴流筒轴线相平行，以保证旋涡流的周向分速度逐渐降低，并最终调整为均匀垂向流，整流过程中液相井流的动能不断减小而流压逐步回升。每片整流叶片在垂直于齿线的法面端面为矩形，法面端面的高度为一级轴流筒下垂管段内径与一级集气管外环面直径间的差值，而法面端面的宽度由上而下逐渐增大，齿线起点处的法面端面收缩为一条直线，以保证旋涡流可以顺利切入整流叶片上并最终平稳流出。

一级集气管用来将一级分离后的气相井流换向后及时导入二级轴流器，它采用L形管式结构，其入口段采用圆锥形，锥面大端圆面与整流叶片起始端相平齐，其垂管段的高度大于整流叶片的长度，而水平段通过圆锥管螺纹与右衬套进行联接并实现密封。右衬套的内腔采用圆锥面，锥面大端直径等于二级轴流筒内表面直径，气相井流经右衬套后由于流道截面不断增大使得其流速逐渐降低而压力不断增大。一级排液管上接一级轴流筒，而下连海底液管道，用来将一级分离后的液相井流及时排出一级轴流器并送入海底液管道。

二级轴流器采用水平双筒构造，依据分层旋转流中的离心作用实现第二级水平旋转流气液分离，脱除气相井流携带的剩余液流(油)，它包括二级轴流筒、造旋管、水平轴流管、二级集气管、二级排液管和上下衬套，造旋管、水平轴流管和二级集气管的材质均选用超级双向不锈钢。二级轴流筒内携带液流的气相井流实现缓冲和稳压，它采用圆柱形水平筒体结构，右端部设置盲法兰，方便大修作业时二级轴流器各部件的更换与清洗；二级轴流筒内两个三通间的筒段同轴心水平布置有造旋管、水平轴流管和二级集气管。

造旋管用来将携带液流的气相井流向左斜向切入水平轴流管并形成四股分层流型的气液混合旋转流，它采用圆锥体和柱形筒体相结合的结构，圆锥体不断收缩的截面用来避免旋转流向右反向溢流以及二级分离后气相井流窜入造旋管右腔内；而筒体的右端设置等间距分层排列的射流孔，共三层，每层含有四至八个沿圆周方向均匀布置的射流孔，层间射流孔交错布置，保证形成多股分层旋转流；每个射流孔均与筒体腔壁相切，且射流孔的轴线与造旋管的轴线间呈70°～80°，保证气相井流向左斜向切入。

水平轴流管内气液混合旋转流分层旋转继续进行气液分离，它包括右旋锥段、直轴段、左旋锥段和换向段。右旋锥段和左旋锥段均采用圆锥形筒体结构，其锥体的高度依次减小而锥体的锥度依次增大，分别为3°和5°，以保证气液的高效分离；右旋锥段锥面小端圆面的直径和左旋锥段锥面大端圆面的直径与直轴段的内径相等，而左旋锥段锥面小端圆面的直径与换向段的内径相等，以保证分层旋转流的连续性；同时换向段出口通过圆锥管螺纹与下衬套进行联接并实现定位与密封。分层旋转流经造旋管筒体左端的腔壁水平向左推进，右旋锥段内增加的角动量使分层旋转流高速旋转，经直轴段短暂整合后进入左旋锥段进一步收缩，获得更大的角加速度，液相(油)井流逐渐甩向筒壁并经换向段调整为垂向流后排出，而气相井流逐步运移至水平轴流管的中央部位并反向上升。

二级集气管用来将二级分离后的气相井流再次换向后及时导出二级轴流器，它也采用L形管式结构，其入口段采用圆锥形，锥面大端圆面位于最左层射流孔的左侧，而锥面小端圆面位于造旋管左端面的右侧；其水平段位于造旋管腔内部分的外径收缩，以便于集气，而垂管段通过圆锥管螺纹与上衬套进行联接并实现密封。上衬套的内腔采用圆柱面，用来定位涤气平衡器的导气管；而下衬套的内腔采用圆锥面，锥面大端直径等于二级排液管的内径。二级排液管上接二级轴流筒，而下连海底液管道，用来将二级分离后液相井流及时排出二级轴流器。

涤气平衡器采用垂直双筒构造，用来实现携带少量油滴气相井流的缓冲稳压和彻底气液分离，它包括涤气筒、导气管、滤液体、排气管、压力安全阀接头和涤气排液管，导气管和滤液体的材质均选用超级双向不锈钢。涤气筒内携带少量油滴气相井流实现缓冲稳压，它采用圆柱形垂直筒体结构，其上部由上而下依次布置滤液体、压差变送器和压力安全阀接头，其中压差变送器和压力安全阀接头同高度对称放置，而涤气筒下部同高度对称布置液位差变送器和涤气排液管。涤气筒上方和下方的井流分布分别为携带液流的气相井流和涤气分液后的液相井流。涤气筒上方的气压等于导气管内气相井流的压力，而涤气排液管内流压等于涤气筒上方气压和下方液柱压差之和，并与二级排液管内的流压相等，由此实现涤气平衡器的压力平衡作用。二级分离后的液相井流经由二级排液管与涤气分液后的液相井流经由涤气排液管汇合后一起送入海底液管道。

导气管与涤气筒同轴心布置，用来将二级分离后携带少量油滴的气相井流由二级集气管导入涤气平衡器。导气管顶部盲端采用圆锥体，而其底端的圆柱面通过过盈配合与上衬套进行联接；其腔体中部环壁采用倒圆锥面，气相井流向上流动时由于流道截面不断增大使得其流速逐渐降低而压力不断增大。导气管上部腔壁等间距分层布置射气孔，分三层，每层四个射气孔沿圆周方向均匀排列；每个射气孔的轴线与水平面间均呈45°，且其内环壁采用圆柱面和圆锥面相结合的结构，气相井流经过射气孔的再次减速增压后向下斜射入涤气筒。同时，上层射气孔的高度低于压力安全阀接头，而下层射气孔的高度高于涤气筒下方的液位高度。

滤液体内气相井流所携带的少量油滴不断与捕液板表面碰撞和聚结，从而将细颗粒油滴彻底从气相井流中分离出来，并落入涤气筒内进行收集，它包括支撑环板和捕液板。支撑环板采用环形钢板，并通过双头螺柱实现涤气筒和排气管间的联接，支撑环板内环壁等间距排列条形支撑条，其剖面的上部为三角形而下部为矩形。捕液板通过焊接固定于支撑环板的支撑条下端面，形成一组流道曲折的分液组件，其整体呈圆柱体形而嵌于涤气筒内。每个捕液板采用类波纹板结构，由截面为L形的钢板焊接而成，相邻钢板间的夹角为100°；钢板焊缝处形成上下两个捕液槽，其槽宽相等且均为捕液板厚度的2～3倍，同时两捕液槽的槽口沿逆时针方向朝下排列。相邻捕液板的上捕液槽和下捕液槽垂向重叠排列，保证捕液板的每个折流处同时有两个捕液槽进行捕液，以提升滤液体的捕液效率。

排气管用来将涤气分液后的气相井流及时导出涤气平衡器，它包括收气段、排气三通和排气段，收气段采用柱体和锥体相结合的结构，其锥体外锥面的锥度大于内锥面的锥度，气相井液被压缩后经排气三通进入排气段；排气三通用来连接排气管和清洗管，排气段的内径等于收气段柱体的内径，同时其轴线与压力安全阀接头和涤气排液管的轴线相平行。

清洗管用来定期对气液分离装置的各部件自动进行清洗，它包括清洗主管和清洗支管，清洗主管采用一管两供的形式，通过清洗三通将化学药剂或清洗液分配给上下两清洗支管。上清洗支管通过法兰盘与均混进液管相联通，而下清洗支管通过排气三通与排气管相联通。

气液分离控制系统用来自动控制水下井口采油树管道内气液两相井流的流量并实现涤气平衡器压力的动态平衡和整个装置的自动清洗作业。一级排液管和二级排液管上均设置有压差变送器，通过监测水下井口采油树管道与一级排液管以及二级排液管间的压差，并经气电转换器将电信号转换成气信号，自动控制海底管道上气动控制阀的气动量，进而自动调整气液两相井流的流量。

涤气筒上部设置压差变送器而下部设置液位差变送器，通过监测涤气筒内的气压和井流液位，并将压差电信号经气电转换器转换成气信号，自动控制排气管和涤气排液管上气动控制阀的气动量，进而自动调整分液后气相井流和液相井流的压力，实现涤气平衡器压力的动态平衡。涤气平衡器内出现超压工况时，压力泄放阀会自动释放泄放气和涤气筒内的压力。

清洗管的上下两清洗支管上均设置有电磁控制阀和气动控制阀，气液分离控制系统通过监测上清洗支管与二级排液管以及下清洗支管与涤气排液管间的压差，并将高压差电信号经气电转换器转换成气信号，再由四向转换阀自动控制电磁控制阀实施清洗作业并控制气动控制阀的气动量，自动调整上下清洗支管的化学药剂流量。而在自动清洗作业完成时，低压差信号经气电转换器和四向转换阀自动控制电磁控制阀，实施先上清洗支管后下清洗支管的关断操作。另外，在出现高高压差信号或装置出现故障时，井口采油树管道上的紧急关断阀会自动关闭并停止气液两相井流的供给。

本发明所能达到的技术效果是，该气液分离装置与海底管道有机结合并融为一体，具备简化油气集输流程，降低集输流程耗能以及结构紧凑的特点；气液均混器依据旋向相反的分层螺旋叶片破碎气液两相井流中的大气泡而形成气液均混流，防止段塞流和高气液比工况对气液分离效果的影响；一级轴流器依据垂直单筒旋涡场中的离心加重力作用实现第一级垂向高速旋涡流气液分离，脱除气液两相井流中大部分的液相(油水)；二级轴流器依据水平双筒分层旋转流中的离心作用实现第二级水平旋转流气液分离，脱除气相井流携带的剩余液流(油)；涤气平衡器依据垂直双筒构造实现携带少量油滴气相井流的缓冲稳压和彻底气液分离；清洗管用来定期和自动实施清洗作业，实现气液分离装置各部件的自清洗；气液分离控制系统实现平台至水下系统的远程自动控制，自动控制海底管道内气液两相井流的流量使得井流量适应范围广，并实现涤气平衡器压力的动态平衡，使得整个装置易于操作和维护。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的两级轴流式水下管道在线气液分离装置的典型结构简图。

图2是两级轴流式水下管道在线气液分离装置中气液均混器的结构简图。

图3是两级轴流式水下管道在线气液分离装置中一级轴流器的结构简图。

图4是两级轴流式水下管道在线气液分离装置中二级轴流器的结构简图。

图5是两级轴流式水下管道在线气液分离装置中涤气平衡器的结构简图。

图6是两级轴流式水下管道在线气液分离装置中气液分离控制系统的流程图。

图7是两级轴流式水下管道在线气液分离装置的两级轴流式气液分离流程简图。

图8是两级轴流式水下管道在线气液分离装置的自动清洗作业流程简图。

图中1－气液均混器，2－一级轴流器，3－二级轴流器，4－涤气平衡器，5－清洗管，6－均混筒，7－均混基体，8－外螺旋叶片，9－内螺旋叶片，10－均混进液管，11－旋涡体，12－一级轴流筒，13－整流体，14－一级集气管，15－右衬套，16－一级排液管，17－二级排液管，18－下衬套，19－二级轴流筒，20－水平轴流管，21－造旋管，22－二级集气管，23－上衬套，24－排气管，25－滤液体，26－导气管，27－涤气筒，28－涤气排液管，29－压力安全阀接头。

具体实施方式

在图1中，两级轴流式水下管道在线气液分离装置由气液均混器1、一级轴流器2、二级轴流器3、涤气平衡器4、清洗管5和气液分离控制系统组成。气液均混器1、一级轴流器2、二级轴流器3和涤气平衡器4相互间通过法兰盘依次进行联接，联接后的整体呈现出U形的特殊结构，清洗管5通过法兰盘上连气液均混器1并通过排气三通下接涤气平衡器4。气液分离装置的入口通过气液均混器1的均混筒接于水下井口采油树的管道上，一级轴流器2的一级排液管、二级轴流器3的二级排液管和涤气平衡器4的涤气排液管通过法兰盘联接至海底液管道并将分离后的液相井流直接外输，涤气平衡器4的排气管通过法兰盘联接至海底气管道并将分离后的气相井流直接外输或者联接至立管而后将气相井流上输至平台作为电站、热站等用户的燃料。

在图1中，气液两相井流通过一级轴流器2和二级轴流器3进行两级轴流式的高效气液分离，气液分离装置的压力通过涤气平衡器4进行动态调整和平衡。气液均混器1和一级轴流器2的大小与海底管道的管径相一致，气液两相井流的处理量通过一级轴流器2和二级轴流器3的轴向长度进行调整。

在图1中，气液分离装置调试时，首先对整个装置进行液压试验和气密性试验，试验压力需达到设计压力的1.25倍；然后，依次检查设备接口是否连接正确，各电路连接是否完好；接着，检查装置中管线系统接头是否有泄露，是否畅通，以及各管线阀门的开关是否正确；最后，接通仪表气源，检查仪器表气源是否清洁、干燥。而气液分离装置维护时，依次检查二级轴流器3的二级轴流筒内是否有异物堆积，一级轴流器2的一级轴流筒12和二级轴流器3的水平轴流管20内壁是否有锈蚀，气液均混器1的内外螺旋叶片以及一级轴流器2的旋涡体和整流体表面是否有锈蚀，锈蚀厚度超过1mm时，需要进行更换；检查涤气平衡器4滤液体和导气管上的污垢，厚度大于3mm时，需要进行冲洗。

在图2中，气液均混流中大气泡的数量和大小及其均混度可以通过气液均混器1的外螺旋叶片8和内螺旋叶片9的层数和轮廓线与水平面间的夹角来调整，其中层数随气液比的增高和大气泡的增大而增多，同时层间螺旋叶片需无缝连接且旋向相反。内螺旋叶片9和外螺旋叶片8由内而外依次布置于均混基体7和均混筒6内，来自井口采油树的气液两相井流内大气泡依据旋向相反且分层的外螺旋叶片8和内螺旋叶片9的剪切作用而逐步破碎，流态不断调整后形成气液均混流。均混进液管10设置在均混基体7、外螺旋叶片8和内螺旋叶片9的上部，以保证化学药剂可以对各部件进行充分清洗。

在图3中，一级轴流器2内气液均混流经旋涡体11产生旋涡流的倾斜度通过调整旋涡齿上旋涡齿线终点切线与水平面间的夹角来实现，而所产生旋涡流的流速通过调整旋涡齿的齿间距来实现，另外一级分离后的气相井流量通过调整一级集气管14的管径来实现。一级轴流筒12中实施第一级垂向高速旋涡流气液分离，整流体13的整流叶片长度与一级轴流筒12的涡锥段高度相一致，并需保证旋涡流可以最终调整为均匀垂向流；一级排液管16输出一级分离后的液相井流，其出口管径依据最大液相井流量进行设计；一级集气管14输出一级分离后的气相井流，并经右衬套15减速增压后输入二级轴流器3。

在图4中，二级轴流器3内携带液流的气相井流分液率通过造旋管21上射流孔的层数、孔径和倾斜度进行调整，而携带液流的气相井流处理量通过造旋管21的管径和水平轴流管20的管径及其旋锥段的高度进行调整。二级轴流筒19内井流进行缓冲和稳压，其容积依据一级分离后的最大气相井流量进行设计；水平轴流管20中实施第二级水平旋转流气液分离，二级排液管17和下衬套18输出二级分离后的液相井流，其管道内径依据最大液相井流量进行设计；二级集气管22和上衬套23将二级分离后的气相井流输入涤气平衡器4。

在图5中，二级分离后的气相井流量通过二级集气管22和导气管26的管径以及涤气筒27上方的空间体积来调整，而涤气平衡器4内捕液后的液位高度通过导气管26和涤气筒27下方的长度来调整，另外涤气平衡器4内携带少量油滴的气相井流捕液率通过滤液体25的捕液板数量及其间距来调整。排气管24用来输出涤气分液后的气相井流，其管径依据最大气相井流量进行设计；涤气排液管28用来输出涤气分液后的液相井流并与二级排液管17输出的液相井流相汇合，压力安全阀接头29上设置压力泄放阀，用于超压工况时的紧急放气。

在图6中，气液分离控制系统通过压差变送器监测入口管道与一级排液管16和二级排液管17间的压差并经气动控制阀自动调整气液两相井流的流量；通过压差变送器和液位差变送器监测涤气筒27内的气压与液位并经气动控制阀实现涤气平衡器压力的动态平衡；通过电磁控制阀和气动控制阀并经四向转换阀自动实施清洗作业并自动调整上下清洗支管内化学药剂的流量。

在图7中，气液两相井流均匀混合流程为，高压的气液两相井流由水下井口采油树管道进入气液均混器1，在均混筒6上部设置的空间稳流后进入外螺旋叶片8和内螺旋叶片9，并高速旋转获得更高的动能，同时利用均混基体7内外旋向相反且分层的内螺旋叶片9和外螺旋叶片8的剪切作用，逐步破碎两相井流中的大气泡，不断调整井流的流动状态，保证气液混合均匀，最终形成气液均混流，并且多股整合后倾斜流出。

在图7中，气液分离装置的两级轴流式气液分离流程为，气液均混流在均混筒6下部设置的空间稳流后继续向下经旋涡体11的上锥体倾斜引入旋涡齿上，形成倾角更小的垂向高速旋涡流并绕垂向一级轴流筒12的内壁旋转，旋涡场中依据离心加重力作用使气液得到初步分离，液相(油水)井流逐渐甩向筒壁并经筒壁锥面逐步增压后流入整流体13的整流叶片上，液相(油水)井流由旋涡流调整为流向与一级轴流筒12轴线相平行的均匀垂向流并经一级排液管16流出，与此同时气相井流在一级轴流筒12中央部位形成向下流动的气柱，经整流体13中部的一级集气管14和右衬套15进入二级轴流器3，实现第一级垂向高速旋涡流气液分离，脱除气液两相井流中的大部分液相(油水)井流。携带液流(油)的气相井流经右衬套15减速增压后进入二级轴流筒19内缓冲和稳压，再由造旋管21形成四股分层流型的气液混合旋转流并向左斜向切入水平轴流管20，右旋锥段内增加的角动量使旋转流分层高速旋转，经直轴段短暂整合后进入左旋锥段进一步收缩，获得更大的角加速度，液相(油)井流逐渐甩向筒壁并经换向段调整为垂向流后由二级排液管17和下衬套18流出，而气相井流逐步运移至水平轴流管20的中央部位并反向上升，经二级集气管22和上衬套23进入涤气平衡器4，实现第二级水平分层旋转流气液分离，脱除携带的剩余液相(油)井流。

在图7中，携带少量油滴的气相井流经导气管26的射气孔进入涤气筒27并进行缓冲稳压和气液分离，气相井流向上流动，在经滤液体25时油滴不断与捕液板表面碰撞和聚结并彻底从气相井流中分离出来，然后落入涤气筒27内进行收集，涤气分液后的液相(油)井流经由涤气排液管28流出，而涤气分液后的气相井流由排气管24导出，由此实现气液两相井流的彻底分离。

在图7中，气液分离装置的动态压力平衡流程为，涤气平衡器4的涤气筒27上部设置压差变送器，监测导气管26和涤气筒27内的气压，并经气电转换器自动控制排气管24上气动控制阀的气动量，进而调整分液后气相井流的压力；与此同时，涤气筒27下部设置液位差变送器，监测涤气筒27内的井流液位，并经气电转换器自动控制涤气排液管28上气动控制阀的气动量，进而自动调整分液后液相(油)井流的压力，并保持涤气筒27上方气压和下方液柱压差之和始终与二级排液管17内的流压相等，从而实现涤气平衡器4压力的动态平衡。

在图8中，气液分离装置的自动清洗作业流程为，清洗管5通过气液分离控制系统监测上清洗支管与二级排液管17以及下清洗支管与涤气排液管28间的压差，并经气电转换器和四向转换阀自动控制电磁控制阀实施清洗作业且控制气动控制阀的气动量，自动调整清洗作业中上下清洗支管内的化学药剂或者清洗液的流量。自动清洗作业中，化学药剂通过清洗管5的清洗三通分配给上下两清洗支管，上清洗支管内的化学药剂经由均混进液管10依次对气液均混器1的均混筒6腔壁和外螺旋叶片8及内螺旋叶片9，一级轴流器2的旋涡体11、一级轴流筒12筒壁、整流体13的整流叶片和一级集气管14管壁，二级轴流器3的二级轴流筒19筒壁、水平轴流管20、造旋管21和二级集气管22的管壁进行清洗，洗后的清洗浊液分别由一级排液管16和二级排液管17排出；与此同时，下清洗支管内的化学药剂经由排气管24的排气三通分别对涤气平衡器4的滤液体25捕液板、涤气筒27筒壁以及导气管26管壁和射气孔孔壁进行清洗，洗后的清洗浊液由涤气排液管28排出。自动清洗作业完成时，气液分离控制系统将监测到的低压差信号经气电转换器和四向转换阀自动控制电磁控制阀，实施先上清洗支管后下清洗支管的关断操作。

在图8中，气液分离装置的自动清洗作业可以在气液两相井流停输的情况下进行，此时气液分离控制系统监测到高高压差信号或装置出现故障，水下井口采油树管道上的紧急关断阀自动关闭并停止井流供给。同时，气液分离装置的自动清洗作业也可以在气液两相井流正常输送的情况下进行，此时上清洗支管内的化学药剂经由均混进液管10与气液均混器1内的气液两相井流混合后，随气液分离流程对气液均混器1、一级轴流器2和二级轴流器3的各部件进行清洗，洗后的清洗浊液与分离后的液相井流一起由一级排液管16和二级排液管17排出；而下清洗支管内的化学药剂经由排气管24的排气三通对涤气平衡器4的各部件进行清洗，洗后的清洗浊液随涤气分液后的液相井流一起由涤气排液管28排出，由此可以实现不停产清洗作业。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种两级轴流式水下管道在线气液分离装置，能够与海底管道有机结合，实现水下管道在线安装和运行，并采用U形的特殊结构和两级轴流的油气分离工艺，其特征在于：

一气液均混器；所述均混基体的内表面和外环面分别布置内螺旋叶片和外螺旋叶片；内外螺旋叶片垂向分层布置，层间螺旋叶片无缝连接且旋向相反，而同层内外螺旋叶片的旋向相同和高度相等且层间的轴向间距由上而下依次减小；内外螺旋叶片沿圆周方向均匀排列而使得其整体呈现鼠笼式环状筒体，其轮廓线为沿均混基体的内表面和外环面展开的类螺旋线，轮廓线与水平面间的夹角由上而下依次减小，层间螺旋叶片的轮廓线首尾相连；

一一级轴流器；所述一级轴流器采用垂直单筒，旋涡齿沿旋涡基体的圆柱面垂向均匀排列，每个旋涡齿采用组曲齿体，旋涡齿线的旋向与内外螺旋叶片最底层轮廓线的旋向相同，旋涡齿的齿宽与齿间距相等；一级轴流筒各管段的轴向间距依次增大，涡锥段的内表面采用倒圆锥形；整流体由四片整流叶片组成，整流叶片齿线的螺距为旋涡齿线螺距的2～3倍，且旋向与旋涡齿线的旋向相同，整流叶片齿线底端四分之一螺距内各点的切线与一级轴流筒轴线相平行；一级集气管采用L形管式结构，右衬套的内腔采用圆锥面；

一二级轴流器；所述二级轴流器采用水平双筒，二级轴流筒内两个三通间的筒段同轴心水平布置有造旋管、水平轴流管和二级集气管；造旋管筒体的右端设置等间距分层排列的射流孔，每层含有四至八个沿圆周方向均匀布置的射流孔，层间射流孔交错布置；水平轴流管右旋锥段和左旋锥段均采用圆锥形筒体结构，其锥体的高度依次减小而锥体的锥度依次增大，分别为3°和5°；二级集气管采用L形管式结构，下衬套的内腔采用圆锥面；

一涤气平衡器；所述涤气平衡器采用垂直双筒，导气管腔体中部环壁采用倒圆锥面，上部腔壁等间距分层布置射气孔，每层四个射气孔沿圆周方向均匀排列；滤液体的支撑环板内环壁等间距排列条形支撑条，捕液板通过焊接固定于支撑环板的支撑条下端面，形成一组流道曲折的分液组件，每个捕液板采用类波纹板结构，由截面为L形的钢板焊接而成，钢板焊缝处形成上下两个捕液槽，槽口沿逆时针方向朝下排列；

一清洗管；所述清洗管的清洗主管采用一管两供的形式，上清洗支管通过法兰盘与均混进液管相联通，而下清洗支管通过排气三通与排气管相联通；

一气液分离控制系统；所述气液分离控制系统通过压差变送器和气动控制阀自动调整气液两相井流的流量，通过压差变送器和液位差变送器以及气动控制阀实现涤气平衡器压力的动态平衡，通过电磁控制阀和气动控制阀并经四向转换阀自动实施清洗作业。

2.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述均混筒腔体的中下部布置内外螺旋叶片，均混进液管位于内外螺旋叶片的上部；

气液两相井流均匀混合流程为，高压的气液两相井流由水下井口采油树管道进入气液均混器，在均混筒上部设置的空间稳流后进入外螺旋叶片和内螺旋叶片，并高速旋转获得更高的动能，同时利用均混基体内外旋向相反且分层的内螺旋叶片和外螺旋叶片的剪切作用，逐步破碎两相井流中的大气泡，不断调整井流的流动状态，保证气液混合均匀，最终形成气液均混流，并且多股整合后倾斜流出。

3.根据权利要求1或2所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述内螺旋叶片和外螺旋叶片的总高度相等且均等于均混基体外环面的高度，外螺旋叶片通过焊接而固定于均混筒和均混基体之间的环形空间，而内螺旋叶片通过焊接而固定于均混基体的内表面；

所述内螺旋叶片和外螺旋叶片垂直于轮廓线的法面端面均设计为矩形，同时层间螺旋叶片法面端面的高度相等而各层螺旋叶片法面端面的宽度由上而下从零开始先逐渐增大而后不断减小，并在最底端再次收缩为一条直线；

所述内螺旋叶片和外螺旋叶片上曲面的剖面线呈上凹下凸，且最底端的切线方向与水平面之间相垂直，同时下曲面的剖面线呈上凸下凹，且最顶端的切线方向与水平面之间相垂直而最底端的切线方向与水平面之间保持倾斜。

4.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述旋涡体的旋涡基体采用圆锥体和圆柱体相结合的结构，上锥体的锥度大于下锥体，而上锥体的高度小于下锥体，同时上锥体的锥顶与一级轴流筒的顶端面相平齐；

所述旋涡体的旋涡齿垂向长度等于旋涡基体圆柱体的高度，旋涡齿线为沿旋涡基体圆柱面展开的螺旋线，旋涡齿线起始点的切线与内外螺旋叶片最底层剖面线的最底端切线相平行，旋涡齿线终点的切线与水平面间的夹角小于20°；垂直于旋涡齿线的法面端面设计为拱形，拱形的高度先是逐渐增大而后保持不变，旋涡齿线顶端的拱形收缩为一条圆弧，拱形的两侧边加工成下凹的圆弧，该圆弧与旋涡基体圆柱面的结合处均保持相切；

所述一级轴流筒由上而下依次分为上垂管段、涡锥段和下垂管段，上垂管段内放置旋涡体，且二者的高度相等，涡锥段锥面大端直径等于上垂管段内表面的直径而锥面小端直径等于下垂管段内表面的直径，下垂管段的中上部放置整流体。

5.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述整流体的整流叶片内侧沿一级集气管的外环面均匀排列，而其外侧通过过盈配合接于一级轴流筒下垂管段的内壁；整流叶片在垂直于齿线的法面端面为矩形，法面端面的高度为一级轴流筒下垂管段内径与一级集气管外环面直径间的差值，而法面端面的宽度由上而下逐渐增大，齿线起点处的法面端面收缩为一条直线；

所述一级集气管的入口段采用圆锥形，锥面大端圆面与整流叶片起始端相平齐，其垂管段的高度大于整流叶片的长度；右衬套内腔的锥面大端直径等于二级轴流筒内表面直径；

所述一级轴流器实施第一级垂向高速旋涡流气液分离，脱除大部分的液相(油水)井流，其一级轴流式气液分离流程为，气液均混流在均混筒下部设置的空间稳流后继续向下倾斜进入垂向一级轴流筒，经旋涡体形成倾角更小的旋涡流并绕一级轴流筒内壁旋转，旋涡场中依据离心加重力作用使气液初步分离，液相(油水)井流逐渐甩向筒壁并经筒壁锥面逐步增压后流入整流体，液相井流由旋涡流调整为流向与一级轴流筒轴线平行的均匀垂向流并经一级排液管流出，与此同时气相井流在一级轴流筒中央部位形成向下流动的气柱，经整流体中部的一级集气管进入二级轴流器。

6.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述二级轴流筒采用圆柱形水平筒体结构，右端部设置盲法兰；

所述二级轴流器的造旋管采用圆锥体和柱形筒体相结合的结构，每个射流孔均与筒体腔壁相切，且射流孔的轴线与造旋管的轴线间呈70°～80°；

所述二级集气管入口段采用圆锥形，锥面大端圆面位于最左层射流孔的左侧，而锥面小端圆面位于造旋管左端面的右侧，其水平段位于造旋管腔内部分的外径收缩；上衬套的内腔采用圆柱面，下衬套内腔的锥面大端直径等于二级排液管的内径。

7.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述二级轴流器水平轴流管的右旋锥段锥面小端圆面的直径和左旋锥段锥面大端圆面的直径与直轴段的内径相等，而左旋锥段锥面小端圆面的直径与换向段的内径相等；

所述二级轴流器实施第二级水平分层旋转流气液分离，脱除携带的剩余液相(油)井流，其二级轴流式气液分离流程为，携带液流(油)的气相井流在二级轴流筒内缓冲和稳压后，经造旋管形成四股分层流型的气液混合旋转流并向左斜向切入水平轴流管，水平轴流管内旋转流分层高速旋转并水平向前推进，液相(油)井流逐渐甩向筒壁并经二级排液管流出，气相井流逐步运移至水平轴流管的中央部位并反向上升，经二级集气管进入涤气平衡器。

8.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述涤气筒上方和下方的井流分布分别为携带液流的气相井流和涤气分液后的液相井流；

所述涤气平衡器的导气管与涤气筒同轴心布置，导气管顶部盲端采用圆锥体；射气孔的轴线与水平面间均呈45°，且其内环壁采用圆柱面和圆锥面相结合的结构，上层射气孔的高度低于压力安全阀接头，而下层射气孔的高度高于涤气筒下方的液位高度；

所述排气管的收气段采用柱体和锥体相结合的结构，其锥体外锥面的锥度大于内锥面的锥度，排气三通用来连接排气管和清洗管，排气段的内径等于收气段柱体的内径；

所述涤气平衡器的气液分离流程为，携带少量油滴的气相井流经导气管的射气孔进入涤气筒并进行缓冲稳压和气液分离，气相井流向上流动，在经滤液体时油滴不断与捕液板表面碰撞和聚结并彻底从气相井流中分离出来，然后落入涤气筒内进行收集，涤气分液后的液相(油)井流经由涤气排液管流出，而涤气分液后的气相井流由排气管导出。

9.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述涤气平衡器的滤液体包括支撑环板和捕液板，支撑环板采用环形钢板，支撑条剖面的上部为三角形而下部为矩形；捕液板整体呈圆柱体形而嵌于涤气筒内，每个捕液板相邻钢板间的夹角为100°，钢板焊缝处捕液槽的槽宽相等且均为捕液板厚度的2～3倍，相邻捕液板的上捕液槽和下捕液槽垂向重叠排列，保证捕液板的每个折流处同时有两个捕液槽进行捕液；

所述气液分离装置的动态压力平衡流程为，涤气筒上部设置压差变送器，监测导气管和涤气筒内的气压，并经气电转换器自动控制排气管上气动控制阀的气动量，进而调整分液后气相井流的压力；与此同时，涤气筒下部设置液位差变送器，监测涤气筒内的井流液位，并经气电转换器自动控制涤气排液管上气动控制阀的气动量，进而自动调整分液后液相(油)井流的压力，并保持涤气筒上方气压和下方液柱压差之和始终与二级排液管内的流压相等。

10.根据权利要求1所述的两级轴流式水下管道在线气液分离装置，其特征在于：所述气液分离控制系统通过压差变送器监测水下井口采油树管道与一级排液管以及二级排液管间的压差，并经气电转换器将电信号转换成气信号，自动控制海底管道上气动控制阀的气动量，进而自动调整气液两相井流的流量；

通过压差变送器和液位差变送器监测涤气筒内的气压和井流液位，并将压差电信号经气电转换器转换成气信号，自动控制排气管和涤气排液管上气动控制阀的气动量，进而自动调整分液后气相井流和液相井流的压力，实现涤气平衡器压力的动态平衡；

通过监测上清洗支管与二级排液管以及下清洗支管与涤气排液管间的压差，并将高压差电信号经气电转换器转换成气信号，再由四向转换阀自动控制电磁控制阀实施清洗作业并控制气动控制阀的气动量，自动调整上下清洗支管内的化学药剂流量；而在自动清洗作业完成时，低压差信号经气电转换器和四向转换阀自动控制电磁控制阀，实施先上清洗支管后下清洗支管的关断操作。